李 偉，陶寒星（天津城建大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300384）

?

建筑與規(guī)劃

冀南農(nóng)宅適宜被動式設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究
——以邢臺地區(qū)為例

李 偉，陶寒星
（天津城建大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300384）

針對邢臺地區(qū)農(nóng)宅主要進(jìn)行了3個方面的研究：提出了適宜的傳統(tǒng)農(nóng)房平面改造形式；通過采光數(shù)值模擬，提出窗高1.8，m，窗寬1.5，m是目前最適宜于邢臺農(nóng)宅南向窗戶類型；通過能耗數(shù)值模擬，提出了一系列針對舊房改造和新建住宅適宜的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動式設(shè)計關(guān)鍵技術(shù).

冀南住宅；氣候；被動式設(shè)計；數(shù)值模擬；適宜技術(shù)

我國13億多的人口，有一半多的人生活在農(nóng)村.農(nóng)村住房多系無科學(xué)設(shè)計自發(fā)建設(shè)，對新技術(shù)和新材料的利用少，能耗大且舒適度低，在農(nóng)村地區(qū)實行低技化和低投資的被動式關(guān)鍵技術(shù)［1-2］，降低能耗，改善居住環(huán)境是很有必要的.目前我國在被動式設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)方面的研究主要集中于城市，對農(nóng)村研究較少，對河北南部這一特定地域的被動式研究就更少.本文以邢臺地區(qū)農(nóng)村住宅為研究對象，探討適宜于該地區(qū)的被動式設(shè)計關(guān)鍵技術(shù).

1 現(xiàn) 狀

1.1 邢臺地區(qū)概況

邢臺地區(qū)屬于我國建筑熱工設(shè)計分區(qū)中的寒冷地區(qū)，1月最冷，平均氣溫－1.6，℃，7月最熱，平均氣溫27.0，℃，主要應(yīng)考慮冬季保溫；四季分明，夏季盛行偏南風(fēng)，冬季盛行偏北風(fēng)；年平均降雨量為493.4，mm，集中在每年的5－10月，屬干旱和半干旱地區(qū)，水資源比較缺乏；邢臺地處太陽能資源較豐富地區(qū)，全年日照時數(shù)為2，800～3，000，h，每年太陽輻射量為5，016～5，852，MJ/m2［3］；境內(nèi)平原占70%，丘陵和山地占30%，.

1.2 邢臺地區(qū)農(nóng)村住宅現(xiàn)狀

邢臺農(nóng)村多缺乏整體規(guī)劃，住宅單門獨(dú)院，多數(shù)平屋頂，少數(shù)為正屋坡屋頂，東西廂房平頂?shù)男问?外墻為370，mm燒結(jié)黏土磚砌筑，門窗多選傳統(tǒng)木材，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺少保溫構(gòu)造.通過冬至日實地測量室內(nèi)外溫度，發(fā)現(xiàn)采暖房屋室內(nèi)平均溫度為4.6，℃，非采暖房屋室內(nèi)平均溫度為0.7，℃，室內(nèi)溫度普遍偏低，居住環(huán)境質(zhì)量不高.

人們?nèi)粘Ｓ媚芤陨唐纺茉礊橹鳎静膳媚苷既杲ㄖ芎牡囊话胍陨?；用水以自來水為主，人們?jié)水意識差；對可再生能源利用較少，使用太陽能熱水器戶數(shù)不足40%，沼氣利用情況不佳.

2 邢臺地區(qū)農(nóng)村住宅被動式關(guān)鍵技術(shù)

2.1 規(guī)劃與建筑設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 規(guī)劃設(shè)計

圖1 不同高度面寬農(nóng)村住宅分布示意圖

隨著農(nóng)村二、三層樓房的建設(shè)量增加，可將混合帶狀式建筑群布置［4］形式引入農(nóng)村整體規(guī)劃，高度較高、面寬較寬的建筑置于北側(cè)，反之則置于最南向，如圖1所示即為該布置形式示意圖，可滿足采光要求并達(dá)到冬季阻擋冷風(fēng)侵入和夏季獲得更多自然通風(fēng)的效果［5］.

