冀西北地区农村被动式节能技术应用分析研究

高 红 袁小茜 肖朔晨 王晓荣 贾慧慧 张东林 刘月君

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.秦皇岛广建工程项目管理有限公司,河北 秦皇岛 066000)

0 引 言

我国农村地区能源消耗较大，农村住宅耗能占全国能耗的14%.能源消耗的背后伴随着环境的污染，农村住宅碳排放占比为23%[1].因此，减少农村地区能源消耗、降低有害污染物的排放势在必行.

在冀西北农村地区，最好的节能减排途径是降低居民住宅自身的能耗需求.目前，冀西北地区农村居民建筑室内环境的舒适性较差，在冬季采暖期，以燃烧煤炭的采暖方式不仅使得室内空气质量降低，且燃烧产生的温度不足以达到人们室内活动的需求；在炎热的夏季，室内通风不够，使得室内闷热，空气质量较差.在此背景下，将被动式节能技术运用到农村建筑上就显得尤为重要，它既可以做到降低农村住宅自身能耗的需求[2]，又可以提高居民居住的舒适程度[3]，在环境保护上也起着重要作用.所以，运用被动式节能技术的农村住宅是冀西北农村地区住宅未来的发展趋势.

1 被动式节能技术在冬季采暖的应用

被动式建筑节能技术是以非机械电气设备介入降低建筑能耗的节能技术[4]，包括在建筑规划设计阶段根据当地情况考虑建筑朝向及布局、外围护结构的保温隔热、利用太阳能等可再生能源的设计、利用自然通风的建筑物开口设计[5]等，以此来降低建筑物所需的能耗、提高室内的热舒适性、减少污染物的排放.对于冀西北地区而言，被动式节能农村住宅面临的主要问题是冬季采暖，本文将从以下四个方面考虑如何尽最大可能来降低建筑物的热量损耗，以维持其室内的热环境.

1.1 建筑物朝向及布局

建筑物的朝向及布局是建筑非常重要的一部分，它对建筑物未来的使用和节能有着直接影响.在设计阶段需要因地制宜，结合当地具体环境，如地理位置、气候条件、可再生资源等多种因素，还需适应农村的生产方式和农民生活习惯，争取既保持建筑物有充足的日照时间，又具有良好的通风效果.

在建筑节能的设计上，最重要的一点就是建筑物的体形系数.有关资料显示，通过围护结构的传热耗热量与传热面积成正比，当体型系数每增加1%，就会增加2.5%的建筑热能耗指标[6].由此可知，建筑物耗热量随体形系数的增大而增大，所以要想降低建筑物的耗热量，就需要在设计阶段降低建筑物的体形系数.

在设计阶段考虑太阳能的利用.在冀西北地区，太阳能资源丰富，在建筑初期的设计阶段应结合太阳能资源的利用提出设计方案，考虑到冬季采暖期室外温度低，设计方案时应注重建筑物朝向的选择，尽量提高建筑物的光照时间.对于被动式利用太阳能的建筑来说，主要是将建筑物的南面作为集热面来集取热量，因此需要加大南侧的集热面，以此来降低冬季采暖期的煤炭消耗，同时减少有害气体的排放.

1.2 外围护结构保温隔热

外围护结构保温隔热技术是被动式技能技术中最重要的一类技术.当住宅建筑具有保温隔热能力较强的围护结构，就可以极大的减少住宅建筑对能源的需求，具有明显的节能效果[7].目前，冀西北农村住宅的外围护结构大多没有特殊的保温措施，即使一些住宅设有保温层，保温效果也很难满足居民的需求.因此，提高冀西北地区农村住宅外围护结构的保温隔热能力是势在必行的.下面将从外墙、屋面、门窗三个方面考虑提高建筑物保温隔热：

(1)外墙

外墙是农村住宅重要的围护结构之一，其保温隔热技术措施主要从以下两个方面考虑：一是墙体的厚度.墙体的保温隔热性能与自身厚度成正比关系，有关研究表明，当把240 mm厚的砖墙替换为370 mm厚砖墙，减少30%的外墙散热量，显著提高保温能力.二是增加外墙保温隔热层.这个措施主要在于降低传热系数，提高墙体的热阻，以此提高墙体的保温能力.外墙传热系数与农村住宅的保温性能成正比，传热系数越小则意味着建筑物散热越慢，从高温流向低温的热量越少，保温性能也就越好.

