关中地区绿色农房设计研究——以咸阳市礼泉县白村低能耗农房设计项目为例

冯雪霏^1,2吕成^1,3赵民^1,4董凯利^1,2张书苑^1,2

1. 中国建筑西北设计研究院有限公司2. 中国建筑西北设计研究院有限公司华夏建筑设计研究院

3. 中国建筑西北设计研究院有限公司西北院4. 中国建筑西北设计研究院有限公司西北院暖通专业委员会

引言

项目位于陕西礼泉县城东南15公里的白村，属于西安半小时经济圈，临空经济开发规划区域，地势平坦，交通便利，温带大陆性气候。白村现存在传统村落与新型社区两种类型村落。目前新型社区一期已建成建筑面积78000m²。便民服务大厅、村史馆、社区图书阅览室、农民文化活动中心等公共服务设施已经投入使用，绿化、道路、给排水管网等配套也在逐步完善中。

白村低能耗农房设计项目是住建部确定的汾渭平原超低能耗试点示范项目。本项目以低能耗及能源清洁利用为出发点，选择白村低能耗农房项目进行示范，项目规划用地约为30亩，功能属性为居住，户数50户。

1项目主要研究内容

建筑运行能耗在社会总能耗中占比相当大。已有研究显示，2015年我国建筑运行的总能耗为8.57亿吨标准煤，在全国能源消费总量的占比达20%左右。建筑节能已经成为我国当前和未来重要任务，国务院印发的《“十三五”节能减排综合工作方案》中明确将建筑领域作为重点领域开展节能工作。

本项目立足白村实际，坚持以人为本，通过实地调研和问卷调查，基于“尊重当地群众意愿和生态本土特色”的设计原则，提出白村低能耗农房建筑规划及户型设计方案。

确定能耗指标目标值。结合户型设计方案，综合采用阳光房、外窗遮阳和高性能维护结构等多种被动式节能技术措施，提高农房自主节能，并采用技术经济分析和能耗模拟计算，确定白村低能耗农房的节能技术措施具体实施方式，提出白村低能耗农房被动节能技术方案。

综合考虑农房冬季供暖、夏季降温和生活热水等需求，采用清洁能源供暖和多种可再生能源利用方式，提出白村低能耗农房能源技术利用方案。

根据白村低能耗农房建筑规划级户型设计方案、被动式节能技术方案和能源利用技术方案，并结合“被动优先，主动优化，尽可能使用可再生能源”的设计理念，确定低能耗农房整体实施方案，建设白村低能耗示范农房。重点在西北寒冷、经济欠发达农村地区推广应用农房节能技术，提升当地农村建筑节能水平，提高农村群众人居环境生活质量，起到积极的示范效应。

2现状调研及分析

调查白村当地农户家庭的人口构成、经济水平、作息时间、开窗等生活习惯，以及当地建筑布局、房间功能、建筑热工状况、供暖供冷措施、设备使用时间、耗电量、运行费用等建筑综合状况。了解当地村民对建筑功能的需求，分析目前当地建筑能耗高、经济性差的原因。通过调研数据分析，发现共性问题如下。

2.1家庭成员构成及生活习性

家庭常住人员中老年人口占比较大，家庭年收入较低，消费水平低。半数农村家庭的年收入在5万元以内。餐厅利用程度较低，院子和露台利用程度较高。农村家庭普遍没有在餐厅就餐的习惯，常见的就餐地点有卧室、院子和客厅，多数家庭会在院子和露台进行晾晒衣服、晾晒粮食、存放农具和停放车辆等活动。

2.2围护结构方面

关中地区农宅外墙一般未采用任何保温措施，材料以实心砖居多。实心砖作为建筑材料会造成资源浪费，且保温性能不佳。另外，村民对建筑保温不够重视，建筑几乎未作保温措施，造成农宅冬天室内热环境极差。

关中地区农宅门窗最常用木质门窗和铝合金门窗两种类型，大多数采用单层玻璃及内窗帘遮阳的方式。铝合金材料的保温性能较差，而木质门窗的气密性较差，冬季冷风渗透现象较为严重，在关中地区的气候影响下，均不是最佳的门窗材料。此外，门窗的数量面积过多过大，导致农宅损失大量的热量。

屋顶和地面未考虑保温。农村住宅多数瓦片坡屋顶或者混凝土浇筑和楼板铺设的平屋顶，基本无保温措施，热量损失严重。此外，住宅地面也基本没有任何保温措施，导致室内热量通过地面大量流失。

2.3建筑用能

建筑能耗小，用能花费少，夏季降温及冬季采暖措施不足，并且降温及采暖设备利用率低。夏季降温措施主要有风扇和空调，冬季采暖措施主要有电热毯和火炉，多数家庭的每月生活电费和燃料费用均分别在100元以内，近半数家庭在50元以内，对空调利用程度较低，在极端寒冷天气时，多数使用火炉采暖的家庭才会生火炉。

