李 伟，陶寒星（天津城建大学 建筑学院，天津 300384）



建筑与规划

冀南农宅适宜被动式设计关键技术研究
——以邢台地区为例

李 伟，陶寒星
（天津城建大学 建筑学院，天津 300384）

针对邢台地区农宅主要进行了3个方面的研究：提出了适宜的传统农房平面改造形式；通过采光数值模拟，提出窗高1.8，m，窗宽1.5，m是目前最适宜于邢台农宅南向窗户类型；通过能耗数值模拟，提出了一系列针对旧房改造和新建住宅适宜的外围护结构被动式设计关键技术.

冀南住宅；气候；被动式设计；数值模拟；适宜技术

我国13亿多的人口，有一半多的人生活在农村.农村住房多系无科学设计自发建设，对新技术和新材料的利用少，能耗大且舒适度低，在农村地区实行低技化和低投资的被动式关键技术［1-2］，降低能耗，改善居住环境是很有必要的.目前我国在被动式设计关键技术方面的研究主要集中于城市，对农村研究较少，对河北南部这一特定地域的被动式研究就更少.本文以邢台地区农村住宅为研究对象，探讨适宜于该地区的被动式设计关键技术.

1 现 状

1.1 邢台地区概况

邢台地区属于我国建筑热工设计分区中的寒冷地区，1月最冷，平均气温－1.6，℃，7月最热，平均气温27.0，℃，主要应考虑冬季保温；四季分明，夏季盛行偏南风，冬季盛行偏北风；年平均降雨量为493.4，mm，集中在每年的5－10月，属干旱和半干旱地区，水资源比较缺乏；邢台地处太阳能资源较丰富地区，全年日照时数为2，800～3，000，h，每年太阳辐射量为5，016～5，852，MJ/m2［3］；境内平原占70%，丘陵和山地占30%，.

1.2 邢台地区农村住宅现状

邢台农村多缺乏整体规划，住宅单门独院，多数平屋顶，少数为正屋坡屋顶，东西厢房平顶的形式.外墙为370，mm烧结黏土砖砌筑，门窗多选传统木材，外围护结构缺少保温构造.通过冬至日实地测量室内外温度，发现采暖房屋室内平均温度为4.6，℃，非采暖房屋室内平均温度为0.7，℃，室内温度普遍偏低，居住环境质量不高.

人们日常用能以商品能源为主，冬季采暖用能占全年建筑能耗的一半以上；用水以自来水为主，人们节水意识差；对可再生能源利用较少，使用太阳能热水器户数不足40%，沼气利用情况不佳.

2 邢台地区农村住宅被动式关键技术

2.1 规划与建筑设计关键技术

2.1.1 规划设计

图1 不同高度面宽农村住宅分布示意图

随着农村二、三层楼房的建设量增加，可将混合带状式建筑群布置［4］形式引入农村整体规划，高度较高、面宽较宽的建筑置于北侧，反之则置于最南向，如图1所示即为该布置形式示意图，可满足采光要求并达到冬季阻挡冷风侵入和夏季获得更多自然通风的效果［5］.

2.1.2 单体建筑设计

图2a为传统平面布局形式，通过适当增加进深，可减小体形系数［6］.以图2a中进深增加1，m计算，体形系数约减小11%，.由于进深增加，形成狭长房间造成使用不便，可将厨房、卫生间、储藏室等功能引入置于北侧，可抵挡西北风灌入以提高整栋建筑的居住舒适度.依据以上原则，对现存平面进行修改形成图2b中所示的改进平面.

图2 平面改进

2.2 节能与可再生能源利用关键技术

2.2.1 室内光环境设计

使用IES软件进行数值模拟，地理位置设定为邢台，气象数据选择数据库中距离邢台地区最近的北京市气象数据作为全年动态模拟的气象参数，选择开间进深比值最小的西侧卧室为模拟对象，窗户采用传统形式：高1.8，m，宽2，m，窗台高度0.9，m，设定工作面高度为0.85，m，验证传统平面和改进平面能否满足设计标准，表1为两种平面的模拟结果.

