基于被動式技術(shù)嚴(yán)寒地區(qū)節(jié)能農(nóng)宅的設(shè)計(jì)方案

程博 ，姜曙光 ，胡智毅 ，馬云鶴 ，王純

（1石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，石河子832003；2石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832003；3新疆69230部隊(duì)53分隊(duì)，烏蘇833300）

被動式技術(shù)設(shè)計(jì)(Passive Technology Design)能使建筑物具有較強(qiáng)的氣候適應(yīng)和氣候調(diào)節(jié)能力[1-2]，主要有通過設(shè)計(jì)使建筑物本身運(yùn)用各種自然的方式來收集、儲存能量和建筑物內(nèi)部空間與其周圍的環(huán)境形成自循環(huán)的系統(tǒng)，不需要輔助能源來提供支持也能充分利用自然資源的優(yōu)點(diǎn)。嚴(yán)寒地區(qū)節(jié)能農(nóng)宅注重降低冬季采暖能耗，采用被動式技術(shù)設(shè)計(jì)能使建筑冬季采暖費(fèi)用較低，而且能使農(nóng)宅所需輔助能源較少甚至為零能耗。被動式太陽房是被動式技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用于建筑的一種特殊形式，是大眾所能接受并推廣應(yīng)用的節(jié)能建筑。中國自1977年在甘肅民勤第一棟被動式太陽房誕生至今已經(jīng)過去了35年，許多當(dāng)年參與被動式太陽房研究開發(fā)及推廣應(yīng)用的專家學(xué)者及民間探索者，一方面對被動式建筑充滿感情，但同時又對近十幾年的停滯不前而感到無奈[3]。長期以來，國內(nèi)關(guān)于節(jié)能建筑的研究集中在建筑節(jié)能改造、建筑單體保溫性能及太陽能集熱器集熱效率的提高等問題，對于村鎮(zhèn)住宅被動式設(shè)計(jì)方案并不多。

新疆傳統(tǒng)民居形式中有很多與被動式建筑體系相一致的設(shè)計(jì)理念及技術(shù)，能很好的達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的，如吐魯番地區(qū)“下窯上屋”防酷暑型土拱民居，草原上的氈帳民居，維吾爾族“阿以旺”民居，綠州地帶的生土木結(jié)構(gòu)民居，軍墾第一代居住的地窩子等。目前，隨著新疆城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速，村鎮(zhèn)建筑正處于大量改建或重建之中，在缺乏科學(xué)指導(dǎo)的局面下，面對現(xiàn)代生活方式的沖擊，農(nóng)宅開始模仿甚至照搬城市建筑模式，而傳統(tǒng)民居大量寶貴的生態(tài)經(jīng)驗(yàn)正走向消亡。因此，本文針對新疆嚴(yán)寒地區(qū)氣候特征和地域特點(diǎn)，結(jié)合被動式太陽能空調(diào)系統(tǒng)雛形及原理，設(shè)計(jì)中加入被動式技術(shù)和可再生能源太陽能的利用，根據(jù)傳統(tǒng)建筑技術(shù)的生態(tài)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置地下室被動的利用地?zé)崮埽⒈粍邮教柗颗c地下室聯(lián)動的——被動式太陽能空調(diào)系統(tǒng)與節(jié)能住宅設(shè)計(jì)相結(jié)合，提出“直接受益式+對流環(huán)路式被動式太陽房與地下室聯(lián)動的空調(diào)系統(tǒng)”和“附加陽光間+對流環(huán)路式被動式太陽房與地下室聯(lián)動的空調(diào)系統(tǒng)”2種被動式設(shè)計(jì)方案，以期為新疆美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中的節(jié)能住宅設(shè)計(jì)提供參考。

