第30卷 第3期2010年5月西安科技大学学报JOURNAL OF XI ′AN UN I V ERSI TY OF S C I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .30 No 13May 12010 文章编号:1672-9315(2010)03-0345-07西北乡村民居适宜性生态建筑技术实践研究梁 锐1,2,张 群2,刘加平2(1.西安美术学院建筑环境艺术学院,陕西西安710065;2.西安建筑科技大学建筑学院,陕西西安710055)摘 要:西北地区乡村住宅面临的主要问题是冬季的室内低舒适性、高能耗与自然能源的浪费,针对西北地区农村乡村住宅节能的突出问题,提出太阳能利用、生态建材、合理建筑设计等适宜性技术手段,并在银川市碱富桥村的设计实践中对此进行了探索。
通过实验测试、走访调查等方法与传统住宅进行比较分析,验证生态适宜技术的有效性。
以期通过理论分析结合工程实例,探索一条西北地区乡村住宅设计道路,对气候环境恶劣地区的人居环境建设起到示范作用。
关键词:西北地区;生态建筑;乡村民居;适宜技术中图分类号:T U 201.5 文献标志码:A0 引 言西北地区有着独特的气候环境,漫长的冬季、风多、雨少、日照强度高,生态环境脆弱,导致西北地区乡村在实现可持续发展中,面临着比其他地区更巨大的资源和环境压力[1]。
伴随着乡村经济发展的加速,农村住房面积的总量及人均建筑面积正在快速增长,导致乡村住宅的能耗也发生着前所未有的变化,突出问题表现为以下方面。
1)冬季室内温度过低。
农村住宅以独立式单体建筑为主,体形系数大,同时采暖方式落后,保温措施低效,造成大量农宅室温低。
2)建筑耗能严重。
一方面,乡村住房的建设活动缺乏科学的理论指导,导致建筑质量低下,建造、使用过程能耗和污染都很严重;另一方面,多数农宅采用燃煤作为采暖的主要燃料,建筑保温性能差,采暖系统效率低,使耗煤量达到30～40kg 标煤/m 2,导致采暖成为多数农户沉重的经济负担。
3)可再生自然能源缺乏有效利用。
西北地区拥有自身得天独厚的优势,蕴含丰富的可再生自然能源,如风能、太阳能等。
但是,多数情况下对这些能源的关注集中在投资回收期长,超出农民经济承受力的技术上;同时,在乡村地区,这些能源的应用缺乏科学的指导。
图1 碱富桥村鸟瞰图Fig 11 Overall pers pective of J ianfuqiao针对这些问题,积极研发适合当地环境、文化和经济状况的生态适宜性建筑技术,是实现西北农村建设走上良性循环的可持续发展之路的必然选择。
宁夏回族自治区银川市碱富桥生态民居示范村就是在这种背景下进行的对未来我国西北乡村生态住宅模式的一种探索。
1 项目背景碱富桥村位于的宁夏回族自治区银川市兴庆区掌政镇东部,该示范工程选址具有鲜明的西北地区地域特征,是国家“十3收稿日期:2009-11-20基金项目:国家“十一五”科技支撑计划课题(2006BAJ04A18);国家自然科学基金创新研究项目(50921005/E0803)通讯作者:梁 锐(1977-),女,湖北武汉人,博士研究生,主要从建筑环境设计、建筑设计与技术、城市规划方面的教学科研工作.一五”科技支撑计划重大项目《村镇小康住宅关键技术研究与示范》的子课题之一-《宁夏村镇住宅可再生能源利用技术开发》的示范工程(图1)。
该项目一期村庄规划用地5.64ha,居住建筑用地2.4ha,可容纳86户[2]。
