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摘要:介紹了在北方農村地區(qū)被動式低能耗建筑的設計思路,就被動式技術和主動式技術的主要技術措施進行了詳細的論述,指出北方農村只有實現合理的優(yōu)化設計和經濟性綜合評價分析,才能讓低能耗建筑在北方農村地區(qū)得以推廣。
關鍵詞:北方地區(qū),農村,被動式低能耗建筑
1概述
我國是以煤為主要能源的國家。2017年我國一次能源消耗量為44.9億t標準煤,其中煤的比例占60.4%[1]。我國建筑運行能耗一直維持在社會總能耗的20%~25%[2,3],但是建筑能源不能無限制的增長下去,應該有總量控制策略。建筑節(jié)能相關的研究數據表明,建筑能耗應維持在社會總能耗的25%左右,以能源消耗量計算,大約在10億t標準煤[4]。北方城鎮(zhèn)建筑采暖和農村生活用煤約為1.6億t標煤/年,為建筑能源消耗的最大組成部分[4,5]。根據2010年的統(tǒng)計數據,農村建筑商品能耗為1.77億t標煤/年,占建筑總能耗的26.1%,生物質能(秸稈、薪柴)的消耗約折合1.39億t標煤/年[4]。農村地區(qū)用于生活用能的商品能耗逐漸上升,已經成為我國建筑能耗中的重要部分。在農村生活用能改革的過程中,多數技術措施聚焦在能源種類的選擇和能源設備的改造上,其實,降低建筑能源需求應該是首要的技術選擇。在最大限度的降低用能負荷的前提下,再通過高效的能源系統(tǒng)和清潔能源供應,就能實現農村建筑最大程度節(jié)能降耗。因此,被動式的低能耗建筑應該是農村建筑的發(fā)展方向。被動式低能耗建筑首先通過利用被動式節(jié)能技術將建筑能耗需求降低至最低程度,然后通過可再生能源供應建筑的機械采暖和制冷。低能耗建筑不僅僅在于降低建筑使用能耗,室內環(huán)境的舒適性也是重要的一方面。在農村地區(qū),經濟發(fā)展水平普遍低于城鎮(zhèn),減少對于主動式的機械采暖和制冷系統(tǒng)的依賴,依靠廉價的被動式技術,更適合農村地區(qū)的建筑節(jié)能現狀。目前,農村建筑室內環(huán)境的舒適性差,冬季采暖季的室內溫度達不到要求,由燃煤帶來的室內空氣污染嚴重,采用被動式低能耗建筑,不僅可以降低能耗,還可以提高室內的舒適度,所以,被動式低能耗建筑是農村地區(qū)建筑的發(fā)展趨勢。
被動式低能耗建筑的設計首先要從被動式技術入手。在北方的農村地區(qū),被動式技術主要包括建筑朝向的合理布置、圍護結構保溫隔熱技術、自然通風設計以及太陽能房屋等技術。設計農村地區(qū)的建筑時,考慮技術的可行性時,要充分考慮當地居民的經濟條件,即是否能夠接受技術的利用成本。在農村地區(qū),技術的經濟性應該是首要考慮的問題,因為,建筑建造過程中,農村居民首先會考慮房屋的建造成本,一般情況下,由于缺乏建筑節(jié)能的理念和知識,建筑業(yè)主不會為了減少建筑運行時的能耗需求而增加更多的建造投資,而在建筑運行過程中,若建筑能耗過高造成能源消費超過了承受范圍時,建筑業(yè)主寧愿犧牲建筑舒適性。在這種情況下,被動式技術一定要因地制宜,同時,還需要考慮被動式技術與主動式技術的優(yōu)化。
3被動式技術
“被動式”節(jié)能技術主要可以分為兩種方式,一是降低建筑本體的能量需求,即通過合理的建筑布局和建筑本體的優(yōu)化設計,降低建筑的采暖和制冷負荷,包括合理的朝向設計、有利于建筑通風的布局和合理的窗墻比等技術;另一種是降低建筑運行時的用能,包括圍護結構保溫隔熱、遮陽、被動式太陽房的設計、自然通風設計等。與城鎮(zhèn)建筑不同,農村地區(qū)的建筑大多數屬于獨棟獨院的自建房,在建筑的被動式設計中,建筑師有更多的發(fā)揮空間,被動式技術的應用有更多的創(chuàng)造性。
3.1建筑合理布局
目前,我國把建設社會主義新農村作為一項戰(zhàn)略任務,很多地區(qū)的農村建筑設計都開始統(tǒng)一規(guī)劃,統(tǒng)一建設,此舉為建筑的被動式設計提供了很好的條件。建筑合理布局應在建筑設計的初期就當地的基礎條件提出設計方案,在技術上應考慮建筑的朝向和建筑的間距,建筑的布局還應為主動式技術提供條件。
3.2被動式太陽能采暖
