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

□ 夏玉杰 肖瑞亞

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453002）

在城市化建設(shè)進(jìn)程的推動(dòng)下，一些農(nóng)村地區(qū)開(kāi)始模仿城市建筑方案，但是農(nóng)村地區(qū)的自然環(huán)境以及居住需求等與城鎮(zhèn)存在很大差異，一味地模仿城市建筑方案會(huì)導(dǎo)致其脫離實(shí)際需求。我國(guó)北方地區(qū)冬季較為漫長(zhǎng)，其氣溫寒冷，對(duì)于建筑保暖和取暖設(shè)施具有較高要求，農(nóng)村地區(qū)建筑取暖產(chǎn)生的資源消耗占有很大比重。為此，近些年來(lái)，被動(dòng)式低能耗建筑在北方農(nóng)村地區(qū)開(kāi)始使用。根據(jù)應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，被動(dòng)式低能耗建筑具有良好的應(yīng)用效果，能夠有效降低建筑資源消耗。

一、動(dòng)式低能耗建筑的應(yīng)用背景分析

一直以來(lái)，我國(guó)的能源消耗以煤炭為主，其中建筑運(yùn)行消耗的資源占據(jù)社會(huì)總資源的20%～30%，且一直以來(lái)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。按照建筑節(jié)能的研究結(jié)果來(lái)看，建筑能耗需要維持在25%左右，能夠滿足建筑運(yùn)行需求，同時(shí)降低資源消耗，25%的能耗以資源消耗量計(jì)算，需要控制在10億噸煤炭左右。我國(guó)北方城鎮(zhèn)和農(nóng)村的生活煤炭消耗約為1.5億噸/年，是建筑能耗消耗中占比最高的部分。2020年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)村建筑商品標(biāo)準(zhǔn)煤消耗約為1.77億噸/年，占據(jù)建筑能耗26%左右，且農(nóng)村地區(qū)的建筑能耗呈現(xiàn)逐漸遞增趨勢(shì)。近些年來(lái)，農(nóng)村地區(qū)的改革發(fā)展過(guò)程中，大部分技術(shù)升級(jí)與創(chuàng)新集中在能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及設(shè)備改造方面，對(duì)于降低建筑能耗的研究存在很大不足，實(shí)際上，建筑能耗占據(jù)農(nóng)村資源消耗較大比重，所以，為了促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)建筑能耗降低，必須開(kāi)展低能耗建筑設(shè)計(jì)，結(jié)合農(nóng)村地區(qū)的地理情況、氣候情況以及實(shí)際需求，在保證建筑質(zhì)量和使用舒適性、安全性的基礎(chǔ)上，需要積極開(kāi)展節(jié)能設(shè)計(jì)，從而減少農(nóng)村地區(qū)資源浪費(fèi)，提高農(nóng)村地區(qū)資源利用效率，滿足農(nóng)村地區(qū)發(fā)展需要。北方地區(qū)因?yàn)闅鉁睾洌瑸榱藵M足保溫的需要，一般會(huì)采用主動(dòng)取暖措施，但是主動(dòng)取暖措施需要消耗大量的煤炭資源，煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問(wèn)題，所以被動(dòng)式節(jié)能方案逐漸取得應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用效果。

