北方地区农村被动式低能耗建筑设计探讨

2022-05-25夏玉杰肖瑞亚

黑龙江粮食 2022年4期

□ 夏玉杰肖瑞亚

（新乡职业技术学院，河南新乡 453002）

在城市化建设进程的推动下，一些农村地区开始模仿城市建筑方案，但是农村地区的自然环境以及居住需求等与城镇存在很大差异，一味地模仿城市建筑方案会导致其脱离实际需求。我国北方地区冬季较为漫长，其气温寒冷，对于建筑保暖和取暖设施具有较高要求，农村地区建筑取暖产生的资源消耗占有很大比重。为此，近些年来，被动式低能耗建筑在北方农村地区开始使用。根据应用实践来看，被动式低能耗建筑具有良好的应用效果，能够有效降低建筑资源消耗。

一、动式低能耗建筑的应用背景分析

一直以来，我国的能源消耗以煤炭为主，其中建筑运行消耗的资源占据社会总资源的20%～30%，且一直以来呈现增长趋势。按照建筑节能的研究结果来看，建筑能耗需要维持在25%左右，能够满足建筑运行需求，同时降低资源消耗，25%的能耗以资源消耗量计算，需要控制在10亿吨煤炭左右。我国北方城镇和农村的生活煤炭消耗约为1.5亿吨/年，是建筑能耗消耗中占比最高的部分。2020年的统计数据显示，农村建筑商品标准煤消耗约为1.77亿吨/年，占据建筑能耗26%左右，且农村地区的建筑能耗呈现逐渐递增趋势。近些年来，农村地区的改革发展过程中，大部分技术升级与创新集中在能源消耗结构优化以及设备改造方面，对于降低建筑能耗的研究存在很大不足，实际上，建筑能耗占据农村资源消耗较大比重，所以，为了促进农村地区建筑能耗降低，必须开展低能耗建筑设计，结合农村地区的地理情况、气候情况以及实际需求，在保证建筑质量和使用舒适性、安全性的基础上，需要积极开展节能设计，从而减少农村地区资源浪费，提高农村地区资源利用效率，满足农村地区发展需要。北方地区因为气温寒冷，为了满足保温的需要，一般会采用主动取暖措施，但是主动取暖措施需要消耗大量的煤炭资源，煤炭燃烧会产生环境污染问题，所以被动式节能方案逐渐取得应用，具有良好的应用效果。

二、被动式技术的基本内涵分析

（一）被动式低能耗建筑基本理念

被动式低能耗建筑是指不依靠机械力进行节能，依靠高质量的施工技术和建筑设计，减少建筑自身运行对于能源的需求，更加注重资源二次利用，通过能耗优化的科学整合和设计，达到降低能源消耗的节能目标。被动式低能耗建筑设计，首先需要从建筑内部的布局出发，通过对建筑运行能源消耗优化，实现提高建筑质量的目的。因为北方农村地区气温寒冷，取暖是其建筑设计需要考虑的主要方面，所以必须提高建筑保温性能，如果建筑保温性能能够得到提高，那么维持室内温度需要消耗的能源总量就会减少。例如，在对农村地区建筑布局进行优化时，通过对其朝向的优化，使其朝向太阳辐射能量更多的南向，太阳辐射则能够提高建筑室内温度，从而减少煤炭资源消耗；通过对建筑窗墙比例的科学设计、改变通风布局等方式，都能够起到良好的保温效果，使得建筑保温性能提升，从而减少资源消耗。由此可见，所谓被动式低能耗建筑，是一个与主动式建筑相对的概念，主动式建筑是通过利用电能、煤炭等方式，提高室内温度，从而满足北方农村地区居民冬季生活需求，而被动式技术是通过提高建筑保温性能，使建筑与外界热量交换减少、延长热量保存时间的方式，减少其他用于提高室内温度能源消耗的一种方式，“被动”地降低建筑运行能源消耗。

