乡村节能绿色住宅设计方法探讨

黄延禄 HUANG Yan-lu；李政 LI Zheng

（济南高新控股集团有限公司，济南 250000）

1 国内乡村绿色住宅理论研究现状

首先关于建筑平面形体的策略，罗青海和其他学者在黄梅县选择了四户农宅，对其室内外热湿环境进行了测量和分析，发现宅内平面形式对建筑物内通风情况有一定影响，继而对建筑热湿环境产生影响，因此，提出单纯具有穿堂风平面形式是最适宜[1]。孙世钧在剖析中国北方农村的生产方式与生活习性，研究发现农宅体型差异2%，节能效果差异5%～20%，因此，良好的平面选择与体形选择对建筑节能来说比较重要[2]。

其次是围护结构相关研究，邹瑜及其他学者采用软件节能模拟与最优化算法相结合的方法，然后与全寿命周期费用相结合，计算获得了严寒与夏热冬冷区域农宅以经济成本最小为目标时最适宜的节能率，以及围护结构传热的取值区间[3]。在王舒扬看来，可通过借鉴城市中相对成熟的节能技术，再根据农村实际，对传统农宅围护结构进行了结构优化，取得了较好能源使用效率[4]。熊胜男以湘北区域3 个村为研究对象，进行了调查和分析，研究发现，通过围护结构的热量损失达70%-80%，赵田对某农宅维修结构进行绿色改造，证实围护结构热性能会影响建筑能耗效率，通过试验结构验证，有效地提高围护结构的热性能，可以有效地降低建筑能源消耗[5]。

最后关于建筑节能与可再生能源方面，丁丹丹认为中国农村的新能源最终将取代传统的一次性能源，因此，在MVC 模式下构建的B/S 新能源评估系统应运而生，系统可评估乡村新能源使用情况，并保存资料[6]。刘丽芳认为在传统农业日益发达的今天，农业废弃物处理需科学性、改革性创新，并且通过开发小麦秸秆保温墙板以及生物质能利用系统，实现了传统农业废弃物的回收再利用，对同领域研究人员有一定借鉴意义[7]。

2 乡村住宅绿色舒适热环境设计方法探究

2.1 热环境设计指标

根据建筑相关部门通过的规范和标准形式，选取《农村居住建筑节能设计标准》GB/T 50824-2013 和《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134-2010 中的，提出了夏热冬冷建筑节能设计指标，并以此作为参考依据。通过分析不同气候条件下影响建筑物能耗水平因素的变化情况，确定了本课题所需的评价参数。本节针对维护结构进行分析、平面布置策略的制定及热舒适度指标的校准，由于只针对夏热冬冷地区建筑，故指标仅具备参考价值。

针对夏热冬冷地区平面策略上的要求主要有亮点：体形系数与建筑各方向的窗地面积比，从表1、表2 可以看出，夏热冬冷地区建筑体形系数应小于等于0.55，南向的房间窗地比限制为0.45，东向或西向为0.35，北向为0.4。

表1 夏热冬冷地区体形系数限值

表2 不同朝向窗墙比限值

2.2 农村住宅平面形体设计策略

农村住宅平面形体设计中，通过建筑平面形式的变化或者建筑形体朝向的变化，实现建筑平面形体的变化，通过对建筑物外增设阳光间，调节建筑物体形系数两个方面的研究。额外的阳光间，尽管还和围护结构有关，却总属建筑平面布局的改变，因此，笔者认为它是一种平面形体策略来加以研究。

2.2.1 附加阳光间

很多北方地区的农村都推广了阳光间的建设，额外的阳光间能在寒冷天气时增强室内的温湿度，减少商品能源消耗等内容。根据便携程度的不同，附加阳光间可分成两种类型，一种是不可拆卸式的玻璃材质阳光间（图1），一种是可拆卸式的聚乙烯薄膜材质（图2）。日照在夏热冬冷区域，高温时利用阳光间，反而使室内温度升高，促进能源消耗，因此选择聚乙烯薄膜的阳光间比较适宜，冬天装、夏天拆，使用方便。

图1 玻璃阳光间

图2 聚乙烯薄膜阳光间

2.2.2 体形系数

建筑物的体形系数，即建筑物与室外空气接触时表面积和建筑物内部空间之比，《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134-2010 中，有要求层数低于或等于3 层的建筑体形系数必须低于0.55。