为了更好地实践建设生态节能型民居村落的目标,该项目积极采用适宜技术,力求为未来建设资源节约型、环境友好型、适宜人类居住的生态型住区提供技术支持。
2 适宜性建筑技术措施西北地区乡村的建筑适宜性技术是指充分利用当地自然资源条件,结合当地特有的自然气候特征、地域文化传统、经济发展状况,采用的建筑技术解决方案[3]。
该示范项目所在地经济较落后,碱富桥村所户均年收入不到5000元,结合当地自然条件,应当能够在当地恶劣的气候条件下创造舒适的居住环境,同时因地制宜发展宜于推广的低成本本土技术。
2.1 充分利用太阳能银川地区拥有丰富的太阳能资源,年平均日照时数2800～3000h,年太阳辐射量高(140～146千卡/c m 2)。
结合当地技术条件,与乡村建筑的造价限制,该示范区村落对太阳能利用技术的开发,以被动式为主,即利用房屋自身来完成集热、贮热和放热功能[4]。
2.1.1 太阳能直接受益当地传统农宅多为土坯房,为避免冬季失热,窗户面积小,并且用土坯砌块作为承重维护结构,墙面开洞口面积受限。
导致传统民居冬季室内阴暗寒冷。
项目实践中采用被动式太阳能利用方案经济有效,即:增加南向房间窗户尺寸,将窗户改用双层玻璃,适当降低南向房间进深,加大面宽。
同时为了避免一天内房间的室温波动过大,墙体采用蓄热性能好的重质材料,经济条件较好的农户可选择混凝土,经济条件受限的也可采用当地土坯。
图2 碱富桥村中的阳光间Fig 12 Suns pace of a house in J ianfuqiao village2.1.2 附加阳光间银川地区冬季寒冷,会给人们的出行与交往带来不便,但该地区太阳能利用条件得天独厚。
结合气候特点,利用“附加阳光间”改进效果显著[5](如图2所示)。
附加阳光间位于住宅南侧,将具有大面积玻璃的南向房间作为门廊或者前厅,在屋顶加设部分倾斜玻璃面,以增加集热量。
冬季阳光通过大玻璃直接照射到室内,大部分太阳能被吸收并转换成热量,从而使室内温度升高。
同时在阳光间毗邻房间之间加设玻璃隔断门或者夏季可拆卸的棉门帘,可以减少夜间室内热量通过大玻璃窗散失,有效解决阳光间夜晚保温问题。
在具体施工操作时结合当地村民生活、生产习惯,阳光间不让玻璃墙面直接落地,留有400～600mm 高的矮墙,避免冬季在阳光间内进行生产操作或堆放杂物时撞碎玻璃。
附加阳光间在造价增加不多的前提下,扩大了使用空间,被当地农民接受并受到欢迎。
2.2 发掘当地建材项目所在地银川平原地区农业生产引用黄河水自流灌溉,小麦、水稻、玉米是主要农作物,而农作物收割后的被废弃的麦秸、稻草、秸秆等,如果加以利用是非常理想的生态建筑材料。
在项目实践中,选用砖混草砖房结构。
由钢筋混凝土条形基础、砌块墙体结合草砖墙、钢筋混凝土构造柱、钢筋混凝土圈梁、屋盖组成,草砖在填充在非承重墙构造柱之间,或者结合砌块墙体作为墙体外保温,只起围护填充和保温作用而不承重,可先施工屋盖后再砌草砖,避免了在建造过程中草砖受潮受损,该结构形式适于建造外形不复杂的村镇住宅,经济适用(如图3所示)。
643 西安科技大学学报 2010年 第3期梁 锐等:西北乡村民居适宜性生态建筑技术实践研究图3 碱富桥村民居中草砖墙体Fig 13 Stra w 2bale building in J ianfuqiao village在具体施工时采取必要的防火、防水、防腐措施。
在墙上抹一层连续水泥砂浆以防止室内湿气渗入墙体,基础和草墙底部之间有防潮隔离层(油毡或碎石)。
利用这种技术,节本降耗,取得了较好的经济效益。
