基于被动式技术严寒地区节能农宅的设计方案

程博 ，姜曙光 ，胡智毅 ，马云鹤 ，王纯

（1石河子大学生命科学学院，石河子832003；2石河子大学水利建筑工程学院，石河子832003；3新疆69230部队53分队，乌苏833300）

被动式技术设计(Passive Technology Design)能使建筑物具有较强的气候适应和气候调节能力[1-2]，主要有通过设计使建筑物本身运用各种自然的方式来收集、储存能量和建筑物内部空间与其周围的环境形成自循环的系统，不需要辅助能源来提供支持也能充分利用自然资源的优点。严寒地区节能农宅注重降低冬季采暖能耗，采用被动式技术设计能使建筑冬季采暖费用较低，而且能使农宅所需辅助能源较少甚至为零能耗。被动式太阳房是被动式技术设计应用于建筑的一种特殊形式，是大众所能接受并推广应用的节能建筑。中国自1977年在甘肃民勤第一栋被动式太阳房诞生至今已经过去了35年，许多当年参与被动式太阳房研究开发及推广应用的专家学者及民间探索者，一方面对被动式建筑充满感情，但同时又对近十几年的停滞不前而感到无奈[3]。长期以来，国内关于节能建筑的研究集中在建筑节能改造、建筑单体保温性能及太阳能集热器集热效率的提高等问题，对于村镇住宅被动式设计方案并不多。

新疆传统民居形式中有很多与被动式建筑体系相一致的设计理念及技术，能很好的达到节能和环保的目的，如吐鲁番地区“下窑上屋”防酷暑型土拱民居，草原上的毡帐民居，维吾尔族“阿以旺”民居，绿州地带的生土木结构民居，军垦第一代居住的地窝子等。目前，随着新疆城镇化建设的加速，村镇建筑正处于大量改建或重建之中，在缺乏科学指导的局面下，面对现代生活方式的冲击，农宅开始模仿甚至照搬城市建筑模式，而传统民居大量宝贵的生态经验正走向消亡。因此，本文针对新疆严寒地区气候特征和地域特点，结合被动式太阳能空调系统雏形及原理，设计中加入被动式技术和可再生能源太阳能的利用，根据传统建筑技术的生态经验，设置地下室被动的利用地热能，并将被动式太阳房与地下室联动的——被动式太阳能空调系统与节能住宅设计相结合，提出“直接受益式+对流环路式被动式太阳房与地下室联动的空调系统”和“附加阳光间+对流环路式被动式太阳房与地下室联动的空调系统”2种被动式设计方案，以期为新疆美丽乡村建设中的节能住宅设计提供参考。

1 农宅被动式技术方案设计思路

总体思路是以新疆严寒地区的气候特点和满足现代乡村住宅主要使用功能为设计出发点，强调对丰富的太阳能和地热能资源的利用，突出“被动优先”的原则，选择适宜的被动式建筑技术和合理的空间布局，从而达到美丽乡村建设的内涵要求。

1.1 对农宅建设场地的被动式设计要求

（1）朝向。为充分利用太阳能，住宅应朝正南或南偏东150°-南偏西150°范围内布置。应避免周围地形、地物对建筑南向的遮挡，房屋南墙前应留有不小于南侧房屋高度2.5倍的间距；避开高大常青树木冬季对南墙的遮挡；南侧院墙不宜过高。建筑物南立面应平直，避免地势遮挡和建筑物本身的突出物的遮挡[4]。

（2）北侧应设挡风屏障。新疆严寒地区冬季主导风向为西北向，宜在北侧设置挡风屏障，可通过在北侧设置高大院墙或种植常青乔木来实现。

1.2 对住宅平面布局的被动式设计要求

（1）满足核心家庭住宅小型化的要求。现代农宅居住模式与以往相比有了很大变化；由亲属关系组成的一个个大家庭裂变为多个独立的小家庭，以人口3-4人的核心家庭为主，建筑面积80-120 m2居多，过大、过小户建筑面积需求都较少。

（2）满足功能齐全的舒适性要求。屋外院内旱厕给居民使用带来诸多不便，并且也严重影响环境卫生。设计室内卫生间，解决洗澡、如厕需求，极大提高了居民的生活品质。新疆冬季漫长，农村居民通常在院子里挖菜窖来贮藏冬菜和水果，存取菜、果要通过80 cm×80 cm窖口搭的活动木梯，爬进爬出菜窖很不方便，如果把菜窖与房屋结合到一起，局部设地下室用做储藏室，将大大方便村民的生活，满足居民的生活习性要求。

