北方地區(qū)農(nóng)村被動(dòng)式低能耗建筑設(shè)計(jì)思路分析

黃麗麗 高 峻 邵 敏 王 遜

(1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100000; 2.北京優(yōu)奈特燃?xì)夤こ碳夹g(shù)有限公司，北京 100000)

1 概述

我國(guó)是以煤為主要能源的國(guó)家。2017年我國(guó)一次能源消耗量為44.9億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤的比例占60.4%［1］。我國(guó)建筑運(yùn)行能耗一直維持在社會(huì)總能耗的20% ～25%［2，3］，但是建筑能源不能無(wú)限制的增長(zhǎng)下去，應(yīng)該有總量控制策略。建筑節(jié)能相關(guān)的研究數(shù)據(jù)表明，建筑能耗應(yīng)維持在社會(huì)總能耗的25%左右，以能源消耗量計(jì)算，大約在10億t標(biāo)準(zhǔn)煤［4］。北方城鎮(zhèn)建筑采暖和農(nóng)村生活用煤約為1.6億t標(biāo)煤/年，為建筑能源消耗的最大組成部分［4，5］。根據(jù)2010年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，農(nóng)村建筑商品能耗為1.77億 t標(biāo)煤/年，占建筑總能耗的26.1%，生物質(zhì)能(秸稈、薪柴)的消耗約折合1.39億t標(biāo)煤/年［4］。農(nóng)村地區(qū)用于生活用能的商品能耗逐漸上升，已經(jīng)成為我國(guó)建筑能耗中的重要部分。

在農(nóng)村生活用能改革的過(guò)程中，多數(shù)技術(shù)措施聚焦在能源種類的選擇和能源設(shè)備的改造上，其實(shí)，降低建筑能源需求應(yīng)該是首要的技術(shù)選擇。在最大限度的降低用能負(fù)荷的前提下，再通過(guò)高效的能源系統(tǒng)和清潔能源供應(yīng)，就能實(shí)現(xiàn)農(nóng)村建筑最大程度節(jié)能降耗。因此，被動(dòng)式的低能耗建筑應(yīng)該是農(nóng)村建筑的發(fā)展方向。

被動(dòng)式低能耗建筑首先通過(guò)利用被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)將建筑能耗需求降低至最低程度，然后通過(guò)可再生能源供應(yīng)建筑的機(jī)械采暖和制冷。低能耗建筑不僅僅在于降低建筑使用能耗，室內(nèi)環(huán)境的舒適性也是重要的一方面。在農(nóng)村地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平普遍低于城鎮(zhèn)，減少對(duì)于主動(dòng)式的機(jī)械采暖和制冷系統(tǒng)的依賴，依靠廉價(jià)的被動(dòng)式技術(shù)，更適合農(nóng)村地區(qū)的建筑節(jié)能現(xiàn)狀。目前，農(nóng)村建筑室內(nèi)環(huán)境的舒適性差，冬季采暖季的室內(nèi)溫度達(dá)不到要求，由燃煤帶來(lái)的室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重，采用被動(dòng)式低能耗建筑，不僅可以降低能耗，還可以提高室內(nèi)的舒適度，所以，被動(dòng)式低能耗建筑是農(nóng)村地區(qū)建筑的發(fā)展趨勢(shì)。

2 被動(dòng)式低能耗建筑設(shè)計(jì)思路

被動(dòng)式低能耗建筑的設(shè)計(jì)首先要從被動(dòng)式技術(shù)入手。在北方的農(nóng)村地區(qū)，被動(dòng)式技術(shù)主要包括建筑朝向的合理布置、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱技術(shù)、自然通風(fēng)設(shè)計(jì)以及太陽(yáng)能房屋等技術(shù)。

