生態(tài)建筑技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用

王 偉，楊豪中，李 嵐，陳 媛

(1.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院風(fēng)景園林學(xué)博士后科研流動(dòng)站，陜西西安 710055;2.西安建筑科技大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，陜西西安 710055;3.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西西安 710055)

人類對(duì)自然的改造正在如火如荼地進(jìn)行著，卻忽視了對(duì)自然健康的關(guān)注，特別是對(duì)建筑尺度和速度的盲目追求，使建筑能耗不斷增加(我國(guó)高能耗建筑比例為99%，高能耗建筑增加的速度達(dá)27.8%)，高能耗建筑建造過程中產(chǎn)生巨大的碳排放，嚴(yán)重導(dǎo)致了環(huán)境的惡化和生態(tài)的失衡。世界各國(guó)建筑師都有致力于生態(tài)建筑技術(shù)的研究，如蘇格蘭的斯特村屋，慕尼黑由托馬斯設(shè)計(jì)的綠色環(huán)保住宅聯(lián)合體等。就生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的方法主要體現(xiàn)為兩個(gè)方面，一是將建筑本體融入自然環(huán)境循環(huán)體系，使建筑成為自然環(huán)境的一部分;二是應(yīng)用高新技術(shù)手段創(chuàng)造人工自然環(huán)境，將自然引入建筑內(nèi)部。我國(guó)農(nóng)村人口比重大(第6次人口普查結(jié)果顯示:農(nóng)村人口為6.741億，占總?cè)丝诘?0.32%)，國(guó)家對(duì)農(nóng)村建設(shè)的投入更是逐年遞增，新農(nóng)村建設(shè)正在不斷地推進(jìn)，生態(tài)建筑以其特有的性質(zhì)在農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用更具有生機(jī)和活力，生態(tài)建筑在農(nóng)村特定的環(huán)境中可巧妙地結(jié)合自然，利用農(nóng)村中便利的自然材料將建筑的生態(tài)性更好地發(fā)揮出來［1］。新農(nóng)村建設(shè)中發(fā)展生態(tài)建筑對(duì)減少建筑能耗，應(yīng)對(duì)能源緊缺問題，處理人和自然之間的關(guān)系具有重要作用，因此在新農(nóng)村建設(shè)中找到一條適合農(nóng)村發(fā)展的生態(tài)建筑之路迫在眉睫。

1 發(fā)展現(xiàn)狀研究

生態(tài)建筑對(duì)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了積極回應(yīng)，生態(tài)建筑的實(shí)現(xiàn)過程中在節(jié)能減排、節(jié)約用地、可循環(huán)材料的利用等方面有顯著的體現(xiàn)。因此各國(guó)對(duì)生態(tài)建筑的發(fā)展都有不同程度的重視。

西方國(guó)家對(duì)生態(tài)建筑的研究起步較早，20世紀(jì)60年代以前就在綠色建筑的基礎(chǔ)上提出了生態(tài)建筑的理念，體現(xiàn)在生態(tài)建筑相關(guān)的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用等方面。德國(guó)對(duì)生態(tài)建筑的探索和研究有50多年的經(jīng)驗(yàn)，此項(xiàng)研究中生態(tài)建筑的內(nèi)容涵蓋了節(jié)水節(jié)能、光伏熱、水的循環(huán)利用、保溫隔熱等新型建筑材料和建筑技術(shù)的運(yùn)用。同時(shí)，制定了生態(tài)建筑相關(guān)的設(shè)計(jì)目標(biāo)、原則和方法，為其他國(guó)家乃至整個(gè)世界對(duì)生態(tài)建筑的研究奠定了基礎(chǔ)。美國(guó)開展生態(tài)建筑的研究可以追溯到麻省理工學(xué)院“3號(hào)”、“4號(hào)”太陽(yáng)房的設(shè)計(jì)(1948—1959年)，該太陽(yáng)房的設(shè)計(jì)是美國(guó)早期生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的代表之作。1969年賓夕法尼亞大學(xué)區(qū)域規(guī)劃系創(chuàng)始人麥克哈哈在《設(shè)計(jì)結(jié)合自然》(Design with Nature)中提出生態(tài)建筑設(shè)計(jì)在城市建設(shè)中推廣和應(yīng)用的重要意義?！懊绹?guó)綠色建筑理事會(huì)”(USGBC)從1993年開始提出能源設(shè)計(jì)先導(dǎo)計(jì)劃(LEED)，到2009年推出了(LEED)的最新版本，用以對(duì)建筑能耗進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)估，達(dá)到約束和控制建筑能耗，減少建筑能耗對(duì)人類生存環(huán)境的不利影響［2］。

