寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑被動式節(jié)能設(shè)計策略

姚文勝 墨天華 劉旭梅 李靖軒

（河北建筑工程學(xué)院 河北張家口 075000）

引言

被動式建筑節(jié)能設(shè)計是通過非主動式機(jī)械耗能手段來降低建筑能耗的，具體體現(xiàn)在建筑方案設(shè)計中通過調(diào)節(jié)建筑的朝向、建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱技術(shù)等；當(dāng)周圍環(huán)境比較寒冷時，被動式節(jié)能建筑不需要應(yīng)用采暖設(shè)施，也能依靠建筑本身的維護(hù)結(jié)構(gòu)使得室內(nèi)保持一個相對適宜的溫度。相比于主動式采暖建筑，此類建筑具有能耗低、一體化、保溫隔熱性能比較強(qiáng)的特點(diǎn)。寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅是能耗大戶，因此發(fā)展寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅被動式節(jié)能建筑對于當(dāng)今面臨的資源短缺和環(huán)境污染問題具有重要的現(xiàn)實意義，是提高環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)人與自然和諧相處的重要手段。

1 寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅能耗調(diào)研

壩上地區(qū)是內(nèi)蒙古高原南端與華北平原北部相交的地方，地勢陡然升高，成階梯狀，故名“壩上”。海拔 1500～2100m，年平均氣溫 1.4～5℃，位處平原地帶，稍丘陵，草原面積大，多內(nèi)陸湖淖。地處高原，草原遼闊，太陽能豐富，壩上地區(qū)農(nóng)村冬季采暖期較長，住宅采暖主要依靠常規(guī)取暖能源煤炭，采用農(nóng)作物秸稈的柴薪作為輔助燃料，能源使用比較單一，能源利用率不高，常常會造成較大的資源浪費(fèi)和環(huán)境損害，房屋墻體不保溫，氣密性較差，冬季冷風(fēng)滲透嚴(yán)重，室內(nèi)只有幾攝氏度、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)多用240mm或者370mm的實心磚墻砌筑，且無外保溫結(jié)構(gòu)，造成的熱損失巨大，缺乏行之有效的供暖方針。

2 住宅建筑被動式節(jié)能設(shè)計策略

被動式節(jié)能住宅面臨的主要問題便是冬季采暖，其節(jié)能設(shè)計的核心便在于如何盡最大可能來地降低建筑的熱量損耗，以維持建筑內(nèi)部的熱環(huán)境，其關(guān)鍵技術(shù)措施主要有以下幾點(diǎn)：

2.1 增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能

2.1.1 墻體保溫措施

外墻結(jié)構(gòu)占據(jù)建筑本身全部外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的60%及以上，其能耗也接近建筑整體的半壁江山；外墻體的保溫節(jié)能設(shè)計，在于如何控制保溫隔熱系數(shù)，將保溫層布置在墻體結(jié)構(gòu)的外側(cè)，可以形成整體建筑結(jié)構(gòu)的有效保溫層，能夠降低外界環(huán)境如溫、濕度等對建筑本身采暖上的影響，從而降低熱橋現(xiàn)象的發(fā)生幾率，以此提高墻體的保溫性能，也可設(shè)置防水隔汽膜和防水透氣膜以防止冷凝受潮來保護(hù)保溫層；此外墻體的所有材料都必須具備良好的保溫性能，如苯板、金屬夾芯板、聚碳酸酯及酚醛等，針對住宅建筑本身的縫隙，則應(yīng)該做好特殊部位特殊加強(qiáng)處理，從而有效避免熱橋現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.1.2 門窗保溫措施

玻璃是建筑物室內(nèi)外熱交換最為活躍的部位，一些比較寒冷的地區(qū)其窗耗熱量在建筑總能耗的50%，在“被動式建筑”設(shè)計中，南立面要盡量利用窗戶和透明構(gòu)件，盡量多的接受太陽輻射熱，北立面的窗戶或者透明維護(hù)構(gòu)件要盡量減少，以降低窗墻比；Low-E中空玻璃這種高性能玻璃，空氣層寬度為12mm，其傳熱系數(shù)約為1.6W/（m2·K），是同等厚度的普通雙層中空玻璃的一半，因此，在農(nóng)村住宅建筑中，采用高性能玻璃能夠有效地降低建筑室內(nèi)外的熱傳導(dǎo)效應(yīng)。同時也可在玻璃的空氣層中充入惰性氣體來降低空氣層傳導(dǎo)、對流傳熱損失；除了玻璃的節(jié)能外，建筑的窗框也是能耗損失的重要部分?！氨粍邮浇ㄖ钡拇皯舸翱虻膫鳠嵯禂?shù)是普通窗框的1/2左右，被動式窗框的平均傳熱系數(shù)為0.8，一般木質(zhì)窗框的傳熱系數(shù)為1.9，一般塑鋼窗框的傳熱系數(shù)為2.5。所以熱工性能良好的窗戶必須要有良好保濕性能的窗框；條件好的住戶也可采用更為先進(jìn)的帶真空的高效保溫節(jié)能窗。

如果熱橋部位熱傳導(dǎo)能力過強(qiáng)，在損失大量熱量的同時，還會伴隨著造成局部發(fā)霉、結(jié)露。窗洞口與窗框的連接處也比較容易形成熱橋，窗戶結(jié)合外墻設(shè)計采用斷橋鋁合金窗框加中空玻璃，重點(diǎn)加強(qiáng)窗洞口與窗框在連接處斷橋的節(jié)點(diǎn)處理，可以通過提升窗戶的制作安裝精度和安裝窗戶密封條等方法，使門窗的氣密性得到盡可能的提高，以降低室內(nèi)外冷空氣的對流滲透程度。