二、被動(dòng)式技術(shù)的基本內(nèi)涵分析

（一）被動(dòng)式低能耗建筑基本理念

被動(dòng)式低能耗建筑是指不依靠機(jī)械力進(jìn)行節(jié)能，依靠高質(zhì)量的施工技術(shù)和建筑設(shè)計(jì)，減少建筑自身運(yùn)行對(duì)于能源的需求，更加注重資源二次利用，通過(guò)能耗優(yōu)化的科學(xué)整合和設(shè)計(jì)，達(dá)到降低能源消耗的節(jié)能目標(biāo)。被動(dòng)式低能耗建筑設(shè)計(jì)，首先需要從建筑內(nèi)部的布局出發(fā)，通過(guò)對(duì)建筑運(yùn)行能源消耗優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)提高建筑質(zhì)量的目的。因?yàn)楸狈睫r(nóng)村地區(qū)氣溫寒冷，取暖是其建筑設(shè)計(jì)需要考慮的主要方面，所以必須提高建筑保溫性能，如果建筑保溫性能能夠得到提高，那么維持室內(nèi)溫度需要消耗的能源總量就會(huì)減少。例如，在對(duì)農(nóng)村地區(qū)建筑布局進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，通過(guò)對(duì)其朝向的優(yōu)化，使其朝向太陽(yáng)輻射能量更多的南向，太陽(yáng)輻射則能夠提高建筑室內(nèi)溫度，從而減少煤炭資源消耗；通過(guò)對(duì)建筑窗墻比例的科學(xué)設(shè)計(jì)、改變通風(fēng)布局等方式，都能夠起到良好的保溫效果，使得建筑保溫性能提升，從而減少資源消耗。由此可見(jiàn)，所謂被動(dòng)式低能耗建筑，是一個(gè)與主動(dòng)式建筑相對(duì)的概念，主動(dòng)式建筑是通過(guò)利用電能、煤炭等方式，提高室內(nèi)溫度，從而滿足北方農(nóng)村地區(qū)居民冬季生活需求，而被動(dòng)式技術(shù)是通過(guò)提高建筑保溫性能，使建筑與外界熱量交換減少、延長(zhǎng)熱量保存時(shí)間的方式，減少其他用于提高室內(nèi)溫度能源消耗的一種方式，“被動(dòng)”地降低建筑運(yùn)行能源消耗。

（二）被動(dòng)式低能耗建筑設(shè)計(jì)思路

被動(dòng)式低能耗建筑需要從被動(dòng)式技術(shù)的基本要求出發(fā)，注重按照北方農(nóng)村地區(qū)實(shí)際情況開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。首先，北方農(nóng)村地區(qū)在應(yīng)用被動(dòng)式低能耗建筑時(shí)，需要充分考慮到地理環(huán)境因素和經(jīng)濟(jì)因素，明確技術(shù)可行性和資源需求量，充分做好前期調(diào)研工作。被動(dòng)式低能耗建筑對(duì)大部分北方地區(qū)都較為適用，但是不能脫離北方地區(qū)農(nóng)村的實(shí)際情況，如果該農(nóng)村所處區(qū)域冬季氣溫過(guò)于寒冷，而且又地形空曠、風(fēng)力較大、溫度較高等，采用被動(dòng)式低能耗建筑無(wú)法滿足農(nóng)村居民生活需求，那么為了保障農(nóng)村居民生活，依然需要采用主動(dòng)式技術(shù)。其次，被動(dòng)式低能耗建筑的設(shè)計(jì)主要通過(guò)對(duì)建筑朝向、布局以及材料等方面的優(yōu)化，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用自然通風(fēng)、自然保溫等方式，通過(guò)利用太陽(yáng)能技術(shù)減少其他化石能源的使用，達(dá)到節(jié)約能源的目的。再次，北方地區(qū)農(nóng)村大部分位于平原，冬季漫長(zhǎng)且寒冷，大規(guī)模保溫施工會(huì)增加建筑成本，所以需要充分考慮到被動(dòng)式低能耗建筑的施工建設(shè)成本，不能為了提高保溫效果而增加建設(shè)成本，否則，對(duì)于農(nóng)村居民而言，會(huì)提高其生活負(fù)擔(dān)，應(yīng)充分考慮到被動(dòng)式低能耗建筑的經(jīng)濟(jì)效益，從而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式低能耗建筑建設(shè)目標(biāo)。

三、北方地區(qū)農(nóng)村被動(dòng)式低能耗建筑有效設(shè)計(jì)方案

將被動(dòng)式低能耗建筑應(yīng)用于北方地區(qū)農(nóng)村，能夠起到良好的輔助作用，結(jié)合主動(dòng)式供熱，通過(guò)被動(dòng)式技術(shù)減少熱量損耗，從而減少能源消耗，但是需要準(zhǔn)確掌握被動(dòng)式低能耗建筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)，結(jié)合農(nóng)村地區(qū)實(shí)際情況，做好能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化、建筑布局設(shè)計(jì)等方式，充分發(fā)揮出被動(dòng)式技術(shù)在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)。為此，本文總結(jié)如下幾項(xiàng)有效的設(shè)計(jì)方案：