1 農(nóng)宅被動式技術(shù)方案設(shè)計(jì)思路

總體思路是以新疆嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)和滿足現(xiàn)代鄉(xiāng)村住宅主要使用功能為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)對豐富的太陽能和地?zé)崮苜Y源的利用，突出“被動優(yōu)先”的原則，選擇適宜的被動式建筑技術(shù)和合理的空間布局，從而達(dá)到美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的內(nèi)涵要求。

1.1 對農(nóng)宅建設(shè)場地的被動式設(shè)計(jì)要求

（1）朝向。為充分利用太陽能，住宅應(yīng)朝正南或南偏東150°-南偏西150°范圍內(nèi)布置。應(yīng)避免周圍地形、地物對建筑南向的遮擋，房屋南墻前應(yīng)留有不小于南側(cè)房屋高度2.5倍的間距；避開高大常青樹木冬季對南墻的遮擋；南側(cè)院墻不宜過高。建筑物南立面應(yīng)平直，避免地勢遮擋和建筑物本身的突出物的遮擋[4]。

（2）北側(cè)應(yīng)設(shè)擋風(fēng)屏障。新疆嚴(yán)寒地區(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅毕?，宜在北?cè)設(shè)置擋風(fēng)屏障，可通過在北側(cè)設(shè)置高大院墻或種植常青喬木來實(shí)現(xiàn)。

1.2 對住宅平面布局的被動式設(shè)計(jì)要求

（1）滿足核心家庭住宅小型化的要求?，F(xiàn)代農(nóng)宅居住模式與以往相比有了很大變化；由親屬關(guān)系組成的一個個大家庭裂變?yōu)槎鄠€獨(dú)立的小家庭，以人口3-4人的核心家庭為主，建筑面積80-120 m2居多，過大、過小戶建筑面積需求都較少。

（2）滿足功能齊全的舒適性要求。屋外院內(nèi)旱廁給居民使用帶來諸多不便，并且也嚴(yán)重影響環(huán)境衛(wèi)生。設(shè)計(jì)室內(nèi)衛(wèi)生間，解決洗澡、如廁需求，極大提高了居民的生活品質(zhì)。新疆冬季漫長，農(nóng)村居民通常在院子里挖菜窖來貯藏冬菜和水果，存取菜、果要通過80 cm×80 cm窖口搭的活動木梯，爬進(jìn)爬出菜窖很不方便，如果把菜窖與房屋結(jié)合到一起，局部設(shè)地下室用做儲藏室，將大大方便村民的生活，滿足居民的生活習(xí)性要求。

1.3 對自然資源利用的被動式設(shè)計(jì)要求

（1）地?zé)崮苜Y源的利用。20世紀(jì)50年代，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一代軍墾人進(jìn)疆后，利用地下土壤蓄熱量大、溫度波動小的特點(diǎn)，建起了大量的“地窩子”住居，它具有室溫穩(wěn)定、冬暖夏涼等優(yōu)點(diǎn)。合理的利用地下蓄熱空間，建造局部或整體地下室用以平衡上部小體量住宅的室溫，減少建筑冬季采暖和夏季降溫能耗，提高室內(nèi)舒適性，是一種因地制宜的綠色建筑。

（2）太陽能資源的利用。新疆大部分地區(qū)干旱少雨，晴天多，大氣透明度好，陽光透射率高，太陽能資源非常豐富。據(jù)氣象部門提供的30年統(tǒng)計(jì)資料表明：新疆年太陽輻射總量達(dá)5.4～6.5×109J／m2，按照綜合氣象因素SDM進(jìn)行太陽能資源區(qū)劃，多數(shù)地區(qū)處于最佳區(qū)或次佳區(qū)。該地區(qū)的氣象狀況和空氣質(zhì)量有助于太陽能的利用，冬季除12月、1月外，雖然室外氣溫很低，但太陽輻射強(qiáng)度高，具有高效使用太陽能光熱資源得天獨(dú)厚的條件。太陽能資源在建筑中的被動式利用形式，主要有直接受益式、集熱蓄熱墻式、附加陽光間式、蓄熱屋頂式和對流環(huán)路式等[5]。

