The Application of Passive Technology on Rural Houses in Severe Cold Regions

金 虹 邵 騰 金雨蒙 康 健

JIN Hong, SHAO Teng, JIN Yumeng, KANG Jian

?

被動(dòng)式技術(shù)在嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅中的應(yīng)用研究*

The Application of Passive Technology on Rural Houses in Severe Cold Regions

金 虹 邵 騰 金雨蒙 康 健

JIN Hong, SHAO Teng, JIN Yumeng, KANG Jian

摘 要隨著農(nóng)民對居住環(huán)境日益提高的要求及農(nóng)村能源的缺乏，農(nóng)村住宅的節(jié)能設(shè)計(jì)已成為新農(nóng)村建設(shè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在城鄉(xiāng)發(fā)展不均衡、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)技術(shù)相對落后的背景下，被動(dòng)式技術(shù)以其低成本、低技術(shù)的特征易于被農(nóng)民所接受。本文結(jié)合課題組在嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅設(shè)計(jì)方面的工程實(shí)踐，分析了被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)、被動(dòng)式太陽能利用技術(shù)、被動(dòng)式通風(fēng)技術(shù)在農(nóng)村住宅中的應(yīng)用及實(shí)施效果，旨在為嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅的被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，從而推動(dòng)嚴(yán)寒地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。關(guān)鍵詞 嚴(yán)寒地區(qū)，被動(dòng)式技術(shù)，農(nóng)村住宅，建筑節(jié)能

金虹, 邵騰, 金雨蒙, 等. 被動(dòng)式技術(shù)在嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅中的應(yīng)用研究[J]. 西部人居環(huán)境學(xué)刊, 2016, 31(01): 115-118.

* 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51378136）

Abstract:With villagers’ increasing demand for living environment and the lacking of energy in rural area, the energy-saving design for rural houses has become an important part of new rural construction. Under the background of imbalanced urban-rural development and rural economy-technology backward, the passive technologies are easily accepted by villagers with the characteristic of low cost and low technology. This paper, based on the engineering practice of rural house design in severe cold regions, analyzes the application and implementation effect of passive energy-saving technology, passive solar energy utilization technology and passive ventilation technology on the rural houses. It aims to provide guidances for the rural house’s passive energy-saving design, and thus promote the sustainable development of new rural construction in severe cold regions.

Keywords:Severe Cold Regions; Passive Technology; Rural Houses; Building Energy-Saving

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的提高，農(nóng)民對人居環(huán)境的改善不斷有新要求，隨之而來的是農(nóng)宅能耗的大幅度增長，農(nóng)村建筑節(jié)能已成為我國建筑節(jié)能系統(tǒng)工程中不容忽視的重要一環(huán)[1]。我國農(nóng)村地廣人多，2010年農(nóng)村住宅面積約230億m2，占全國總建筑面積的50%，農(nóng)村住宅的商品能耗為1.77億tce，占建筑總能耗的26.1%，秸稈、薪柴等生物質(zhì)能的消耗約折合1.39億tce[2]。針對當(dāng)前我國農(nóng)村住宅的節(jié)能現(xiàn)狀，工信部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于開展綠色農(nóng)房建設(shè)的通知》[3]中，明確要求加快推進(jìn)“安全實(shí)用、節(jié)能減廢、經(jīng)濟(jì)美觀、健康舒適”的綠色農(nóng)房建設(shè)。嚴(yán)寒地區(qū)冬季寒冷漫長，采暖期長達(dá)半年之久，且由于農(nóng)村住宅多為單層獨(dú)立式，體形系數(shù)大且多數(shù)未采取有效的保溫措施，導(dǎo)致冬季采暖能耗大，能源及生態(tài)環(huán)境問題更為突出。

被動(dòng)式技術(shù)是指不采用機(jī)械設(shè)備，僅通過建筑自身的合理設(shè)計(jì)，如建筑朝向、空間布局、圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、太陽能的合理利用以及自然通風(fēng)等，來達(dá)到改善室內(nèi)環(huán)境、節(jié)省建筑能耗的目的。國內(nèi)外關(guān)于被動(dòng)式技術(shù)在建筑中的應(yīng)用與研究均是針對特定的地域環(huán)境、氣候特征及文化背景等[4-10]，不能單純的對已有成果進(jìn)行復(fù)制，應(yīng)根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村的特點(diǎn)進(jìn)行有針對性的研究。嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅的建設(shè)方式多為自籌自建，經(jīng)濟(jì)性是制約節(jié)能技術(shù)推廣的重要因素。因此，與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)技術(shù)相適應(yīng)的低成本被動(dòng)式技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村住宅節(jié)能的主要途徑。