（一）充分利用太陽(yáng)光照

太陽(yáng)光照所產(chǎn)生的熱量，能夠用于北方地區(qū)農(nóng)村建筑中，提高建筑設(shè)備溫度，減少對(duì)煤炭燃燒的依賴。太陽(yáng)輻射能量的利用，主要可以分為如下兩個(gè)方面：（1）利用太陽(yáng)能取暖設(shè)備。太陽(yáng)能取暖設(shè)備是指利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生熱量的設(shè)施，可以將這部分設(shè)施安裝在建筑屋頂中，通過(guò)設(shè)備收集太陽(yáng)輻射，將其轉(zhuǎn)化為熱量以供建筑取暖使用，該類(lèi)型設(shè)備不需要循環(huán)動(dòng)力支持，依靠合理的建筑結(jié)構(gòu)布局則能夠提高實(shí)際保溫效果，所以需要加強(qiáng)太陽(yáng)能取暖設(shè)備的推廣與研發(fā)，提高太陽(yáng)能取暖設(shè)備利用率。（2）優(yōu)化建筑門(mén)窗玻璃設(shè)計(jì)。太陽(yáng)光照進(jìn)入建筑室內(nèi)需要通過(guò)門(mén)窗的玻璃，玻璃對(duì)于太陽(yáng)輻射能量的通過(guò)、吸收以及阻擋具有直接影響，所以，為了提高太陽(yáng)輻射能量利用率，提高室內(nèi)溫度，需要對(duì)門(mén)窗玻璃進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如太陽(yáng)反射玻璃、多功能鍍膜玻璃等，都能夠起到良好的效果。以多功能鍍膜玻璃為例，該玻璃材料能夠?qū)崿F(xiàn)較多的日光投射和較小的日光反射，從而將大部分可見(jiàn)光透射到室內(nèi)，同時(shí)又能夠?qū)⑹覂?nèi)物體的輻射長(zhǎng)波保留在室內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)能量更高效利用，所以多功能鍍膜玻璃在我國(guó)一些冬季氣溫較為寒冷的北方地區(qū)農(nóng)村建筑中使用較為廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)選擇性太陽(yáng)熱能吸收，從而將大部分熱量保留在室內(nèi)，在氣溫較低的環(huán)境中發(fā)揮出調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的作用，從而降低供暖設(shè)備的使用，也就減少了供暖設(shè)備使用的能源消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。圖1所示為常用的某種鍍膜玻璃。

圖1 某種常用鍍膜玻璃

（二）建筑墻體保溫設(shè)計(jì)

保溫不僅與光照具有直接關(guān)系，而且與建筑墻體的保溫效果也具有密切關(guān)系。我國(guó)北方地區(qū)農(nóng)村的建筑墻體設(shè)計(jì)厚度較大，其主要目的是減少設(shè)備與外部熱量交換，更厚的墻體能夠提高保溫效果，所以針對(duì)墻體保溫設(shè)計(jì)，需要從厚度、材料以及墻體結(jié)構(gòu)方面入手。首先，通過(guò)提高墻體厚度，能夠提高保溫效果，所以在北方地區(qū)農(nóng)村建筑設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)增加墻體厚度，但是增加墻體厚度會(huì)減少建筑內(nèi)部?jī)艨臻g，同時(shí)會(huì)增加施工成本，所以在應(yīng)用時(shí)需要充分考慮到實(shí)際需求。其次，通過(guò)對(duì)墻體材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高墻體保溫效果，例如可以采用巖棉板作為農(nóng)村建筑外墻的主要材料，巖棉板是一種較為優(yōu)質(zhì)且保溫效果較好的外墻保溫材料，具有保溫、防水、吸收噪聲以及防火的功能，是我國(guó)建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的保溫材料，且成本造價(jià)較低，相比于其他保溫系統(tǒng)中的保溫材料，可操作性較強(qiáng)，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。最后，可以通過(guò)對(duì)墻體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式，改變墻體結(jié)構(gòu)提高保溫效果。例如可以采用幕墻結(jié)構(gòu)，幕墻具有雙層結(jié)構(gòu)，分為明框和暗框兩個(gè)部分，明框是指安裝在建筑內(nèi)部空間的內(nèi)層幕墻，暗框則是安裝在建筑外部空間的部分，通過(guò)雙層墻體的設(shè)計(jì)，能夠在墻體之間構(gòu)造一個(gè)封閉的中間層，外部空氣流動(dòng)從外層幕墻的下端進(jìn)入，并從上端排出，這就形成了一個(gè)熱量緩沖層，當(dāng)室內(nèi)溫度與室外溫度差距過(guò)大時(shí)，能夠降低室外溫度對(duì)室內(nèi)溫度的影響，從而發(fā)揮出保溫的作用，將其應(yīng)用在北方地區(qū)農(nóng)村建筑中，能夠減少建筑物內(nèi)部空間的熱量排出和熱量損耗，將更多的熱量保存在于室內(nèi)空間中，由于雙層幕墻中間存在著相對(duì)獨(dú)立的空氣流動(dòng)空間，能夠?qū)ν獠繗饬鬟M(jìn)入起到阻擋作用，同時(shí)減少內(nèi)部熱量流失。圖2所示為某建筑的保溫墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖2 某建筑的保溫墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（三）被動(dòng)式低能耗建筑布局優(yōu)化

