仝 杰，谷竟成

（湖南工業(yè)大學 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，湖南 株洲 412007）

長株潭地區(qū)農(nóng)村住宅低碳設計研究
——以株洲市云田村為例

仝 杰，谷竟成

（湖南工業(yè)大學 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，湖南 株洲 412007）

基于兩型社會背景，在分析長株潭地區(qū)農(nóng)村住宅現(xiàn)存問題的基礎上，以株洲市云田村為例，從住宅規(guī)劃、戶型設計、構(gòu)造形式以及住宅能耗4個方面，研究了云田村住宅低碳設計實踐，并針對相應問題，提出云田村低碳住宅的改進措施，即：整體規(guī)劃布局采用兩戶聯(lián)建的組合方式；通過兩戶聯(lián)建減少外墻面積、適當增加建筑進深的方式，將住宅體形系數(shù)控制在一個較低的水平上；通過采用活動式通風屋頂、改善墻體特工性能、使用雙層中空玻璃窗等方式，改善住宅圍護結(jié)構(gòu)；使用太陽能供暖技術(shù)、太陽能熱水技術(shù)及秸稈技術(shù)，降低住宅能耗。

農(nóng)村住宅；低碳設計；長株潭地區(qū)；云田村

1 研究背景

長株潭城市群為亞熱帶地區(qū)典型的欠發(fā)達城市群之一。2007年底經(jīng)國務院批準，長株潭城市群成為全國資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會建設綜合配套改革試驗區(qū)。從應對全球氣候變化角度出發(fā)，作為承擔全國“兩型社會”先行試點重任的長株潭城市群，更應注重走低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展道路[1-3]。從長株潭農(nóng)村區(qū)域?qū)嶋H情況來看，農(nóng)村住宅的低碳化設計與推廣應用，對于整個長株潭城市群的低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

低碳住宅的內(nèi)涵是住宅內(nèi)二氧化碳的排放量非常低，并從住宅設計、建筑材料、建設施工到住宅使用等全過程減少二氧化碳的排放。低碳住宅注重將先進的建筑節(jié)能技術(shù)、節(jié)能產(chǎn)品、新能源等進行優(yōu)化組合，調(diào)整建筑耗能比例結(jié)構(gòu)，降低對礦物燃料的消耗量和依賴性，從而達到保護環(huán)境、節(jié)約能源和減少二氧化碳排放的目的，進而營造低能耗、高舒適性的健康環(huán)境[4-5]。在當前社會主義新農(nóng)村建設進程中，一方面，國內(nèi)理論工作者廣泛開展了農(nóng)村傳統(tǒng)住宅低碳設計的相關(guān)研究，檢索國內(nèi)相關(guān)研究成果發(fā)現(xiàn)，當前國內(nèi)該領(lǐng)域的研究成果主要集中在農(nóng)村低碳住宅的適宜性研究[6-8]、農(nóng)村住宅低碳設計理念研究[9-11]、農(nóng)村住宅低碳材料研究等[12-13]；然而另一方面，國內(nèi)關(guān)于農(nóng)村住宅低碳設計的相關(guān)研究成果主要集中在東部沿海地區(qū)，特別是以東部發(fā)達地區(qū)的浙江、江蘇、山東等省份的農(nóng)村地區(qū)為主，對廣大中西部地區(qū)的研究成果較少見，長株潭地區(qū)農(nóng)村住宅低碳設計研究更是亟待開展。

本研究即以此為切入點，結(jié)合長株潭地區(qū)云田村的實際情況，研究農(nóng)村住宅低碳設計，旨在為株洲市云田村農(nóng)村住宅的低碳設計與建設提供一定的理論和實踐參考，這對于長株潭地區(qū)其他農(nóng)村區(qū)域低碳住宅的低碳化改造也將具有一定的參考意義。