表1 传统平面与改进平面模拟数据

《建筑采光设计标准》（GB50033—2013）中规定，住宅建筑的卧室、起居室侧面采光的采光系数不应低于2.0%，室内天然光照度不低于300，lx.经对比传统平面无法满足设计标准的规定，改进平面与传统平面相比，室内采光系数由1.4%，提高到4.2%，，室内天然光照度由168.69，lx提高到517.16，lx，满足设计标准.

图3 不同高宽比室内天然光照度分布情况

在不改变传统窗面积3.6，m2、窗台高度0.9，m的情况下，选择不同高宽比验证传统高1.8，m，宽2，m窗户是否为最适宜于改进平面的窗户类型，模拟结果见图3和表2，通过模拟发现采光系数在高宽比10∶9之后不再发生变化，室内采光均匀度随着高宽比增加逐渐增加，高宽比10∶8之后增速降低.从满足采光和立面美观两方面考虑，择优选择10∶8的高宽较合适.

表2 不同高宽比模拟结果

表2中各高宽比对应的采光系数都在4%，以上，室内天然光照度都大于500，lx.在高宽比10∶8确定的前提下，研究3.6，m2窗面积是否还有减小空间？将窗面积按一定比例逐渐缩小，模拟结果如图4和表3所示.当选择7/10面积时，室内采光系数和天然光照度都满足设计标准，当面积由7/10变为6/10时，均匀度发生突变.综合考虑，高宽比10∶8，占原开窗7/10面积的窗户类型是最适宜于邢台农村住宅的南向外窗，经计算窗高1.78，m，宽1.42，m，选择符合建筑模数的高1.8，m，宽1.5，m的窗户.

表3 等比例缩小开窗模拟结果

2.2.2 室内热环境技术

绝大多数农户反映冬季室内温度不高，取暖能耗大，主要是住宅本身围护结构缺少必要的被动式处理方式所致［7］，对既有农房进行必要的被动式改造是解决上述问题的主要方法，可在一定程度上提高人们居住舒适度，缓解能源紧缺的现状.

（1）外墙

图5是邢台地区农宅传统外墙构造，经计算传热系数K值为1.51，W/（m2·K），超过《河北省居住建筑节能设计标准》（DB13（J）63—2011）中规定的三层以下邢台城镇住宅外墙传热系数需低于0.45，W/（m2·K）的标准.经计算，将传统外墙替换为相同厚度加气混凝土墙或替换为240，mm烧结黏土砖加75，mm聚苯板外墙，都可满足设计标准中的传热系数规定值，前者适合于采用框架结构的新建农房.

图5 传统外墙构造

对采用传统外墙构造的农宅和采用相同厚度加气混凝土砌块外墙的改进农宅进行数值模拟得出表4，传统农宅夏季外围护结构得热量为0.45，MWh，改进农宅为0.20，MWh，降低了55.6%，；传统农宅冬季外围护结构失热量为3.25，MWh，改进农宅为1.80，MWh，降低了44.6%，；传统农宅全年外围护结构失热量为3.19，MWh，改进农宅为1.89，MWh，降低了40.8%，.

表4 外墙类型与外围护结构得热量 MWh

图6为传统外墙和加气混凝土外墙农宅全年外围护结构得热量变化.加气混凝土农宅6到9月份外围护结构得热量波动范围为0～0.2，MWh，传统农宅为0～0.4，MWh；加气混凝土农宅在11月到来年3月份外围护结构失热量波动范围是0.4～1.2，MWh，传统农宅为0.9～1.8，MWh，说明加气混凝土外墙无论在冬季保温还是夏季隔热上都具有优越性.

图6 不同墙体类型全年外围护结构得热量

（2）屋顶

河北省居住建筑节能设计标准规定，寒冷地区三层以下住宅屋面传热系数应低于0.35，W/（m·K）.对传统屋顶（见图7）传热系数进行计算［8］，结果为1.67，W/（m·K），不满足标准.对已建住房，可加设70，mm聚苯板形成外保温屋面进行改造，施工简单方便；对新建农房，可将构造中50，mm黏土替换为75，mm聚苯板.