对于夏季降温及冬季采暖的预期改造投资意愿不足，多数农村家庭认为改造费用在5000元以内可以接受，可接受的降温及采暖运行费较低，多数农村家庭认为每月运行费用在100元以内可以接受。

2.4热舒适性

冬季农村住宅基本没有开窗的习惯，但白天时屋门一般保持开启，采暖时间段基本在夜间，采暖措施也不够充分，室内温度较低，多数农村住宅室内温度处于5℃至10℃之间，穿着以“羽绒服/厚外套+毛衣”为主，多数农村家庭的冷热感为稍冷或者很冷。

夏季关中地区室外温度较高，高温天气持续时间长，农村住宅基本都有开窗通风的习惯，多数农村家庭的冷热感为稍热或很热。

3白村低能耗农房建筑规划及户型设计方案

传统农村建筑与现代村镇生活需求错位，不适应家庭结构简单化、居住生活快捷化、机动车普及化等农村发展趋势，应在传承传统民居所承载的地域建设文化的同时，利用现代建筑设计理论和建筑技术成果，研究创作出新的地域性农村建筑模式。

3.1总平面设计

传统农村聚落的基本结构是指聚落的平面结构形态，由于村落大多数是自发建成的，聚落形态与周边环境有很大的关系，受到周围环境的多重影响，呈现一种自然生长的态势。关中平原地势平坦，聚落空间结构相对完整，聚落结构多为组团化分布，层次鲜明。关中传统村落的空间形态又以合院式村落空间为主，合院式通常由尺度较小的民居院落构成，建筑高度一般为1～2层，采用坡屋顶的建筑形式，有单坡和双坡两种形式。

基于上述分析，本项目总平面布局采用了“自然生长+组团模式+传统院落”的规划理念，将传统的关中四合院进行空间转换，形成一个单元组团，每个组团提供几种居住模式，通过各种模式组合，最终呈现出丰富有机的组团院落式布局（图1）。这种围合式院落不仅适应西北地区风沙大的气候特点，并有利于自身小环境的形成。建筑造型提炼关中民居特色，将“房子半边盖”和“土坯墙”等地方特色元素融入建筑中，形成了关中新农村独特的建筑风貌。

3.2建筑平面设计（图2）

结合前期调研分析，在建筑平面设计时形成以下六大特色：

（1）“厅堂居中”平面布局：保留了传统民居“厅堂居中”的布局模式，将起居室设置在南向居中的位置，卧室和辅助功能房间布置在两侧。

（2）南北院落：每个户型均有一南一北两个院落空间，南院落采光好，较北院落更大一些，可以利用院落进行简单的种植活动。低矮的院墙增加邻里之间的互动。

（3）大储藏空间：设置多处储存空间，地下室储物空间，车库兼杂物间，为居民提供多种储存条件。

（4）厨房空间宽敞：农村大锅大灶的生活习惯决定了厨房都比较宽敞。一般可以同时设置土灶和天然气灶。

（5）南向露台阳光房：利用南向露台充足的日照条件，设置阳光房，在冬天，可以在阳光房里享受暖阳；到了夏天，利用遮阳帘有效抵挡阳光直射，开启门窗增大通风对流，起到降温作用。

（6）高品质养老间：每个户型一层设置南向老人卧室，卧室的墙面上设置无障碍扶手。老人卧室旁设置陪护房。老人卧室内设置独立无障碍卫生间。

4技术措施

基于对北方农宅现状分析，农宅建筑尽量减少其体形系数；建筑朝向应根据当地的地理条件和气候条件，选择最有利的自然采光和通风的区域，注意冬季防风和夏季有效利用自然通风；根据当地农村居民的生活习惯，将居住建筑和农副业生产用房进行合理的划分。不同的气候地区进行围护结构节能设计时，应针对外墙、屋面和外窗的影响作用来选择适宜的保温措施，不能一味追求高保温隔热效果，这样才有助于农村节能的经济性。

本项目在规划和方案设计阶段，已将被动式节能技术与能源利用技术综合考虑，抓主要矛盾，重点解决。最大程度保证农宅舒适性、宜居性以及经济性。

图1组团院落式模型（图片来源：作者自绘）

图2农宅平面图（图片来源：作者自绘）

图3全年峰值负荷对比（图片来源：作者自绘）

表1三种白村新型社区造价对比（表格来源：作者自绘）

4.1被动式节能技术措施

4.1.1自主性自然通风

利用建筑南北通透的特点，在过渡季节或夏季早晚通过开门窗自然通风形成南北通透的气流，既符合农村居民开窗的习惯，也满足了新风量需求，降低了建筑室内冷负荷。

4.1.2高性能维护结构

项目外墙采用砂加气混凝土自保温砌块，该材料是以硅质材料（砂）和钙质材料（石灰、水泥）为主料，掺加发气剂，通过一系列工艺制成的轻质多孔硅酸盐制品。本方案选用ZBW05型，导热系数≤0.115W/（m·K），燃烧性能A1级。