1.3 对自然资源利用的被动式设计要求

（1）地热能资源的利用。20世纪50年代，新疆生产建设兵团第一代军垦人进疆后，利用地下土壤蓄热量大、温度波动小的特点，建起了大量的“地窝子”住居，它具有室温稳定、冬暖夏凉等优点。合理的利用地下蓄热空间，建造局部或整体地下室用以平衡上部小体量住宅的室温，减少建筑冬季采暖和夏季降温能耗，提高室内舒适性，是一种因地制宜的绿色建筑。

（2）太阳能资源的利用。新疆大部分地区干旱少雨，晴天多，大气透明度好，阳光透射率高，太阳能资源非常丰富。据气象部门提供的30年统计资料表明：新疆年太阳辐射总量达5.4～6.5×109J／m2，按照综合气象因素SDM进行太阳能资源区划，多数地区处于最佳区或次佳区。该地区的气象状况和空气质量有助于太阳能的利用，冬季除12月、1月外，虽然室外气温很低，但太阳辐射强度高，具有高效使用太阳能光热资源得天独厚的条件。太阳能资源在建筑中的被动式利用形式，主要有直接受益式、集热蓄热墙式、附加阳光间式、蓄热屋顶式和对流环路式等[5]。

（3）节能农宅被动式太阳能空调系统雏形设计。为充分利用当地太阳能与地热能资源，故设计被动式太阳房与地下室联动系统，如图1所示。

冬季工作原理：白天有阳光时，阳光透过高透光的玻璃盖板照到集热板上，集热板被加热后，当墙体的上下通风口打开时，房间的冷空气由下通风口进入集热板和墙体间的空腔，在空腔中受热上升，再由上通风口送回房间内部，使室内温度升高[6]。正午时，开启地下室与上层房间洞口内双向换气扇，把南向3个居室多余热量向地下室抽送贮存；太阳落山时，放下保温棉窗帘，关闭特朗伯墙上下风口；夜晚，根据实际需要，打开或关闭一些地下室风口，把地下室热风向南侧居室输送。

夏季工作原理：白天有阳光时，利用特朗伯墙夹层的“热烟囱”作用，将室内热空气抽出，达到自然通风降温的目的。夜晚打开门窗，自然通风。地下室风口根据实际需要打开，开启地下室与上层房间洞口内双向换气扇，为居室送带有湿度的凉风。

图1 被动式太阳能空调系统原理示意图Fig.1 The passive solar air conditioning system schematic diagram

1.4 外窗的被动式设计要求

（1）合理控制开窗大小。外窗的大小对建筑节能起着至关重要的作用，以冬季保温为主的严寒地区的住宅，在满足自然采光、通风的前提下，要尽可能开小窗，以减少外窗的传热损失；另外，为在冬季获得更多的太阳辐射热，南向集热窗的面积应尽可能大，因此要确定合理的窗口面积。在《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准（JGJ26－2010）》中，对于严寒地区居住建筑的窗墙面积比限制值如表1所示。

表1 严寒地区居住建筑的窗墙面积比限值[7]Tab.1 Cold region of the residential building window-wall area ratio limit

（2）减小可开启扇面积。住宅的平面空间组织、剖面设计、门窗的位置、方向和开启方式的设置，应有利于组织室内自然通风。

每套住宅的自然通风开口面积不应小于地面面积的5%[8]，在满足自然通风的前提下，要尽可能减小可开启扇面积，以减少外窗的冷风渗透传热损失。

（3）增设外窗活动保温装置。根据农宅房屋设计使用经验，增设外窗活动保温装置能显著提高住宅的保温能力。外窗的活动保温装置形式有多种，如卷帘式保温帘、嵌入式窗护板、旋转式百叶窗护板、铰接式窗护板等[9]。从居民生活便捷性和经济性考虑，保温帘活动保温装置为最佳。

2 被动式太阳能空调系统与节能农宅设计方案

新疆正面临着日益严峻的能源和环境的挑战，与标准住宅相比，因地制宜的本土化被动式住宅将成为未来建筑节能减排的重要途径。本研究根据被动式太阳能空调系统原理和最大化利用自然能源的设计理念，总结出“直接受益式+对流环路式被动式太阳房与地下室联动的空调系统”和“附加阳光间+对流环路式被动式太阳房与地下室联动的空调系统”2种设计方案。