根据体形系数与空调能耗（图3）关系走势图可得：体形系数和建筑能耗存在线性关系。也就是体形系数越大，建筑室内热环境越好。因此，在设计中应该注意提高建筑的体形系数以减少其对空调能耗的贡献。而通过冬季空调的能耗和建筑体形系数之间的关系比较（图4）则可以看出夏季对体形系数影响比冬季小。通过分析得知，农村住宅内存在较大的通风量可以满足人们对室内空气温度以及相对湿度要求，但由于我国大部分地区都属于冬夏温差大的气候特征，导致这种现象较为普遍。所以对于农村住宅提出设计策略，要在确保室内空间舒适，尽可能使用较低的体形系数，为了能够实现建筑室内较佳的热环境，并减少建筑能耗。

图3 全年空调能耗

图4 冬季与夏季空调耗能

2.3 农村住宅外围护结构设计策略

建筑物外围护结构是指将建筑物内部和外部隔开的建筑物构件，外围护结构的隔热性能将极大地影响室内的热环境，所述外围护结构包括承重结构、围护结构与屋顶三大部分组成。因屋顶情况较多样复杂，下文仅述承重结构与围护结构。

2.3.1 承重结构

通过调研我们得知夏热冬冷地区农村住宅多用砖木、砖混结构居多，极个别为框架结构及木结构，当前，某些新型结构体系已趋于发育和成熟，并运用于乡村住宅建造，只是尚未大面积普及，传统结构形式具有稳定性较弱的特点、抗震强度不高，空间划分不够灵活的不足，新绿色结构技术节能、节材、环保及其他优势，可应用在夏热冬寒地区农村。绿色结构技术主要包括三种类型：钢筋混凝土框架结构、轻钢结构体系和新型砌体结构。

2.3.1.1 钢筋混凝土框架结构体系

钢筋混凝土框架结构属于绿色节能材料，我国一般在城市建筑中使用较多，它在结构上有如下特征：①自重轻，好材少，结构稳定简单，能够自由支配用于满足人对空间的多变需求，与常规砖石承重墙结构相比，可便于后期的调整改造。②钢筋混凝土框架结构具有整体性能好，刚度高，抗爆等特点。并且具有良好的抗震性能。适合于救援手段匮乏，资源匮乏，确保房屋安全最重要的乡村地区。③结构构件多为预制装配式，标准化的配件便于施工，可缩短施工工期。④大部分钢筋混凝土由石头和沙子制成，因此很容易就地取材，而且可以有效地利用煤粉或工业废渣，有利于保护环境。⑤耐久及耐火性好，无需定期维护及养护，更适合村民习惯。

2.3.1.2 轻型钢结构框架体系

当前，轻钢结构框架体系的承重构件是以钢为主，与常规砖混，钢混结构比较，造价将比较昂贵，适宜于政府在新农村建设中统一推广和进行相关技术指导，同时，轻型钢结构还兼具美观和实用性、绿色、环保等以下众多优势。

①绿色环保可持续发展，不同于传统的木构建筑和砖混结构的房屋在拆迁后原材料已经无法再利用从而产生建筑垃圾，钢结构能够在拆除后返回工厂完全循环使用。②安全耐久，相比于传统结构，钢结构更加稳定坚固，具有优秀的抗震性能和抗风性，同时具有隔热、隔音的效果。钢具有很好的延展性，能较好地缓冲地震带来的能源，抗震性能较好，结构安全度高，极大程度上保证了住宅的安全性。③施工方便，钢结构各个构件几乎都是在工厂内预制完成的，建造周期内只需要在现场进行拼装就可以完成，从而大大缩短工期。④美观大方、钢结构建筑现代美感强、实用性强，围护构件和墙体材料可灵活选择。

2.3.1.3 新型砌体结构体系

砌体结构从古至今都在沿用，如砖石堆砌，历史悠久，结构体系特殊，被称为新型砌体，它是将传统材料经过处理与改造，使之各项性能得到改善。新型砌体结构主要材料有烧结多孔砖、混凝土空心砌块、抗震砌体和配筋砌体。

新型砌体材料更适用于当前广大乡村建设，相比于传统建材，新型砌体具有以下特点：①可将传统的废弃砖、工业废渣等原料制成砌块，既解决了垃圾处理问题，又能够节约资源、绿色环保。②可以利用新型砌体的工业特性将多种材料优势结合在一起，改变传统砌体材料单一的特点，有效提高砌体材料的整体强度和功能性。