1 被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能在建筑節(jié)能中起到重要作用，因此被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)是提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。對于嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅來說，首先應(yīng)采用復(fù)合型保溫構(gòu)造，降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，提高保溫性能。以燃柴為主、火炕為采暖方式的間歇式供暖農(nóng)村住宅，應(yīng)將蓄熱系數(shù)小的輕質(zhì)高效保溫材料放置在靠近室內(nèi)一側(cè)，將重質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)層布置在靠近室外一側(cè)[11]。對于墻體，由于農(nóng)民經(jīng)常在內(nèi)墻面上釘掛一些飾物及農(nóng)具等，考慮到墻體的耐久性與適用性，可在保溫層內(nèi)側(cè)增設(shè)保護(hù)墻，形成夾心保溫墻體構(gòu)造[12]（表1）；對于屋頂，宜采用吊頂層上鋪設(shè)保溫材料的構(gòu)造形式，當(dāng)采用非憎水性保溫材料時(shí)，應(yīng)在保溫層下設(shè)置隔汽層。夾心保溫墻體宜選擇板狀保溫材料，如EPS板、稻草板等，其中，EPS板為憎水性材料，保溫效果好，但造價(jià)較高；草板價(jià)格低廉、制作簡單，但應(yīng)注意草板的防火、防潮等問題。屋頂保溫材料的選擇范圍較廣，各種形式的材料均可。夾心保溫墻體及屋頂構(gòu)造圖如表1所示。

表1　外墻夾心保溫墻體及屋頂構(gòu)造示意圖Tab.1 the structure of sandwiched insulation wall and roof

基于以上構(gòu)造形式，我們在嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅建設(shè)中進(jìn)行了一系列的工程實(shí)踐。在內(nèi)蒙古扎蘭屯福泉村、臥牛河村和嶺航新村的節(jié)能住宅中均采用了100mm厚EPS板夾心保溫墻體構(gòu)造，屋頂采用吊頂層上部鋪設(shè)150mm擠塑板，板材交接處采用聚氨酯發(fā)泡填充連接（圖1）；在黑龍江省大慶市林甸縣勝利村的實(shí)驗(yàn)農(nóng)宅中應(yīng)用了草板夾心保溫墻體構(gòu)造，屋頂采用草板與稻殼復(fù)合保溫的形式（圖2）。測試結(jié)果表明：新型住宅的節(jié)能率達(dá)到65%以上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)大大降低，臥室溫度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)民居，且室內(nèi)溫度波動(dòng)小，滿足嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村居民的熱舒適需求[13]；外墻和屋頂內(nèi)表面溫度始終高于測試房間內(nèi)的空氣露點(diǎn)溫度，冬季未出現(xiàn)內(nèi)表面結(jié)露的現(xiàn)象；采用EPS板時(shí)，其增額投資成本可以在6年內(nèi)收回，采用稻草板的住宅比傳統(tǒng)住宅減少了一次性投資成本。

圖1　EPS板保溫節(jié)能住宅施工Fig.1 the construction of EPS board energy saving house

圖2　草板保溫節(jié)能住宅施工Fig.2 the construction of straw brick energy saving house

2 被動(dòng)式太陽能利用技術(shù)

太陽能是一種取之不盡、用之不竭、無污染且價(jià)廉的能源，在建筑中充分利用太陽能不僅可以改善冬季住宅室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，而且能節(jié)約常規(guī)能源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。與城市相比，農(nóng)村地區(qū)的建筑在環(huán)境、建筑布局等方面均有利用太陽能的優(yōu)勢。因此，在廣大農(nóng)村中大力發(fā)展被動(dòng)式太陽能利用技術(shù)，符合農(nóng)村住宅特點(diǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平。

我們在黑龍江省大慶市林甸縣勝利村的實(shí)驗(yàn)農(nóng)宅中成功運(yùn)用了兩種被動(dòng)式太陽能技術(shù)。如圖3所示，該農(nóng)宅采用了直接受益式的被動(dòng)式太陽能利用方式，使室內(nèi)空間在白天能夠吸收大量的太陽輻射，但直接受益式易造成夜間室內(nèi)熱量通過大玻璃窗向外散失，為了解決這一問題，在起居室增設(shè)一道玻璃隔斷或保溫窗簾，有效地減少了夜間室內(nèi)熱量的散失[14]。在不增加投資成本的前提下，該住宅的景觀與室內(nèi)舒適性與傳統(tǒng)民居相比均有明顯的提高，深受當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的歡迎。

圖3　直接受益式太陽能利用的農(nóng)宅F(xiàn)ig.3 the rural house with direct benefit of solar energy utilization