2.1 直接受益式+对流环路式被动式太阳房与地下室联动的空调系统设计方案（方案一）

方案一住宅一层平面如图2所示，地下室平面如图3所示，立面如图4所示，剖面如图5所示。该方案的设计特点有：

（1）根据传统农宅的特点，采用一字型设计，生活路线方便，符合北方人居住习惯，外门南向开设，并在入口增设门斗，防止冷风直入[10]。

（2）结合被动式太阳能房特点，南墙立面加设集热腔体，其中，对于热舒适性要求较高房间，起居室均为南向，可以充分接受太阳光照射。

（3）本设计被动式太阳房的集热方式是直接受益窗与对流环路式复合型集热，南侧3个窗的窗台由通常的降至60 cm，增大了直接受益窗面积。

（4）在地下室与上层南向房间之间设三排通气道，通气道口径15 cm，关于太阳房的辅助采暖，在厨房设热水循环的家庭自供暖系统，也可采用火墙取暖，补充热源以达到稳定的热工环境。

（5）夏季遮阳、通风降温的措施有：南向屋面设计小挑檐，夏季可以遮挡住大部分的日照辐射；可开启南墙下部通风口和集热罩上部的活扇组织热压通风，同时开启地下室通风口进行通风降温。

图2 方案一住宅一层平面示意图Fig.2 Program A Residential a layer schematic diagram

图3 方案一住宅地下室平面示意图Fig.3 Program A Residential basement schematic diagram

图4 方案一住宅立面示意图Fig.4 Program A Residential fa?ade schematic diagram

图5 方案一住宅剖面示意图Fig.5 Program AResidentialsection schematic diagram diagram

2.2 附加阳光间+对流环路式被动式太阳房与地下室联动的空调系统设计方案（方案二）

方案二建筑一层平面如图6所示，地下室平面如图7所示，立面如图8所示，剖面如图9所示。该方案的节能特点主要有：

（1）该方案每户建筑面积 87.82 m2，户型一层平面示意图如图6所示，门斗——地下室——餐厅，形成了两道气阀，气流在门斗内混合后经过调温、调湿再进入餐厅，有效地形成了主要房间的温度保护区，避免了室内温度和湿度过大波动。

（2）本设计被动式太阳房的集热方式采用在南侧设有较大的附加阳光间，起居室设有直接受益窗和对流环路式；增加了地下室，以加强对地热能的利用。

（3）太阳房的辅助采暖方式是火墙或户用暖气系统。

图6 方案二住宅一层平面示意图Fig.6 Program B Residential a layer schematic diagram

图7 方案二住宅地下室平面示意图Fig.7 Program A Residential basement schematic diagram

图8 方案二住宅立面示意图Fig.8 Program B Residential faade schematic diagram

图9 方案二住宅剖面示意图Fig.9 Program B Residential section schematic diagram

3 两种方案的经济性评价

新疆农村交通很不方便，常规能源的运输费用很高，从经济效益评价来看，虽然增设房屋地下室和太阳能集热墙的初期费用较标准住房高出25%左右，但在以后几十年的使用期中住宅的运行费用要比标准住宅低很多，长期使用所节约的冬季采暖燃料费和夏季降温费对农民来说将是一笔可观数目。计算结果表明：（1）2种被动式设计方案节能率均可达到60%以上，明显降低了农民采暖成本，所以，被动式技术应用于农村住宅是完全可行而且经济的；（2）被动式太阳房对于提高农宅的能源利用效率，降低煤耗、减少废气排放所带来的环境效益，有着更积极的作用[11]。

3.1 节能计算

方案一、二拟建设地点均在石河子市，采用的对比房均是布局相同无地下储能空间和外保温措施且集热方式仅为直接受益窗的单层住宅；根据农户生活习惯基础室温采用14℃，根据石河子地区气象数据，被动式太阳房（表中称太阳房）的节能指标参照《被动式太阳房热工设计手册》[12]计算，有关被动式太阳房节能性评价指标主要是：月太阳能供暖率SHF和月辅助热量Q。

3.1.1 方案一节能计算

方案一被动式太阳房集热方式分别为集热墙81%和直接受益窗19%；采暖期按照当年10月到次年4月算一个周期，计算结果见表1。

表1 方案一被动式太阳房采暖节能指标Tab.2 Program A passive solar house heating and energy saving indicators