2 云田村住宅現(xiàn)狀調(diào)研分析

2.1 研究區(qū)概況

云田村位于長株潭地區(qū)株洲市云龍示范區(qū)東北部，屬亞熱帶氣候帶，云田村占地5.76 km2，戶籍人口2 782人，常住人口3 528人，人均建筑面積30 m2，村民住宅以兩層住宅建筑為主。云田村地勢平坦開闊，以丘陵地貌為主，土壤為典型的南方紅壤，屬亞歐地質(zhì)板塊中核區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無災害地質(zhì)構(gòu)造，木林茂盛，生態(tài)良好。其氣候以亞熱帶季風氣候為主，年平均降雨量為1 200～1 700 mm，年日照時數(shù)為1 300～1 800 h，雨量充沛，太陽能資源較豐富。

2.2 住宅規(guī)劃

云田村住宅整體外貌為青瓦白墻，格調(diào)和諧，但調(diào)研中發(fā)現(xiàn)其住宅存在以下問題：首先，多數(shù)住宅僅做了外飾面的翻修；其次，以獨戶式住宅為主；再者，住宅建筑分布不均勻，住宅面積占整個村子的土地資源較少。云田村各類型用地比例見表1。云田村仍保持著原來的規(guī)劃，整個村莊的住宅布局分散、無序。調(diào)研進一步總結(jié)發(fā)現(xiàn)，云田村大多數(shù)住宅建筑是以半圍合或不圍合的獨戶獨建的形式存在，且建筑容積率較小，住宅基地占每戶面積的比例較小，大部分面積被用來做院子，多數(shù)住戶將院子用來種植果樹，部分用戶將院子閑置，少部分將其用于圈養(yǎng)家禽或者種植蔬菜等作物。

表1 云田村各種類型用地比例Table 1 Cultivation proportion of various types of landing landin the Yuntian village

2.3 戶型設計

云田村的住宅戶型比較簡單，多數(shù)住宅首層保持著傳統(tǒng)的“一明兩暗”布局，堂屋居中兼作餐廳，一側(cè)為臥室，另一側(cè)為廚房和樓梯。主體住宅建筑的正房一般為3間或4間，大致可概括為兩類，即L型和一字型。

L型的住宅單進深居多，首層一般是穿堂式房間（見圖1a），二層多數(shù)為前廊式或后廊式臥室分布區(qū)。這種類型的住宅建筑進深小、面闊大，占地面積較大，體形系數(shù)大，會造成過高的碳排放量及土地資源的浪費，不利于建筑的低碳節(jié)能。同時，單進深的住宅形式南北通透，不利于冬季御寒，容易形成南北對流。相比較而言，一字型主體住宅建筑耗能量較小，該類建筑多為近幾年所建造，大部分為兩進深，一層為套間式住房（見圖1b），二層為后廊式住房。在相同的建筑體積下，此類布局體形系數(shù)較小，有更利于建筑的低碳節(jié)能。

除了上述兩類主體住宅建筑外，云田村不少居民在主體建筑旁添加了耳房（見圖1c）或廂房（見圖1d）作為灶臺或車庫等輔助用房，該類輔助用房多數(shù)為一層建筑。

圖1 云田村主體住宅首層平面圖及住宅效果圖Fig. 1 A plan view of the fi rst fl oor and an overall view of the main house

2.4 構(gòu)造形式

調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，云田村的住宅構(gòu)造形式大致經(jīng)歷了土木→磚木→磚混的歷史演變過程。磚混構(gòu)造形式又分為磚混+預制構(gòu)件和磚混+少部分現(xiàn)澆構(gòu)件，其中，土坯墻+木椽條屋頂約占4.54%，實體黏土磚+木椽條屋頂約占30.30%，磚混+大量預制構(gòu)件約占46.70%，磚混+少量現(xiàn)澆構(gòu)件約占18.46%。由于時代的發(fā)展以及居民經(jīng)濟條件的提高，云田村現(xiàn)在的住宅構(gòu)造形式以磚混結(jié)構(gòu)為主，其中，磚混+現(xiàn)澆構(gòu)件住宅多數(shù)為2000年之后建造的，但是所有住宅建筑的構(gòu)造形式仍然保持木質(zhì)構(gòu)件的挑檐，所有建筑的材料仍然以實體黏土磚為主，屋面的瓦材由機制瓦代替了傳統(tǒng)的青瓦。