設(shè)計(jì)農(nóng)村地區(qū)的建筑時(shí)，考慮技術(shù)的可行性時(shí)，要充分考慮當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟(jì)條件，即是否能夠接受技術(shù)的利用成本。在農(nóng)村地區(qū)，技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)該是首要考慮的問(wèn)題，因?yàn)?，建筑建造過(guò)程中，農(nóng)村居民首先會(huì)考慮房屋的建造成本，一般情況下，由于缺乏建筑節(jié)能的理念和知識(shí)，建筑業(yè)主不會(huì)為了減少建筑運(yùn)行時(shí)的能耗需求而增加更多的建造投資，而在建筑運(yùn)行過(guò)程中，若建筑能耗過(guò)高造成能源消費(fèi)超過(guò)了承受范圍時(shí)，建筑業(yè)主寧愿犧牲建筑舒適性。在這種情況下，被動(dòng)式技術(shù)一定要因地制宜，同時(shí)，還需要考慮被動(dòng)式技術(shù)與主動(dòng)式技術(shù)的優(yōu)化。北方農(nóng)村地區(qū)的被動(dòng)式低能耗建筑設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 農(nóng)村地區(qū)被動(dòng)式低能耗建筑設(shè)計(jì)思路

3 被動(dòng)式技術(shù)

“被動(dòng)式”節(jié)能技術(shù)主要可以分為兩種方式，一是降低建筑本體的能量需求，即通過(guò)合理的建筑布局和建筑本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低建筑的采暖和制冷負(fù)荷，包括合理的朝向設(shè)計(jì)、有利于建筑通風(fēng)的布局和合理的窗墻比等技術(shù);另一種是降低建筑運(yùn)行時(shí)的用能，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱、遮陽(yáng)、被動(dòng)式太陽(yáng)房的設(shè)計(jì)、自然通風(fēng)設(shè)計(jì)等。與城鎮(zhèn)建筑不同，農(nóng)村地區(qū)的建筑大多數(shù)屬于獨(dú)棟獨(dú)院的自建房，在建筑的被動(dòng)式設(shè)計(jì)中，建筑師有更多的發(fā)揮空間，被動(dòng)式技術(shù)的應(yīng)用有更多的創(chuàng)造性。

3.1 建筑合理布局

目前，我國(guó)把建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村作為一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)，很多地區(qū)的農(nóng)村建筑設(shè)計(jì)都開始統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一建設(shè)，此舉為建筑的被動(dòng)式設(shè)計(jì)提供了很好的條件。建筑合理布局應(yīng)在建筑設(shè)計(jì)的初期就當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)條件提出設(shè)計(jì)方案，在技術(shù)上應(yīng)考慮建筑的朝向和建筑的間距，建筑的布局還應(yīng)為主動(dòng)式技術(shù)提供條件。

3.2 被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖

被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的關(guān)鍵一步是蓄熱在晝夜循環(huán)時(shí)可用于調(diào)整太陽(yáng)得熱過(guò)剩或不足，同時(shí)，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源，在太陽(yáng)能資源比較豐富的地區(qū)，這種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性比較好。

被動(dòng)式太陽(yáng)能房是比較廉價(jià)的太陽(yáng)能利用技術(shù)，適合在太陽(yáng)能資源豐富的北方農(nóng)村地區(qū)推廣。被動(dòng)式太陽(yáng)房利用太陽(yáng)的輻射能，建筑本身就是太陽(yáng)能的集熱器，不需要循環(huán)動(dòng)力設(shè)備，完全依靠建筑結(jié)構(gòu)造成的吸熱、隔熱、保溫、通風(fēng)等特性，來(lái)達(dá)到冬暖夏涼的目的。

3.3 自然通風(fēng)

在過(guò)渡季或夏季的夜晚，室內(nèi)需要降溫，而室外空氣溫度比室內(nèi)溫度低，這時(shí)可以充分利用自然通風(fēng)技術(shù)。通過(guò)合理的布局與形體設(shè)計(jì)，利用農(nóng)村地區(qū)建筑的傳統(tǒng)開窗、開門和天窗等優(yōu)勢(shì)，形成室內(nèi)空氣的自然流動(dòng)。自然通風(fēng)技術(shù)需要在建筑設(shè)計(jì)階段利用建筑布局、建筑通風(fēng)開口、太陽(yáng)輻射、氣候條件等來(lái)誘導(dǎo)自然通風(fēng)。自然通風(fēng)技術(shù)成本低，不需要額外的設(shè)備和動(dòng)力，特別適合在農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用。