（3）節(jié)能農(nóng)宅被動式太陽能空調(diào)系統(tǒng)雛形設(shè)計(jì)。為充分利用當(dāng)?shù)靥柲芘c地?zé)崮苜Y源，故設(shè)計(jì)被動式太陽房與地下室聯(lián)動系統(tǒng)，如圖1所示。

冬季工作原理：白天有陽光時，陽光透過高透光的玻璃蓋板照到集熱板上，集熱板被加熱后，當(dāng)墻體的上下通風(fēng)口打開時，房間的冷空氣由下通風(fēng)口進(jìn)入集熱板和墻體間的空腔，在空腔中受熱上升，再由上通風(fēng)口送回房間內(nèi)部，使室內(nèi)溫度升高[6]。正午時，開啟地下室與上層房間洞口內(nèi)雙向換氣扇，把南向3個居室多余熱量向地下室抽送貯存；太陽落山時，放下保溫棉窗簾，關(guān)閉特朗伯墻上下風(fēng)口；夜晚，根據(jù)實(shí)際需要，打開或關(guān)閉一些地下室風(fēng)口，把地下室熱風(fēng)向南側(cè)居室輸送。

夏季工作原理：白天有陽光時，利用特朗伯墻夾層的“熱煙囪”作用，將室內(nèi)熱空氣抽出，達(dá)到自然通風(fēng)降溫的目的。夜晚打開門窗，自然通風(fēng)。地下室風(fēng)口根據(jù)實(shí)際需要打開，開啟地下室與上層房間洞口內(nèi)雙向換氣扇，為居室送帶有濕度的涼風(fēng)。

圖1 被動式太陽能空調(diào)系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 The passive solar air conditioning system schematic diagram

1.4 外窗的被動式設(shè)計(jì)要求

（1）合理控制開窗大小。外窗的大小對建筑節(jié)能起著至關(guān)重要的作用，以冬季保溫為主的嚴(yán)寒地區(qū)的住宅，在滿足自然采光、通風(fēng)的前提下，要盡可能開小窗，以減少外窗的傳熱損失；另外，為在冬季獲得更多的太陽輻射熱，南向集熱窗的面積應(yīng)盡可能大，因此要確定合理的窗口面積。在《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（JGJ26－2010）》中，對于嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑的窗墻面積比限制值如表1所示。

表1 嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑的窗墻面積比限值[7]Tab.1 Cold region of the residential building window-wall area ratio limit

（2）減小可開啟扇面積。住宅的平面空間組織、剖面設(shè)計(jì)、門窗的位置、方向和開啟方式的設(shè)置，應(yīng)有利于組織室內(nèi)自然通風(fēng)。

每套住宅的自然通風(fēng)開口面積不應(yīng)小于地面面積的5%[8]，在滿足自然通風(fēng)的前提下，要盡可能減小可開啟扇面積，以減少外窗的冷風(fēng)滲透傳熱損失。

（3）增設(shè)外窗活動保溫裝置。根據(jù)農(nóng)宅房屋設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)，增設(shè)外窗活動保溫裝置能顯著提高住宅的保溫能力。外窗的活動保溫裝置形式有多種，如卷簾式保溫簾、嵌入式窗護(hù)板、旋轉(zhuǎn)式百葉窗護(hù)板、鉸接式窗護(hù)板等[9]。從居民生活便捷性和經(jīng)濟(jì)性考慮，保溫簾活動保溫裝置為最佳。