4.1.3南北开窗设计

窗户的作用是一是采光，二是通风。南北方向的住宅，采光要靠南窗，南窗越大，采光越好。冬季北窗是保温的重点，开窗越大，保温工作就越难做。所以北窗只起到通风的作用，又要考虑保温的事情，所以北窗要适当的比南窗小一些。

4.1.4门斗式阳光房

住宅南向户门设置玻璃门斗，冬季将门斗外门关闭，形成阳光房，既可以防止冷风渗透，又可以获取阳光热量，实现被动式采暖；夏季将门斗外门打开，便可进行自然通风。

4.2能源利用技术方案

4.2.1太阳能热风采暖系统

采用空气流得热瓦片作为住宅坡屋面，吸收太阳热量，加热瓦片通道内的空气，提供热空气给室内，成为与建筑一体化的太阳能热风采暖系统。空气流得热瓦片是一种由选择性吸热、导热材料制作的结构简单、安装便捷、轻质环保的外围护结构材料。

4.2.2无动力风帽

利用自然风速推动风机涡轮旋转的装置，合理化设置在屋面顶部，通过离心力和负压效应将室内不新鲜的热空气排出，改善室内环境。

4.2.3太阳能热水系统

利用太阳能集热器吸收太阳辐射，制取全年所需的生活热水，作为卫浴用水或者厨房用水。太阳能热毯系统，在屋面安装太阳能集热器，将保温水箱置于屋顶隔层或厨房，床面铺设盘管或者毛细管网末端，利用太阳能光热系统产生的热水加热床面。

4.2.4太阳能光伏系统

在经济条件允许的情况下，可选择采用太阳能光伏一体化屋面，多余的电量通过蓄电池储存或者接入电网，通过光伏发电为家庭提供部分日常用电。

4.2.5地道风降温系统

地道风降温技术是指利用地道冷却空气，通过机械通风，将冷却后的空气送至地面上的住宅内，达到降温目的的一种措施。

4.2.6冬季采暖系统

利用关中地区丰富的太阳能资源，结合农村地区经济条件差，百姓难以接受运行费用高的供暖方式，提出提高围护结构性能，在保证室内基础温度下，通过太阳能光热利用，实现人员长期停留的床、沙发等局部环境的“微耗电”低成本的供暖方式。

目前农村长期居住的主要为老人及小孩，白天为全室供暖，并且家庭成员基本都集中在一至两间房间，夜间采用炕或床局部供暖。因此主要保证一间或两间房间温度满足要求，同时，供暖系统运行要符合“分室、分时”供暖模式、“全局+局部”供暖策略。立足白村实际，全室清洁供暖方案选择：低环境温度空气源热泵热风机；小型浅层地源热泵；生物质清洁供暖系统。

5应对不同造价的建筑选型

针对农村地区各户之间的差异性，设计三种不同造价的建筑选型，便于村民结合自家情况，自行选择（图3）。

三种方案其维护结构均一致，外墙采用300mm厚自保温蒸压加气混凝土砌块；内墙采用200mm、120mm厚自保温蒸压加气混凝土砌块；屋面为钢筋混凝土，50mm厚XPS板；底板为钢筋混凝土；外窗为塑钢中空玻璃窗（12mm空气层）。

造价的不同主要体现在能源利用、老人卧室与被动措施上，现将三种方案对比说明（表1）。

方案1——白村新型社区1.0：围护结构按照白村新型社区一期工程标准实施，能源利用方案变更为落地式下送风分体空调、太阳能热水器。经济指标：2376.59元/m²。

方案2——白村新型社区2.0：在白村新型社区1.0的基础上，适当提高建设标准，增加外墙厚度、局部空间保温、被动式节能措施。经济指标：2700.69元/m²。

方案3——白村新型社区3.0：白村新型社区2.0的基础上，适当提高建设标准，增加围护结构保温、分布式光伏发电，强化自然通风。供暖/供冷指标：农房的供暖指标为15kWh/m²·a，供冷指标为12kWh/m²·a，低于《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)(居住建筑)》中规定的指标，即冬季≤15kWh/m²·a，夏季≤16kWh/m²·a。（注：计算室内温度：冬季采暖室内设计温度为14℃，夏季空调室内设计温度为28℃）。经济指标：3068.73元/m²。

本文来自：建筑与文化. 2021,(09)