北方地區農村被動式低能耗建筑設計思路分析

黃麗麗 高 峻 邵 敏 王 遜

(1.北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100000; 2.北京優奈特燃氣工程技術有限公司，北京 100000)

1 概述

我國是以煤為主要能源的國家。2017年我國一次能源消耗量為44.9億t標準煤，其中煤的比例占60.4%［1］。我國建筑運行能耗一直維持在社會總能耗的20% ～25%［2，3］，但是建筑能源不能無限制的增長下去，應該有總量控制策略。建筑節能相關的研究數據表明，建筑能耗應維持在社會總能耗的25%左右，以能源消耗量計算，大約在10億t標準煤［4］。北方城鎮建筑采暖和農村生活用煤約為1.6億t標煤/年，為建筑能源消耗的最大組成部分［4，5］。根據2010年的統計數據，農村建筑商品能耗為1.77億 t標煤/年，占建筑總能耗的26.1%，生物質能(秸稈、薪柴)的消耗約折合1.39億t標煤/年［4］。農村地區用于生活用能的商品能耗逐漸上升，已經成為我國建筑能耗中的重要部分。

在農村生活用能改革的過程中，多數技術措施聚焦在能源種類的選擇和能源設備的改造上，其實，降低建筑能源需求應該是首要的技術選擇。在最大限度的降低用能負荷的前提下，再通過高效的能源系統和清潔能源供應，就能實現農村建筑最大程度節能降耗。因此，被動式的低能耗建筑應該是農村建筑的發展方向。

被動式低能耗建筑首先通過利用被動式節能技術將建筑能耗需求降低至最低程度，然后通過可再生能源供應建筑的機械采暖和制冷。低能耗建筑不僅僅在于降低建筑使用能耗，室內環境的舒適性也是重要的一方面。在農村地區，經濟發展水平普遍低于城鎮，減少對于主動式的機械采暖和制冷系統的依賴，依靠廉價的被動式技術，更適合農村地區的建筑節能現狀。目前，農村建筑室內環境的舒適性差，冬季采暖季的室內溫度達不到要求，由燃煤帶來的室內空氣污染嚴重，采用被動式低能耗建筑，不僅可以降低能耗，還可以提高室內的舒適度，所以，被動式低能耗建筑是農村地區建筑的發展趨勢。

2 被動式低能耗建筑設計思路

被動式低能耗建筑的設計首先要從被動式技術入手。在北方的農村地區，被動式技術主要包括建筑朝向的合理布置、圍護結構保溫隔熱技術、自然通風設計以及太陽能房屋等技術。

設計農村地區的建筑時，考慮技術的可行性時，要充分考慮當地居民的經濟條件，即是否能夠接受技術的利用成本。在農村地區，技術的經濟性應該是首要考慮的問題，因為，建筑建造過程中，農村居民首先會考慮房屋的建造成本，一般情況下，由于缺乏建筑節能的理念和知識，建筑業主不會為了減少建筑運行時的能耗需求而增加更多的建造投資，而在建筑運行過程中，若建筑能耗過高造成能源消費超過了承受范圍時，建筑業主寧愿犧牲建筑舒適性。在這種情況下，被動式技術一定要因地制宜，同時，還需要考慮被動式技術與主動式技術的優化。北方農村地區的被動式低能耗建筑設計思路如圖1所示。

圖1 農村地區被動式低能耗建筑設計思路

3 被動式技術

“被動式”節能技術主要可以分為兩種方式，一是降低建筑本體的能量需求，即通過合理的建筑布局和建筑本體的優化設計，降低建筑的采暖和制冷負荷，包括合理的朝向設計、有利于建筑通風的布局和合理的窗墻比等技術;另一種是降低建筑運行時的用能，包括圍護結構保溫隔熱、遮陽、被動式太陽房的設計、自然通風設計等。與城鎮建筑不同，農村地區的建筑大多數屬于獨棟獨院的自建房，在建筑的被動式設計中，建筑師有更多的發揮空間，被動式技術的應用有更多的創造性。

3.1 建筑合理布局

目前，我國把建設社會主義新農村作為一項戰略任務，很多地區的農村建筑設計都開始統一規劃，統一建設，此舉為建筑的被動式設計提供了很好的條件。建筑合理布局應在建筑設計的初期就當地的基礎條件提出設計方案，在技術上應考慮建筑的朝向和建筑的間距，建筑的布局還應為主動式技術提供條件。