考虑到冀西北地区农村住宅所处的地理位置、环境条件等实际情况，可以采用复合型保温构造.复合型保温构造形式主要是将保温材料设置在墙体外侧，形成保温层，例如可以将聚苯板粘贴在墙体外侧，再将玻璃纤维网设置在外侧，起到保护作用，如图1所示.这种保温形式降低了外墙的传热系数，提高建筑物保温性能，减少采暖期能耗，增加室内的热舒适性，同时起到保护外墙的作用，在实际中应用较多.

图1 外墙做法

(2)屋面

屋面作为重要的散热部位，在冀西北农村地区并没有得到足够的重视，目前该地区大多采用现浇混凝土平屋顶，很少加设保温层和隔热层.对于屋面的保温节能措施主要从以下两个方面来考虑：

一是屋面的形式.倒置式屋面的设计方法具有较好的节能效果，其简单的结构形式如图2所示.它是将憎水性保温材料设置在防水层上的屋面形式，既减少热量通过屋面散失又增加防水层的使用寿命.对于保温材料的选择，可以采用挤塑板，利用粘贴或干铺的方式施工，并将混凝土直接浇筑的表面，该做法适合上人屋面，具有经久耐用、安全可靠的优点.

图2 倒置式屋面结构形式

二是吊顶的应用.冀西北农村住宅可以考虑利用轻质保温材料来设置吊顶层，在屋顶和吊顶之间增加一个空气层，既能提高住宅屋顶热阻，起到一定的隔热作用，减少热量的散失，又减少了冬季煤炭等能源的供暖消耗.对于冀西北农村地区来说，保温材料可以选用聚苯板、膨胀珍珠岩等，造价较低，工艺较简单，适合在该地区应用.

(3)门窗

对于门窗的保温隔热措施主要从三个方向来考虑：

一是窗墙比，它影响着窗的具体尺寸.窗墙比要根据房间的实际大小来决定，窗户太小会影响房间的通风和采光，太大又容易失热，影响室内的热舒适性.冀西北农村地区冬季需要最大程度利用太阳能，因此在建筑物结构允许的情况下结合当地条件考虑加大南向窗户的面积，适当开设东西向窗，以此来利用更多的太阳能.有研究表明，一般情况下，南向窗墙面积比应不大于35%.此外，窗的具体位置还应避免对着冬季主导风向，以免热量散失过多，降低室内温度.对于门的位置而言，外门宜布置在农宅南侧，建议北侧不要设置外门.外门不适合与室温需求较高的房间相连.例如主卧直接相连，避免冬季冷空气直接进入房间，导致室内温度下降，影响室内热舒适性.

二是材质.在材质方面最好选择传热系数小、气密性好的门窗，以此来减少室内热量的散失，从冀西北农村地区实际情况来看，宜选择铝合金和PVC型材的中空玻璃窗、Low-E玻璃窗等，与冀西北农村地区目前使用的单片透明玻璃相比，这几种玻璃的窗户传热系数较低，热损失显著下降，具有较好的保温隔热与隔声特性；与市面上被动式超低能耗的“三玻两中空”的窗户相比，这几种窗户造价较低，更适合在冀西北农村地区推广.

三是气密性.在冬季，冷空气容易通过气密性差的门窗渗入室内，降低室内温度，增加冬季采暖期的负荷，加大能源的消耗，污染室内外环境.在安装门窗时，可以考虑在缝隙处填充如密封条、密封胶等保温材料，或采用其他挡风设施，以此来提高门窗的气密性，减少室内热量的散失，降低能耗.

1.3 被动式太阳能利用技术

被动式节能技术中，对于太阳能的利用是及其重要的.冀西北地区太阳能资源十分丰富，属于太阳能辐射Ⅱ类区域.因此，在冀西北农村地区住宅中推广被动式太阳能利用技术，十分符合当地气候特点，且太阳能相对于其他能源价格较低，更适应当地农村经济技术水平.

