“双碳”战略背景下乡村居住建筑绿色低碳设计路径研究

王 琳 苏舒阳 李任娴

随着可持续发展思想的贯彻，建筑领域不断推行绿色设计理念，建设情况有所好转，但整体仍不乐观。城乡建设碳排放量占我国碳排放总量约1/3，建筑能耗量占我国总能耗的比例近30%，且随着城镇化不断推进和产业结构持续深化，城乡建设领域的碳排放量占比将呈现持续上涨趋势。因此，建筑设计注重绿色低碳、环保节能，降低建筑能耗，构建生态宜居的居住环境，既是顺应“双碳”目标的战略背景，也是构建可持续发展与全面深化改革的社会需要。

1 绿色低碳节能设计的背景及意义

1.1 “双碳”目标的提出

建筑作为实行绿色低碳的主要载体，设计上更加注重节能减排已经成为时代发展的趋势，对“双碳”目标的实现具有深远的战略意义。2022 年，住房城乡建设部提出，“到2025 年，完成既有建筑节能改造面积3.5 亿m2以上，建设超低能耗、近零能耗建筑0.5 亿m2以上”[1]，为建筑的绿色低碳节能设计指明了新的目标方向。

1.2 绿色低碳建筑的概念及发展

传统建筑设计受时代发展、社会生产力和工艺技术等因素的影响，自然资源利用率低、能源消耗较大，而绿色低碳建筑的概念正是基于此提出，它指在使用建筑物（包括建筑材料、设备设施等）的全生命周期内，能够减少石化能源消耗量，提高资源利用率，减少二氧化碳排放的建筑类型[2]。

居住建筑是承载人们生活行为的主要场所，其中较大比例的能耗是由分布在各处的乡村居住建筑产生，碳排放量占比20%以上，因而其绿色节能设计显得尤为重要，成为推进节能减排、绿色低碳，实现“双碳”战略的首要目标。住宅节能设计是将绿色低碳作为核心设计理念，对住宅整体布局、材料应用、设施设备规划及各细节部分进行科学设计的过程[3]，采用各类生态材料和节能技术，最终达到低能耗、低污染、低排放、高效能的绿色低碳生态化乡村住宅。

2 乡村居住建筑绿色低碳节能设计的现状研究

2.1 乡村居住建筑环境面临的问题

近年来，我国高度重视乡村发展建设，积极推进“美丽乡村”“乡村振兴”“康居工程”等，从各方面改善人居环境。但大部分现有乡村居住建筑环境仍然面临诸多问题，比如地理位置相对偏僻，经济条件落后，道路硬化、雨污水处理等基础市政建设落后，缺乏配套设施和大面积绿化，环境污染严重。加上建筑多是村民自建，采用廉价不环保材料，未进行保温、通风、隔热等方面的专业处理，室内热舒适性较差，导致空调、煤炭等各类能源消耗增加，增加二氧化碳排放量。而且绿色低碳技术的应用，无论是新建还是改造，都需要在前期投入大量的资金成本，需要得到政府的有力支持，目前实行推广力度不大。

2.2 绿色低碳节能设计研究现状

国外部分高校较早开设了绿色建筑、环境工程等学科，美国推行绿色建筑认证体系（Leadership in Energy& Environmental Design Building Rating System，LEED），绿色建筑的迅速发展对建筑设计提出了新要求[4]。国外乡村建筑的规划新建，也较为注重节能、可持续等影响因素，提出“建筑节能”“生态村镇”的设计思想，提倡减少使用不可再生资源，多利用太阳能、风能等绿色能源。生态村的建设多采用当地建筑材料，既降低造价，绿色环保，还能体现地域特色。此外，建筑选取有保温、隔热、气密性的围护材料，安装利于通风散热的设备，可以实现绿色低碳节能。

我国大约在1980 年开始对绿色建筑设计的初步研究，很多高校持续做相关方向的课题研究。乡镇同样响应国家节能减排的号召，开始逐步重视规划、建筑绿色节能的实施。近年来，越来越多的专家学者对乡村规划和住宅设计展开生态、低碳等内容研究，对村镇规划布局、低碳建筑改造、开发利用新能源、新型节能技术等提出了注意要点和建造策略，提出低碳乡村建设，设计屋顶花园、生态阳台等，吸收排放的二氧化碳，实现碳中和。