2.1.3 屋面保溫措施

倒置式屋面的設(shè)計方法具有很好的節(jié)能效果。以擠塑板為保溫材料，將其置于屋面防水層之上，采用粘貼或干鋪的方式施工，表面直接澆筑混凝土或采用卵石做保護(hù)，具有高效節(jié)能、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)；倒置式屋面方法的采用，使屋頂面層結(jié)構(gòu)防水層免受溫度變化差異、紫外線和外界撞擊的破壞，將建筑屋面構(gòu)造中保溫層與防水層倒置，將防水層置于保溫層的下部，這就要求保溫層的材料具有一定的憎水性，此舉在降低造價同時，而且還會防止防水層面因受熱干擾而導(dǎo)致變形，從而延長防水層的使用時間。同時這是一種保護(hù)防水層的理想屋面保溫系統(tǒng)，屋面平均傳熱系數(shù)為0.7W/（m2·K）。

2.2 采用合理的建筑布局

2.2.1 優(yōu)化建筑體型系數(shù)

體形系數(shù)是影響住宅建筑節(jié)能的首要因素，節(jié)能設(shè)計的第一步便是選擇適宜的建筑體形系數(shù)，建筑外表接觸面積會隨著體形系數(shù)的減小而變小，通過查閱相關(guān)系數(shù)資料規(guī)范可得，當(dāng)體型系數(shù)每增加1%，就會增加2.5%的建筑熱能耗指標(biāo)；夏季制冷耗能以及冬季制熱耗能越小，就說明住宅越節(jié)能。壩上地區(qū)農(nóng)村住宅建筑體型系數(shù)應(yīng)該小于0.3，建筑形體應(yīng)做到形態(tài)簡單，避免較多的裝飾凹凸，有利于建筑節(jié)能；同時為了減少寒冷季節(jié)北風(fēng)的直接影響，北墻應(yīng)較為封閉，南墻可適當(dāng)?shù)淖鲩_敞處理；也可利用門斗、中庭等過渡空間可以進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)中和，從而降低建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失。在建筑設(shè)計初期階段需要采用“切薄”的建筑體塊處理手法，要始終控制農(nóng)村住宅建筑的進(jìn)深深度不超過15m。超過15m的空間，即使使用雙面開窗通風(fēng)策略也不能有效的使室內(nèi)外的通風(fēng)得到很好的改善。

但是也不能過分追求建筑本身體形系數(shù)，當(dāng)與建筑功能發(fā)生矛盾沖突時，設(shè)計者應(yīng)該在兼顧體形系數(shù)達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的情況下，采用其他的節(jié)能方法來降低建筑本身的能耗。

2.2.2 改善建筑自然通風(fēng)

自然通風(fēng)是夏季制冷的有效辦法，設(shè)計根據(jù)壩上地區(qū)的風(fēng)向、風(fēng)速，最大可能地組織夏季自然風(fēng)、穿堂風(fēng)，另外，門窗的朝向應(yīng)盡可能的避開寒冷季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向，即使避免不了，也應(yīng)當(dāng)在北向設(shè)置一個門斗，形成空氣緩沖區(qū)域，以此提高建筑本身的保溫性能。設(shè)計者也應(yīng)結(jié)合場地冬、夏季自然風(fēng)的風(fēng)向來進(jìn)行方案平面設(shè)計，通過最有利的主導(dǎo)風(fēng)向，建筑物的迎風(fēng)面與背風(fēng)面會因此形成一定的風(fēng)壓差，促使建筑自然通風(fēng)。此外，還可以再根據(jù)立面上的的風(fēng)壓分布情況，來進(jìn)行適宜的平面布局設(shè)計。

組織通風(fēng)也可利用豎井進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用煙囪本身具有的拔風(fēng)作用來進(jìn)行有組織通風(fēng)。豎井設(shè)置玻璃天窗，當(dāng)太陽輻射到玻璃天窗上，會促使豎井內(nèi)的溫度升高，導(dǎo)致熱空氣的密度降低而上升，在熱壓的作用下發(fā)生空氣流動，進(jìn)風(fēng)口是建筑的門窗，因為門窗與玻璃天窗之間存在高度差，高度差會產(chǎn)生風(fēng)壓，因此在風(fēng)壓、熱壓的耦合作用下，便會促使自然通風(fēng)的流動。

3 結(jié)語

處于不同氣候環(huán)境下的被動式住宅設(shè)計，其核心目的是相同的，但是細(xì)節(jié)上需要根據(jù)實際情況進(jìn)行改動。被動式建筑節(jié)能設(shè)計是方法而不是建筑風(fēng)格；歐洲地區(qū)關(guān)于被動式建筑設(shè)計有較多可供借鑒的地方，尤其是用于外墻保溫，窗戶結(jié)構(gòu)和通風(fēng)上，但是只單純復(fù)制這些到完全不同的氣候條件下是行不通的，因為每個國家都有自己獨(dú)特的建筑風(fēng)格，每個地區(qū)都有自己獨(dú)特的氣候特點(diǎn)。因此，被動房的具體解決方案必須是建立在國家和氣候上的思考，不僅在被動式技術(shù)上與本土的風(fēng)蘊(yùn)相結(jié)合；創(chuàng)造被動式建筑的獨(dú)特特色，才使被動式建筑走得更遠(yuǎn)。資金來源：2018年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“寒冷地區(qū)節(jié)能綠色建筑創(chuàng)新探析”（201810084021）。