被動式太陽能采暖在設計時要考慮的關鍵一步是蓄熱在晝夜循環(huán)時可用于調整太陽得熱過剩或不足,同時,應充分考慮當地的太陽能資源,在太陽能資源比較豐富的地區(qū),這種技術的經濟性比較好。被動式太陽能房是比較廉價的太陽能利用技術,適合在太陽能資源豐富的北方農村地區(qū)推廣。被動式太陽房利用太陽的輻射能,建筑本身就是太陽能的集熱器,不需要循環(huán)動力設備,完全依靠建筑結構造成的吸熱、隔熱、保溫、通風等特性,來達到冬暖夏涼的目的。
3.3自然通風
在過渡季或夏季的夜晚,室內需要降溫,而室外空氣溫度比室內溫度低,這時可以充分利用自然通風技術。通過合理的布局與形體設計,利用農村地區(qū)建筑的傳統(tǒng)開窗、開門和天窗等優(yōu)勢,形成室內空氣的自然流動。自然通風技術需要在建筑設計階段利用建筑布局、建筑通風開口、太陽輻射、氣候條件等來誘導自然通風。自然通風技術成本低,不需要額外的設備和動力,特別適合在農村地區(qū)應用。
3.4圍護結構保溫隔熱
圍護結構保溫隔熱技術是被動式技術中最重要的技術類型,建筑圍護結構良好的保溫隔熱,可以大幅度減少建筑的能源需求,節(jié)能效果明顯。但是,圍護結構的保溫隔熱技術成本較其他技術手段要高。目前,北方農村地區(qū)的建筑很多都沒有保溫措施,或者即使有保溫層,其保溫效果也很難達到要求。城鎮(zhèn)建筑中的圍護結構保溫技術體系已經很完善,但是,由于經濟性的原因,直接把城鎮(zhèn)建筑中的保溫技術應用到農村建筑中并不合適。農村地區(qū)應當結合當地的實際情況,開發(fā)適合本地區(qū)的保溫產品和技術。
4主動式技術
主動式節(jié)能技術則指在主動式技術中以優(yōu)化的設備系統(tǒng)設計、高效的設備選用實現節(jié)能的技術。北方農村地區(qū)的用能主要是冬季采暖,超低能耗建筑供暖供冷應盡量減少使用一次能源,優(yōu)先利用可再生能源。北方農村地區(qū)可替代燃煤的可再生能源主要有太陽能和生物質燃料,而空氣源熱泵可作為主要的供暖設備。
4.1太陽能采暖
太陽能采暖系統(tǒng)是指將太陽能轉化成熱能,供給建筑物冬季采暖的系統(tǒng),系統(tǒng)主要包括集熱器、貯熱器、供熱采暖末端設備、輔助加熱裝置和自動控制系統(tǒng)等。由于太陽能熱水采暖系統(tǒng)比太陽能生活熱水系統(tǒng)投資較大,目前的推廣主要依靠政府資金補貼。
4.2生物質燃料
生物質能源利用是替代燃煤一項重要的選擇。目前,大型生物質鍋爐的能效已提高到80%,而在農村地區(qū)的小型爐具的能效也只有20%~30%左右,提高小型爐具的能效是研究的一項重要方向。
4.3空氣源熱泵
空氣源熱泵可以實現供暖和制冷設備合一,冬季可以采暖,夏季可以供冷,而且不需要設置專門的設備機房,節(jié)省了建筑空間??諝庠礋岜玫男阅軙S室外氣候變化而變化,冬季室外溫度較低,空氣源熱泵的性能系數會降低,因此,空氣源熱泵可以與太陽能和生物質能結合起來應用。
5結語
我國農村地區(qū)用于生活用能的商品能耗逐漸上升,特別是北方地區(qū)農村采暖能耗已經成為我國建筑能耗中的重要部分,而北方農村地區(qū)的散煤治理是處理北方霧霾問題的關鍵。建設被動式低能耗建筑是北方農村地區(qū)建筑節(jié)能降耗的發(fā)展方向,可以為北方地區(qū)的霧霾治理起到重要作用。北方農村地區(qū)的被動式低能耗建筑設計時,應首先考慮當地居民的經濟條件,其次應考慮技術的可行性和適用性。北方農村低能耗建筑的被動式技術主要有圍護結構保溫隔熱技術、被動式太陽能采暖、自然通風和建筑優(yōu)化布局等技術措施,主動式技術主要有太陽能主動式采暖、生物質能和空氣源熱泵等技術。北方農村只有實現合理的優(yōu)化設計和經濟性綜合評價分析,才能讓低能耗建筑在北方農村地區(qū)得以推廣。
參考文獻:
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[5]清華大學建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告[R].2012
作者:黃麗麗 高峻 邵敏 王遜 單位: 北京市燃氣集團有限責任公司 北京優(yōu)奈特燃氣工程技術有限公司