表1显示：

（1）对比房采暖期需要辅助热量为161698.79 MJ，太阳房采暖期辅助热量54617.90 MJ，被动式太阳房太阳能贡献率为66.2%。

（2）被动式太阳房相对于对比房的冬季采暖节约用煤折合标准煤为3658.71 kg，当地煤价加运输成本分摊单价是500元/t，被动式太阳房年节能收益为3.65871 t×500元/t=1829.36元。

3.1.2 方案二节能计算

方案二被动式太阳房集热方式分别为阳光间67%、集热墙25%和直接受益窗8%；采暖期按照当年10月到次年4月算一个周期，计算结果见表2。

表2 方案二被动式太阳房采暖节能指标Tab.3 Program B passive solar house heating and energy saving indicators

由表2可知：（1）对比房采暖期需要辅助热量为117754.07 MJ，太阳房采暖期辅助热量44645.18 MJ，被动式太阳房太阳能贡献率62.1%，所以，被动式太阳房相对于对比房的冬季采暖节约用煤折合标准煤为2497.74 kg，被动式太阳房节能率是62.1%，当地煤价加运输成本分摊单价是500元/t，被动式太阳房年节能收益为2.49774 t×500元/t=1148.87元[13]。

3.2 两种方案的比较分析

1）方案一主要是受兵团军垦第一代居住的地窝子的启发，在此构思的基础上使其平面功能更加完善，立面融合了当地民族文化的元素。方案一的一层建筑面积为108 m2，适合农户家庭人口为4-6人，并设有等面积、高2.2 m的地下室，其布局与地上一层相同。可充分利用地下土壤蓄热量大、温度波动小的特点，降低建筑采暖通风能耗。该太阳房室内有合理的温度分区，南侧外墙为直接受益窗加对流环路式。本方案可独户建造也可两户联立，入户门斗分设东西两侧，朝南开门。

2）方案二考虑到新疆冬季漫长，农村居民通常在院子里挖菜窖来贮藏冬菜和水果，进出菜窖很不方便。方案二的一层建筑面积为87.82 m2，适合农户家庭人口为3-4人，且把菜窖与房屋结合到一起，设地下室，既可以做储藏室，又是蓄能室，地下室与上层南向房间设有两排通气道，通气道口径15 cm，冬季地下室通过通气道为上层房间输送带有湿度的暖风，夏季为上部房间输送带有湿度的凉风，节能又舒适。厨房开门直通后院，方便燃料的搬放，对其它房间不会造成污染等影响。

3）方案一和方案二各有特点，从而也有各自的优缺点：

（1）方案所选择被动式太阳房的组合形式有所不同。方案一是直接受益式+对流环路式被动式太阳房，方案二是附加阳光间+对流环路式被动式太阳房；

（2）方案中地下室楼梯入口方位有所不同。方案一是楼梯入口门斗处，占用的属于室内空间，方案二楼梯入口在附加阳光间内，占用的属于室外空间；

（3）方案中所设置的地下储能室规模不同。方案一地下储能室是与地上房屋有相同面积，方案二是部分设置地下储能室，只与上层房屋中间部位面积相同，由于设置地下储能室越大随之增投资会越高；

（4）由于上述不同从而使方案一和方案二节能率不同，方案一比方案二节能率高出4.1%。

（5）就初投资而言方案一适合投资较少而且人口少的农户家庭，方案二适合初投资较多而且人口多的农户家庭。要求冬季节约标准煤多的农户建议选择方案一，要求室内实际利用面积多的农户建议选择方案二，要求更多储藏空间且夏季降温效果好的农户建议选择方案一。

4 结语

当今，建筑节能强调在设计中尽可能使用被动式技术，本文介绍的2种节能农宅方案是本着最大化的使用被动式建筑技术的原则，这2种节能农宅与原有普通农宅相比具有以下优点：

（1）2种方案均设计了地下储能空间，并可作为储藏室使用，切实考虑到了严寒地区居民生活的舒适性和经济性。

（2）2种方案突出了被动式太阳房与地下室联动的空调系统的设计，充分利用了太阳能与地热能资源。

（3）2种方案被动式太阳房节能率均达到60%以上，很适合在新疆农村地区进行建设，为当地节能农宅设计方案提供参考。

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