我國(guó)在生態(tài)建筑領(lǐng)域的研究比發(fā)達(dá)國(guó)家晚10～20年，20世紀(jì)80年代我國(guó)著名建筑師顧孟潮提出“未來是生態(tài)建筑時(shí)代”;1996年國(guó)家將“綠色建筑體系研究”列為國(guó)家重點(diǎn)資助課題;2001年《中國(guó)生態(tài)住宅技術(shù)評(píng)估手冊(cè)》出臺(tái)，該手冊(cè)對(duì)于我國(guó)發(fā)展綠色節(jié)能建筑、生態(tài)建筑、防污減排等方面具有重要意義;2009年“國(guó)際生態(tài)城市建設(shè)論壇”在我國(guó)召開，論壇中提出生態(tài)城市規(guī)劃的新方法和自然與人文相結(jié)合的生態(tài)城市建設(shè)的新途徑［3］。國(guó)家多年來重視對(duì)城市生態(tài)建設(shè)的投入，建筑師致力于城市新型建筑的研究和開發(fā)，卻忽視了我國(guó)人居環(huán)境比重較大的農(nóng)村建設(shè)，特別是國(guó)家“十一五”計(jì)劃中的新農(nóng)村建設(shè)為發(fā)展生態(tài)建筑提供了契機(jī)，農(nóng)村環(huán)境中使生態(tài)建筑的發(fā)展有了更好的發(fā)展空間。近年來建筑師逐漸把生態(tài)建筑研究的重心偏向了農(nóng)村，特別是和新農(nóng)村建設(shè)相結(jié)合，為生態(tài)建筑的實(shí)踐活動(dòng)開辟了更為廣闊的空間，同時(shí)也為廣大農(nóng)村居民提供了更舒適的生活環(huán)境。

2 新農(nóng)村建設(shè)中生態(tài)建筑應(yīng)用存在的問題

2.1 生態(tài)建筑認(rèn)識(shí)不足

現(xiàn)階段的新農(nóng)村建設(shè)中出現(xiàn)了一些急功近利的現(xiàn)象，為了急于改善農(nóng)村居民原有的生活環(huán)境，建設(shè)過程中缺乏對(duì)農(nóng)村建筑因地制宜的詳細(xì)設(shè)計(jì)。建設(shè)過程中對(duì)生態(tài)建筑節(jié)地、節(jié)能、循環(huán)利用等作用認(rèn)識(shí)欠缺，很少將新農(nóng)村建設(shè)和當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境相結(jié)合，沒有將當(dāng)?shù)靥烊坏慕ㄖ牧蠎?yīng)用到建筑中，更有人認(rèn)為生態(tài)建筑就是簡(jiǎn)單的室內(nèi)外綠化［4］。建設(shè)中出現(xiàn)大量套用圖紙的現(xiàn)象，使農(nóng)村建筑大多以鋼筋混凝土出現(xiàn)，打造了很多所謂整齊劃一的小“別墅”(圖1)。不僅浪費(fèi)了更多的人力、物力資源，而且使建筑在以后的使用過程中能耗增大，增加了農(nóng)村居民生活負(fù)擔(dān)，同時(shí)，也消耗了大量的社會(huì)能源。

圖1 農(nóng)村中千篇一律的“小別墅”Fig.1 The same cottage in the countryside

2.2 經(jīng)濟(jì)合理性矛盾

生態(tài)建筑時(shí)刻關(guān)注居住者的健康和舒適，對(duì)建筑材料的采用要求非常嚴(yán)格。許多原材料盡可能利用當(dāng)?shù)睾线m的天然材料以節(jié)約建造成本。但是，有的建筑材料依然需要節(jié)能環(huán)保的新型材料和設(shè)備，這部分材料有的是具有更好的保溫、隔熱性能墻體，還有的是新型能源材料和設(shè)備(太陽(yáng)能、風(fēng)能等)，這些材料和設(shè)備的應(yīng)用增加了建筑的投資成本［5］。新農(nóng)村建設(shè)中由于政府的補(bǔ)貼和農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)能力有限，而且這部分投資的收益往往需要一個(gè)長(zhǎng)期的過程，投資的價(jià)值不是立竿見影。因此，生態(tài)建筑的實(shí)際建設(shè)在新農(nóng)村建設(shè)中出現(xiàn)了力不從心的現(xiàn)象。