2.3.2 维护结构

2.3.2.1 墙体设计

在农宅围护结构中，墙体占总表面积的比重最大，它热能损失比例约为40%，因此，要充分重视农宅墙体设计，影响墙体热工性能的原因有两个：墙体及其构造作法等材料。目前我国北方农村普遍采用粘土空心砖作为外墙砌筑材料，但在冬季时保温效果差，夏季又容易产生热渗漏，因此应积极推广轻质混凝土砌块。各地应根据各自地域特点及本地资源情况，选用合适保温材料，并尽量不要采用实心黏土砖。此外还应当考虑到建筑朝向以及日照条件等因素。除以上常用保温材料外，还鼓励新型砌体材料，可就地取材、因材设计。本文就以某农村住宅为例介绍几种常用于农宅中的新型砌体材料。上篇对此资料作了有关讨论，本实用新型不仅保温性能好，而且稳定，抗震性好。所以本文主要介绍几种常用于建筑中的墙体砌筑材料及应用方法。

外墙保温的构造方式根据保温隔热层的位置大体可分：外保温、夹心保温、内保温三种方式。根据不同的建筑物类型和功能，可使用性能良好的相应热绝缘材料，农村房屋应优先采用外部热绝缘技术，当外部热绝缘不易实施时，也可采用内部热绝缘技术，但保温材料的种类和厚度应通过计算来确定。外墙保温具有良好的热绝缘和防火性能，但也可以减少能源消耗和节省投资。目前外保温的施工方式有很多，并具有如下优点：①保温材料的膨胀系数小，可以降低钢筋混凝土结构对防水层的破坏。②提高室内的热稳定性，一般承重材料的热容量大于保温层，当出现供热不均时，实用新型保温材料和构造可以使承重层储存热量，有效保证围护结构内的温度不会急剧下降。③外保温可以有效避免热桥效应导致的热量散失。同时能降低保温层内水蒸气的冷凝。

2.3.2.2 屋面设计

根据物理学冷空气下沉热空气上升这一定律，热空气在房间里向上流动，通过上屋面散失，所以应强化屋面保温设计。通过研究了解到，当前农村屋面做法以木屋架坡屋面，钢筋混凝土坡屋面，及钢筋混凝平屋面三种做法为主。除此之外还应在屋面额外设置保温隔热层和防水层。

2.4 小结

本节通过对乡村住宅热环境设计方法进行探究，以室内热环境设计舒适指标为基准，通过建筑形体、建筑平面形制、建筑结构和围护结构的绿色设计，探究适合农村住宅使用的基本形式以应用，从结构基础上为农村住宅的绿色设计提供方法依据。

3 乡村住宅绿色节能设计方法探究

3.1 农村住宅太阳能节能设计策略

3.1.1 太阳能热水系统

太阳能热水系统主要由太阳能集热器从太阳光当中吸收能量，并转化为热能用于供水和供热，与其他应用相比，本系统相对简单易行，效率较高，技术相对成熟。太阳能热水系统中热水储存器及管道线路，集热器是其主要组成部分。

根据集热器的不同，热水器也有多种型式（表3）。

表3 不同种类热水器的优劣势

3.1.2 太阳能光伏发电系统

在国家政策支持光伏系统入户的背景下，太阳能光伏系统未来发展预期高。太阳能光伏发电系统各部分分为：光伏组件把太阳能转化为电能；电池储能组件用于存储转换后电能；逆变器和负载器用于控制电能输入和输出；通过把直流电变换成交流电以满足并网条件，并把电能变换成其他能量。

太阳能光伏发电系统按是否接入国家电网分为独立式光伏发电和并网式光伏发电两种（表4）。

表4 独立式光伏发电系统和并网式光伏发电系统的优劣势

3.2 能源利用及资源节约适应性设计策略

3.2.1 太阳能利用

3.2.1.1 太阳能集热器

太阳能集热器就是将零散的太阳辐射能转化为热能的一种设备。它与建筑物配套使用，可提高建筑的利用率，改善环境。由于屋面为房屋中接受阳光的照射最大、日照时间最多的部分，因此，常常太阳能集热器与屋面的结合作为最优的方案。随着农村经济发展，农民对住宅外观要求越来越高，屋顶采用什么样的形状才能够满足这种需求？当前农宅屋面形式以坡屋面为主，平屋面为辅，因为集热器高效运作需要最佳阳光接收角，因此普遍将集热器和屋面进行一体化设计，既能使其运行机理相一致，也能体现建筑形式逻辑。

