冀西北地區(qū)農(nóng)村被動式節(jié)能技術應用分析研究

高 紅 袁小茜 肖朔晨 王曉榮 賈慧慧 張東林 劉月君

(1.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000;2.秦皇島廣建工程項目管理有限公司,河北 秦皇島 066000)

0 引 言

我國農(nóng)村地區(qū)能源消耗較大，農(nóng)村住宅耗能占全國能耗的14%.能源消耗的背后伴隨著環(huán)境的污染，農(nóng)村住宅碳排放占比為23%[1].因此，減少農(nóng)村地區(qū)能源消耗、降低有害污染物的排放勢在必行.

在冀西北農(nóng)村地區(qū)，最好的節(jié)能減排途徑是降低居民住宅自身的能耗需求.目前，冀西北地區(qū)農(nóng)村居民建筑室內(nèi)環(huán)境的舒適性較差，在冬季采暖期，以燃燒煤炭的采暖方式不僅使得室內(nèi)空氣質量降低，且燃燒產(chǎn)生的溫度不足以達到人們室內(nèi)活動的需求；在炎熱的夏季，室內(nèi)通風不夠，使得室內(nèi)悶熱，空氣質量較差.在此背景下，將被動式節(jié)能技術運用到農(nóng)村建筑上就顯得尤為重要，它既可以做到降低農(nóng)村住宅自身能耗的需求[2]，又可以提高居民居住的舒適程度[3]，在環(huán)境保護上也起著重要作用.所以，運用被動式節(jié)能技術的農(nóng)村住宅是冀西北農(nóng)村地區(qū)住宅未來的發(fā)展趨勢.

1 被動式節(jié)能技術在冬季采暖的應用

被動式建筑節(jié)能技術是以非機械電氣設備介入降低建筑能耗的節(jié)能技術[4]，包括在建筑規(guī)劃設計階段根據(jù)當?shù)厍闆r考慮建筑朝向及布局、外圍護結構的保溫隔熱、利用太陽能等可再生能源的設計、利用自然通風的建筑物開口設計[5]等，以此來降低建筑物所需的能耗、提高室內(nèi)的熱舒適性、減少污染物的排放.對于冀西北地區(qū)而言，被動式節(jié)能農(nóng)村住宅面臨的主要問題是冬季采暖，本文將從以下四個方面考慮如何盡最大可能來降低建筑物的熱量損耗，以維持其室內(nèi)的熱環(huán)境.

1.1 建筑物朝向及布局

建筑物的朝向及布局是建筑非常重要的一部分，它對建筑物未來的使用和節(jié)能有著直接影響.在設計階段需要因地制宜，結合當?shù)鼐唧w環(huán)境，如地理位置、氣候條件、可再生資源等多種因素，還需適應農(nóng)村的生產(chǎn)方式和農(nóng)民生活習慣，爭取既保持建筑物有充足的日照時間，又具有良好的通風效果.

在建筑節(jié)能的設計上，最重要的一點就是建筑物的體形系數(shù).有關資料顯示，通過圍護結構的傳熱耗熱量與傳熱面積成正比，當體型系數(shù)每增加1%，就會增加2.5%的建筑熱能耗指標[6].由此可知，建筑物耗熱量隨體形系數(shù)的增大而增大，所以要想降低建筑物的耗熱量，就需要在設計階段降低建筑物的體形系數(shù).

在設計階段考慮太陽能的利用.在冀西北地區(qū)，太陽能資源豐富，在建筑初期的設計階段應結合太陽能資源的利用提出設計方案，考慮到冬季采暖期室外溫度低，設計方案時應注重建筑物朝向的選擇，盡量提高建筑物的光照時間.對于被動式利用太陽能的建筑來說，主要是將建筑物的南面作為集熱面來集取熱量，因此需要加大南側的集熱面，以此來降低冬季采暖期的煤炭消耗，同時減少有害氣體的排放.

1.2 外圍護結構保溫隔熱

外圍護結構保溫隔熱技術是被動式技能技術中最重要的一類技術.當住宅建筑具有保溫隔熱能力較強的圍護結構，就可以極大的減少住宅建筑對能源的需求，具有明顯的節(jié)能效果[7].目前，冀西北農(nóng)村住宅的外圍護結構大多沒有特殊的保溫措施，即使一些住宅設有保溫層，保溫效果也很難滿足居民的需求.因此，提高冀西北地區(qū)農(nóng)村住宅外圍護結構的保溫隔熱能力是勢在必行的.下面將從外墻、屋面、門窗三個方面考慮提高建筑物保溫隔熱：

(1)外墻

外墻是農(nóng)村住宅重要的圍護結構之一，其保溫隔熱技術措施主要從以下兩個方面考慮：一是墻體的厚度.墻體的保溫隔熱性能與自身厚度成正比關系，有關研究表明，當把240 mm厚的磚墻替換為370 mm厚磚墻，減少30%的外墻散熱量，顯著提高保溫能力.二是增加外墻保溫隔熱層.這個措施主要在于降低傳熱系數(shù)，提高墻體的熱阻，以此提高墻體的保溫能力.外墻傳熱系數(shù)與農(nóng)村住宅的保溫性能成正比，傳熱系數(shù)越小則意味著建筑物散熱越慢，從高溫流向低溫的熱量越少，保溫性能也就越好.