（二）被动式低能耗建筑设计思路

被动式低能耗建筑需要从被动式技术的基本要求出发，注重按照北方农村地区实际情况开展设计工作。首先，北方农村地区在应用被动式低能耗建筑时，需要充分考虑到地理环境因素和经济因素，明确技术可行性和资源需求量，充分做好前期调研工作。被动式低能耗建筑对大部分北方地区都较为适用，但是不能脱离北方地区农村的实际情况，如果该农村所处区域冬季气温过于寒冷，而且又地形空旷、风力较大、温度较高等，采用被动式低能耗建筑无法满足农村居民生活需求，那么为了保障农村居民生活，依然需要采用主动式技术。其次，被动式低能耗建筑的设计主要通过对建筑朝向、布局以及材料等方面的优化，强调应用自然通风、自然保温等方式，通过利用太阳能技术减少其他化石能源的使用，达到节约能源的目的。再次，北方地区农村大部分位于平原，冬季漫长且寒冷，大规模保温施工会增加建筑成本，所以需要充分考虑到被动式低能耗建筑的施工建设成本，不能为了提高保温效果而增加建设成本，否则，对于农村居民而言，会提高其生活负担，应充分考虑到被动式低能耗建筑的经济效益，从而实现被动式低能耗建筑建设目标。

三、北方地区农村被动式低能耗建筑有效设计方案

将被动式低能耗建筑应用于北方地区农村，能够起到良好的辅助作用，结合主动式供热，通过被动式技术减少热量损耗，从而减少能源消耗，但是需要准确掌握被动式低能耗建筑设计要点，结合农村地区实际情况，做好能源消耗结构优化、建筑布局设计等方式，充分发挥出被动式技术在节能方面的优势。为此，本文总结如下几项有效的设计方案：

（一）充分利用太阳光照

太阳光照所产生的热量，能够用于北方地区农村建筑中，提高建筑设备温度，减少对煤炭燃烧的依赖。太阳辐射能量的利用，主要可以分为如下两个方面：（1）利用太阳能取暖设备。太阳能取暖设备是指利用太阳辐射产生热量的设施，可以将这部分设施安装在建筑屋顶中，通过设备收集太阳辐射，将其转化为热量以供建筑取暖使用，该类型设备不需要循环动力支持，依靠合理的建筑结构布局则能够提高实际保温效果，所以需要加强太阳能取暖设备的推广与研发，提高太阳能取暖设备利用率。（2）优化建筑门窗玻璃设计。太阳光照进入建筑室内需要通过门窗的玻璃，玻璃对于太阳辐射能量的通过、吸收以及阻挡具有直接影响，所以，为了提高太阳辐射能量利用率，提高室内温度，需要对门窗玻璃进行优化设计。如太阳反射玻璃、多功能镀膜玻璃等，都能够起到良好的效果。以多功能镀膜玻璃为例，该玻璃材料能够实现较多的日光投射和较小的日光反射，从而将大部分可见光透射到室内，同时又能够将室内物体的辐射长波保留在室内，从而实现能量更高效利用，所以多功能镀膜玻璃在我国一些冬季气温较为寒冷的北方地区农村建筑中使用较为广泛，能够实现选择性太阳热能吸收，从而将大部分热量保留在室内，在气温较低的环境中发挥出调节室内温度的作用，从而降低供暖设备的使用，也就减少了供暖设备使用的能源消耗，达到节能减排的目的。图1所示为常用的某种镀膜玻璃。