在现有平屋顶上加建坡屋顶也可有效改善屋顶保温隔热性能，这种做法相当于在原屋顶上加设了一层空气间层和围护结构.对采用传统屋顶构造的农宅和采用加建坡屋顶的农宅分别通过IES软件进行数值模拟，结果见表5.表5中数据显示，夏季加建坡屋顶农宅外围护结构得热量为0.13，MWh，传统屋顶为0.33，MWh，降低了60.6%，；冬季加建坡屋顶平均外围护结构失热量2.92，MWh，传统屋顶为5.47，MWh，降低了46.6%，；全年外围护结构失热量降低约47.2%，.加设坡屋顶的改造形式可起到冬季保温、夏季隔热的作用，有一定的利用价值.

图7 传统屋顶构造

表5 传统屋顶与加建坡屋顶外围护结构得热量对比 MWh

（3）外窗

在外围护结构及门窗选材均相同的条件下，将原始窗面积3.6，m2按比例缩小进行数值模拟（见表6），研究农宅外围护结构得热量与窗面积大小的关系.夏季外围护结构得热量变化不明显可忽略，全年和冬季外围护结构失热量随着窗户面积减小不断减小，说明建筑能耗在不断下降.采用上述采光数值模拟中得出的最适宜高1.8，m，宽1.5，m时，冬季外围护结构失热量由3.55，MWh变为3.35，MWh，约降低5.63%，因此该窗户形式不仅可以保证立面美观，还可满足室内采光并降低建筑能耗.

表6 不同窗面积外围护结构得热量 MWh

2.3 节水与水资源利用关键技术

通过走访调研，笔者认为在邢台农村地区开展雨水收集利用可采取两种方式：一种是简易雨水回收系统，将屋面雨水通过落水管直接引至储水容器，经过沉降用于庭院绿化灌溉或洒水［9］等.另一种通过区域划分，居住较近的农户共用一套收集系统，通过院落沟渠和排水暗管将雨水引入集中规划建设的公共沉降储水池，经沉降雨水可用于灌溉等，如图8所示即为第二种雨水收集利用方式.

图8 雨水收集利用方式二

3 结 论

本文提出了通过适当增加正屋进深的套型布局代替传统平面的平面改进形式，可减小体形系数约11%，；得出高宽比10∶8，高1.8，m，宽1.5，m的窗户是现阶段邢台农宅南向窗户最适宜类型；将传统砖墙替换为同厚度加气混凝土外墙，外围护结构夏季得热量和冬季失热量分别降低55.6%，和44.6%，全年总共降低40.8%，；在传统平屋面上加设坡屋顶，两者分别降低60.6%，和46.6%，全年总共降低47.2%，可有效提高室内居住环境质量.

［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］ 刘 军，程晓辉，黄 荣. 1954—2010年邢台市气候特征分析［J］. 安徽农业科学，2012，40（4）：2255-2256.

［4］ 吴云涛，陈伯超. 东北零能耗新农村住宅建筑技术研究［J］. 新能源与绿色建筑，2011（6）：34-36.

［5］ 王肖丹. 建筑发展新趋势：被动式建筑［J］. 科技信息，2013（21）：176.

［6］ 庄碧贤. 建筑设计中被动式节能的探讨［J］. 建筑设计，2010（4）：13-14.

［7］ 夏 伟. 基于被动式设计策略的气候分区研究［D］. 北京：清华大学，2009：48-49.

［8］ 柳孝图. 建筑物理［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

［9］ 张瑞娜. 基于气候适应的北方农村住宅节能设计与技术方法研究［D］. 大连：大连理工大学，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

天津市科技支撑计划重点项目（15ZCZDSF00080）

李 伟（1975—），男，辽宁丹东人，天津城建大学教授，博士.