被動式技術在嚴寒地區農村住宅中的應用研究*

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

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被動式技術在嚴寒地區農村住宅中的應用研究*

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 要隨著農民對居住環境日益提高的要求及農村能源的缺乏，農村住宅的節能設計已成為新農村建設中的一項重要內容。在城鄉發展不均衡、農村經濟技術相對落后的背景下，被動式技術以其低成本、低技術的特征易于被農民所接受。本文結合課題組在嚴寒地區農村住宅設計方面的工程實踐，分析了被動式節能技術、被動式太陽能利用技術、被動式通風技術在農村住宅中的應用及實施效果，旨在為嚴寒地區農村住宅的被動式節能設計提供指導，從而推動嚴寒地區新農村建設的可持續發展。關鍵詞 嚴寒地區，被動式技術，農村住宅，建筑節能

金虹, 邵騰, 金雨蒙, 等. 被動式技術在嚴寒地區農村住宅中的應用研究[J]. 西部人居環境學刊, 2016, 31(01): 115-118.

* 國家自然科學基金資助項目（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

隨著經濟的迅速發展和人民生活水平的提高，農民對人居環境的改善不斷有新要求，隨之而來的是農宅能耗的大幅度增長，農村建筑節能已成為我國建筑節能系統工程中不容忽視的重要一環[1]。我國農村地廣人多，2010年農村住宅面積約230億m2，占全國總建筑面積的50%，農村住宅的商品能耗為1.77億tce，占建筑總能耗的26.1%，秸稈、薪柴等生物質能的消耗約折合1.39億tce[2]。針對當前我國農村住宅的節能現狀，工信部、住房和城鄉建設部聯合下發的《關于開展綠色農房建設的通知》[3]中，明確要求加快推進“安全實用、節能減廢、經濟美觀、健康舒適”的綠色農房建設。嚴寒地區冬季寒冷漫長，采暖期長達半年之久，且由于農村住宅多為單層獨立式，體形系數大且多數未采取有效的保溫措施，導致冬季采暖能耗大，能源及生態環境問題更為突出。

被動式技術是指不采用機械設備，僅通過建筑自身的合理設計，如建筑朝向、空間布局、圍護結構構造、太陽能的合理利用以及自然通風等，來達到改善室內環境、節省建筑能耗的目的。國內外關于被動式技術在建筑中的應用與研究均是針對特定的地域環境、氣候特征及文化背景等[4-10]，不能單純的對已有成果進行復制，應根據嚴寒地區農村的特點進行有針對性的研究。嚴寒地區農村住宅的建設方式多為自籌自建，經濟性是制約節能技術推廣的重要因素。因此，與農村經濟技術相適應的低成本被動式技術將成為實現農村住宅節能的主要途徑。

1 被動式節能技術

圍護結構性能在建筑節能中起到重要作用，因此被動式節能技術的重點應是提升圍護結構的熱工性能。對于嚴寒地區農村住宅來說，首先應采用復合型保溫構造，降低圍護結構的傳熱系數，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村住宅，應將蓄熱系數小的輕質高效保溫材料放置在靠近室內一側，將重質材料的結構層布置在靠近室外一側[11]。對于墻體，由于農民經常在內墻面上釘掛一些飾物及農具等，考慮到墻體的耐久性與適用性，可在保溫層內側增設保護墻，形成夾心保溫墻體構造[12]（表1）；對于屋頂，宜采用吊頂層上鋪設保溫材料的構造形式，當采用非憎水性保溫材料時，應在保溫層下設置隔汽層。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，但造價較高；草板價格低廉、制作簡單，但應注意草板的防火、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造圖如表1所示。

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

基于以上構造形式，我們在嚴寒地區農村住宅建設中進行了一系列的工程實踐。在內蒙古扎蘭屯福泉村、臥牛河村和嶺航新村的節能住宅中均采用了100mm厚EPS板夾心保溫墻體構造，屋頂采用吊頂層上部鋪設150mm擠塑板，板材交接處采用聚氨酯發泡填充連接（圖1）；在黑龍江省大慶市林甸縣勝利村的實驗農宅中應用了草板夾心保溫墻體構造，屋頂采用草板與稻殼復合保溫的形式（圖2）。測試結果表明：新型住宅的節能率達到65%以上，圍護結構的傳熱系數大大降低，臥室溫度明顯優于傳統民居，且室內溫度波動小，滿足嚴寒地區農村居民的熱舒適需求[13]；外墻和屋頂內表面溫度始終高于測試房間內的空氣露點溫度，冬季未出現內表面結露的現象；采用EPS板時，其增額投資成本可以在6年內收回，采用稻草板的住宅比傳統住宅減少了一次性投資成本。

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

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

2 被動式太陽能利用技術

太陽能是一種取之不盡、用之不竭、無污染且價廉的能源，在建筑中充分利用太陽能不僅可以改善冬季住宅室內熱環境質量，而且能節約常規能源，保護生態環境。與城市相比，農村地區的建筑在環境、建筑布局等方面均有利用太陽能的優勢。因此，在廣大農村中大力發展被動式太陽能利用技術，符合農村住宅特點和農村經濟技術水平。