由于建造年代不同，云田村住宅墻體的建造材料及厚度各不相同。少數(shù)年代已久的厚黏土磚墻體厚度為370 mm，大部分住宅建筑墻體厚度為240 mm。92%的墻體沒有添加保溫隔熱層，熱工性能較差，而且墻體的主要材料為黏土磚，這種建筑材料的保溫性能遠遠低于新型材料，因此云田村住宅的墻體改造成為低碳設計的主要內(nèi)容之一。

云田村住宅門窗的材質(zhì)主要為木質(zhì)、鋁合金及塑鋼材質(zhì)。其中木質(zhì)約占45.67%，約9.36%的門窗外層是木質(zhì)，內(nèi)層是鋁合金材質(zhì)。該類門窗形式一方面由于木質(zhì)門窗容易被破壞、蟲蝕而導致變形，密閉性較差，尤其在冬天，這種木質(zhì)單層平開窗的形式滲透能力較強，導致住宅建筑熱能量損失較多；另一方面為了保持住宅格柵窗欞的整體形式，在不破壞整體格局的基礎上又內(nèi)置了一層鋁合金門窗，鋁合金門窗或塑鋼窗多為推拉方式，保溫性能較好。在價位相等條件下，這種雙層窗戶形式的保溫隔熱效果遠低于雙層玻璃單層窗形式。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，云田村住宅只有約0.43%的窗戶為雙層玻璃形式，大多采用的是 3～5 mm 厚度的普通單層玻璃，保溫隔熱效果較差。

2.5 能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

云田村住宅建筑能源的種類主要有電能、液化石油氣、煤炭以及生物質(zhì)能（薪柴、秸稈），主要用于炊事、采暖、降溫、生活用電等方面?？紤]到實際轉(zhuǎn)化的損失，尤其是電力的折標轉(zhuǎn)化，本文選用發(fā)電煤耗計算法來計算云田村住宅建筑的能源消耗。具體做法為：以能量的等價值為轉(zhuǎn)換基礎，根據(jù)折標準煤的換算系數(shù)，其中，電能216.743萬kW·h折合75.860 t標準煤，液化石油氣6.922 t折合11.864 t標準煤，煤炭6.056 t折合4.324 t標準煤，薪柴7.210 t折合4.110 t標準煤，秸稈1.514 t折合0.650 t標準煤，具體能源消耗比見表2。

表2 云田村住宅建筑用能不同類型能源消耗比Table 2 Consumption percentage of different types of residential building energies in Yuntian

表中，電力（等價）折標系數(shù)為0.350 kg/(kW·h)，液化石油氣折標系數(shù)為1.714 kg/kg，煤炭折標系數(shù)為0.714 kg/kg，薪柴折標系數(shù)為0.571 kg/kg，秸稈折標系數(shù)為0.429 kg/kg。

由表2可以看出，云田村住宅建筑的能源消耗以商品能（煤炭、液化石油氣、電能）為主，所占比例較大，而且其所占比例預計會繼續(xù)增大，這是因為隨著經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)村的生活水平大幅度提高，同時家電下鄉(xiāng)的惠民政策會使村民更多依賴電能。調(diào)研統(tǒng)計還發(fā)現(xiàn)，云田村冬季耗能情況為：采暖約占總能耗的26%，降溫約占24%，炊事約占20%，照明約占15%，其他約占15%。因此，開發(fā)新能源對云田村低碳住宅建設具有重要意義。

3 云田村住宅低碳設計方法

3.1 整體布局規(guī)劃

云田村的整體住宅規(guī)劃可從布局上著手，住宅建筑的布局方式主要有行列式、圍合式、自由式3種。相比較而言，3種方式中行列式最為低碳節(jié)能，因為其住宅與住宅之間有共用墻體，但該類布局方式過于單一，缺乏農(nóng)村住宅的特色，所以建議云田村使用兩戶聯(lián)建的組合方式（如圖2所示），此種布局方式既節(jié)約資源，又能展現(xiàn)鄉(xiāng)村特色。

