生态建筑技术在新农村建设中的应用

王 伟，杨豪中，李 岚，陈 媛

(1.西安建筑科技大学建筑学院风景园林学博士后科研流动站，陕西西安 710055;2.西安建筑科技大学艺术学院，陕西西安 710055;3.西安建筑科技大学建筑学院，陕西西安 710055)

人类对自然的改造正在如火如荼地进行着，却忽视了对自然健康的关注，特别是对建筑尺度和速度的盲目追求，使建筑能耗不断增加(我国高能耗建筑比例为99%，高能耗建筑增加的速度达27.8%)，高能耗建筑建造过程中产生巨大的碳排放，严重导致了环境的恶化和生态的失衡。世界各国建筑师都有致力于生态建筑技术的研究，如苏格兰的斯特村屋，慕尼黑由托马斯设计的绿色环保住宅联合体等。就生态建筑设计的方法主要体现为两个方面，一是将建筑本体融入自然环境循环体系，使建筑成为自然环境的一部分;二是应用高新技术手段创造人工自然环境，将自然引入建筑内部。我国农村人口比重大(第6次人口普查结果显示:农村人口为6.741亿，占总人口的50.32%)，国家对农村建设的投入更是逐年递增，新农村建设正在不断地推进，生态建筑以其特有的性质在农村建设中的应用更具有生机和活力，生态建筑在农村特定的环境中可巧妙地结合自然，利用农村中便利的自然材料将建筑的生态性更好地发挥出来［1］。新农村建设中发展生态建筑对减少建筑能耗，应对能源紧缺问题，处理人和自然之间的关系具有重要作用，因此在新农村建设中找到一条适合农村发展的生态建筑之路迫在眉睫。

1 发展现状研究

生态建筑对建筑行业的可持续发展做出了积极回应，生态建筑的实现过程中在节能减排、节约用地、可循环材料的利用等方面有显著的体现。因此各国对生态建筑的发展都有不同程度的重视。

西方国家对生态建筑的研究起步较早，20世纪60年代以前就在绿色建筑的基础上提出了生态建筑的理念，体现在生态建筑相关的理论研究和实践应用等方面。德国对生态建筑的探索和研究有50多年的经验，此项研究中生态建筑的内容涵盖了节水节能、光伏热、水的循环利用、保温隔热等新型建筑材料和建筑技术的运用。同时，制定了生态建筑相关的设计目标、原则和方法，为其他国家乃至整个世界对生态建筑的研究奠定了基础。美国开展生态建筑的研究可以追溯到麻省理工学院“3号”、“4号”太阳房的设计(1948—1959年)，该太阳房的设计是美国早期生态建筑设计的代表之作。1969年宾夕法尼亚大学区域规划系创始人麦克哈哈在《设计结合自然》(Design with Nature)中提出生态建筑设计在城市建设中推广和应用的重要意义。“美国绿色建筑理事会”(USGBC)从1993年开始提出能源设计先导计划(LEED)，到2009年推出了(LEED)的最新版本，用以对建筑能耗进行科学合理的评估，达到约束和控制建筑能耗，减少建筑能耗对人类生存环境的不利影响［2］。

我国在生态建筑领域的研究比发达国家晚10～20年，20世纪80年代我国著名建筑师顾孟潮提出“未来是生态建筑时代”;1996年国家将“绿色建筑体系研究”列为国家重点资助课题;2001年《中国生态住宅技术评估手册》出台，该手册对于我国发展绿色节能建筑、生态建筑、防污减排等方面具有重要意义;2009年“国际生态城市建设论坛”在我国召开，论坛中提出生态城市规划的新方法和自然与人文相结合的生态城市建设的新途径［3］。国家多年来重视对城市生态建设的投入，建筑师致力于城市新型建筑的研究和开发，却忽视了我国人居环境比重较大的农村建设，特别是国家“十一五”计划中的新农村建设为发展生态建筑提供了契机，农村环境中使生态建筑的发展有了更好的发展空间。近年来建筑师逐渐把生态建筑研究的重心偏向了农村，特别是和新农村建设相结合，为生态建筑的实践活动开辟了更为广阔的空间，同时也为广大农村居民提供了更舒适的生活环境。

