北方地區農村被動式低能耗建筑設計探討

□ 夏玉杰 肖瑞亞

（新鄉職業技術學院，河南 新鄉 453002）

在城市化建設進程的推動下，一些農村地區開始模仿城市建筑方案，但是農村地區的自然環境以及居住需求等與城鎮存在很大差異，一味地模仿城市建筑方案會導致其脫離實際需求。我國北方地區冬季較為漫長，其氣溫寒冷，對于建筑保暖和取暖設施具有較高要求，農村地區建筑取暖產生的資源消耗占有很大比重。為此，近些年來，被動式低能耗建筑在北方農村地區開始使用。根據應用實踐來看，被動式低能耗建筑具有良好的應用效果，能夠有效降低建筑資源消耗。

一、動式低能耗建筑的應用背景分析

一直以來，我國的能源消耗以煤炭為主，其中建筑運行消耗的資源占據社會總資源的20%～30%，且一直以來呈現增長趨勢。按照建筑節能的研究結果來看，建筑能耗需要維持在25%左右，能夠滿足建筑運行需求，同時降低資源消耗，25%的能耗以資源消耗量計算，需要控制在10億噸煤炭左右。我國北方城鎮和農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年的統計數據顯示，農村建筑商品標準煤消耗約為1.77億噸/年，占據建筑能耗26%左右，且農村地區的建筑能耗呈現逐漸遞增趨勢。近些年來，農村地區的改革發展過程中，大部分技術升級與創新集中在能源消耗結構優化以及設備改造方面，對于降低建筑能耗的研究存在很大不足，實際上，建筑能耗占據農村資源消耗較大比重，所以，為了促進農村地區建筑能耗降低，必須開展低能耗建筑設計，結合農村地區的地理情況、氣候情況以及實際需求，在保證建筑質量和使用舒適性、安全性的基礎上，需要積極開展節能設計，從而減少農村地區資源浪費，提高農村地區資源利用效率，滿足農村地區發展需要。北方地區因為氣溫寒冷，為了滿足保溫的需要，一般會采用主動取暖措施，但是主動取暖措施需要消耗大量的煤炭資源，煤炭燃燒會產生環境污染問題，所以被動式節能方案逐漸取得應用，具有良好的應用效果。

二、被動式技術的基本內涵分析

（一）被動式低能耗建筑基本理念

被動式低能耗建筑是指不依靠機械力進行節能，依靠高質量的施工技術和建筑設計，減少建筑自身運行對于能源的需求，更加注重資源二次利用，通過能耗優化的科學整合和設計，達到降低能源消耗的節能目標。被動式低能耗建筑設計，首先需要從建筑內部的布局出發，通過對建筑運行能源消耗優化，實現提高建筑質量的目的。因為北方農村地區氣溫寒冷，取暖是其建筑設計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，那么維持室內溫度需要消耗的能源總量就會減少。例如，在對農村地區建筑布局進行優化時，通過對其朝向的優化，使其朝向太陽輻射能量更多的南向，太陽輻射則能夠提高建筑室內溫度，從而減少煤炭資源消耗；通過對建筑窗墻比例的科學設計、改變通風布局等方式，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，所謂被動式低能耗建筑，是一個與主動式建筑相對的概念，主動式建筑是通過利用電能、煤炭等方式，提高室內溫度，從而滿足北方農村地區居民冬季生活需求，而被動式技術是通過提高建筑保溫性能，使建筑與外界熱量交換減少、延長熱量保存時間的方式，減少其他用于提高室內溫度能源消耗的一種方式，“被動”地降低建筑運行能源消耗。