在應(yīng)用被動(dòng)式技術(shù)提高建筑節(jié)能性時(shí)，必須做好建筑結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)科學(xué)的布局設(shè)計(jì)，能夠有效提高保溫效果，從而減少主動(dòng)式取暖資源消耗。建筑布局需要根據(jù)北方地區(qū)農(nóng)村的地理環(huán)境、氣候條件等進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，在光照方面，北方地區(qū)農(nóng)村被動(dòng)式低能耗建筑的朝向需要以南向?yàn)橹鳎_保更多的光照能夠進(jìn)入室內(nèi)空間，結(jié)合相應(yīng)的門(mén)窗玻璃設(shè)計(jì)，能夠提高太陽(yáng)輻射能量利用率，同時(shí)南向的門(mén)窗玻璃可以適當(dāng)擴(kuò)大，從而提高光照接收面積。其次，北方地區(qū)農(nóng)村建筑設(shè)計(jì)需要考慮到其通風(fēng)效果，不能為了提高保溫而降低建筑通風(fēng)性，否則會(huì)影響室內(nèi)空氣流動(dòng)，夏季時(shí)會(huì)導(dǎo)致建筑室內(nèi)溫度過(guò)高，所以需要采用科學(xué)的布局方案對(duì)通風(fēng)效果進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)完善的自然通風(fēng)布局，對(duì)開(kāi)窗、開(kāi)門(mén)以及天窗進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣自然流動(dòng)的目的，從而減少暖通空調(diào)系統(tǒng)使用，減少外部動(dòng)力設(shè)備使用能源消耗，滿足被動(dòng)式低能耗建筑的節(jié)能需求。最后，北方地區(qū)農(nóng)村建筑設(shè)計(jì)需要按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一布局、統(tǒng)一建設(shè)的基本原則，按照當(dāng)?shù)貙?shí)際自然地理?xiàng)l件，提高農(nóng)村建筑布局統(tǒng)一性，當(dāng)某項(xiàng)節(jié)能技術(shù)實(shí)施時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)整體性優(yōu)化，從而達(dá)到節(jié)能設(shè)計(jì)目標(biāo)，是被動(dòng)式低能耗建筑設(shè)計(jì)需要考慮的重要內(nèi)容，為被動(dòng)式技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。

（四）能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化

能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指減少傳統(tǒng)化石能源的使用，積極利用可再生能源，減少傳統(tǒng)能源消耗。例如，可以采用空氣熱源泵技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)是當(dāng)前較為先進(jìn)的供暖技術(shù)，主要是利用高位能熱量從低位熱源空氣流向高溫?zé)嵩吹脑?，將土壤、空氣以及水中熱量轉(zhuǎn)化為高位熱源，從而達(dá)到供暖與制冷同步的目標(biāo)。在北方農(nóng)村地區(qū)的被動(dòng)式低能耗建筑設(shè)計(jì)中，可以加強(qiáng)空氣熱源泵技術(shù)的推廣，不需要建設(shè)專用機(jī)房，能夠節(jié)省大量的施工建設(shè)成本，滿足農(nóng)村居民對(duì)于建筑舒適性的需求?？諝鉄嵩幢每梢栽诒狈睫r(nóng)村地區(qū)的小戶型建筑中使用，不需要冷卻水系統(tǒng)，管道消耗較少，且不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，但是對(duì)于技術(shù)水平要求較高，所以需要結(jié)合農(nóng)村地區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，提高技術(shù)適用性，是促進(jìn)北方地區(qū)農(nóng)村被動(dòng)式低能耗建筑應(yīng)用效果提高的重要方式。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文闡述了我國(guó)北方地區(qū)農(nóng)村應(yīng)用被動(dòng)式低能耗建筑的背景，對(duì)被動(dòng)式技術(shù)以及其設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析，并提出了多項(xiàng)被動(dòng)式低能耗建筑的有效應(yīng)用方式和設(shè)計(jì)方案，希望能夠?qū)Ρ狈睫r(nóng)村地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)起到一定借鑒和幫助作用，促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)建設(shè)與發(fā)展。