被动式技术在严寒地区农村住宅中的应用研究*

The Application of Passive Technology on Rural Houses in Severe Cold Regions

金 虹 邵 腾 金雨蒙 康 健

JIN Hong, SHAO Teng, JIN Yumeng, KANG Jian



被动式技术在严寒地区农村住宅中的应用研究*

The Application of Passive Technology on Rural Houses in Severe Cold Regions

金 虹 邵 腾 金雨蒙 康 健

JIN Hong, SHAO Teng, JIN Yumeng, KANG Jian

摘 要随着农民对居住环境日益提高的要求及农村能源的缺乏，农村住宅的节能设计已成为新农村建设中的一项重要内容。在城乡发展不均衡、农村经济技术相对落后的背景下，被动式技术以其低成本、低技术的特征易于被农民所接受。本文结合课题组在严寒地区农村住宅设计方面的工程实践，分析了被动式节能技术、被动式太阳能利用技术、被动式通风技术在农村住宅中的应用及实施效果，旨在为严寒地区农村住宅的被动式节能设计提供指导，从而推动严寒地区新农村建设的可持续发展。关键词 严寒地区，被动式技术，农村住宅，建筑节能

金虹, 邵腾, 金雨蒙, 等. 被动式技术在严寒地区农村住宅中的应用研究[J]. 西部人居环境学刊, 2016, 31(01): 115-118.

* 国家自然科学基金资助项目（51378136）

Abstract:With villagers’ increasing demand for living environment and the lacking of energy in rural area, the energy-saving design for rural houses has become an important part of new rural construction. Under the background of imbalanced urban-rural development and rural economy-technology backward, the passive technologies are easily accepted by villagers with the characteristic of low cost and low technology. This paper, based on the engineering practice of rural house design in severe cold regions, analyzes the application and implementation effect of passive energy-saving technology, passive solar energy utilization technology and passive ventilation technology on the rural houses. It aims to provide guidances for the rural house’s passive energy-saving design, and thus promote the sustainable development of new rural construction in severe cold regions.

Keywords:Severe Cold Regions; Passive Technology; Rural Houses; Building Energy-Saving

0 引 言

随着经济的迅速发展和人民生活水平的提高，农民对人居环境的改善不断有新要求，随之而来的是农宅能耗的大幅度增长，农村建筑节能已成为我国建筑节能系统工程中不容忽视的重要一环[1]。我国农村地广人多，2010年农村住宅面积约230亿m2，占全国总建筑面积的50%，农村住宅的商品能耗为1.77亿tce，占建筑总能耗的26.1%，秸秆、薪柴等生物质能的消耗约折合1.39亿tce[2]。针对当前我国农村住宅的节能现状，工信部、住房和城乡建设部联合下发的《关于开展绿色农房建设的通知》[3]中，明确要求加快推进“安全实用、节能减废、经济美观、健康舒适”的绿色农房建设。严寒地区冬季寒冷漫长，采暖期长达半年之久，且由于农村住宅多为单层独立式，体形系数大且多数未采取有效的保温措施，导致冬季采暖能耗大，能源及生态环境问题更为突出。

被动式技术是指不采用机械设备，仅通过建筑自身的合理设计，如建筑朝向、空间布局、围护结构构造、太阳能的合理利用以及自然通风等，来达到改善室内环境、节省建筑能耗的目的。国内外关于被动式技术在建筑中的应用与研究均是针对特定的地域环境、气候特征及文化背景等[4-10]，不能单纯的对已有成果进行复制，应根据严寒地区农村的特点进行有针对性的研究。严寒地区农村住宅的建设方式多为自筹自建，经济性是制约节能技术推广的重要因素。因此，与农村经济技术相适应的低成本被动式技术将成为实现农村住宅节能的主要途径。

1 被动式节能技术

围护结构性能在建筑节能中起到重要作用，因此被动式节能技术的重点应是提升围护结构的热工性能。对于严寒地区农村住宅来说，首先应采用复合型保温构造，降低围护结构的传热系数，提高保温性能。以燃柴为主、火炕为采暖方式的间歇式供暖农村住宅，应将蓄热系数小的轻质高效保温材料放置在靠近室内一侧，将重质材料的结构层布置在靠近室外一侧[11]。对于墙体，由于农民经常在内墙面上钉挂一些饰物及农具等，考虑到墙体的耐久性与适用性，可在保温层内侧增设保护墙，形成夹心保温墙体构造[12]（表1）；对于屋顶，宜采用吊顶层上铺设保温材料的构造形式，当采用非憎水性保温材料时，应在保温层下设置隔汽层。夹心保温墙体宜选择板状保温材料，如EPS板、稻草板等，其中，EPS板为憎水性材料，保温效果好，但造价较高；草板价格低廉、制作简单，但应注意草板的防火、防潮等问题。屋顶保温材料的选择范围较广，各种形式的材料均可。夹心保温墙体及屋顶构造图如表1所示。

