冀南農宅適宜被動式設計關鍵技術研究
——以邢臺地區為例

李 偉，陶寒星（天津城建大學 建筑學院，天津 300384）

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建筑與規劃

冀南農宅適宜被動式設計關鍵技術研究
——以邢臺地區為例

李 偉，陶寒星
（天津城建大學 建筑學院，天津 300384）

針對邢臺地區農宅主要進行了3個方面的研究：提出了適宜的傳統農房平面改造形式；通過采光數值模擬，提出窗高1.8，m，窗寬1.5，m是目前最適宜于邢臺農宅南向窗戶類型；通過能耗數值模擬，提出了一系列針對舊房改造和新建住宅適宜的外圍護結構被動式設計關鍵技術.

冀南住宅；氣候；被動式設計；數值模擬；適宜技術

我國13億多的人口，有一半多的人生活在農村.農村住房多系無科學設計自發建設，對新技術和新材料的利用少，能耗大且舒適度低，在農村地區實行低技化和低投資的被動式關鍵技術［1-2］，降低能耗，改善居住環境是很有必要的.目前我國在被動式設計關鍵技術方面的研究主要集中于城市，對農村研究較少，對河北南部這一特定地域的被動式研究就更少.本文以邢臺地區農村住宅為研究對象，探討適宜于該地區的被動式設計關鍵技術.

1 現 狀

1.1 邢臺地區概況

邢臺地區屬于我國建筑熱工設計分區中的寒冷地區，1月最冷，平均氣溫－1.6，℃，7月最熱，平均氣溫27.0，℃，主要應考慮冬季保溫；四季分明，夏季盛行偏南風，冬季盛行偏北風；年平均降雨量為493.4，mm，集中在每年的5－10月，屬干旱和半干旱地區，水資源比較缺乏；邢臺地處太陽能資源較豐富地區，全年日照時數為2，800～3，000，h，每年太陽輻射量為5，016～5，852，MJ/m2［3］；境內平原占70%，丘陵和山地占30%，.

1.2 邢臺地區農村住宅現狀

邢臺農村多缺乏整體規劃，住宅單門獨院，多數平屋頂，少數為正屋坡屋頂，東西廂房平頂的形式.外墻為370，mm燒結黏土磚砌筑，門窗多選傳統木材，外圍護結構缺少保溫構造.通過冬至日實地測量室內外溫度，發現采暖房屋室內平均溫度為4.6，℃，非采暖房屋室內平均溫度為0.7，℃，室內溫度普遍偏低，居住環境質量不高.

人們日常用能以商品能源為主，冬季采暖用能占全年建筑能耗的一半以上；用水以自來水為主，人們節水意識差；對可再生能源利用較少，使用太陽能熱水器戶數不足40%，沼氣利用情況不佳.

2 邢臺地區農村住宅被動式關鍵技術

2.1 規劃與建筑設計關鍵技術

2.1.1 規劃設計

圖1 不同高度面寬農村住宅分布示意圖

隨著農村二、三層樓房的建設量增加，可將混合帶狀式建筑群布置［4］形式引入農村整體規劃，高度較高、面寬較寬的建筑置于北側，反之則置于最南向，如圖1所示即為該布置形式示意圖，可滿足采光要求并達到冬季阻擋冷風侵入和夏季獲得更多自然通風的效果［5］.

2.1.2 單體建筑設計

圖2a為傳統平面布局形式，通過適當增加進深，可減小體形系數［6］.以圖2a中進深增加1，m計算，體形系數約減小11%，.由于進深增加，形成狹長房間造成使用不便，可將廚房、衛生間、儲藏室等功能引入置于北側，可抵擋西北風灌入以提高整棟建筑的居住舒適度.依據以上原則，對現存平面進行修改形成圖2b中所示的改進平面.

圖2 平面改進

2.2 節能與可再生能源利用關鍵技術

2.2.1 室內光環境設計

使用IES軟件進行數值模擬，地理位置設定為邢臺，氣象數據選擇數據庫中距離邢臺地區最近的北京市氣象數據作為全年動態模擬的氣象參數，選擇開間進深比值最小的西側臥室為模擬對象，窗戶采用傳統形式：高1.8，m，寬2，m，窗臺高度0.9，m，設定工作面高度為0.85，m，驗證傳統平面和改進平面能否滿足設計標準，表1為兩種平面的模擬結果.

表1 傳統平面與改進平面模擬數據

《建筑采光設計標準》（GB50033—2013）中規定，住宅建筑的臥室、起居室側面采光的采光系數不應低于2.0%，室內天然光照度不低于300，lx.經對比傳統平面無法滿足設計標準的規定，改進平面與傳統平面相比，室內采光系數由1.4%，提高到4.2%，，室內天然光照度由168.69，lx提高到517.16，lx，滿足設計標準.