一方面降低了造房成本,草砖房每平方米造价低于红砖房;另一方面,草砖导热系数非常低,可达到0.113～0.117W /(m ・K ),能很大程度地降低建筑采暖能耗节约取暖成本。
同时草砖替代了粘土砖,利用了废弃的可再生资源稻草和麦秸,保护耕地和生态环境。
在对废弃资源再利用的同时,还极大改善了围护结构的热工性能,以尽较低的能耗代价,实现了舒适的冬季室内环境。
2.3 科学建筑设计西北地区农村住宅冬季采暖能耗高,室内舒适性差是普遍问题[6],结合有效适宜的技术,改善建筑的保温性能是改善这种状况的最有效措施。
2.3.1 总体设计碱富桥示范村规划阶段,朝向选择的首要考虑因素是冬季最大限度利用太阳能,并防止冷风侵袭;其次,考虑夏季利用阴影和空气流动降低建筑环境温度的可能性[7]。
图4 农户住宅平面之一Fig 14 One of flat in J iaofuqiao village示范村点位于北纬38.5°,东经106.2°,当地冬季多以偏北风为主,夏季的主导风向以东南风为主。
由此,建筑最佳朝向是南向以及东西15°朝向的范围,可以使建筑在冬季尽可能多地接受太阳辐射。
其次,建筑布局减少场地北向迎风面,并且在北向利用成片成从的绿化阻挡气流,避免冬季寒冷的北风带走建筑热量,还可以应对该地区夏季干热的空气。
2.3.2 建筑设计当地的乡村民居多为以户为单位的独立式住宅,体形系数较大。
为减少体形系数过大带来的能耗,建筑形体力求规整、紧凑,同时平面功能布局完善,避免日后无序改拆、加建带来的改动(图4)。
利用南墙面作为集热面来集取热量,减少其他三面墙体的失热,所有农宅均坐北朝南,选择东西轴长、南北轴短的平面形状。
根据温度北低南高的规律来进行房间分布,北面尽量布置卫生间、厨房或储藏室等次要房间,南向墙面接受太阳辐射直接,尽量布置主要房间,方便住户长时间停留。
这样北面房间就形成了室内“温度缓冲区”,南向的客厅和卧室起到保护作用。
各朝向的开窗方式不同:南向设置了直接受益窗和阳光间,窗户面积大,以收集更多的太阳热能;北向房间在满足基本采光与通风的前提下,仅开小面积的高窗,减少冬季的热损失,而东西山墙散热量最大,不开窗。
乡村住宅最大的失热部位是入口处,冬季的西北乡村生活与劳作难以完全在户外展开,会将部分活动移至户内,这样会导致一天中较频繁地开关户门。
针对这一现象,住宅入口避开冬季的主导风向———北风,同时并将附加阳光间作为门斗,住宅与阳光间入口避免对开,以避开穿堂风。
这样既避免冷风直接743 吹入室内,又减少了风压作用下形成空气流动而造成室内热量的损失,同时阳光间门斗还是可以保温的过渡空间。
2.3.3 构造措施当地乡村民居多为独栋的院落,户均占有外围护结构面积大,因此在设计与施工阶段提高住宅围护结构的保温蓄热性能,是设计的重要因素[8]。
墙体。
在调研中发现,乡村民居通常由农民自发修建,往往通过加厚墙体来提高维护结构热工性能,这种做法显然是不科学的。
在碱富桥村项目实践中,首先将传统做法中的单一材料墙体改为复合保温墙体,给墙体增加一层保温材料,以降低围护结构的导热系数。
为稳定保温效果,避免结露,采用外保温墙体构造,同时,为经济可行施工方便,就地取材选择可循环利用的草砖结合生土或者粉煤灰砖作为墙体建材。
此外,墙体中的圈梁、门窗过梁以及外墙的交角、外墙与屋顶交界、外墙与地面交界等处存在“冷桥”,这些部位应用保温材料做局部保温处理。
项目所在地靠近黄河滩,不但地下水位高,而且水的盐碱度高,因此外墙面与地面交接处还要做防潮、防水处理,这不但可以避免墙体泛碱返潮,还可以防止储存在墙和地面中的热量不至于很快传导出去。