圖2 兩戶聯(lián)建效果圖Fig. 2 An effect graph of the building with two houses adjoined

3.2 控制體形系數(shù)

住宅體形的熱工系數(shù)為體形系數(shù)，是建筑外表面與建筑體積之比，其關(guān)系到建筑的平面、體量以及層數(shù)等，反映了一棟建筑體型的凹凸變化和建筑耗能狀況。體型系數(shù)越大，則體形凹凸變化越豐富，建筑耗能量越多；相反，體形系數(shù)越小，住宅建筑越低碳節(jié)能。因此從低碳住宅的角度出發(fā)，應將體形系數(shù)控制在一個較低的水平上。農(nóng)村住宅建筑可以采用以下方式降低其體型系數(shù)。

1）兩戶聯(lián)建設計，減少外墻面積

設單戶住宅開間為A，進深為B，高度為H，則其體形系數(shù)為：

兩戶連建的體形系數(shù)為：

由此可知，兩戶聯(lián)建的體形系數(shù)比獨戶式住宅的要小。其實，當采用行列式n戶連建時，整體住宅建筑更為低碳節(jié)能，但考慮到居民的接受度以及住宅的鄉(xiāng)村特色，兩戶聯(lián)建最為合適。

2）適當增加住宅建筑的進深

住宅建筑的進深越大，體形系數(shù)越小，但隨著進深的增加，體形系數(shù)的變化較小，其關(guān)系如表3所示。由表3中可知，當進深增至10 m時，繼續(xù)增大進深對體形系數(shù)的影響很小，所以綜合考慮，建議將云田村住宅建筑的進深控制在8～10 m比較合適，尤其是L戶型。

表3 住宅建筑進深與體形系數(shù)S增量關(guān)系Table 3 Relation between the residential building depth and residential shape coef fi cients

3.3 改善圍護結(jié)構(gòu)

屋頂是室內(nèi)外熱量交換的主要通道，因此加強屋頂?shù)谋馗魺嵝阅軐Φ吞甲≌哂兄匾饬x。目前，屋頂保溫隔熱主要有屋頂綠化、通風和添加保溫隔熱層等方式?？紤]到云田村住宅的屋頂形式為坡屋頂，建議采用活動式通風屋頂，利用坡屋頂與樓板面之間的間隔將熱量帶走，同時在頂層樓板面內(nèi)置就地取材的木板或聚苯板吊頂，采用雙層隔熱保溫方式，以加強屋面的熱工性能。

墻體是外圍護的主要部分，其熱工性能直接影響著住宅建筑的熱量散失，是低碳住宅必須重點考慮的因素。針對云田村住宅建筑的墻體現(xiàn)狀，提出以下幾點措施：1）選擇熱工性能較好的材料，摒棄使用黏土磚，而選擇加氣混凝土砌塊、空心磚等。2）采用夾層保溫墻，將閑置的秸稈加工成墻體填充材料，這種材料熱工性能較好，是農(nóng)村低碳住宅的首選墻體填充材料，但要注意添加防腐、防蟲劑。3）粉刷淺色的外飾面，增加反射率。

門窗是住宅建筑熱工性能最薄弱的環(huán)節(jié)，通過門窗流失的能量約占整體建筑能耗的45%～50%，因此，提高門窗的熱工性能是低碳住宅的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。表4所示為不同窗戶的傳熱系數(shù)。

由表4可以看出，雙層中空玻璃窗的傳熱系數(shù)相對最小，因此，建議云田村住宅使用雙層中空玻璃窗，以增強住宅的保溫隔熱性能。此外，門窗的位置還要考慮向陽面的遮陽，如東、西向可采用垂直遮陽，正南方可采用水平遮陽。

表4 不同窗戶的傳熱系數(shù)Table 4 Heat transfer coef fi cient of different windows

3.4 運用適宜技術(shù)