圖4所示的農(nóng)宅采用了集熱蓄熱墻與陽光間相結(jié)合的被動(dòng)式太陽能利用方式，將建筑南側(cè)臥室的墻體設(shè)計(jì)成為集熱蓄熱墻，入口處內(nèi)凹形成陽光間。玻璃幕墻內(nèi)壁與重質(zhì)墻集熱面之間的空氣夾層間距為100mm，重質(zhì)墻集熱面刷黑色涂料，以增加對太陽能輻射的吸收率。在具體實(shí)施工程中，為了減少墻面的開洞面積、降低施工難度、增加墻體總熱阻，對傳統(tǒng)的集熱墻構(gòu)造進(jìn)行了改進(jìn)（圖5）。測試結(jié)果表明：采用集熱蓄熱墻的農(nóng)宅，在其他條件相同的情況下，其室內(nèi)溫度比普通節(jié)能住宅明顯提高，同時(shí)農(nóng)宅夜間的熱環(huán)境也得到了改善，這對延緩室內(nèi)溫度的波動(dòng)起到了一定的作用。

圖4　利用太陽能集熱墻的農(nóng)宅F(xiàn)ig.4 the rural house with solar-collected wall

圖5　被動(dòng)式太陽能集熱墻通氣口Fig.5 the vent of passive solar-collected wall

3 被動(dòng)式通風(fēng)技術(shù)

農(nóng)村炊事、采暖造成的室內(nèi)空氣污染，已成為危害嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村居民健康的主要因素之一。北方農(nóng)村住宅采用傳統(tǒng)柴灶、火炕等灶具進(jìn)行炊事和采暖，燃料多采用易產(chǎn)生煙氣的稻草、秸稈等，“爐灶倒煙”現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。同時(shí)，為防止冷風(fēng)滲透，農(nóng)村住宅冬季門窗封閉，室內(nèi)難以及時(shí)補(bǔ)充新鮮空氣，導(dǎo)致住宅室內(nèi)空氣質(zhì)量較差，嚴(yán)重影響住戶的身體健康。為了解決這一問題，我們研發(fā)了在保證建筑氣密性前提下的被動(dòng)式通風(fēng)技術(shù)，既改善了北方農(nóng)村住宅的冬季室內(nèi)空氣質(zhì)量，又避免了因通風(fēng)換氣而帶來的冷風(fēng)滲透，該技術(shù)在大慶市林甸縣勝利村中法合作項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。

被動(dòng)式通風(fēng)系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：一是廚房爐灶排煙通風(fēng)系統(tǒng)，二是滿足生理需求的臥室通風(fēng)系統(tǒng)。爐灶燃燒時(shí)需要補(bǔ)充大量的新鮮空氣，否則容易導(dǎo)致燃料燃燒不完全，而產(chǎn)生大量的有害氣體。為解決這一問題，同時(shí)盡可能減少住宅的熱量損失，我們設(shè)計(jì)了地下風(fēng)道為爐灶補(bǔ)充新風(fēng)，一方面有助于燃料的完全燃燒，另一方面可以調(diào)節(jié)風(fēng)壓大小，增加爐灶所在空間的空氣壓力，迫使正向氣流的產(chǎn)生。此設(shè)施（圖6）不需要任何機(jī)械動(dòng)力，既解決了倒煙問題、改善了室內(nèi)的空氣質(zhì)量，而且由于管道在通過地下的過程中，有一個(gè)預(yù)熱的過程，又避免了冷風(fēng)對室內(nèi)的直接侵襲。

圖6　用于燃燒的廚房通風(fēng)系統(tǒng)Fig.6 the kitchen ventilation system for combustion

為了提高送入臥室的空氣溫度，保證居住環(huán)境的舒適度，臥室通風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)進(jìn)氣管首先穿過火炕，使室外冷空氣經(jīng)過預(yù)熱后再輸入室內(nèi)（圖7）。此外，由于門斗是室內(nèi)外的過渡空間，在冬季，它具有溫度高于室外且新鮮空氣充足的特點(diǎn)，為了避免過冷的空氣進(jìn)入室內(nèi)，也可將取氣口設(shè)置在門斗處[15]。室外排風(fēng)管道應(yīng)采取一定的保溫措施，避免其內(nèi)部結(jié)露甚至結(jié)冰。被動(dòng)式通風(fēng)技術(shù)結(jié)合農(nóng)村住宅的使用特點(diǎn)，有效地提高了燃料的燃燒效率，減少了炊事活動(dòng)產(chǎn)生的有害氣體，同時(shí)也保證了冬季門窗緊閉狀態(tài)下的室內(nèi)通風(fēng)換氣。

圖7　滿足生理需求的臥室通風(fēng)系統(tǒng)Fig.7 the bedroom ventilation system for satisfying physiological needs