屋顶集热器的几种主要设置方式如表5 所示。

表5 几种不同的屋顶集热器形式

将平屋面和集热器组合在一起所要解决的问题，就是如何让集热器有一个适当夹角以接受阳光，达到日照利用最大化，大致有下列两种组合（如表6 所示）。

表6 屋面与太阳能集热器的连接方式

3.2.1.2 被动式太阳房设计

被动式太阳房是依靠建筑物合理布局，通过对窗户、墙壁、屋顶及其他建筑物本身构件进行设计而建造。充分利用房屋自然热交换（辐射、对流、传导）获得太阳能。在传统的房屋中，建筑物内安装大量的采暖设备，如电暖气，空调，热水器，锅炉及各种管道系统等，以达到调节室内外温湿度，满足人们生活需要的目的。最基本的原理就是温室效应，即以短波方式辐射太阳辐射热，这类短波极易通过玻璃和其他介质侵入室内，为房间内其他建筑构件（墙面，地面，屋顶）所吸收，构成温室。由于室内温度高于室外空气的露点温度，因此在一定时间内室内温度低于室外空气露点温度，这样就可以将室内空气进行预热，降低室内的气温。被动式太阳房的形式有如下两种：

①直接受益式太阳房。直接受益式是指阳光直接透过南向的窗户照进房间，然后由房屋本体及室内家具等部件吸收太阳光，并转化为热能。通过辐射、对流等形式向室内转移的部分能量使室内空气升温。还有一部分能量储存在房屋实体内部，保持与室内温度相同的温度，夜间失去太阳辐射后放热，以保持房间温度，如表7 所示。

表7 直接受益式太阳房工作方式

②集热蓄热墙式。集热蓄热墙式是指在南侧光线充足的实墙面上，加装玻璃等透明实体与墙体构成空气夹层，墙体上下端均开有通风孔，由此构成了‘空气加热器’。在传统的房屋中，建筑物内安装大量的采暖设备，如电暖气，空调，热水器，锅炉及各种管道系统等，以达到调节室内外温湿度，满足人们生活需要的目的。由于热量从下层向上层传递，从而造成上下温差。白天一边给室内空气供热一边让南墙蓄热，夜间气温降低后，南墙即放热以使室内空气升温，保持日夜室内温度平衡。夜间关闭上通风口后，将窗开启与室外相通。此方式可以有效避免热量散失和夏冬季空调负荷过大。其工作原理如表8 所示。

表8 集热蓄热墙式太阳房工作方式

3.2.2 生物能利用

所谓生物质能就是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能储存在生物质里形式。作为可再生能源，我国夏热冬冷的农村生物质资源十分丰富且取材容易，代表生物质是木材、木材废弃物，农作物、农作物废弃物以及动物粪便。

沼气技术作为一种生物能利用方式便是将上述代表生物质用于厌氧环境，通过微生物发酵作用生成可燃气体用于日常生活。

在农村地区应用沼气技术的优点：①通过把厕所、猪圈一体化建成沼气池后，不仅改善了农村居住环境、村容村貌，也可预防孳生蚊虫和去除异味，改善居住环境质量。②沼气技术通过对农业废料的充分利用，将污粪和其他难处理有机物质变为高质量清洁能源，既能改善农村居住环境和卫生条件，又能解决基本的清洁能源采暖问题，提高农民生活质量。③所产沼气可用于煮饭、照明等，有效地节省了煤炭燃烧，减少了液化气用量；同时还可用于养鱼和种植绿肥。沼液还可用于农业施肥等，减少农药、化肥使用，降低污染。

3.3 小结

本文通过对乡村住宅绿色节能设计方法进行探究，通过阐述太阳能、生物能等可持续发展能源的利用场景，探究以适合农村住宅使用的可持续能源，为农村住宅的绿色能源设计提供设计方法依据。

4 结语

虽然绿色技术在城市建筑中的广泛应用已经接近成熟阶段，但乡村地区对绿色技术运用极为欠缺，乡村绿色住宅建设相关经验不足，农宅建设出现了不少问题，本文以现行绿色建筑相关的标准和规范和现有绿色建筑设计技术为基础，探讨乡村绿色农宅的基本设计策略以及对农宅的可持续能源利用建设建立部分理论方式。研究整理了国内近来绿色农宅的发展理论经过，汇总部分乡村住宅的绿色设计方法和策略。以乡村绿色住宅建筑设计策略框架，从农宅设计与室内环境、建筑结构、能源利用与资源节约三大方面，总结出农村住宅绿色设计的相关技术理论作为理论指导。