結(jié)合云田村的自然資源、經(jīng)濟條件、氣候類型以及能耗現(xiàn)狀，建議在其住宅建筑中運用以下技術(shù)，以降低住宅能耗。

1）太陽能供暖技術(shù)

太陽能供暖技術(shù)主要利用太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的方式來供暖，其通過集熱設備采集太陽光的熱量，再通過熱導循環(huán)系統(tǒng)將熱量導入置換熱中心，然后將熱水導入地板采暖系統(tǒng)，并通過電子控制儀器控制室內(nèi)水溫。在陰、雨、雪等天氣條件下，系統(tǒng)自動切換至燃氣鍋爐輔助加熱形式；春、夏、秋季可以利用太陽能集熱裝置生產(chǎn)大量的熱水。太陽能供暖技術(shù)示意圖如圖3所示。

圖3 太陽能供暖技術(shù)示意圖Fig. 3 A diagram of solar heating equipment

2）秸稈技術(shù)

云田村花木面積約為233.33 hm2，耕地面積約為149.27 hm2，耕地以種植水稻為主，因此云田村擁有豐富的生物質(zhì)能源。但在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)秸稈以及修剪的花木樹枝被閑置或焚燒，造成資源浪費和環(huán)境污染。

秸稈除了用于墻體填充保溫材料外，還可通過沼氣池發(fā)酵用于炊事和采暖。建議村莊建立秸稈氣化爐，通過管道集體供應能量。秸稈氣化燃料用于炊事和采暖的能源利用率約為 35%，比直接燃燒秸稈的利用率高1倍，且燃燒后的廢物可作為鉀肥使用[14-15]。因此，秸稈技術(shù)在農(nóng)村具有較好的發(fā)展前景，非常值得推廣運用。

3）太陽能熱水技術(shù)

太陽能熱水技術(shù)主要利用太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能的形式來提高水溫，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中使用熱水的需求。太陽能熱水技術(shù)示意圖如圖4所示。該技術(shù)已運用于云田村樣板房，但在整個村子里并未得到廣泛運用。

圖4 太陽能熱水技術(shù)示意圖Fig. 4 A diagram of solar water heating system

4 結(jié)語

本文基于兩型社會背景，在分析長株潭農(nóng)村住宅現(xiàn)存問題的基礎上，以云田村為例，從整體規(guī)劃、戶型設計、構(gòu)造形式、住宅能耗4個方面，研究了云田村低碳住宅設計實踐，并針對研究中出現(xiàn)的問題提出了相應的改進措施。本研究對于推動長株潭地區(qū)低碳住宅的優(yōu)化具有一定的實踐意義。

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（責任編輯：徐海燕）

Research on Low-Carbon Design of Rural Residence in Chang-Zhu-Tan Region：A Case Study of Yuntian Village in Zhuzhou

TONG Jie，GU Jingcheng
（School of Architecture and Urban Planning，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Based on the construction of“Two-oriented Society”, an analysis has been made of the underlying problems in the rural residence in Chang-Zhu-Tan region. Take Yuntian Village as an example, a research has been conducted on the low-carbon design of its rural residence, with four aspects touched upon, namely, residential planning,residential design, residential construction and residential energy consumption. Some improvement measures have thus been put forward to deal with the corresponding problems. Firstly, adopt an overall layout of two-house-adjoining mode in this area. Secondly, limit the housing shape coef fi cient at a low level by adjoining two houses to reduce the external wall area and increase the horizontal depth of the building. Thirdly, strengthen the residential enclosure by adopting mobile ventilation roof, improving the wall protection performance and installing double hollow glass windows.Fourthly, reduce the residential energy consumption by utilizing solar heating system, water heating system and biomass straw gasi fi cation technology.

rural residence；low carbon design；Chang-Zhu-Tan region；Yuntian village

TU241.4

A

1673-9833(2017)04-0077-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.04.014

2016-12-05

“十二五”國家科技支撐計劃基金資助項目（2013BAJ10B14）

仝 杰（1990-），女，山東濟寧人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為綠色建筑與技術(shù)，E-mail：920079317@qq.com