3.2 被動式太陽能采暖

被動式太陽能采暖在設計時要考慮的關鍵一步是蓄熱在晝夜循環時可用于調整太陽得熱過?；虿蛔?，同時，應充分考慮當地的太陽能資源，在太陽能資源比較豐富的地區，這種技術的經濟性比較好。

被動式太陽能房是比較廉價的太陽能利用技術，適合在太陽能資源豐富的北方農村地區推廣。被動式太陽房利用太陽的輻射能，建筑本身就是太陽能的集熱器，不需要循環動力設備，完全依靠建筑結構造成的吸熱、隔熱、保溫、通風等特性，來達到冬暖夏涼的目的。

3.3 自然通風

在過渡季或夏季的夜晚，室內需要降溫，而室外空氣溫度比室內溫度低，這時可以充分利用自然通風技術。通過合理的布局與形體設計，利用農村地區建筑的傳統開窗、開門和天窗等優勢，形成室內空氣的自然流動。自然通風技術需要在建筑設計階段利用建筑布局、建筑通風開口、太陽輻射、氣候條件等來誘導自然通風。自然通風技術成本低，不需要額外的設備和動力，特別適合在農村地區應用。

3.4 圍護結構保溫隔熱

圍護結構保溫隔熱技術是被動式技術中最重要的技術類型，建筑圍護結構良好的保溫隔熱，可以大幅度減少建筑的能源需求，節能效果明顯。但是，圍護結構的保溫隔熱技術成本較其他技術手段要高。目前，北方農村地區的建筑很多都沒有保溫措施，或者即使有保溫層，其保溫效果也很難達到要求。城鎮建筑中的圍護結構保溫技術體系已經很完善，但是，由于經濟性的原因，直接把城鎮建筑中的保溫技術應用到農村建筑中并不合適。農村地區應當結合當地的實際情況，開發適合本地區的保溫產品和技術。

4 主動式技術

主動式節能技術則指在主動式技術中以優化的設備系統設計、高效的設備選用實現節能的技術。北方農村地區的用能主要是冬季采暖，超低能耗建筑供暖供冷應盡量減少使用一次能源，優先利用可再生能源。北方農村地區可替代燃煤的可再生能源主要有太陽能和生物質燃料，而空氣源熱泵可作為主要的供暖設備。

4.1 太陽能采暖

太陽能采暖系統是指將太陽能轉化成熱能，供給建筑物冬季采暖的系統，系統主要包括集熱器、貯熱器、供熱采暖末端設備、輔助加熱裝置和自動控制系統等。由于太陽能熱水采暖系統比太陽能生活熱水系統投資較大，目前的推廣主要依靠政府資金補貼。

4.2 生物質燃料

生物質能源利用是替代燃煤一項重要的選擇。目前，大型生物質鍋爐的能效已提高到80%，而在農村地區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重要方向。

4.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵可以實現供暖和制冷設備合一，冬季可以采暖，夏季可以供冷，而且不需要設置專門的設備機房，節省了建筑空間?？諝庠礋岜玫男阅軙S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會降低，因此，空氣源熱泵可以與太陽能和生物質能結合起來應用。

5 結語

我國農村地區用于生活用能的商品能耗逐漸上升，特別是北方地區農村采暖能耗已經成為我國建筑能耗中的重要部分，而北方農村地區的散煤治理是處理北方霧霾問題的關鍵。建設被動式低能耗建筑是北方農村地區建筑節能降耗的發展方向，可以為北方地區的霧霾治理起到重要作用。北方農村地區的被動式低能耗建筑設計時，應首先考慮當地居民的經濟條件，其次應考慮技術的可行性和適用性。北方農村低能耗建筑的被動式技術主要有圍護結構保溫隔熱技術、被動式太陽能采暖、自然通風和建筑優化布局等技術措施，主動式技術主要有太陽能主動式采暖、生物質能和空氣源熱泵等技術。北方農村只有實現合理的優化設計和經濟性綜合評價分析，才能讓低能耗建筑在北方農村地區得以推廣。