考慮到冀西北地區(qū)農(nóng)村住宅所處的地理位置、環(huán)境條件等實際情況，可以采用復合型保溫構造.復合型保溫構造形式主要是將保溫材料設置在墻體外側，形成保溫層，例如可以將聚苯板粘貼在墻體外側，再將玻璃纖維網(wǎng)設置在外側，起到保護作用，如圖1所示.這種保溫形式降低了外墻的傳熱系數(shù)，提高建筑物保溫性能，減少采暖期能耗，增加室內(nèi)的熱舒適性，同時起到保護外墻的作用，在實際中應用較多.

圖1 外墻做法

(2)屋面

屋面作為重要的散熱部位，在冀西北農(nóng)村地區(qū)并沒有得到足夠的重視，目前該地區(qū)大多采用現(xiàn)澆混凝土平屋頂，很少加設保溫層和隔熱層.對于屋面的保溫節(jié)能措施主要從以下兩個方面來考慮：

一是屋面的形式.倒置式屋面的設計方法具有較好的節(jié)能效果，其簡單的結構形式如圖2所示.它是將憎水性保溫材料設置在防水層上的屋面形式，既減少熱量通過屋面散失又增加防水層的使用壽命.對于保溫材料的選擇，可以采用擠塑板，利用粘貼或干鋪的方式施工，并將混凝土直接澆筑的表面，該做法適合上人屋面，具有經(jīng)久耐用、安全可靠的優(yōu)點.

圖2 倒置式屋面結構形式

二是吊頂?shù)膽?冀西北農(nóng)村住宅可以考慮利用輕質保溫材料來設置吊頂層，在屋頂和吊頂之間增加一個空氣層，既能提高住宅屋頂熱阻，起到一定的隔熱作用，減少熱量的散失，又減少了冬季煤炭等能源的供暖消耗.對于冀西北農(nóng)村地區(qū)來說，保溫材料可以選用聚苯板、膨脹珍珠巖等，造價較低，工藝較簡單，適合在該地區(qū)應用.

(3)門窗

對于門窗的保溫隔熱措施主要從三個方向來考慮：

一是窗墻比，它影響著窗的具體尺寸.窗墻比要根據(jù)房間的實際大小來決定，窗戶太小會影響房間的通風和采光，太大又容易失熱，影響室內(nèi)的熱舒適性.冀西北農(nóng)村地區(qū)冬季需要最大程度利用太陽能，因此在建筑物結構允許的情況下結合當?shù)貤l件考慮加大南向窗戶的面積，適當開設東西向窗，以此來利用更多的太陽能.有研究表明，一般情況下，南向窗墻面積比應不大于35%.此外，窗的具體位置還應避免對著冬季主導風向，以免熱量散失過多，降低室內(nèi)溫度.對于門的位置而言，外門宜布置在農(nóng)宅南側，建議北側不要設置外門.外門不適合與室溫需求較高的房間相連.例如主臥直接相連，避免冬季冷空氣直接進入房間，導致室內(nèi)溫度下降，影響室內(nèi)熱舒適性.

二是材質.在材質方面最好選擇傳熱系數(shù)小、氣密性好的門窗，以此來減少室內(nèi)熱量的散失，從冀西北農(nóng)村地區(qū)實際情況來看，宜選擇鋁合金和PVC型材的中空玻璃窗、Low-E玻璃窗等，與冀西北農(nóng)村地區(qū)目前使用的單片透明玻璃相比，這幾種玻璃的窗戶傳熱系數(shù)較低，熱損失顯著下降，具有較好的保溫隔熱與隔聲特性；與市面上被動式超低能耗的“三玻兩中空”的窗戶相比，這幾種窗戶造價較低，更適合在冀西北農(nóng)村地區(qū)推廣.

三是氣密性.在冬季，冷空氣容易通過氣密性差的門窗滲入室內(nèi)，降低室內(nèi)溫度，增加冬季采暖期的負荷，加大能源的消耗，污染室內(nèi)外環(huán)境.在安裝門窗時，可以考慮在縫隙處填充如密封條、密封膠等保溫材料，或采用其他擋風設施，以此來提高門窗的氣密性，減少室內(nèi)熱量的散失，降低能耗.

1.3 被動式太陽能利用技術

被動式節(jié)能技術中，對于太陽能的利用是及其重要的.冀西北地區(qū)太陽能資源十分豐富，屬于太陽能輻射Ⅱ類區(qū)域.因此，在冀西北農(nóng)村地區(qū)住宅中推廣被動式太陽能利用技術，十分符合當?shù)貧夂蛱攸c，且太陽能相對于其他能源價格較低，更適應當?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟技術水平.

