双碳背景下的严寒地区被动式低能耗农宅节能设计研究.pdf

023233|2023|08建筑学摘要：从国家提出“双碳”目标以来，城乡建设领域一直是我国能否实现“碳达峰、碳中和”的关键。寒冷地区的被动式农房改造方案和清洁取暖模式已经为乡村振兴在能源改革方面提供了方向和思路。面对严寒地区更加严峻的气候特征，文章主要提出了更加灵活可行的、更加适合严寒地区的被动式低能耗农宅改造方案，并针对经济文化受限的农村用户群体，提出了更加有效的后期运维策略。Abstract：Since the state proposed the dual carbon goal,the field of urban and rural construction has been the key to whether China can achieve carbon peak and carbon neutrality.The passive farm house renovation scheme and clean heating mode in cold areas have provided directions and ideas for rural revitalization in energy reform.In the face of the more severe climatic characteristics of severe cold areas,this paper mainly proposes a more flexible and feasible passive low-energy farm house renovation scheme that is more suitable for cold areas.Aiming at rural user groups with limited economy and culture,a more effective post-operation and maintenance strategy is proposed.关键词：双碳；严寒地区；农村住宅；超低能耗；乡村振兴Keywords：carbon peaking and carbon neutrality goals；severe cold area；rural housing；ultra-low energy consumption；rural revitalization文毕琳博吉林建筑大学建筑与规划学院硕士研究生张成龙吉林建筑大学教 授鲍春晓吉林建筑大学建筑与规划学院硕士研究生DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.08.008引言在 2020 年 9 月第 75 届联合国大会上，中国宣布，力争 2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和。为达成这个目标，中国需要付出巨大的努力。长期以来，节能降碳的主战场都在工业、能源、交通等领域，农业农村的减排问题并未得到足够的重视。改善农村居民的居住环境、建设美丽宜居乡村，是实施乡村振兴战略的一项重要任务。农村住房的节能改造、建设低碳环保的农房，不仅仅是为了改善农村居民的居住环境、打赢蓝天保卫战、提升广大农民的获得感和幸福感，更是实现碳减排的重要途径。过去 20 年的时间里，由美丽乡村到乡村振兴，从节能减排到双碳政策的推动下，我国北方寒冷地区的农村节能改造已经初显成效。面对冬夏温差较小的北方寒冷地区，我国已经给出了相对合理的改造措施和节能方案。广大农民在提高住房舒适性的同时，也给出了相对满意的评价。