表1　外墙夹心保温墙体及屋顶构造示意图Tab.1 the structure of sandwiched insulation wall and roof

基于以上构造形式，我们在严寒地区农村住宅建设中进行了一系列的工程实践。在内蒙古扎兰屯福泉村、卧牛河村和岭航新村的节能住宅中均采用了100mm厚EPS板夹心保温墙体构造，屋顶采用吊顶层上部铺设150mm挤塑板，板材交接处采用聚氨酯发泡填充连接（图1）；在黑龙江省大庆市林甸县胜利村的实验农宅中应用了草板夹心保温墙体构造，屋顶采用草板与稻壳复合保温的形式（图2）。测试结果表明：新型住宅的节能率达到65%以上，围护结构的传热系数大大降低，卧室温度明显优于传统民居，且室内温度波动小，满足严寒地区农村居民的热舒适需求[13]；外墙和屋顶内表面温度始终高于测试房间内的空气露点温度，冬季未出现内表面结露的现象；采用EPS板时，其增额投资成本可以在6年内收回，采用稻草板的住宅比传统住宅减少了一次性投资成本。

图1　EPS板保温节能住宅施工Fig.1 the construction of EPS board energy saving house

图2　草板保温节能住宅施工Fig.2 the construction of straw brick energy saving house

2 被动式太阳能利用技术

太阳能是一种取之不尽、用之不竭、无污染且价廉的能源，在建筑中充分利用太阳能不仅可以改善冬季住宅室内热环境质量，而且能节约常规能源，保护生态环境。与城市相比，农村地区的建筑在环境、建筑布局等方面均有利用太阳能的优势。因此，在广大农村中大力发展被动式太阳能利用技术，符合农村住宅特点和农村经济技术水平。

我们在黑龙江省大庆市林甸县胜利村的实验农宅中成功运用了两种被动式太阳能技术。如图3所示，该农宅采用了直接受益式的被动式太阳能利用方式，使室内空间在白天能够吸收大量的太阳辐射，但直接受益式易造成夜间室内热量通过大玻璃窗向外散失，为了解决这一问题，在起居室增设一道玻璃隔断或保温窗帘，有效地减少了夜间室内热量的散失[14]。在不增加投资成本的前提下，该住宅的景观与室内舒适性与传统民居相比均有明显的提高，深受当地农民的欢迎。

图3　直接受益式太阳能利用的农宅Fig.3 the rural house with direct benefit of solar energy utilization

图4所示的农宅采用了集热蓄热墙与阳光间相结合的被动式太阳能利用方式，将建筑南侧卧室的墙体设计成为集热蓄热墙，入口处内凹形成阳光间。玻璃幕墙内壁与重质墙集热面之间的空气夹层间距为100mm，重质墙集热面刷黑色涂料，以增加对太阳能辐射的吸收率。在具体实施工程中，为了减少墙面的开洞面积、降低施工难度、增加墙体总热阻，对传统的集热墙构造进行了改进（图5）。测试结果表明：采用集热蓄热墙的农宅，在其他条件相同的情况下，其室内温度比普通节能住宅明显提高，同时农宅夜间的热环境也得到了改善，这对延缓室内温度的波动起到了一定的作用。

图4　利用太阳能集热墙的农宅Fig.4 the rural house with solar-collected wall

图5　被动式太阳能集热墙通气口Fig.5 the vent of passive solar-collected wall

3 被动式通风技术

农村炊事、采暖造成的室内空气污染，已成为危害严寒地区农村居民健康的主要因素之一。北方农村住宅采用传统柴灶、火炕等灶具进行炊事和采暖，燃料多采用易产生烟气的稻草、秸秆等，“炉灶倒烟”现象时常发生。同时，为防止冷风渗透，农村住宅冬季门窗封闭，室内难以及时补充新鲜空气，导致住宅室内空气质量较差，严重影响住户的身体健康。为了解决这一问题，我们研发了在保证建筑气密性前提下的被动式通风技术，既改善了北方农村住宅的冬季室内空气质量，又避免了因通风换气而带来的冷风渗透，该技术在大庆市林甸县胜利村中法合作项目中得到了成功应用。

被动式通风系统主要分为两个部分：一是厨房炉灶排烟通风系统，二是满足生理需求的卧室通风系统。炉灶燃烧时需要补充大量的新鲜空气，否则容易导致燃料燃烧不完全，而产生大量的有害气体。为解决这一问题，同时尽可能减少住宅的热量损失，我们设计了地下风道为炉灶补充新风，一方面有助于燃料的完全燃烧，另一方面可以调节风压大小，增加炉灶所在空间的空气压力，迫使正向气流的产生。此设施（图6）不需要任何机械动力，既解决了倒烟问题、改善了室内的空气质量，而且由于管道在通过地下的过程中，有一个预热的过程，又避免了冷风对室内的直接侵袭。