我們在黑龍江省大慶市林甸縣勝利村的實驗農宅中成功運用了兩種被動式太陽能技術。如圖3所示，該農宅采用了直接受益式的被動式太陽能利用方式，使室內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，在起居室增設一道玻璃隔斷或保溫窗簾，有效地減少了夜間室內熱量的散失[14]。在不增加投資成本的前提下，該住宅的景觀與室內舒適性與傳統民居相比均有明顯的提高，深受當地農民的歡迎。

圖3　直接受益式太陽能利用的農宅Fig.3 the rural house with direct benefit of solar energy utilization

圖4所示的農宅采用了集熱蓄熱墻與陽光間相結合的被動式太陽能利用方式，將建筑南側臥室的墻體設計成為集熱蓄熱墻，入口處內凹形成陽光間。玻璃幕墻內壁與重質墻集熱面之間的空氣夾層間距為100mm，重質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，對傳統的集熱墻構造進行了改進（圖5）。測試結果表明：采用集熱蓄熱墻的農宅，在其他條件相同的情況下，其室內溫度比普通節能住宅明顯提高，同時農宅夜間的熱環境也得到了改善，這對延緩室內溫度的波動起到了一定的作用。

圖4　利用太陽能集熱墻的農宅Fig.4 the rural house with solar-collected wall

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

3 被動式通風技術

農村炊事、采暖造成的室內空氣污染，已成為危害嚴寒地區農村居民健康的主要因素之一。北方農村住宅采用傳統柴灶、火炕等灶具進行炊事和采暖，燃料多采用易產生煙氣的稻草、秸稈等，“爐灶倒煙”現象時常發生。同時，為防止冷風滲透，農村住宅冬季門窗封閉，室內難以及時補充新鮮空氣，導致住宅室內空氣質量較差，嚴重影響住戶的身體健康。為了解決這一問題，我們研發了在保證建筑氣密性前提下的被動式通風技術，既改善了北方農村住宅的冬季室內空氣質量，又避免了因通風換氣而帶來的冷風滲透，該技術在大慶市林甸縣勝利村中法合作項目中得到了成功應用。

被動式通風系統主要分為兩個部分：一是廚房爐灶排煙通風系統，二是滿足生理需求的臥室通風系統。爐灶燃燒時需要補充大量的新鮮空氣，否則容易導致燃料燃燒不完全，而產生大量的有害氣體。為解決這一問題，同時盡可能減少住宅的熱量損失，我們設計了地下風道為爐灶補充新風，一方面有助于燃料的完全燃燒，另一方面可以調節風壓大小，增加爐灶所在空間的空氣壓力，迫使正向氣流的產生。此設施（圖6）不需要任何機械動力，既解決了倒煙問題、改善了室內的空氣質量，而且由于管道在通過地下的過程中，有一個預熱的過程，又避免了冷風對室內的直接侵襲。

圖6　用于燃燒的廚房通風系統Fig.6 the kitchen ventilation system for combustion

為了提高送入臥室的空氣溫度，保證居住環境的舒適度，臥室通風系統的新風進氣管首先穿過火炕，使室外冷空氣經過預熱后再輸入室內（圖7）。此外，由于門斗是室內外的過渡空間，在冬季，它具有溫度高于室外且新鮮空氣充足的特點，為了避免過冷的空氣進入室內，也可將取氣口設置在門斗處[15]。室外排風管道應采取一定的保溫措施，避免其內部結露甚至結冰。被動式通風技術結合農村住宅的使用特點，有效地提高了燃料的燃燒效率，減少了炊事活動產生的有害氣體，同時也保證了冬季門窗緊閉狀態下的室內通風換氣。

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

4 結 論

被動式技術可操作性強、易于掌握和實現，能夠簡單、經濟和有效地解決農村住宅的節能和舒適性問題，且具有適應地域性氣候環境、施工技術水平和經濟條件的特征，適合在我國嚴寒地區農村或不發達地區進行使用和推廣。通過對被動式節能技術、被動式太陽能利用技術和被動式通風技術在農村住宅節能設計工程實踐中的應用，驗證了技術的有效性和可行性，為嚴寒地區農村住宅的被動式節能設計提供了指導。

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圖表來源：

表1：DB23/T 1537-2013. 黑龍江省農村居住建筑節能設計標準[S]. 哈爾濱: 黑龍江省住房和城鄉建設廳, 2013.

圖1-2、圖4：作者拍攝

圖3：金虹, ENARD A, CELAIRE R. 北方鄉村生態屋設計實踐[J]. 建筑學報, 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： 哈爾濱工業大學建筑學院，教授，博士生導師，國家一級注冊建筑師，jinhong1963@qq.com 邵 騰：哈爾濱工業大學建筑學院，博士研究生金雨蒙：哈爾濱工業大學建筑學院，碩士研究生康 ?。?英國謝菲爾德大學建筑學院；哈爾濱工業大學建筑學院，教授，博士生導師

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160120

文 章 編 號2095-6304(2016)01-0115-04

文獻標識碼B

中圖分類號TU241.4