3.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱

圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱技術(shù)是被動(dòng)式技術(shù)中最重要的技術(shù)類型，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)良好的保溫隔熱，可以大幅度減少建筑的能源需求，節(jié)能效果明顯。但是，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱技術(shù)成本較其他技術(shù)手段要高。目前，北方農(nóng)村地區(qū)的建筑很多都沒(méi)有保溫措施，或者即使有保溫層，其保溫效果也很難達(dá)到要求。城鎮(zhèn)建筑中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫技術(shù)體系已經(jīng)很完善，但是，由于經(jīng)濟(jì)性的原因，直接把城鎮(zhèn)建筑中的保溫技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)村建筑中并不合適。農(nóng)村地區(qū)應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，開發(fā)適合本地區(qū)的保溫產(chǎn)品和技術(shù)。

4 主動(dòng)式技術(shù)

主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)則指在主動(dòng)式技術(shù)中以優(yōu)化的設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高效的設(shè)備選用實(shí)現(xiàn)節(jié)能的技術(shù)。北方農(nóng)村地區(qū)的用能主要是冬季采暖，超低能耗建筑供暖供冷應(yīng)盡量減少使用一次能源，優(yōu)先利用可再生能源。北方農(nóng)村地區(qū)可替代燃煤的可再生能源主要有太陽(yáng)能和生物質(zhì)燃料，而空氣源熱泵可作為主要的供暖設(shè)備。

4.1 太陽(yáng)能采暖

太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)是指將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成熱能，供給建筑物冬季采暖的系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括集熱器、貯熱器、供熱采暖末端設(shè)備、輔助加熱裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)等。由于太陽(yáng)能熱水采暖系統(tǒng)比太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)投資較大，目前的推廣主要依靠政府資金補(bǔ)貼。

4.2 生物質(zhì)燃料

生物質(zhì)能源利用是替代燃煤一項(xiàng)重要的選擇。目前，大型生物質(zhì)鍋爐的能效已提高到80%，而在農(nóng)村地區(qū)的小型爐具的能效也只有20%～30%左右，提高小型爐具的能效是研究的一項(xiàng)重要方向。

4.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵可以實(shí)現(xiàn)供暖和制冷設(shè)備合一，冬季可以采暖，夏季可以供冷，而且不需要設(shè)置專門的設(shè)備機(jī)房，節(jié)省了建筑空間?？諝庠礋岜玫男阅軙?huì)隨室外氣候變化而變化，冬季室外溫度較低，空氣源熱泵的性能系數(shù)會(huì)降低，因此，空氣源熱泵可以與太陽(yáng)能和生物質(zhì)能結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)農(nóng)村地區(qū)用于生活用能的商品能耗逐漸上升，特別是北方地區(qū)農(nóng)村采暖能耗已經(jīng)成為我國(guó)建筑能耗中的重要部分，而北方農(nóng)村地區(qū)的散煤治理是處理北方霧霾問(wèn)題的關(guān)鍵。建設(shè)被動(dòng)式低能耗建筑是北方農(nóng)村地區(qū)建筑節(jié)能降耗的發(fā)展方向，可以為北方地區(qū)的霧霾治理起到重要作用。北方農(nóng)村地區(qū)的被動(dòng)式低能耗建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先考慮當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟(jì)條件，其次應(yīng)考慮技術(shù)的可行性和適用性。北方農(nóng)村低能耗建筑的被動(dòng)式技術(shù)主要有圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱技術(shù)、被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖、自然通風(fēng)和建筑優(yōu)化布局等技術(shù)措施，主動(dòng)式技術(shù)主要有太陽(yáng)能主動(dòng)式采暖、生物質(zhì)能和空氣源熱泵等技術(shù)。北方農(nóng)村只有實(shí)現(xiàn)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性綜合評(píng)價(jià)分析，才能讓低能耗建筑在北方農(nóng)村地區(qū)得以推廣。