2 被動式太陽能空調(diào)系統(tǒng)與節(jié)能農(nóng)宅設(shè)計(jì)方案

新疆正面臨著日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境的挑戰(zhàn)，與標(biāo)準(zhǔn)住宅相比，因地制宜的本土化被動式住宅將成為未來建筑節(jié)能減排的重要途徑。本研究根據(jù)被動式太陽能空調(diào)系統(tǒng)原理和最大化利用自然能源的設(shè)計(jì)理念，總結(jié)出“直接受益式+對流環(huán)路式被動式太陽房與地下室聯(lián)動的空調(diào)系統(tǒng)”和“附加陽光間+對流環(huán)路式被動式太陽房與地下室聯(lián)動的空調(diào)系統(tǒng)”2種設(shè)計(jì)方案。

2.1 直接受益式+對流環(huán)路式被動式太陽房與地下室聯(lián)動的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（方案一）

方案一住宅一層平面如圖2所示，地下室平面如圖3所示，立面如圖4所示，剖面如圖5所示。該方案的設(shè)計(jì)特點(diǎn)有：

（1）根據(jù)傳統(tǒng)農(nóng)宅的特點(diǎn)，采用一字型設(shè)計(jì)，生活路線方便，符合北方人居住習(xí)慣，外門南向開設(shè)，并在入口增設(shè)門斗，防止冷風(fēng)直入[10]。

（2）結(jié)合被動式太陽能房特點(diǎn)，南墻立面加設(shè)集熱腔體，其中，對于熱舒適性要求較高房間，起居室均為南向，可以充分接受太陽光照射。

（3）本設(shè)計(jì)被動式太陽房的集熱方式是直接受益窗與對流環(huán)路式復(fù)合型集熱，南側(cè)3個窗的窗臺由通常的降至60 cm，增大了直接受益窗面積。

（4）在地下室與上層南向房間之間設(shè)三排通氣道，通氣道口徑15 cm，關(guān)于太陽房的輔助采暖，在廚房設(shè)熱水循環(huán)的家庭自供暖系統(tǒng)，也可采用火墻取暖，補(bǔ)充熱源以達(dá)到穩(wěn)定的熱工環(huán)境。

（5）夏季遮陽、通風(fēng)降溫的措施有：南向屋面設(shè)計(jì)小挑檐，夏季可以遮擋住大部分的日照輻射；可開啟南墻下部通風(fēng)口和集熱罩上部的活扇組織熱壓通風(fēng)，同時開啟地下室通風(fēng)口進(jìn)行通風(fēng)降溫。

圖2 方案一住宅一層平面示意圖Fig.2 Program A Residential a layer schematic diagram

圖3 方案一住宅地下室平面示意圖Fig.3 Program A Residential basement schematic diagram

圖4 方案一住宅立面示意圖Fig.4 Program A Residential fa?ade schematic diagram

圖5 方案一住宅剖面示意圖Fig.5 Program AResidentialsection schematic diagram diagram

2.2 附加陽光間+對流環(huán)路式被動式太陽房與地下室聯(lián)動的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（方案二）

方案二建筑一層平面如圖6所示，地下室平面如圖7所示，立面如圖8所示，剖面如圖9所示。該方案的節(jié)能特點(diǎn)主要有：

（1）該方案每戶建筑面積 87.82 m2，戶型一層平面示意圖如圖6所示，門斗——地下室——餐廳，形成了兩道氣閥，氣流在門斗內(nèi)混合后經(jīng)過調(diào)溫、調(diào)濕再進(jìn)入餐廳，有效地形成了主要房間的溫度保護(hù)區(qū)，避免了室內(nèi)溫度和濕度過大波動。

（2）本設(shè)計(jì)被動式太陽房的集熱方式采用在南側(cè)設(shè)有較大的附加陽光間，起居室設(shè)有直接受益窗和對流環(huán)路式；增加了地下室，以加強(qiáng)對地?zé)崮艿睦谩?/p>