圖2 生態(tài)保溫墻體設(shè)計(jì)Fig.2 Ecological insulated wall design

2.3 缺乏相關(guān)政策

我國(guó)對(duì)生態(tài)建筑的研究雖然已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，但是國(guó)家對(duì)生態(tài)建筑的實(shí)際應(yīng)用和推廣中缺乏相關(guān)的政策支持和法律約束。新農(nóng)村建設(shè)中政府應(yīng)建立生態(tài)建筑型新農(nóng)村建設(shè)示范區(qū)，加強(qiáng)對(duì)生態(tài)建筑節(jié)能環(huán)保作用的宣傳;加大對(duì)生態(tài)建筑的投入，鼓勵(lì)新農(nóng)村建設(shè)中把農(nóng)村現(xiàn)有的自然資源應(yīng)用到生態(tài)建筑中［6］。同時(shí)，制定并應(yīng)用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系監(jiān)督新農(nóng)村建設(shè)中生態(tài)建筑的建設(shè)，實(shí)行相關(guān)的獎(jiǎng)懲機(jī)制，對(duì)生態(tài)建筑推廣好的給予獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)浪費(fèi)土地資源、能耗高的建設(shè)予以處罰等措施。

3 生態(tài)建筑技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)生態(tài)節(jié)能設(shè)計(jì)

3.1.1 夾芯保溫隔墻技術(shù) 夾芯保溫隔墻是一種環(huán)保、節(jié)能型符合墻體設(shè)計(jì)，可有效地利用墻體的物理性能達(dá)到保溫、隔熱、隔聲等效果。墻體由內(nèi)至外分為:內(nèi)葉墻、保溫層、空氣層、外葉墻，內(nèi)外墻體間隔距離50～70 mm，外墻和保溫層有間隔25～50 mm的空氣層。傳統(tǒng)保溫層多以聚苯板、巖棉板等為主，這種保溫材料保溫性能穩(wěn)定、施工方便，但是成本較高。新農(nóng)村建設(shè)中農(nóng)村特有的環(huán)境中蘊(yùn)藏著大量天然材料(木材、稻草、秸稈等)，將稻草、木渣、秸稈等材料和黏土攪拌凝固之后可以形成絕緣性能好的保溫層，將這種保溫層應(yīng)用于符合墻體中可使夏季室內(nèi)外溫差達(dá)到5～6℃，節(jié)能50% ～60%。這種處理方法不僅節(jié)省了建設(shè)成本，還節(jié)約了傳統(tǒng)保溫層生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的能耗(圖2)。同時(shí)，可將日照時(shí)間長(zhǎng)的西面墻體外立面用防腐性好的木質(zhì)材料替代當(dāng)下應(yīng)用廣泛的瓷磚貼面，既可以起到良好的隔熱保溫作用，又起到一定的裝飾作用，保留了農(nóng)村建筑的鄉(xiāng)土氣息。

3.1.2 門窗節(jié)能設(shè)計(jì) 門窗在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中不僅承擔(dān)通風(fēng)、采光的作用，還應(yīng)當(dāng)具有良好的保溫隔熱性能。普通住宅窗戶面積只有建筑外圍護(hù)總面積的25%左右，但其熱損耗可達(dá)50%，建筑設(shè)計(jì)中采用節(jié)能效果好的門窗材料可使建筑節(jié)能40%。窗戶的節(jié)能效果主要取決于玻璃和窗框材料，由于玻璃比例大，選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)低的玻璃對(duì)節(jié)能效果更加有利，常用的玻璃種類和熱傳導(dǎo)系數(shù)見表1;在提高玻璃性能的同時(shí)也應(yīng)當(dāng)和節(jié)能性能好的窗框相結(jié)合，從而提高窗戶整體的隔熱保溫性能，常見的窗框材料及其熱傳導(dǎo)系數(shù)見表2。從窗框的材料熱傳導(dǎo)系數(shù)可以看出，木材雖然具有良好的隔熱、保溫作用，但是由于其材質(zhì)特征容易變形且防火性能差，生產(chǎn)過程需要消耗大量的木材，不利于生態(tài)環(huán)境。因此，農(nóng)村建筑中應(yīng)當(dāng)選擇保溫隔熱性能相對(duì)較好且價(jià)格經(jīng)濟(jì)的塑鋼型材和中空玻璃為宜［9］。

表1 常用玻璃的熱傳導(dǎo)系數(shù)Tab．1 The heat transfer coefficient of common glass

表2 常用型材的熱傳導(dǎo)系數(shù)Tab．2 Heat transfer coefficient of the commonly used profiles