2.1.2 單體建筑設(shè)計

圖2a為傳統(tǒng)平面布局形式，通過適當(dāng)增加進(jìn)深，可減小體形系數(shù)［6］.以圖2a中進(jìn)深增加1，m計算，體形系數(shù)約減小11%，.由于進(jìn)深增加，形成狹長房間造成使用不便，可將廚房、衛(wèi)生間、儲藏室等功能引入置于北側(cè)，可抵擋西北風(fēng)灌入以提高整棟建筑的居住舒適度.依據(jù)以上原則，對現(xiàn)存平面進(jìn)行修改形成圖2b中所示的改進(jìn)平面.

圖2 平面改進(jìn)

2.2 節(jié)能與可再生能源利用關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 室內(nèi)光環(huán)境設(shè)計

使用IES軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，地理位置設(shè)定為邢臺，氣象數(shù)據(jù)選擇數(shù)據(jù)庫中距離邢臺地區(qū)最近的北京市氣象數(shù)據(jù)作為全年動態(tài)模擬的氣象參數(shù)，選擇開間進(jìn)深比值最小的西側(cè)臥室為模擬對象，窗戶采用傳統(tǒng)形式：高1.8，m，寬2，m，窗臺高度0.9，m，設(shè)定工作面高度為0.85，m，驗證傳統(tǒng)平面和改進(jìn)平面能否滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，表1為兩種平面的模擬結(jié)果.

表1 傳統(tǒng)平面與改進(jìn)平面模擬數(shù)據(jù)

《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033—2013）中規(guī)定，住宅建筑的臥室、起居室側(cè)面采光的采光系數(shù)不應(yīng)低于2.0%，室內(nèi)天然光照度不低于300，lx.經(jīng)對比傳統(tǒng)平面無法滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，改進(jìn)平面與傳統(tǒng)平面相比，室內(nèi)采光系數(shù)由1.4%，提高到4.2%，，室內(nèi)天然光照度由168.69，lx提高到517.16，lx，滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).

圖3 不同高寬比室內(nèi)天然光照度分布情況

在不改變傳統(tǒng)窗面積3.6，m2、窗臺高度0.9，m的情況下，選擇不同高寬比驗證傳統(tǒng)高1.8，m，寬2，m窗戶是否為最適宜于改進(jìn)平面的窗戶類型，模擬結(jié)果見圖3和表2，通過模擬發(fā)現(xiàn)采光系數(shù)在高寬比10∶9之后不再發(fā)生變化，室內(nèi)采光均勻度隨著高寬比增加逐漸增加，高寬比10∶8之后增速降低.從滿足采光和立面美觀兩方面考慮，擇優(yōu)選擇10∶8的高寬較合適.

表2 不同高寬比模擬結(jié)果

表2中各高寬比對應(yīng)的采光系數(shù)都在4%，以上，室內(nèi)天然光照度都大于500，lx.在高寬比10∶8確定的前提下，研究3.6，m2窗面積是否還有減小空間？將窗面積按一定比例逐漸縮小，模擬結(jié)果如圖4和表3所示.當(dāng)選擇7/10面積時，室內(nèi)采光系數(shù)和天然光照度都滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)面積由7/10變?yōu)?/10時，均勻度發(fā)生突變.綜合考慮，高寬比10∶8，占原開窗7/10面積的窗戶類型是最適宜于邢臺農(nóng)村住宅的南向外窗，經(jīng)計算窗高1.78，m，寬1.42，m，選擇符合建筑模數(shù)的高1.8，m，寬1.5，m的窗戶.

表3 等比例縮小開窗模擬結(jié)果

2.2.2 室內(nèi)熱環(huán)境技術(shù)

絕大多數(shù)農(nóng)戶反映冬季室內(nèi)溫度不高，取暖能耗大，主要是住宅本身圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺少必要的被動式處理方式所致［7］，對既有農(nóng)房進(jìn)行必要的被動式改造是解決上述問題的主要方法，可在一定程度上提高人們居住舒適度，緩解能源緊缺的現(xiàn)狀.