圖3 不同高寬比室內天然光照度分布情況

在不改變傳統窗面積3.6，m2、窗臺高度0.9，m的情況下，選擇不同高寬比驗證傳統高1.8，m，寬2，m窗戶是否為最適宜于改進平面的窗戶類型，模擬結果見圖3和表2，通過模擬發現采光系數在高寬比10∶9之后不再發生變化，室內采光均勻度隨著高寬比增加逐漸增加，高寬比10∶8之后增速降低.從滿足采光和立面美觀兩方面考慮，擇優選擇10∶8的高寬較合適.

表2 不同高寬比模擬結果

表2中各高寬比對應的采光系數都在4%，以上，室內天然光照度都大于500，lx.在高寬比10∶8確定的前提下，研究3.6，m2窗面積是否還有減小空間？將窗面積按一定比例逐漸縮小，模擬結果如圖4和表3所示.當選擇7/10面積時，室內采光系數和天然光照度都滿足設計標準，當面積由7/10變為6/10時，均勻度發生突變.綜合考慮，高寬比10∶8，占原開窗7/10面積的窗戶類型是最適宜于邢臺農村住宅的南向外窗，經計算窗高1.78，m，寬1.42，m，選擇符合建筑模數的高1.8，m，寬1.5，m的窗戶.

表3 等比例縮小開窗模擬結果

2.2.2 室內熱環境技術

絕大多數農戶反映冬季室內溫度不高，取暖能耗大，主要是住宅本身圍護結構缺少必要的被動式處理方式所致［7］，對既有農房進行必要的被動式改造是解決上述問題的主要方法，可在一定程度上提高人們居住舒適度，緩解能源緊缺的現狀.

（1）外墻

圖5是邢臺地區農宅傳統外墻構造，經計算傳熱系數K值為1.51，W/（m2·K），超過《河北省居住建筑節能設計標準》（DB13（J）63—2011）中規定的三層以下邢臺城鎮住宅外墻傳熱系數需低于0.45，W/（m2·K）的標準.經計算，將傳統外墻替換為相同厚度加氣混凝土墻或替換為240，mm燒結黏土磚加75，mm聚苯板外墻，都可滿足設計標準中的傳熱系數規定值，前者適合于采用框架結構的新建農房.

圖5 傳統外墻構造

對采用傳統外墻構造的農宅和采用相同厚度加氣混凝土砌塊外墻的改進農宅進行數值模擬得出表4，傳統農宅夏季外圍護結構得熱量為0.45，MWh，改進農宅為0.20，MWh，降低了55.6%，；傳統農宅冬季外圍護結構失熱量為3.25，MWh，改進農宅為1.80，MWh，降低了44.6%，；傳統農宅全年外圍護結構失熱量為3.19，MWh，改進農宅為1.89，MWh，降低了40.8%，.

表4 外墻類型與外圍護結構得熱量 MWh

圖6為傳統外墻和加氣混凝土外墻農宅全年外圍護結構得熱量變化.加氣混凝土農宅6到9月份外圍護結構得熱量波動范圍為0～0.2，MWh，傳統農宅為0～0.4，MWh；加氣混凝土農宅在11月到來年3月份外圍護結構失熱量波動范圍是0.4～1.2，MWh，傳統農宅為0.9～1.8，MWh，說明加氣混凝土外墻無論在冬季保溫還是夏季隔熱上都具有優越性.

圖6 不同墻體類型全年外圍護結構得熱量

（2）屋頂

河北省居住建筑節能設計標準規定，寒冷地區三層以下住宅屋面傳熱系數應低于0.35，W/（m·K）.對傳統屋頂（見圖7）傳熱系數進行計算［8］，結果為1.67，W/（m·K），不滿足標準.對已建住房，可加設70，mm聚苯板形成外保溫屋面進行改造，施工簡單方便；對新建農房，可將構造中50，mm黏土替換為75，mm聚苯板.

在現有平屋頂上加建坡屋頂也可有效改善屋頂保溫隔熱性能，這種做法相當于在原屋頂上加設了一層空氣間層和圍護結構.對采用傳統屋頂構造的農宅和采用加建坡屋頂的農宅分別通過IES軟件進行數值模擬，結果見表5.表5中數據顯示，夏季加建坡屋頂農宅外圍護結構得熱量為0.13，MWh，傳統屋頂為0.33，MWh，降低了60.6%，；冬季加建坡屋頂平均外圍護結構失熱量2.92，MWh，傳統屋頂為5.47，MWh，降低了46.6%，；全年外圍護結構失熱量降低約47.2%，.加設坡屋頂的改造形式可起到冬季保溫、夏季隔熱的作用，有一定的利用價值.