图6　用于燃烧的厨房通风系统Fig.6 the kitchen ventilation system for combustion

为了提高送入卧室的空气温度，保证居住环境的舒适度，卧室通风系统的新风进气管首先穿过火炕，使室外冷空气经过预热后再输入室内（图7）。此外，由于门斗是室内外的过渡空间，在冬季，它具有温度高于室外且新鲜空气充足的特点，为了避免过冷的空气进入室内，也可将取气口设置在门斗处[15]。室外排风管道应采取一定的保温措施，避免其内部结露甚至结冰。被动式通风技术结合农村住宅的使用特点，有效地提高了燃料的燃烧效率，减少了炊事活动产生的有害气体，同时也保证了冬季门窗紧闭状态下的室内通风换气。

图7　满足生理需求的卧室通风系统Fig.7 the bedroom ventilation system for satisfying physiological needs

4 结 论

被动式技术可操作性强、易于掌握和实现，能够简单、经济和有效地解决农村住宅的节能和舒适性问题，且具有适应地域性气候环境、施工技术水平和经济条件的特征，适合在我国严寒地区农村或不发达地区进行使用和推广。通过对被动式节能技术、被动式太阳能利用技术和被动式通风技术在农村住宅节能设计工程实践中的应用，验证了技术的有效性和可行性，为严寒地区农村住宅的被动式节能设计提供了指导。

参考文献：

[1] 文月. 绿色农房引领农宅节能[N]. 中国建设报, 2014-01-16(06).

[2] 清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部、工业和信息化部. 关于开展绿色农房建设的通知[Z]. 建村[2013]190号, 2013.

[4] DI P, ZHANG Q Y. Analysis of the rural house energy-saving technology in Gansu [J]. Applied Mechanics and Materials, 2013(409-410): 589-592.

[5] Zaki Wan Rahmah Mohd, Nawawi Abdul Hadi, Ahmad Sabarinah Sh. Case study in passive architecture: Energy savings benefit in a detached house in Malaysia[C]// Sun, Wind and Architecture—The Proceedings of the 24th International Conference on Passive and Low Energy Architecture, 2007: 344-351.

[6] CARDINALE N, MICUCCI M, RUGGIERO F. Analysis of energy saving using natural ventilation in a traditional Italian building[J]. Energy and Buildings, 2003, 35(02): 153-159.

[7] 李雪光. 伟大节能房：被动式技术在夏热冬冷地区的应用[J]. 建设科技, 2015(15): 78-79.

[8] 蒋纹. 美国乡村住宅的绿色实践——以新诺里斯的示范住宅为例[J]. 新建筑, 2015(01): 92-95.

[9] 胡静. 浅谈皖南传统民居的被动式节能技术——以江西省婺源县大理坑村为例[J].浙江建筑, 2014, 31(04): 49-52.

[10] 周铁军, 刘恒军. 低技术节能策略在四川新农村住宅中的应用探讨——以广汉市西外乡楠林村号聚居点住宅设计为例[J].西部人居环境学刊, 2014, 29(03): 32-37.

[11] 金虹，赵华. 关于寒地村镇节能住宅设计的思考[J]. 哈尔滨建筑大学学报. 2001(03): 96-100.

[12] 黑龙江省住房和城乡建设厅. DB23/T 1537-2013黑龙江省农村居住建筑节能设计标准[S]. 哈尔滨: 2013.

[13] 金虹，赵华，王秀萍. 严寒地区村镇住宅冬季室内热舒适环境研究[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2006, 38(12): 2108-2111.

[14] 金虹, ENARD A, CELAIRE R. 北方乡村生态屋设计实践[J]. 建筑学报, 2005(09): 24-26.

[15] LING W, ZHAO T Y, JIN H, ZHAO X P. Energy-saving technology of vent in passive solar wall of rural house of severe cold region[J]. Journal of Harbin Institute of Technology. 2014(04): 30-36.

图表来源：

表1：DB23/T 1537-2013. 黑龙江省农村居住建筑节能设计标准[S]. 哈尔滨: 黑龙江省住房和城乡建设厅, 2013.

图1-2、图4：作者拍摄

图3：金虹, ENARD A, CELAIRE R. 北方乡村生态屋设计实践[J]. 建筑学报, 2005(09): 24-26.

图5：LING W, ZHAO T Y, JIN H, ZHAO X P. Energy-saving technology of vent in passive solar wall of rural house of severe cold region [J]. Journal of Harbin Institute of Technology. 2014(04): 30-36.

图6-7：作者绘制

（编辑：田洁）

收稿日期：2015-11-10

作者简介金 虹： 哈尔滨工业大学建筑学院，教授，博士生导师，国家一级注册建筑师，jinhong1963@qq.com 邵 腾：哈尔滨工业大学建筑学院，博士研究生金雨蒙：哈尔滨工业大学建筑学院，硕士研究生康 健： 英国谢菲尔德大学建筑学院；哈尔滨工业大学建筑学院，教授，博士生导师

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160120

文 章 编 号2095-6304(2016)01-0115-04

文献标识码B

中图分类号TU241.4