（3）太陽房的輔助采暖方式是火墻或戶用暖氣系統(tǒng)。

圖6 方案二住宅一層平面示意圖Fig.6 Program B Residential a layer schematic diagram

圖7 方案二住宅地下室平面示意圖Fig.7 Program A Residential basement schematic diagram

圖8 方案二住宅立面示意圖Fig.8 Program B Residential faade schematic diagram

圖9 方案二住宅剖面示意圖Fig.9 Program B Residential section schematic diagram

3 兩種方案的經(jīng)濟(jì)性評價

新疆農(nóng)村交通很不方便，常規(guī)能源的運(yùn)輸費(fèi)用很高，從經(jīng)濟(jì)效益評價來看，雖然增設(shè)房屋地下室和太陽能集熱墻的初期費(fèi)用較標(biāo)準(zhǔn)住房高出25%左右，但在以后幾十年的使用期中住宅的運(yùn)行費(fèi)用要比標(biāo)準(zhǔn)住宅低很多，長期使用所節(jié)約的冬季采暖燃料費(fèi)和夏季降溫費(fèi)對農(nóng)民來說將是一筆可觀數(shù)目。計(jì)算結(jié)果表明：（1）2種被動式設(shè)計(jì)方案節(jié)能率均可達(dá)到60%以上，明顯降低了農(nóng)民采暖成本，所以，被動式技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村住宅是完全可行而且經(jīng)濟(jì)的；（2）被動式太陽房對于提高農(nóng)宅的能源利用效率，降低煤耗、減少廢氣排放所帶來的環(huán)境效益，有著更積極的作用[11]。

3.1 節(jié)能計(jì)算

方案一、二擬建設(shè)地點(diǎn)均在石河子市，采用的對比房均是布局相同無地下儲能空間和外保溫措施且集熱方式僅為直接受益窗的單層住宅；根據(jù)農(nóng)戶生活習(xí)慣基礎(chǔ)室溫采用14℃，根據(jù)石河子地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，被動式太陽房（表中稱太陽房）的節(jié)能指標(biāo)參照《被動式太陽房熱工設(shè)計(jì)手冊》[12]計(jì)算，有關(guān)被動式太陽房節(jié)能性評價指標(biāo)主要是：月太陽能供暖率SHF和月輔助熱量Q。

3.1.1 方案一節(jié)能計(jì)算

方案一被動式太陽房集熱方式分別為集熱墻81%和直接受益窗19%；采暖期按照當(dāng)年10月到次年4月算一個周期，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 方案一被動式太陽房采暖節(jié)能指標(biāo)Tab.2 Program A passive solar house heating and energy saving indicators

表1顯示：

（1）對比房采暖期需要輔助熱量為161698.79 MJ，太陽房采暖期輔助熱量54617.90 MJ，被動式太陽房太陽能貢獻(xiàn)率為66.2%。

（2）被動式太陽房相對于對比房的冬季采暖節(jié)約用煤折合標(biāo)準(zhǔn)煤為3658.71 kg，當(dāng)?shù)孛簝r加運(yùn)輸成本分?jǐn)倖蝺r是500元/t，被動式太陽房年節(jié)能收益為3.65871 t×500元/t=1829.36元。

3.1.2 方案二節(jié)能計(jì)算

方案二被動式太陽房集熱方式分別為陽光間67%、集熱墻25%和直接受益窗8%；采暖期按照當(dāng)年10月到次年4月算一個周期，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 方案二被動式太陽房采暖節(jié)能指標(biāo)Tab.3 Program B passive solar house heating and energy saving indicators

由表2可知：（1）對比房采暖期需要輔助熱量為117754.07 MJ，太陽房采暖期輔助熱量44645.18 MJ，被動式太陽房太陽能貢獻(xiàn)率62.1%，所以，被動式太陽房相對于對比房的冬季采暖節(jié)約用煤折合標(biāo)準(zhǔn)煤為2497.74 kg，被動式太陽房節(jié)能率是62.1%，當(dāng)?shù)孛簝r加運(yùn)輸成本分?jǐn)倖蝺r是500元/t，被動式太陽房年節(jié)能收益為2.49774 t×500元/t=1148.87元[13]。