圖7 傳統屋頂構造

表5 傳統屋頂與加建坡屋頂外圍護結構得熱量對比 MWh

（3）外窗

在外圍護結構及門窗選材均相同的條件下，將原始窗面積3.6，m2按比例縮小進行數值模擬（見表6），研究農宅外圍護結構得熱量與窗面積大小的關系.夏季外圍護結構得熱量變化不明顯可忽略，全年和冬季外圍護結構失熱量隨著窗戶面積減小不斷減小，說明建筑能耗在不斷下降.采用上述采光數值模擬中得出的最適宜高1.8，m，寬1.5，m時，冬季外圍護結構失熱量由3.55，MWh變為3.35，MWh，約降低5.63%，因此該窗戶形式不僅可以保證立面美觀，還可滿足室內采光并降低建筑能耗.

表6 不同窗面積外圍護結構得熱量 MWh

2.3 節水與水資源利用關鍵技術

通過走訪調研，筆者認為在邢臺農村地區開展雨水收集利用可采取兩種方式：一種是簡易雨水回收系統，將屋面雨水通過落水管直接引至儲水容器，經過沉降用于庭院綠化灌溉或灑水［9］等.另一種通過區域劃分，居住較近的農戶共用一套收集系統，通過院落溝渠和排水暗管將雨水引入集中規劃建設的公共沉降儲水池，經沉降雨水可用于灌溉等，如圖8所示即為第二種雨水收集利用方式.

圖8 雨水收集利用方式二

3 結 論

本文提出了通過適當增加正屋進深的套型布局代替傳統平面的平面改進形式，可減小體形系數約11%，；得出高寬比10∶8，高1.8，m，寬1.5，m的窗戶是現階段邢臺農宅南向窗戶最適宜類型；將傳統磚墻替換為同厚度加氣混凝土外墻，外圍護結構夏季得熱量和冬季失熱量分別降低55.6%，和44.6%，全年總共降低40.8%，；在傳統平屋面上加設坡屋頂，兩者分別降低60.6%，和46.6%，全年總共降低47.2%，可有效提高室內居住環境質量.

［1］ TODOROVIC M S. Renewable energy sources and energy efficiency for building's greening：from traditional village houses via high-rise residential building's BPS and RES powered co-and tri-generation towards net ZEBuildings and Cities［J］. Exploitation of Renewable Energy Sources，2011，98（9）：29-37.

［2］ MOHANTY S，SKANDHAPRASAAD A L. Green technology in construction［J］. Recent Advances in Space Technology Services and Climate Change，2010（8）：452-456.

［3］ 劉 軍，程曉輝，黃 榮. 1954—2010年邢臺市氣候特征分析［J］. 安徽農業科學，2012，40（4）：2255-2256.

［4］ 吳云濤，陳伯超. 東北零能耗新農村住宅建筑技術研究［J］. 新能源與綠色建筑，2011（6）：34-36.

［5］ 王肖丹. 建筑發展新趨勢：被動式建筑［J］. 科技信息，2013（21）：176.

［6］ 莊碧賢. 建筑設計中被動式節能的探討［J］. 建筑設計，2010（4）：13-14.

［7］ 夏 偉. 基于被動式設計策略的氣候分區研究［D］. 北京：清華大學，2009：48-49.

［8］ 柳孝圖. 建筑物理［M］. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

［9］ 張瑞娜. 基于氣候適應的北方農村住宅節能設計與技術方法研究［D］. 大連：大連理工大學，2012：50-52.

Research on Key Technology in Appropriate Passive Design for Rural Residential Buildings of Southern Hebei: a Case Study of Xingtai

LI Wei，TAO Hanxing
（School of Architecture，TCU，Tianjin 300384，China）

In view of the problems found in Xingtai area， this paper conducts a research in three aspects. It puts forward the appropriate plane transformation form for traditional rural buildings.It proposes that the most suitable southward window type in this area is 1 800 mm in height and 1 500 mm in width through a numerical simulation of lighting.In view of the reconstructed old buildings and new buildings， it puts forwards a series of key technologies for the appropriate passive design of external envelope structure through a numerical simulation of energy consumption.

residential buildings of Southern Hebei；climate；passive design；numerical simulation；appropriate technology

TU241.4

A

2095-719X（2016）02-0081-05

2015-04-07；

2015-05-20

天津市科技支撐計劃重點項目（15ZCZDSF00080）

李 偉（1975—），男，遼寧丹東人，天津城建大學教授，博士.