在太陽能利用方面，主要考慮通過對南向外墻的設計盡量使得太陽能有更充分的利用，以此來提高住宅冬季室內(nèi)溫度.結合農(nóng)村住宅特征的被動式太陽能利用技術主要分為直接受益式、集熱墻式、附加陽光間式三種方法[8]，這三種方法各有優(yōu)劣.

直接受益式是利用南向窗戶直接接收太陽能輻射[9].其優(yōu)點是簡單，它是最簡單的被動式太陽能利用技術，缺點是溫度下降快、室內(nèi)溫度波動幅度較大等.

集熱墻式是利用南向墻體進行集熱蓄熱的被動式太陽能利用形式，這種形式的優(yōu)點是滿足冬季供暖的同時減少了空間的占用.

附加陽光間式是直接受益式與蓄熱集熱墻式的集合，在房屋南側加一個陽光間[10]，原理與集熱墻式相同，加大了南向玻璃與墻體之間的距離，形成一個可以活動的空間，其簡單做法形式如圖3所示.這種形式的優(yōu)點是溫度波動程度降低，為冬季提供了可以活動的空間，缺點是造價較高.

圖3 附加陽光間式住宅簡單示意圖

從經(jīng)濟性、節(jié)能效果、改造方便程度等方面來看，在冀西北農(nóng)村地區(qū)較為可行的是集熱墻式和附加陽光間式.

1.4 其他

地面作為建筑物的圍護結構之一，其保溫能力極易被人們忽視，事實上地面是否保溫對人的冷熱感覺影響很大.冬季受室外溫度的影響，在建筑物外墻內(nèi)側0.5～1.0cm范圍內(nèi)，地面熱量通過該區(qū)域傳遞到室外的低溫土壤，降低室內(nèi)溫度，增加供暖能耗[11].冀西北農(nóng)村地區(qū)地面做法簡單，一般分為泥土地面、磚砌地面、混凝土地面，基本未針對地面考慮保溫措施，放任熱量散失.因此為地面增設保溫措施是十分必要的.

地面的被動式節(jié)能技術上主要考慮地面保溫的設置，在與室外低溫土壤直接接觸的農(nóng)村住宅外墻內(nèi)側地面應設置保溫層，保溫材料可選擇爐渣、聚苯板等.以此來加強地面的儲熱能力，減少熱量的散失.該措施的費用較低，可行性較高，適合在冀西北農(nóng)村地區(qū)應用.

2 被動式節(jié)能技術在夏季降溫的應用

2.1 自然通風的應用

自然通風是建筑物夏季降溫的有效方法，成本較低，不需要額外的設備輔助降溫，非常適合在冀西北農(nóng)村地區(qū)應用.

要想達到非主動式降低室內(nèi)溫度，在設計時就需要利用冀西北農(nóng)村地區(qū)建筑的太陽輻射、氣候條件等地理優(yōu)勢，結合建筑物的設計布局、通風開口等形式利用風壓分布來誘導自然通風，形成室內(nèi)空氣的自然流動.例如，著重考慮夏季主導風向，以及風壓分布情況，在平面設計選擇窗戶朝向時，應在考慮日照的同時注意主導風向[12]，根據(jù)冀西北地區(qū)的具體風向、風速等因地制宜，最大可能地利用夏季自然風.此外，每個房間都可以考慮設置外窗，便于空氣對流，形成穿堂風，當室外溫度比室內(nèi)溫度低時，這種方式可以使得夏季或過渡季的室內(nèi)溫度有效降低.

2.2 其他

考慮在屋頂涂刷反射隔熱涂料或者采用百葉板遮陽棚、淺色裝飾面，以此來減少屋面太陽輻射得熱，使得屋頂外表面的溫度和上層房間的熱負荷大大降低.種植屋面是改善屋面熱工性能的手段之一，其隔熱效果較好，具體方式可以采用種植藤蔓類植物直接遮擋部分太陽輻射，既能改善屋面隔熱性能，又具有一定的美化作用，其缺點是成本相對較高.

3 總結與展望

在我國建筑能耗中，北方農(nóng)村地區(qū)在采暖期的能源消耗是重要組成部分.因此，在冀西北農(nóng)村地區(qū)推廣采用被動式節(jié)能技術的住宅是該地區(qū)節(jié)能降耗減排的發(fā)展趨勢.冀西北地區(qū)農(nóng)村可以采用的被動式節(jié)能技術主要體現(xiàn)在建筑物朝向及布局、外圍護結構保溫隔熱、被動式太陽能利用技術、自然通風、其他幾個方面.將被動式節(jié)能技術和當?shù)氐臍夂驐l件、地理環(huán)境、經(jīng)濟條件相結合，其可操作性強、易于掌握和實現(xiàn)的特點可以有效降低冀西北地區(qū)農(nóng)宅能耗，提高農(nóng)宅室內(nèi)舒適度，減少農(nóng)村空氣污染，適合在冀西北地區(qū)農(nóng)村進行使用和推廣.