但放眼于东北严寒地区的农村，其地域气候相较于寒冷地区更加严峻，农村住房的改造工程面临更多挑战，其被动式节能改造的相关设计有待挖掘，严寒地区农村住宅的清洁取暖问题还亟须解决。本文试图从严寒地区农宅单体和地域能源合理规划的角度，探求双碳背景下的乡村振兴可持续发展之路。1 国内外发展现状及问题提出1.1 国外发展现状当今高碳排放和高能耗所带来的能源危机，建筑界在双碳背景下的改变之路风檐刻烛。为探求绿色发展道路，世界各国纷纷出台了不同的政策体系。为应对这一全球性能源问题，美国 LEED、德国 DGNB、英国 BREAM 等应际而生1。与传统建筑相比，许多低能耗建筑体系在应对不同气候特点、自然条件、能耗量、碳排量、气密性、自身保温性能等方面，具有更大的效益优势，其特点为：更环保、更高效、更舒适、更健康和更高的质量保证。不同类型的节能体系在建筑领域中的探索和发展，为实现绿色用能、改善自然环境、降低碳排放和提高生活舒适性作出了初步贡献。以德国被动式农宅为例，它们拥有着高效的保温墙体和屋面节能体系，能够达到良好的保温效果和密封性；采用三层玻璃被动窗户，大大降低了冷桥效应并提高了保温隔热性能；大面积采用太阳能新能源技术为建筑提供绿色能源支持；农宅基础底板也采用保温隔热材料，达到防潮与保温兼顾，使整个建筑 360受到保护，做到真正的被动式超低能耗住宅。施工上使用装配式技术墙体在工厂里生产，成本低、耐用性好。德国就此推出“逆城市化”策略，增加乡村就业机会，吸引国际化大公司入驻乡镇农村，上班群体与农民同吃共住，解决了德国农村空心化和城市交通拥堵问题。1.2 被动式低能耗建筑在我国的现状我国在 2002 年开始进行节能减排计划，并逐步在全国范围内大力推行节能减排计划，以此来实现对二氧化碳的减排。但是伴随我国经济的飞速发展、社会基础建设的加速、人民物质条件要求的提升，我国农村开始了一轮建设高潮，也就是人们开始使用高品质的砖混农宅代替老旧、危险的茅草屋。但是农村住房建设往往没有科学的规划，很多住宅缺少保温节能措施，这就造成了在新农村建设的过程中农民的新居存在冬季耗能严重的问题。这一情况的出现，和我国目前奉行的绿色发展理念不合。同时农民还需要增加高昂取暖支出，不仅不环保，还增加了农民的经济负担。截至 2020 年 12 月，北方寒冷地区清洁取暖率已达到约 65%。目前，从能源角度来看，“煤改电”正渐渐成为寒冷地区清洁采暖的主要方式。当下北京、山东、河南、天津是我国“煤改电”的主战场，其中“煤改电”最大的市场在河南，约占全国“煤改电”市场的半壁江山2。相关数据标明，2020 年，河南省累计完成“双替代”供暖用户为 104.6 万户。其中，“电代煤”用户为 102.5 万户，占比高达 97.99%。陕西作为寒冷地区清洁取暖的重点区域，其“煤改电”市场潜力正得到进一步释放。从建筑设计角度来看，以刘加平院士为首的专家学者针对寒冷地区的被动式农宅改造纷纷做出了回应。其中，刘加平院士及其团队从山西窑洞的传统建筑出发，针对其采光通风不佳、冬季寒冷潮湿、没有上下水系统等不利因素，采取增加局部二层空间，提高室内空气流通性等措施。其南侧设置阳光间，降低采暖能耗，改善室内热环境，并采取大玻璃窗替代扇形窗，增加室内进光量。太阳能系统结合窑顶布置，通过地热源的通风Research on Ultra-low Energy Design of Rural Houses in Severe Cold Areas under the Background of Double Carbon双碳背景下的严寒地区被动式低能耗农宅节能设计研究024系统调节室内温度，每孔三四万元的成本，以及使用新型材料为改进方案。这让陕甘宁地区的窑洞建筑成为了独具特色的被动式低能耗农村住宅，降低了农民生活成本的同时，也为双碳政策作出了突出贡献。