3.2 兩種方案的比較分析

1）方案一主要是受兵團(tuán)軍墾第一代居住的地窩子的啟發(fā)，在此構(gòu)思的基礎(chǔ)上使其平面功能更加完善，立面融合了當(dāng)?shù)孛褡逦幕脑?。方案一的一層建筑面積為108 m2，適合農(nóng)戶家庭人口為4-6人，并設(shè)有等面積、高2.2 m的地下室，其布局與地上一層相同?？沙浞掷玫叵峦寥佬顭崃看蟆囟炔▌有〉奶攸c(diǎn)，降低建筑采暖通風(fēng)能耗。該太陽房室內(nèi)有合理的溫度分區(qū)，南側(cè)外墻為直接受益窗加對流環(huán)路式。本方案可獨(dú)戶建造也可兩戶聯(lián)立，入戶門斗分設(shè)東西兩側(cè)，朝南開門。

2）方案二考慮到新疆冬季漫長，農(nóng)村居民通常在院子里挖菜窖來貯藏冬菜和水果，進(jìn)出菜窖很不方便。方案二的一層建筑面積為87.82 m2，適合農(nóng)戶家庭人口為3-4人，且把菜窖與房屋結(jié)合到一起，設(shè)地下室，既可以做儲藏室，又是蓄能室，地下室與上層南向房間設(shè)有兩排通氣道，通氣道口徑15 cm，冬季地下室通過通氣道為上層房間輸送帶有濕度的暖風(fēng)，夏季為上部房間輸送帶有濕度的涼風(fēng)，節(jié)能又舒適。廚房開門直通后院，方便燃料的搬放，對其它房間不會造成污染等影響。

3）方案一和方案二各有特點(diǎn)，從而也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）方案所選擇被動式太陽房的組合形式有所不同。方案一是直接受益式+對流環(huán)路式被動式太陽房，方案二是附加陽光間+對流環(huán)路式被動式太陽房；

（2）方案中地下室樓梯入口方位有所不同。方案一是樓梯入口門斗處，占用的屬于室內(nèi)空間，方案二樓梯入口在附加陽光間內(nèi)，占用的屬于室外空間；

（3）方案中所設(shè)置的地下儲能室規(guī)模不同。方案一地下儲能室是與地上房屋有相同面積，方案二是部分設(shè)置地下儲能室，只與上層房屋中間部位面積相同，由于設(shè)置地下儲能室越大隨之增投資會越高；

（4）由于上述不同從而使方案一和方案二節(jié)能率不同，方案一比方案二節(jié)能率高出4.1%。

（5）就初投資而言方案一適合投資較少而且人口少的農(nóng)戶家庭，方案二適合初投資較多而且人口多的農(nóng)戶家庭。要求冬季節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤多的農(nóng)戶建議選擇方案一，要求室內(nèi)實(shí)際利用面積多的農(nóng)戶建議選擇方案二，要求更多儲藏空間且夏季降溫效果好的農(nóng)戶建議選擇方案一。

4 結(jié)語

當(dāng)今，建筑節(jié)能強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)中盡可能使用被動式技術(shù)，本文介紹的2種節(jié)能農(nóng)宅方案是本著最大化的使用被動式建筑技術(shù)的原則，這2種節(jié)能農(nóng)宅與原有普通農(nóng)宅相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）2種方案均設(shè)計(jì)了地下儲能空間，并可作為儲藏室使用，切實(shí)考慮到了嚴(yán)寒地區(qū)居民生活的舒適性和經(jīng)濟(jì)性。

（2）2種方案突出了被動式太陽房與地下室聯(lián)動的空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分利用了太陽能與地?zé)崮苜Y源。

（3）2種方案被動式太陽房節(jié)能率均達(dá)到60%以上，很適合在新疆農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行建設(shè)，為當(dāng)?shù)毓?jié)能農(nóng)宅設(shè)計(jì)方案提供參考。

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