（二）被動式低能耗建筑設計思路

被動式低能耗建筑需要從被動式技術的基本要求出發，注重按照北方農村地區實際情況開展設計工作。首先，北方農村地區在應用被動式低能耗建筑時，需要充分考慮到地理環境因素和經濟因素，明確技術可行性和資源需求量，充分做好前期調研工作。被動式低能耗建筑對大部分北方地區都較為適用，但是不能脫離北方地區農村的實際情況，如果該農村所處區域冬季氣溫過于寒冷，而且又地形空曠、風力較大、溫度較高等，采用被動式低能耗建筑無法滿足農村居民生活需求，那么為了保障農村居民生活，依然需要采用主動式技術。其次，被動式低能耗建筑的設計主要通過對建筑朝向、布局以及材料等方面的優化，強調應用自然通風、自然保溫等方式，通過利用太陽能技術減少其他化石能源的使用，達到節約能源的目的。再次，北方地區農村大部分位于平原，冬季漫長且寒冷，大規模保溫施工會增加建筑成本，所以需要充分考慮到被動式低能耗建筑的施工建設成本，不能為了提高保溫效果而增加建設成本，否則，對于農村居民而言，會提高其生活負擔，應充分考慮到被動式低能耗建筑的經濟效益，從而實現被動式低能耗建筑建設目標。

三、北方地區農村被動式低能耗建筑有效設計方案

將被動式低能耗建筑應用于北方地區農村，能夠起到良好的輔助作用，結合主動式供熱，通過被動式技術減少熱量損耗，從而減少能源消耗，但是需要準確掌握被動式低能耗建筑設計要點，結合農村地區實際情況，做好能源消耗結構優化、建筑布局設計等方式，充分發揮出被動式技術在節能方面的優勢。為此，本文總結如下幾項有效的設計方案：

（一）充分利用太陽光照

太陽光照所產生的熱量，能夠用于北方地區農村建筑中，提高建筑設備溫度，減少對煤炭燃燒的依賴。太陽輻射能量的利用，主要可以分為如下兩個方面：（1）利用太陽能取暖設備。太陽能取暖設備是指利用太陽輻射產生熱量的設施，可以將這部分設施安裝在建筑屋頂中，通過設備收集太陽輻射，將其轉化為熱量以供建筑取暖使用，該類型設備不需要循環動力支持，依靠合理的建筑結構布局則能夠提高實際保溫效果，所以需要加強太陽能取暖設備的推廣與研發，提高太陽能取暖設備利用率。（2）優化建筑門窗玻璃設計。太陽光照進入建筑室內需要通過門窗的玻璃，玻璃對于太陽輻射能量的通過、吸收以及阻擋具有直接影響，所以，為了提高太陽輻射能量利用率，提高室內溫度，需要對門窗玻璃進行優化設計。如太陽反射玻璃、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，該玻璃材料能夠實現較多的日光投射和較小的日光反射，從而將大部分可見光透射到室內，同時又能夠將室內物體的輻射長波保留在室內，從而實現能量更高效利用，所以多功能鍍膜玻璃在我國一些冬季氣溫較為寒冷的北方地區農村建筑中使用較為廣泛，能夠實現選擇性太陽熱能吸收，從而將大部分熱量保留在室內，在氣溫較低的環境中發揮出調節室內溫度的作用，從而降低供暖設備的使用，也就減少了供暖設備使用的能源消耗，達到節能減排的目的。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）建筑墻體保溫設計