（1）外墻

圖5是邢臺地區(qū)農(nóng)宅傳統(tǒng)外墻構(gòu)造，經(jīng)計算傳熱系數(shù)K值為1.51，W/（m2·K），超過《河北省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（DB13（J）63—2011）中規(guī)定的三層以下邢臺城鎮(zhèn)住宅外墻傳熱系數(shù)需低于0.45，W/（m2·K）的標(biāo)準(zhǔn).經(jīng)計算，將傳統(tǒng)外墻替換為相同厚度加氣混凝土墻或替換為240，mm燒結(jié)黏土磚加75，mm聚苯板外墻，都可滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的傳熱系數(shù)規(guī)定值，前者適合于采用框架結(jié)構(gòu)的新建農(nóng)房.

圖5 傳統(tǒng)外墻構(gòu)造

對采用傳統(tǒng)外墻構(gòu)造的農(nóng)宅和采用相同厚度加氣混凝土砌塊外墻的改進(jìn)農(nóng)宅進(jìn)行數(shù)值模擬得出表4，傳統(tǒng)農(nóng)宅夏季外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量為0.45，MWh，改進(jìn)農(nóng)宅為0.20，MWh，降低了55.6%，；傳統(tǒng)農(nóng)宅冬季外圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量為3.25，MWh，改進(jìn)農(nóng)宅為1.80，MWh，降低了44.6%，；傳統(tǒng)農(nóng)宅全年外圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量為3.19，MWh，改進(jìn)農(nóng)宅為1.89，MWh，降低了40.8%，.

表4 外墻類型與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量 MWh

圖6為傳統(tǒng)外墻和加氣混凝土外墻農(nóng)宅全年外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量變化.加氣混凝土農(nóng)宅6到9月份外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量波動范圍為0～0.2，MWh，傳統(tǒng)農(nóng)宅為0～0.4，MWh；加氣混凝土農(nóng)宅在11月到來年3月份外圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量波動范圍是0.4～1.2，MWh，傳統(tǒng)農(nóng)宅為0.9～1.8，MWh，說明加氣混凝土外墻無論在冬季保溫還是夏季隔熱上都具有優(yōu)越性.

圖6 不同墻體類型全年外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量

（2）屋頂

河北省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，寒冷地區(qū)三層以下住宅屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應(yīng)低于0.35，W/（m·K）.對傳統(tǒng)屋頂（見圖7）傳熱系數(shù)進(jìn)行計算［8］，結(jié)果為1.67，W/（m·K），不滿足標(biāo)準(zhǔn).對已建住房，可加設(shè)70，mm聚苯板形成外保溫屋面進(jìn)行改造，施工簡單方便；對新建農(nóng)房，可將構(gòu)造中50，mm黏土替換為75，mm聚苯板.

在現(xiàn)有平屋頂上加建坡屋頂也可有效改善屋頂保溫隔熱性能，這種做法相當(dāng)于在原屋頂上加設(shè)了一層空氣間層和圍護(hù)結(jié)構(gòu).對采用傳統(tǒng)屋頂構(gòu)造的農(nóng)宅和采用加建坡屋頂?shù)霓r(nóng)宅分別通過IES軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見表5.表5中數(shù)據(jù)顯示，夏季加建坡屋頂農(nóng)宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量為0.13，MWh，傳統(tǒng)屋頂為0.33，MWh，降低了60.6%，；冬季加建坡屋頂平均外圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量2.92，MWh，傳統(tǒng)屋頂為5.47，MWh，降低了46.6%，；全年外圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量降低約47.2%，.加設(shè)坡屋頂?shù)母脑煨问娇善鸬蕉颈?、夏季隔熱的作用，有一定的利用價值.

圖7 傳統(tǒng)屋頂構(gòu)造

表5 傳統(tǒng)屋頂與加建坡屋頂外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量對比 MWh

（3）外窗

在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及門窗選材均相同的條件下，將原始窗面積3.6，m2按比例縮小進(jìn)行數(shù)值模擬（見表6），研究農(nóng)宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量與窗面積大小的關(guān)系.夏季外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量變化不明顯可忽略，全年和冬季外圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量隨著窗戶面積減小不斷減小，說明建筑能耗在不斷下降.采用上述采光數(shù)值模擬中得出的最適宜高1.8，m，寬1.5，m時，冬季外圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量由3.55，MWh變?yōu)?.35，MWh，約降低5.63%，因此該窗戶形式不僅可以保證立面美觀，還可滿足室內(nèi)采光并降低建筑能耗.