2 新农村建设中生态建筑应用存在的问题

2.1 生态建筑认识不足

现阶段的新农村建设中出现了一些急功近利的现象，为了急于改善农村居民原有的生活环境，建设过程中缺乏对农村建筑因地制宜的详细设计。建设过程中对生态建筑节地、节能、循环利用等作用认识欠缺，很少将新农村建设和当地的自然环境相结合，没有将当地天然的建筑材料应用到建筑中，更有人认为生态建筑就是简单的室内外绿化［4］。建设中出现大量套用图纸的现象，使农村建筑大多以钢筋混凝土出现，打造了很多所谓整齐划一的小“别墅”(图1)。不仅浪费了更多的人力、物力资源，而且使建筑在以后的使用过程中能耗增大，增加了农村居民生活负担，同时，也消耗了大量的社会能源。

图1 农村中千篇一律的“小别墅”Fig.1 The same cottage in the countryside

2.2 经济合理性矛盾

生态建筑时刻关注居住者的健康和舒适，对建筑材料的采用要求非常严格。许多原材料尽可能利用当地合适的天然材料以节约建造成本。但是，有的建筑材料依然需要节能环保的新型材料和设备，这部分材料有的是具有更好的保温、隔热性能墙体，还有的是新型能源材料和设备(太阳能、风能等)，这些材料和设备的应用增加了建筑的投资成本［5］。新农村建设中由于政府的补贴和农民的经济能力有限，而且这部分投资的收益往往需要一个长期的过程，投资的价值不是立竿见影。因此，生态建筑的实际建设在新农村建设中出现了力不从心的现象。

图2 生态保温墙体设计Fig.2 Ecological insulated wall design

2.3 缺乏相关政策

我国对生态建筑的研究虽然已经有了一定的基础，但是国家对生态建筑的实际应用和推广中缺乏相关的政策支持和法律约束。新农村建设中政府应建立生态建筑型新农村建设示范区，加强对生态建筑节能环保作用的宣传;加大对生态建筑的投入，鼓励新农村建设中把农村现有的自然资源应用到生态建筑中［6］。同时，制定并应用相关的标准和评价体系监督新农村建设中生态建筑的建设，实行相关的奖惩机制，对生态建筑推广好的给予奖励，对浪费土地资源、能耗高的建设予以处罚等措施。

3 生态建筑技术在新农村建设中的应用

3.1 建筑围护结构生态节能设计

3.1.1 夹芯保温隔墙技术 夹芯保温隔墙是一种环保、节能型符合墙体设计，可有效地利用墙体的物理性能达到保温、隔热、隔声等效果。墙体由内至外分为:内叶墙、保温层、空气层、外叶墙，内外墙体间隔距离50～70 mm，外墙和保温层有间隔25～50 mm的空气层。传统保温层多以聚苯板、岩棉板等为主，这种保温材料保温性能稳定、施工方便，但是成本较高。新农村建设中农村特有的环境中蕴藏着大量天然材料(木材、稻草、秸秆等)，将稻草、木渣、秸秆等材料和黏土搅拌凝固之后可以形成绝缘性能好的保温层，将这种保温层应用于符合墙体中可使夏季室内外温差达到5～6℃，节能50% ～60%。这种处理方法不仅节省了建设成本，还节约了传统保温层生产过程中产生的能耗(图2)。同时，可将日照时间长的西面墙体外立面用防腐性好的木质材料替代当下应用广泛的瓷砖贴面，既可以起到良好的隔热保温作用，又起到一定的装饰作用，保留了农村建筑的乡土气息。

3.1.2 门窗节能设计 门窗在建筑外围护结构中不仅承担通风、采光的作用，还应当具有良好的保温隔热性能。普通住宅窗户面积只有建筑外围护总面积的25%左右，但其热损耗可达50%，建筑设计中采用节能效果好的门窗材料可使建筑节能40%。窗户的节能效果主要取决于玻璃和窗框材料，由于玻璃比例大，选择热传导系数低的玻璃对节能效果更加有利，常用的玻璃种类和热传导系数见表1;在提高玻璃性能的同时也应当和节能性能好的窗框相结合，从而提高窗户整体的隔热保温性能，常见的窗框材料及其热传导系数见表2。从窗框的材料热传导系数可以看出，木材虽然具有良好的隔热、保温作用，但是由于其材质特征容易变形且防火性能差，生产过程需要消耗大量的木材，不利于生态环境。因此，农村建筑中应当选择保温隔热性能相对较好且价格经济的塑钢型材和中空玻璃为宜［9］。