4 結(jié) 論

被動(dòng)式技術(shù)可操作性強(qiáng)、易于掌握和實(shí)現(xiàn)，能夠簡單、經(jīng)濟(jì)和有效地解決農(nóng)村住宅的節(jié)能和舒適性問題，且具有適應(yīng)地域性氣候環(huán)境、施工技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件的特征，適合在我國嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村或不發(fā)達(dá)地區(qū)進(jìn)行使用和推廣。通過對被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)、被動(dòng)式太陽能利用技術(shù)和被動(dòng)式通風(fēng)技術(shù)在農(nóng)村住宅節(jié)能設(shè)計(jì)工程實(shí)踐中的應(yīng)用，驗(yàn)證了技術(shù)的有效性和可行性，為嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅的被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 文月. 綠色農(nóng)房引領(lǐng)農(nóng)宅節(jié)能[N]. 中國建設(shè)報(bào), 2014-01-16(06).

[2] 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心. 中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、工業(yè)和信息化部. 關(guān)于開展綠色農(nóng)房建設(shè)的通知[Z]. 建村[2013]190號, 2013.

[4] DI P, ZHANG Q Y. Analysis of the rural house energy-saving technology in Gansu [J]. Applied Mechanics and Materials, 2013(409-410): 589-592.

[5] Zaki Wan Rahmah Mohd, Nawawi Abdul Hadi, Ahmad Sabarinah Sh. Case study in passive architecture: Energy savings benefit in a detached house in Malaysia[C]// Sun, Wind and Architecture—The Proceedings of the 24th International Conference on Passive and Low Energy Architecture, 2007: 344-351.

[6] CARDINALE N, MICUCCI M, RUGGIERO F. Analysis of energy saving using natural ventilation in a traditional Italian building[J]. Energy and Buildings, 2003, 35(02): 153-159.

[7] 李雪光. 偉大節(jié)能房：被動(dòng)式技術(shù)在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用[J]. 建設(shè)科技, 2015(15): 78-79.

[8] 蔣紋. 美國鄉(xiāng)村住宅的綠色實(shí)踐——以新諾里斯的示范住宅為例[J]. 新建筑, 2015(01): 92-95.

[9] 胡靜. 淺談皖南傳統(tǒng)民居的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)——以江西省婺源縣大理坑村為例[J].浙江建筑, 2014, 31(04): 49-52.

[10] 周鐵軍, 劉恒軍. 低技術(shù)節(jié)能策略在四川新農(nóng)村住宅中的應(yīng)用探討——以廣漢市西外鄉(xiāng)楠林村號聚居點(diǎn)住宅設(shè)計(jì)為例[J].西部人居環(huán)境學(xué)刊, 2014, 29(03): 32-37.

[11] 金虹，趙華. 關(guān)于寒地村鎮(zhèn)節(jié)能住宅設(shè)計(jì)的思考[J]. 哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào). 2001(03): 96-100.

[12] 黑龍江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳. DB23/T 1537-2013黑龍江省農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 哈爾濱: 2013.

[13] 金虹，趙華，王秀萍. 嚴(yán)寒地區(qū)村鎮(zhèn)住宅冬季室內(nèi)熱舒適環(huán)境研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 38(12): 2108-2111.

[14] 金虹, ENARD A, CELAIRE R. 北方鄉(xiāng)村生態(tài)屋設(shè)計(jì)實(shí)踐[J]. 建筑學(xué)報(bào), 2005(09): 24-26.

[15] LING W, ZHAO T Y, JIN H, ZHAO X P. Energy-saving technology of vent in passive solar wall of rural house of severe cold region[J]. Journal of Harbin Institute of Technology. 2014(04): 30-36.

圖表來源：

表1：DB23/T 1537-2013. 黑龍江省農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 哈爾濱: 黑龍江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳, 2013.

圖1-2、圖4：作者拍攝

圖3：金虹, ENARD A, CELAIRE R. 北方鄉(xiāng)村生態(tài)屋設(shè)計(jì)實(shí)踐[J]. 建筑學(xué)報(bào), 2005(09): 24-26.

圖5：LING W, ZHAO T Y, JIN H, ZHAO X P. Energy-saving technology of vent in passive solar wall of rural house of severe cold region [J]. Journal of Harbin Institute of Technology. 2014(04): 30-36.

圖6-7：作者繪制

（編輯：田潔）

收稿日期：2015-11-10

作者簡介金 虹： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師，國家一級注冊建筑師，jinhong1963@qq.com 邵 騰：哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，博士研究生金雨蒙：哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，碩士研究生康 健： 英國謝菲爾德大學(xué)建筑學(xué)院；哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160120

文 章 編 號2095-6304(2016)01-0115-04

文獻(xiàn)標(biāo)識碼B

中圖分類號TU241.4