在太阳能利用方面，主要考虑通过对南向外墙的设计尽量使得太阳能有更充分的利用，以此来提高住宅冬季室内温度.结合农村住宅特征的被动式太阳能利用技术主要分为直接受益式、集热墙式、附加阳光间式三种方法[8]，这三种方法各有优劣.

直接受益式是利用南向窗户直接接收太阳能辐射[9].其优点是简单，它是最简单的被动式太阳能利用技术，缺点是温度下降快、室内温度波动幅度较大等.

集热墙式是利用南向墙体进行集热蓄热的被动式太阳能利用形式，这种形式的优点是满足冬季供暖的同时减少了空间的占用.

附加阳光间式是直接受益式与蓄热集热墙式的集合，在房屋南侧加一个阳光间[10]，原理与集热墙式相同，加大了南向玻璃与墙体之间的距离，形成一个可以活动的空间，其简单做法形式如图3所示.这种形式的优点是温度波动程度降低，为冬季提供了可以活动的空间，缺点是造价较高.

图3 附加阳光间式住宅简单示意图

从经济性、节能效果、改造方便程度等方面来看，在冀西北农村地区较为可行的是集热墙式和附加阳光间式.

1.4 其他

地面作为建筑物的围护结构之一，其保温能力极易被人们忽视，事实上地面是否保温对人的冷热感觉影响很大.冬季受室外温度的影响，在建筑物外墙内侧0.5～1.0cm范围内，地面热量通过该区域传递到室外的低温土壤，降低室内温度，增加供暖能耗[11].冀西北农村地区地面做法简单，一般分为泥土地面、砖砌地面、混凝土地面，基本未针对地面考虑保温措施，放任热量散失.因此为地面增设保温措施是十分必要的.

地面的被动式节能技术上主要考虑地面保温的设置，在与室外低温土壤直接接触的农村住宅外墙内侧地面应设置保温层，保温材料可选择炉渣、聚苯板等.以此来加强地面的储热能力，减少热量的散失.该措施的费用较低，可行性较高，适合在冀西北农村地区应用.

2 被动式节能技术在夏季降温的应用

2.1 自然通风的应用

自然通风是建筑物夏季降温的有效方法，成本较低，不需要额外的设备辅助降温，非常适合在冀西北农村地区应用.

要想达到非主动式降低室内温度，在设计时就需要利用冀西北农村地区建筑的太阳辐射、气候条件等地理优势，结合建筑物的设计布局、通风开口等形式利用风压分布来诱导自然通风，形成室内空气的自然流动.例如，着重考虑夏季主导风向，以及风压分布情况，在平面设计选择窗户朝向时，应在考虑日照的同时注意主导风向[12]，根据冀西北地区的具体风向、风速等因地制宜，最大可能地利用夏季自然风.此外，每个房间都可以考虑设置外窗，便于空气对流，形成穿堂风，当室外温度比室内温度低时，这种方式可以使得夏季或过渡季的室内温度有效降低.

2.2 其他

考虑在屋顶涂刷反射隔热涂料或者采用百叶板遮阳棚、浅色装饰面，以此来减少屋面太阳辐射得热，使得屋顶外表面的温度和上层房间的热负荷大大降低.种植屋面是改善屋面热工性能的手段之一，其隔热效果较好，具体方式可以采用种植藤蔓类植物直接遮挡部分太阳辐射，既能改善屋面隔热性能，又具有一定的美化作用，其缺点是成本相对较高.

3 总结与展望

在我国建筑能耗中，北方农村地区在采暖期的能源消耗是重要组成部分.因此，在冀西北农村地区推广采用被动式节能技术的住宅是该地区节能降耗减排的发展趋势.冀西北地区农村可以采用的被动式节能技术主要体现在建筑物朝向及布局、外围护结构保温隔热、被动式太阳能利用技术、自然通风、其他几个方面.将被动式节能技术和当地的气候条件、地理环境、经济条件相结合，其可操作性强、易于掌握和实现的特点可以有效降低冀西北地区农宅能耗，提高农宅室内舒适度，减少农村空气污染，适合在冀西北地区农村进行使用和推广.