表1 常用玻璃的热传导系数Tab．1 The heat transfer coefficient of common glass

表2 常用型材的热传导系数Tab．2 Heat transfer coefficient of the commonly used profiles

3.1.3 屋顶绿化 绿化和生态建筑的关系极为密切，对建筑物进行绿化不仅可以美化环境还能有效地起到保温、隔热、隔音、调节环境温度和湿度等作用。新农村建设中，农村住宅建筑多以独立院落为主，实现屋顶绿化便利且效果明显。屋顶绿化常见的处理方法为:对现浇屋面做防水处理，然后铺设保温层，在保温层再进行防水处理之后以卵石或农作物混合的渣土置于其上，最后覆盖种植土壤进行绿化。屋顶绿化以低矮的长青灌木为主，这些植物犹如天然的冷却机，植物每蒸发1 kg水便可从周围环境吸收2 200 J热量，从而起到隔热降温的作用。对建筑进行屋顶绿化，炎热的夏季可以阻挡太阳直射产生的高温，冬季可以隔断室外的低温，使室内外温差达到2～5℃。同时，净化了周围的空气，也缓解了大气的温室效应［7］。

3.2 土壤降温技术

炎热的夏季降温是必不可少的，传统的降温方式是用风扇工作带动空气流通或者空调制冷达到室内降温的目的。一般空调降温速度快、效果明显，但是能耗过大。新农村建设中在农村环境中可以采用方便环保的土壤降温形式达到调节室内温度的目的。地表层以下6m的土壤温度一年四季保持在当地的平均气温，特别是夏季地下土壤温度和地面温差大，更容易进行热量的交换，降温效果明显(见图3)。利用土壤降温可用以下两种方式:

3.2.1 建筑与泥土直接耦合 具体方法为将建筑物背部依托山丘或岩土，也可以将建筑物部分建于地下。让建筑物和泥土紧密结合，从而使泥土和建筑物之间发生热量传递，达到降温的效果(见图4)。该降温方式非常适合农村的建筑，建造之前选择有利地势，可使这种降温方式效果更为明显。

图3 土壤温度随着深度和季节变化Fig.3 Soil temperature changes with depth and season

图4 主要掩土建筑形式Fig.4 The main architectural form of cover

3.2.2 建筑与泥土间接耦合 将建筑物室内和空间与地下通风管道相连接，由于地下土壤和地表温差大，利于热量的交换，可将通风管道的空气温度迅速降低，然后利用通风设备调节空气的流通速度，使经过降温的空气进入室内以达到调节室内空气温度的目的。这种降温方式在农村独立院落环境中方便施工，对建筑场地的要求不高，更利于室内的通风，降温效果直接明显且节能环保［8］。

3.3 太阳能的利用

太阳能是一种天然的清洁能源，我国有2/3的区域年日照量大于2 000 h，太阳能辐射能量大约3 000～8 000 MJ/m2，接受的太阳能相当于2.4万亿t煤产生的热量。太阳能的利用越来越受到人们的重视。但是，由于各种条件的影响，我国太阳能的普及率很低，城市中许多住宅建筑物上面不允许个人安装太阳能设备，多数公共建筑屋顶由于造型或者空间限制不利于太阳能设备的安装。但在农村建设中，建筑的独立设计有利于太阳能设备的安装和使用，所以在新农村建设中应大力推广太阳能设备的应用。目前，相对成熟便捷且适合农村使用的太阳能设备有太阳能热水系统和太阳能光电系统。有条件的情况下还可采用太阳能热水供暖系统，寒冷的冬季可由太阳能集热设备用以调节室温。这种集热设备的热负荷等于建筑物在该时期平均气温下的耗热量:

式中:QH为建筑物自身消耗热量(J);QHT为建筑围护结构消耗热量(J);QINF为空气交换消耗热量(J);QIN为室内空间储存热量(J)。

该设备中集热器的面积(AC):

式中:QHZ为耗能量指标(W/m2);f为太阳能保证率;Jt为平均太阳辐射量(J/m2·d);ηcd为平均集热效率;ηL为设备热损失率。

3.4 地源热泵的利用

地源热泵是一种利用地热资源进行温度调节的空调系统，主要利用浅层地下水或土壤与地面的温差进行热能转移实现制冷和供热，系统利用水或者空气作为热量传递的介质［9］。冬季，地下温度高于地面，将地能热量转移之后带到室内用来提高室温的效果;夏季，室内温度高于地下，利用空调系统将室内的热量转移之后释放到地能热量中以达到降温的效果。这种空调系统高效节能，运行费用比传统燃油锅炉经济，理论上每消耗1kW·h的其他能量便可获取4kW·h以上的能量用以调节室温(见图5)。农村有丰富的土地资源且农村中土地硬化面积少，更能保证地热资源的稳定，这种利用浅层地热资源的空调系统在农村建设环境中方便施工且利用率高，新农村建设中应当大力推广这种生态环保的空调系统，为农村居民打造更为舒适的生活环境(见图6)。

图5 地源热泵普通燃油锅炉运营费用比较Fig.5 Ground source heat pump compare common fuel boiler operating costs

图6 地源热泵热交换示意图Fig.6 Ground source heat pump heat exchange

3.5 雨水回收

我国是一个淡水资源匮乏的国家，特别是北方年降水量在800 mm以下的干旱地区，很多农村的水供应严重不足，甚至影响到农村居民的正常生活。因此，新农村建设过程中对雨水的回收利用尤为重要，降雨虽然具有不确定性，但雨水具有含有的有机物相对少、污染小、水质硬度小等特点［10］。在农村住宅建设中设置专用的构件对雨水进行及时回收储存，经过较为简单的处理之后可用于农村居民的日常生活用水，这样不仅有效解决了农村缺水的问题，而且实现了水资源的循环利用(见图7)。

4 结语

生态建筑的设计和实现是一个多学科交叉又需其相互协调配合的系统工程，它重视人类在改造人居环境过程中和自然的互动，让人类知道利用自然的同时更应该尊重自然，这种互动必须建立在相互平衡的基础上。该类建筑实践中应巧妙地结合自然、利用好现有资源、本着节约、节能、环保的原则打造出适合人居且可持续的生态建筑。生态建筑的出现和发展是人类文明进步的体现，人们在改造自然的过程中认识到了对能源的过度消耗和浪费。其发展也预示着建筑行业会向更健康的方向发展，当然生态建筑作为一门相对年轻的学科，发展的道路还很长，且在发展过程中会存在诸多不可预见的问题。因此，我们在此方面的研究还有待进一步的提高，应力争寻找一条更适合新农村建设中生态建筑发展的途径与方法。

［1］ 夏云.生态与可持续建筑［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［2］ 刘加平.建筑物理［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

［3］ 杨柳.建筑节能综合技术［M］.北京:中国建材工业出版社，2014.

［4］ 梁锐，张群，刘加平.西北乡村民居适宜性生态建筑技术实践研究［J］.西安科技大学学报，2010，30(3):345-351.

［5］ 耿瑞涛.绿色建筑与我国人居环境的可持续发展［J］.当代经济，2008(10):42-44.

［6］ 李路明.国外绿色建筑评价体系［J］.世界建筑，2002(5):23-24.

［7］ 杨子江.绿色生态住宅刍议［J］.工业建筑，2004(2):7-8.

［8］ 夏云.生态建筑与建筑的可持续发展［J］.建筑学报，1995(6):7-10.

［9］ 宋晔皓.从环境和建筑看生态建筑设计［J］.清华大学学报(哲学社会科学版)，2002，17(1):84-89.

［10］曹伟.基于技术与文化的广义生态建筑思考［J］.建筑师，2005，116(8):102-106.