3.1.3 屋頂綠化 綠化和生態(tài)建筑的關(guān)系極為密切，對(duì)建筑物進(jìn)行綠化不僅可以美化環(huán)境還能有效地起到保溫、隔熱、隔音、調(diào)節(jié)環(huán)境溫度和濕度等作用。新農(nóng)村建設(shè)中，農(nóng)村住宅建筑多以獨(dú)立院落為主，實(shí)現(xiàn)屋頂綠化便利且效果明顯。屋頂綠化常見的處理方法為:對(duì)現(xiàn)澆屋面做防水處理，然后鋪設(shè)保溫層，在保溫層再進(jìn)行防水處理之后以卵石或農(nóng)作物混合的渣土置于其上，最后覆蓋種植土壤進(jìn)行綠化。屋頂綠化以低矮的長(zhǎng)青灌木為主，這些植物猶如天然的冷卻機(jī)，植物每蒸發(fā)1 kg水便可從周圍環(huán)境吸收2 200 J熱量，從而起到隔熱降溫的作用。對(duì)建筑進(jìn)行屋頂綠化，炎熱的夏季可以阻擋太陽(yáng)直射產(chǎn)生的高溫，冬季可以隔斷室外的低溫，使室內(nèi)外溫差達(dá)到2～5℃。同時(shí)，凈化了周圍的空氣，也緩解了大氣的溫室效應(yīng)［7］。

3.2 土壤降溫技術(shù)

炎熱的夏季降溫是必不可少的，傳統(tǒng)的降溫方式是用風(fēng)扇工作帶動(dòng)空氣流通或者空調(diào)制冷達(dá)到室內(nèi)降溫的目的。一般空調(diào)降溫速度快、效果明顯，但是能耗過大。新農(nóng)村建設(shè)中在農(nóng)村環(huán)境中可以采用方便環(huán)保的土壤降溫形式達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。地表層以下6m的土壤溫度一年四季保持在當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁兀貏e是夏季地下土壤溫度和地面溫差大，更容易進(jìn)行熱量的交換，降溫效果明顯(見圖3)。利用土壤降溫可用以下兩種方式:

3.2.1 建筑與泥土直接耦合 具體方法為將建筑物背部依托山丘或巖土，也可以將建筑物部分建于地下。讓建筑物和泥土緊密結(jié)合，從而使泥土和建筑物之間發(fā)生熱量傳遞，達(dá)到降溫的效果(見圖4)。該降溫方式非常適合農(nóng)村的建筑，建造之前選擇有利地勢(shì)，可使這種降溫方式效果更為明顯。

圖3 土壤溫度隨著深度和季節(jié)變化Fig.3 Soil temperature changes with depth and season

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

3.2.2 建筑與泥土間接耦合 將建筑物室內(nèi)和空間與地下通風(fēng)管道相連接，由于地下土壤和地表溫差大，利于熱量的交換，可將通風(fēng)管道的空氣溫度迅速降低，然后利用通風(fēng)設(shè)備調(diào)節(jié)空氣的流通速度，使經(jīng)過降溫的空氣進(jìn)入室內(nèi)以達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫度的目的。這種降溫方式在農(nóng)村獨(dú)立院落環(huán)境中方便施工，對(duì)建筑場(chǎng)地的要求不高，更利于室內(nèi)的通風(fēng)，降溫效果直接明顯且節(jié)能環(huán)保［8］。

3.3 太陽(yáng)能的利用

太陽(yáng)能是一種天然的清潔能源，我國(guó)有2/3的區(qū)域年日照量大于2 000 h，太陽(yáng)能輻射能量大約3 000～8 000 MJ/m2，接受的太陽(yáng)能相當(dāng)于2.4萬億t煤產(chǎn)生的熱量。太陽(yáng)能的利用越來越受到人們的重視。但是，由于各種條件的影響，我國(guó)太陽(yáng)能的普及率很低，城市中許多住宅建筑物上面不允許個(gè)人安裝太陽(yáng)能設(shè)備，多數(shù)公共建筑屋頂由于造型或者空間限制不利于太陽(yáng)能設(shè)備的安裝。但在農(nóng)村建設(shè)中，建筑的獨(dú)立設(shè)計(jì)有利于太陽(yáng)能設(shè)備的安裝和使用，所以在新農(nóng)村建設(shè)中應(yīng)大力推廣太陽(yáng)能設(shè)備的應(yīng)用。目前，相對(duì)成熟便捷且適合農(nóng)村使用的太陽(yáng)能設(shè)備有太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和太陽(yáng)能光電系統(tǒng)。有條件的情況下還可采用太陽(yáng)能熱水供暖系統(tǒng)，寒冷的冬季可由太陽(yáng)能集熱設(shè)備用以調(diào)節(jié)室溫。這種集熱設(shè)備的熱負(fù)荷等于建筑物在該時(shí)期平均氣溫下的耗熱量:

式中:QH為建筑物自身消耗熱量(J);QHT為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)消耗熱量(J);QINF為空氣交換消耗熱量(J);QIN為室內(nèi)空間儲(chǔ)存熱量(J)。

該設(shè)備中集熱器的面積(AC):

式中:QHZ為耗能量指標(biāo)(W/m2);f為太陽(yáng)能保證率;Jt為平均太陽(yáng)輻射量(J/m2·d);ηcd為平均集熱效率;ηL為設(shè)備熱損失率。

3.4 地源熱泵的利用

地源熱泵是一種利用地?zé)豳Y源進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)，主要利用淺層地下水或土壤與地面的溫差進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)制冷和供熱，系統(tǒng)利用水或者空氣作為熱量傳遞的介質(zhì)［9］。冬季，地下溫度高于地面，將地能熱量轉(zhuǎn)移之后帶到室內(nèi)用來提高室溫的效果;夏季，室內(nèi)溫度高于地下，利用空調(diào)系統(tǒng)將室內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移之后釋放到地能熱量中以達(dá)到降溫的效果。這種空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)燃油鍋爐經(jīng)濟(jì)，理論上每消耗1kW·h的其他能量便可獲取4kW·h以上的能量用以調(diào)節(jié)室溫(見圖5)。農(nóng)村有豐富的土地資源且農(nóng)村中土地硬化面積少，更能保證地?zé)豳Y源的穩(wěn)定，這種利用淺層地?zé)豳Y源的空調(diào)系統(tǒng)在農(nóng)村建設(shè)環(huán)境中方便施工且利用率高，新農(nóng)村建設(shè)中應(yīng)當(dāng)大力推廣這種生態(tài)環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)，為農(nóng)村居民打造更為舒適的生活環(huán)境(見圖6)。

圖5 地源熱泵普通燃油鍋爐運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比較Fig.5 Ground source heat pump compare common fuel boiler operating costs

圖6 地源熱泵熱交換示意圖Fig.6 Ground source heat pump heat exchange

3.5 雨水回收

我國(guó)是一個(gè)淡水資源匱乏的國(guó)家，特別是北方年降水量在800 mm以下的干旱地區(qū)，很多農(nóng)村的水供應(yīng)嚴(yán)重不足，甚至影響到農(nóng)村居民的正常生活。因此，新農(nóng)村建設(shè)過程中對(duì)雨水的回收利用尤為重要，降雨雖然具有不確定性，但雨水具有含有的有機(jī)物相對(duì)少、污染小、水質(zhì)硬度小等特點(diǎn)［10］。在農(nóng)村住宅建設(shè)中設(shè)置專用的構(gòu)件對(duì)雨水進(jìn)行及時(shí)回收儲(chǔ)存，經(jīng)過較為簡(jiǎn)單的處理之后可用于農(nóng)村居民的日常生活用水，這樣不僅有效解決了農(nóng)村缺水的問題，而且實(shí)現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用(見圖7)。

4 結(jié)語

生態(tài)建筑的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是一個(gè)多學(xué)科交叉又需其相互協(xié)調(diào)配合的系統(tǒng)工程，它重視人類在改造人居環(huán)境過程中和自然的互動(dòng)，讓人類知道利用自然的同時(shí)更應(yīng)該尊重自然，這種互動(dòng)必須建立在相互平衡的基礎(chǔ)上。該類建筑實(shí)踐中應(yīng)巧妙地結(jié)合自然、利用好現(xiàn)有資源、本著節(jié)約、節(jié)能、環(huán)保的原則打造出適合人居且可持續(xù)的生態(tài)建筑。生態(tài)建筑的出現(xiàn)和發(fā)展是人類文明進(jìn)步的體現(xiàn)，人們?cè)诟脑熳匀坏倪^程中認(rèn)識(shí)到了對(duì)能源的過度消耗和浪費(fèi)。其發(fā)展也預(yù)示著建筑行業(yè)會(huì)向更健康的方向發(fā)展，當(dāng)然生態(tài)建筑作為一門相對(duì)年輕的學(xué)科，發(fā)展的道路還很長(zhǎng)，且在發(fā)展過程中會(huì)存在諸多不可預(yù)見的問題。因此，我們?cè)诖朔矫娴难芯窟€有待進(jìn)一步的提高，應(yīng)力爭(zhēng)尋找一條更適合新農(nóng)村建設(shè)中生態(tài)建筑發(fā)展的途徑與方法。

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