1.3 严寒地区被动房发展存在的问题1.3.1 气候差异较大被动房在欧洲国家发展较快，其一是他们对被动式绿色建筑发展理念的超前认识，在 20世纪 90 年代就已经得到了长足发展，但更取决于欧洲国家地理位置纬线跨度较小，气候相对稳定，例如德国冬季最低气温仅为-10左右，难度较小，造价较低的被动房改造便可达到舒适的室内热环境。面对我国南北疆域横跨 52 个纬度，其中严寒地区受到西伯利亚冷空气的影响，使得中国成为同纬度上最冷的国家。所以，目前被动房在严寒地区如何做出调整，克服极寒气候，达到室内热舒适环境成为了探究话题。1.3.2 成本花销较高在德国农村，低能耗农宅的制造成本仅比普通农宅高出 5%7%。有关数据指出，被动式农宅的初期建造成本要比普通农宅的成本高出 10%左右，由于农宅建造和技术施工的成本费用通常会因为实际情况而产生上下波动，不宜计算3。而面对严寒地区的气候条件，其造价成本目前尚高，应结合技术条件和政府宏观调控，在保证农宅热舒适环境的情况下，下压造价成本，给农民一个可以承受的改造范围。1.3.3 缺乏调控力低能耗农宅的特点与传统农宅不同，其取暖方式的改变可能在很长时间内让农户对被动式农宅的改造产生一些阻碍。因为被动式农宅是被动运行的，不需要人为的介入。农民对传统建筑建造方式的思想已经根深蒂固，需要通过宣传和实践以及大量的时间，提高大家对节能减碳的认识，需要通过切身实际的感受，提高农户对生活质量的认可，这也是被动房推进缓慢的一大主要因素。2 严寒地区被动式低能耗农宅设计研究被动式农宅实现低能耗的关键是以农宅本身用能作为限制条件，通过农宅本体的保温隔热材料性能和可再生能源的运用来达到节能的目的。实现被动式低能耗农宅的技术原则是被动优先、主动优化。充分利用可再生能源是被动式低能耗农宅设计的基本路线4（图 1）。2.1 严寒地区农宅外围护结构保温农宅的本体节能是众多被动式节能改造手段的基础，主要方式是加强外围护结构的保温隔热能力。在保温材料的选择上，除传统的苯板、聚氨酯等传统保温材料，目前有很多科研机构或企业以绿色环保、循环经济、低成本为理念，开发出了诸如粉煤灰砖、混凝土空心砌块、石膏墙体板、苯板玻璃发泡格构式墙体等新型建筑材料。针对不同保温材料的使用环境，可提供不同的物性参数的保温材料。同时相应地强化了相关的保温施工工艺以及开发了一些保温系统，如 EPS 板薄抹外保温系统、岩棉外保温系统等。这些保温技术在城镇建筑中已经得到广泛应用，其工艺相对较为成熟5。但面对东北农村地区的居民，针对的受众群体不同，它们的造价相对显得高昂且不接地气。在农户不易接受因被动式农宅改造所带来的高昂造价的同时，也使得民风淳朴的农宅失去了地域性。所以，在北方地区，就地取材成为突破口，将秸秆等生物质资源与传统保温建材有机结合，或者采用草砖板、草砖墙作为保温材料。由于其价格低廉、制作简单、有益环境、保温隔热性能好、自重轻等优点，当前成为一种大家喜爱的保温材料。不过想用这种材料建造低能耗农宅，仍然需要从保温、气密性、热桥以及新风系统等五个方面进行改造。草砖自身的气密性不够好，需要靠密封材料进行封堵。此时再配合新风系统的热回收功能，那么廉价又环保的草砖就能够达到被动房的低能耗，甚至超低能耗农宅的高品质负碳建筑了。据调查，草板房的造价在 600 700 元/m2，与建造一间普通农宅基本相同，在政府的资助下，农民也能够接受这样的被动房外围护结构改造。2.2生物质能的运用和“炕连灶”系统的改进当前，直接燃烧和沼气是我国农村地区生物质能常用的两种方式。对于沼气，由于东北严寒地区冬季温度极低，沼气的产值无法满足农宅的采暖需求。生物质颗粒配以高效炉灶是目前比较适合农村发展生物质清洁化利用的一种方式，已经在北京等地区有一定的示范，但目前生物质颗粒的发展模式尚不明确，存在收集、储存等问题，因此仅有少数企业从事生物质颗粒加工以及炉具制造。