保溫不僅與光照具有直接關系，而且與建筑墻體的保溫效果也具有密切關系。我國北方地區農村的建筑墻體設計厚度較大，其主要目的是減少設備與外部熱量交換，更厚的墻體能夠提高保溫效果，所以針對墻體保溫設計，需要從厚度、材料以及墻體結構方面入手。首先，通過提高墻體厚度，能夠提高保溫效果，所以在北方地區農村建筑設計中，應適當增加墻體厚度，但是增加墻體厚度會減少建筑內部凈空間，同時會增加施工成本，所以在應用時需要充分考慮到實際需求。其次，通過對墻體材料的優化設計，提高墻體保溫效果，例如可以采用巖棉板作為農村建筑外墻的主要材料，巖棉板是一種較為優質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，是我國建筑工程領域應用非常廣泛的保溫材料，且成本造價較低，相比于其他保溫系統中的保溫材料，可操作性較強，同時具有良好的穩定性和可靠性。最后，可以通過對墻體結構優化的方式，改變墻體結構提高保溫效果。例如可以采用幕墻結構，幕墻具有雙層結構，分為明框和暗框兩個部分，明框是指安裝在建筑內部空間的內層幕墻，暗框則是安裝在建筑外部空間的部分，通過雙層墻體的設計，能夠在墻體之間構造一個封閉的中間層，外部空氣流動從外層幕墻的下端進入，并從上端排出，這就形成了一個熱量緩沖層，當室內溫度與室外溫度差距過大時，能夠降低室外溫度對室內溫度的影響，從而發揮出保溫的作用，將其應用在北方地區農村建筑中，能夠減少建筑物內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空間中，由于雙層幕墻中間存在著相對獨立的空氣流動空間，能夠對外部氣流進入起到阻擋作用，同時減少內部熱量流失。圖2所示為某建筑的保溫墻體結構設計。

圖2 某建筑的保溫墻體結構設計

（三）被動式低能耗建筑布局優化

在應用被動式技術提高建筑節能性時，必須做好建筑結構布局優化設計，通過科學的布局設計，能夠有效提高保溫效果，從而減少主動式取暖資源消耗。建筑布局需要根據北方地區農村的地理環境、氣候條件等進行設計。首先，在光照方面，北方地區農村被動式低能耗建筑的朝向需要以南向為主，確保更多的光照能夠進入室內空間，結合相應的門窗玻璃設計，能夠提高太陽輻射能量利用率，同時南向的門窗玻璃可以適當擴大，從而提高光照接收面積。其次，北方地區農村建筑設計需要考慮到其通風效果，不能為了提高保溫而降低建筑通風性，否則會影響室內空氣流動，夏季時會導致建筑室內溫度過高，所以需要采用科學的布局方案對通風效果進行優化，設計完善的自然通風布局，對開窗、開門以及天窗進行設計，實現室內空氣自然流動的目的，從而減少暖通空調系統使用，減少外部動力設備使用能源消耗，滿足被動式低能耗建筑的節能需求。最后，北方地區農村建筑設計需要按照統一規劃、統一布局、統一建設的基本原則，按照當地實際自然地理條件，提高農村建筑布局統一性，當某項節能技術實施時，能夠實現整體性優化，從而達到節能設計目標，是被動式低能耗建筑設計需要考慮的重要內容，為被動式技術應用創造有利條件。

（四）能源消耗結構優化

能源結構優化是指減少傳統化石能源的使用，積極利用可再生能源，減少傳統能源消耗。例如，可以采用空氣熱源泵技術，該項技術是當前較為先進的供暖技術，主要是利用高位能熱量從低位熱源空氣流向高溫熱源的原理，將土壤、空氣以及水中熱量轉化為高位熱源，從而達到供暖與制冷同步的目標。在北方農村地區的被動式低能耗建筑設計中，可以加強空氣熱源泵技術的推廣，不需要建設專用機房，能夠節省大量的施工建設成本，滿足農村居民對于建筑舒適性的需求。空氣熱源泵可以在北方農村地區的小戶型建筑中使用，不需要冷卻水系統，管道消耗較少，且不會對環境產生污染，但是對于技術水平要求較高，所以需要結合農村地區的實際情況，對技術應用進行優化，提高技術適用性，是促進北方地區農村被動式低能耗建筑應用效果提高的重要方式。

四、結語

綜上所述，本文闡述了我國北方地區農村應用被動式低能耗建筑的背景，對被動式技術以及其設計思路進行分析，并提出了多項被動式低能耗建筑的有效應用方式和設計方案，希望能夠對北方農村地區的建筑設計起到一定借鑒和幫助作用，促進農村地區建設與發展。