3 乡村居住建筑绿色低碳节能设计的技术策略

目前研究来看，单一技术策略均有其局限性，将多种技术策略有机结合，采用“被动式技术+主动式技术+可再生能源+绿色景观”的组合策略，打造乡村居住建筑的低能耗技术体系，方式简单、成本低，且高效节能，可实现绿色低碳建筑。

3.1 优先采用被动式技术

被动式技术主要是通过提高建筑围护结构本身的保温隔热技术、采用太阳辐射、自然通风采光等被动式节能措施，提高室内居住环境的热舒适度，同时又大幅降低建筑能耗，高度节能，提升绿色人居品质。

3.1.1 充分利用被动式节能措施

加强天然采光和自然通风设计，提高热舒适性。传统乡村住宅多采用单侧开窗，室内光线较暗，对流通风环境较差，可通过软件模拟天然采光、通风并进行优化设计，适时增设对侧外窗、屋顶天窗，控制外窗、屋顶天窗的位置、比例、开启方式等，加强室内的自然通风和采光照度及均匀度，保证最大限度利用太阳光线，又避免过多的太阳辐射造成室内热量升高，增加空调能耗。窗户宜选用铝包塑钢材质的被动式节能窗，改善乡村居住建筑冬夏季室内温度、湿度，有效提高热舒适性，降低能耗。多层建筑可结合楼梯间造型设计自然通风塔，增强室内自然通风。

设计可调节阳光房或花园阳台。条件允许时增设可调节阳光房，采用可旋转玻璃外门或可以调节开启角度的玻璃外窗，外侧及顶部增设百叶，灵活调节被动存蓄的太阳能。冬季室外寒冷，关闭阳光房外窗，打开百叶，太阳辐射通过阳光房储能，加热室内空气，降低室内采暖能耗；夏季室外炎热，白天关闭外窗，防止室外热空气进入室内，夜晚开启，将室内热空气散出室外，同时白天开启阳光房百叶，有效阻挡太阳辐射进入室内加热室内空气，降低室内空调能耗。通过可调节阳光房的设计，被动式有效调节室内热环境，做到冬季保温和夏季防热，大大降低建筑能耗（图1）。

图1 可调节阳光房冬、夏季能耗分析图（来源：作者自绘）

阳光房也可结合生态绿植，设计花园阳台，美化空间的同时，植物和水可以进一步调节室内湿度和温度，形成生态小气候圈，对户外环境进入室内起到缓冲作用，真正实现绿色低碳的效果。

3.1.2 提高建筑外围护结构本身性能

采用绿色生态建材。北方传统乡村住宅多采用砖木结构，新建或改造的住宅宜采用当地生态绿色环保材料，节约造价同时又避免资源浪费。也可以适当引入部分装配式结构，如低碳的轻木结构、预制轻钢模块，便于拆装，实现资源的低碳循环利用。

加强围护结构性能设计或改造。外围护结构，主要针对建筑屋顶、墙体、门窗、地面等系统进行优化设计，增强各部分保温通风隔热性能，减少建筑与外部环境之间的热损失，降低建筑能耗，降低投入成本。

墙体、屋顶、地面多增设保温材料来加强冬季保温，门窗多采用双层Low-E中空玻璃结合断桥铝合金窗框，并增强各结构气密性。屋顶还可架设通风层散热，推广屋顶绿化，对整个乡村人居环境起到调节作用。

3.2 搭配新型主动式技术

和被动式技术相比，主动式技术通常科技性和技术性更高，能够提供更加舒适、人性化、智能化的居住环境，但造价高，能耗大，短时间内难以在乡村居住建筑中推广使用，应和低成本的被动式技术搭配使用。