图1 某种常用镀膜玻璃

（二）建筑墙体保温设计

保温不仅与光照具有直接关系，而且与建筑墙体的保温效果也具有密切关系。我国北方地区农村的建筑墙体设计厚度较大，其主要目的是减少设备与外部热量交换，更厚的墙体能够提高保温效果，所以针对墙体保温设计，需要从厚度、材料以及墙体结构方面入手。首先，通过提高墙体厚度，能够提高保温效果，所以在北方地区农村建筑设计中，应适当增加墙体厚度，但是增加墙体厚度会减少建筑内部净空间，同时会增加施工成本，所以在应用时需要充分考虑到实际需求。其次，通过对墙体材料的优化设计，提高墙体保温效果，例如可以采用岩棉板作为农村建筑外墙的主要材料，岩棉板是一种较为优质且保温效果较好的外墙保温材料，具有保温、防水、吸收噪声以及防火的功能，是我国建筑工程领域应用非常广泛的保温材料，且成本造价较低，相比于其他保温系统中的保温材料，可操作性较强，同时具有良好的稳定性和可靠性。最后，可以通过对墙体结构优化的方式，改变墙体结构提高保温效果。例如可以采用幕墙结构，幕墙具有双层结构，分为明框和暗框两个部分，明框是指安装在建筑内部空间的内层幕墙，暗框则是安装在建筑外部空间的部分，通过双层墙体的设计，能够在墙体之间构造一个封闭的中间层，外部空气流动从外层幕墙的下端进入，并从上端排出，这就形成了一个热量缓冲层，当室内温度与室外温度差距过大时，能够降低室外温度对室内温度的影响，从而发挥出保温的作用，将其应用在北方地区农村建筑中，能够减少建筑物内部空间的热量排出和热量损耗，将更多的热量保存在于室内空间中，由于双层幕墙中间存在着相对独立的空气流动空间，能够对外部气流进入起到阻挡作用，同时减少内部热量流失。图2所示为某建筑的保温墙体结构设计。

图2 某建筑的保温墙体结构设计

（三）被动式低能耗建筑布局优化

在应用被动式技术提高建筑节能性时，必须做好建筑结构布局优化设计，通过科学的布局设计，能够有效提高保温效果，从而减少主动式取暖资源消耗。建筑布局需要根据北方地区农村的地理环境、气候条件等进行设计。首先，在光照方面，北方地区农村被动式低能耗建筑的朝向需要以南向为主，确保更多的光照能够进入室内空间，结合相应的门窗玻璃设计，能够提高太阳辐射能量利用率，同时南向的门窗玻璃可以适当扩大，从而提高光照接收面积。其次，北方地区农村建筑设计需要考虑到其通风效果，不能为了提高保温而降低建筑通风性，否则会影响室内空气流动，夏季时会导致建筑室内温度过高，所以需要采用科学的布局方案对通风效果进行优化，设计完善的自然通风布局，对开窗、开门以及天窗进行设计，实现室内空气自然流动的目的，从而减少暖通空调系统使用，减少外部动力设备使用能源消耗，满足被动式低能耗建筑的节能需求。最后，北方地区农村建筑设计需要按照统一规划、统一布局、统一建设的基本原则，按照当地实际自然地理条件，提高农村建筑布局统一性，当某项节能技术实施时，能够实现整体性优化，从而达到节能设计目标，是被动式低能耗建筑设计需要考虑的重要内容，为被动式技术应用创造有利条件。

（四）能源消耗结构优化

能源结构优化是指减少传统化石能源的使用，积极利用可再生能源，减少传统能源消耗。例如，可以采用空气热源泵技术，该项技术是当前较为先进的供暖技术，主要是利用高位能热量从低位热源空气流向高温热源的原理，将土壤、空气以及水中热量转化为高位热源，从而达到供暖与制冷同步的目标。在北方农村地区的被动式低能耗建筑设计中，可以加强空气热源泵技术的推广，不需要建设专用机房，能够节省大量的施工建设成本，满足农村居民对于建筑舒适性的需求。空气热源泵可以在北方农村地区的小户型建筑中使用，不需要冷却水系统，管道消耗较少，且不会对环境产生污染，但是对于技术水平要求较高，所以需要结合农村地区的实际情况，对技术应用进行优化，提高技术适用性，是促进北方地区农村被动式低能耗建筑应用效果提高的重要方式。