表6 不同窗面積外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量 MWh

2.3 節(jié)水與水資源利用關(guān)鍵技術(shù)

通過走訪調(diào)研，筆者認(rèn)為在邢臺農(nóng)村地區(qū)開展雨水收集利用可采取兩種方式：一種是簡易雨水回收系統(tǒng)，將屋面雨水通過落水管直接引至儲水容器，經(jīng)過沉降用于庭院綠化灌溉或灑水［9］等.另一種通過區(qū)域劃分，居住較近的農(nóng)戶共用一套收集系統(tǒng)，通過院落溝渠和排水暗管將雨水引入集中規(guī)劃建設(shè)的公共沉降儲水池，經(jīng)沉降雨水可用于灌溉等，如圖8所示即為第二種雨水收集利用方式.

圖8 雨水收集利用方式二

3 結(jié) 論

本文提出了通過適當(dāng)增加正屋進(jìn)深的套型布局代替?zhèn)鹘y(tǒng)平面的平面改進(jìn)形式，可減小體形系數(shù)約11%，；得出高寬比10∶8，高1.8，m，寬1.5，m的窗戶是現(xiàn)階段邢臺農(nóng)宅南向窗戶最適宜類型；將傳統(tǒng)磚墻替換為同厚度加氣混凝土外墻，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)夏季得熱量和冬季失熱量分別降低55.6%，和44.6%，全年總共降低40.8%，；在傳統(tǒng)平屋面上加設(shè)坡屋頂，兩者分別降低60.6%，和46.6%，全年總共降低47.2%，可有效提高室內(nèi)居住環(huán)境質(zhì)量.

［1］ TODOROVIC M S. Renewable energy sources and energy efficiency for building's greening：from traditional village houses via high-rise residential building's BPS and RES powered co-and tri-generation towards net ZEBuildings and Cities［J］. Exploitation of Renewable Energy Sources，2011，98（9）：29-37.

［2］ MOHANTY S，SKANDHAPRASAAD A L. Green technology in construction［J］. Recent Advances in Space Technology Services and Climate Change，2010（8）：452-456.

［3］ 劉 軍，程曉輝，黃 榮. 1954—2010年邢臺市氣候特征分析［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（4）：2255-2256.

［4］ 吳云濤，陳伯超. 東北零能耗新農(nóng)村住宅建筑技術(shù)研究［J］. 新能源與綠色建筑，2011（6）：34-36.

［5］ 王肖丹. 建筑發(fā)展新趨勢：被動式建筑［J］. 科技信息，2013（21）：176.

［6］ 莊碧賢. 建筑設(shè)計中被動式節(jié)能的探討［J］. 建筑設(shè)計，2010（4）：13-14.

［7］ 夏 偉. 基于被動式設(shè)計策略的氣候分區(qū)研究［D］. 北京：清華大學(xué)，2009：48-49.

［8］ 柳孝圖. 建筑物理［M］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［9］ 張瑞娜. 基于氣候適應(yīng)的北方農(nóng)村住宅節(jié)能設(shè)計與技術(shù)方法研究［D］. 大連：大連理工大學(xué)，2012：50-52.

Research on Key Technology in Appropriate Passive Design for Rural Residential Buildings of Southern Hebei: a Case Study of Xingtai

LI Wei，TAO Hanxing
（School of Architecture，TCU，Tianjin 300384，China）

In view of the problems found in Xingtai area， this paper conducts a research in three aspects. It puts forward the appropriate plane transformation form for traditional rural buildings.It proposes that the most suitable southward window type in this area is 1 800 mm in height and 1 500 mm in width through a numerical simulation of lighting.In view of the reconstructed old buildings and new buildings， it puts forwards a series of key technologies for the appropriate passive design of external envelope structure through a numerical simulation of energy consumption.

residential buildings of Southern Hebei；climate；passive design；numerical simulation；appropriate technology

TU241.4

A

2095-719X（2016）02-0081-05

2015-04-07；

2015-05-20

天津市科技支撐計劃重點(diǎn)項目（15ZCZDSF00080）

李 偉（1975—），男，遼寧丹東人，天津城建大學(xué)教授，博士.