3.2.1 全空气新风系统

通过设备进行气流组织、新风送风和通风置换，实时环境监测和智能控制，置换污浊空气，调节室内温度和空气湿度，过滤消除细菌，实现全屋空气每1 ～2 h 置换一次，在低碳节能的基础上提升室内居住品质，打造恒温、恒湿、恒氧、恒洁、恒静的“五恒”系统。还可以采用具备新风热回收功能的环能一体机，提供新风的同时满足室内冷热需求。全空气系统可结合自然通风搭配使用，实现低能耗的同时提升居住环境舒适度。

3.2.2 全屋智能控制系统

随着数字化、智能化的全面发展，打造全面升级的第二代物联网远程控制系统，搭载云服务中心实现远程控制、智能诊断与监测，24 h 监测室内环境状态，实时调整，节省能源。

3.2.3 乡村智能控制平台

结合全屋智能系统，进一步搭建可视化的数据智能控制平台，两者相互补充，方便使用者实时掌握房屋能耗情况。屋顶设置气象站，收集气象环境信息。室内物联网传感器可收集各类数据能耗情况，如室内温湿度、实时光伏发电量等。

智能控制平台还可实现互联，进一步扩展至乡村层级，收集各类乡村数据，如公共厕所用水量、光伏路面停车场等，便于信息集成管理和人居环境治理，实行低碳节能。

3.3 利用各类可再生能源

通过太阳能、风能、雨水等可再生能源的充分利用，结合被动式技术节约的能耗，与主动式技术消耗的能源相互平衡，实现“近零能耗”的建筑目标。

3.3.1 太阳能

太阳能光伏发电系统。住宅屋顶设置太阳能光伏板，坡屋面可设置太阳能光伏瓦，技术已相对成熟，甚至可以在阳光房铺设彩色薄膜的太阳能光伏玻璃，储备基础电能的前提下，增强造型艺术表现力。

太阳能热水系统。宜采用太阳能热水器，白天通过收集太阳辐射，将能量转化成热能，以供平时洗澡、洗漱等生活需要，节约能耗。

3.3.2 雨水收集系统

设计独立的雨水收集及处理系统，将收集的雨水和生活废水及时进行净化处理，净化后中水可用于冲厕所、植物灌溉等，实现水资源的循环利用。若住宅设计有花园阳台，也可在种植槽下部预留储水装置，和雨水收集系统形成联动（图2）。

3.3.3 风能

风能的收集主要用于发电，对于风能的利用，可结合当地的气候和经济条件进行。一年四季风力均有变化，风能的利用应主要在风力较大的时节。条件好的可以在住宅中安装纵轴风涡轮机，可以和太阳能热水系统在季节上实现互补，太阳能在夏季被最大化利用，纵轴风涡轮机则在冬季这一风力最强的季节被广泛利用[5]。

3.4 配套低碳景观设计

除建筑主体，乡村居住建筑多有自己的院落空间，可贯彻绿色节能策略，进行低碳景观设计。庭院宜种植绿色植物，结合雨水收集系统进行浇灌，美化居住空间的同时，吸收排放的二氧化碳。也可利用废旧砖瓦、木窗、砌块等材料，通过不同的组合方式形成有设计感的铺装和景观墙，既体现乡村风貌和乡土文化，也做到了废物利用，低碳环保。院落景观设计采用低碳海绵形式，完善雨污管线的排水机制，完成雨洪实时下渗，补充地下水。增设过滤净化设施，收集雨水可用于绿化系统的水分供给，形成雨水花园。

4 结语

“双碳”战略目标将建筑绿色、低碳、节能推上了新高度，但我国的乡村居住建筑仍以村民自建居多，较少关注建筑能耗问题，成为我国建筑节能减排关注的对象。乡村住宅的绿色低碳设计，要求建筑师本着节能环保和以人为本的原则，从整体规划到建筑材料、技术的运用都要周全考虑，采用“优先采用被动式技术，搭配主动式技术，利用一切可再生能源，配套低碳景观设计”的策略力求达到能源平衡，降低住宅从建造到使用的全生命周期内的建筑能耗，实现绿色低碳节能的同时为人们提供舒适的人居环境，有序推进乡村住宅节能设计工作，实现社会的可持续发展。