严寒地区农宅的采暖方式中，炉灶、炕体、火墙是烟气热利用末端的特有形式。传统火炕没有通风道，灶膛大、灶门大、喉眼大，柴草不能充分燃烧，热量损失很大，费柴、费煤、费时。其炕内结构落灰膛、闷灶、“狗窝”、炕洞都很深，搭炕时既浪费了很多材料，又在炕内贮存了大量的冷空气，以致炕凉屋冷。传统炕灶热能利用率仅有 20%左右，既浪费了大量的燃料，又延长了做饭时间，炕体受热不均、不安全、不卫生。新式炕连灶系统优化了炕体和灶体的热平衡性以及运行效果，改进了炉壁、火墙与灶台之间距离关系和吊炕垂直高度，增加了烟道阀门和通风管道、炕内结构等。在靠近灶台方向增加了拱形水套，以防止炕体局部过热，同时为了提高炕体余热利用率，扩大炕体的受热面积，增设了保温措施。因此，新式炕灶结构合理，通风良好，柴草燃烧充分，炉灶上火快，传热和保温性能好，炕灶热能利用率达到 50%左右（图 2）。图 1严寒地区农宅节能相关领域的研究（图片来源：作者自绘）图 2节能型吊炕构造示意图（图片来源：作者自绘）025233|2023|08建筑学2.3 太阳能系统太阳能热利用与生态建筑一体化的基本思路是利用太阳能进行采暖、制冷以及供应热水，以满足农民生活的需要，同时达到减少和不用矿物燃料的目的。在进行被动式农宅设计中，应考虑太阳能在建筑上的应用对农宅的影响，包括农宅的外围护结构的特性，建筑体型和立面的变化；其次要考虑太阳能与建筑形体的有机结合，考虑农宅屋顶形式设置对应的太阳能光伏板。同时太阳能系统也具有一定的缺陷：（1）太阳能的能流密度小，稳定性偏弱。（2）太阳能受天气影响较大，具有不稳定性。（3）太阳能储存很难，想要利用它必须快速转换成如电能等其他形式能。目前，太阳能系统在北京等地区开展较为顺利，在郊区各县推广了太阳能综合利用示范工程。研究表明，在北京、兰州等寒冷地区，太阳能集热供暖效率可达到 40%左右，配合外围护结构保温基本可以达到寒冷地区农村居民的日常生活采暖需求。但面对严寒地区严峻气候影响，其太阳能集热供暖效率仅为 31%（哈尔滨地区）。主要由于集热器在严寒地区运行的归一化温度大，相对于寒冷地区运行效率偏低。同时因为严寒地区室内外温度差距较大，太阳能系统暴露在室外，其回水管容易结冰冻裂，更易加快设备的维修年限。所以在严寒地区使用太阳能系统时，应改进太阳能系统的集热效率，提高太阳能系统的抗寒能力，使其能够在严寒地区运行自如。2.4 地源热泵系统作为可再生能源主要应用方向之一的地源热泵技术，其通过利用浅层地热能资源进行供热与通风，具有很好的节能与环境效益，在国内外的应用市场上大有可为6。相较于太阳能系统，地源热泵有以下几点长足优势：（1）节能技术上更加经济有效，其 COP 值达到了 4 以上。换言之，消耗 1KWh 的能量，农户可得到4KWh以上的热量或冷量7；（2）环保性能优异，其设备属无污染工作，可以建造在村内或农户家中，无烟、无火、无废料且不用远距离输送热量；（3）系统运维费用低，其机械运动零件很少，所有零件或是埋在地下或是安装在建筑内，不会受到严寒地区恶劣天气的影响，机组相对小巧，空间占用率不大；且自动控制程度高，可无人值守。不过面对严寒地区的气候条件，地源热泵也存在着一些缺点：（1）如果地源热泵系统不间断地工作，会从土壤中不断地取热或散热。由于浅层土壤温度场需要一定的时间恢复平衡，系统工作所产生的波动会降低系统的 COP 值，增加能耗；（2）传统机房施工程序复杂，难度高，周期长，存在漏水隐患等问题，不过目前可以采用节能空调机房来解决；（3）前期设备投入较高，易超出农户心理预期。2.5 提出方案根据以上不同系统的优缺点，面对严寒地区的农村被动式低能耗农宅的改造，本文提出了更加灵活的搭配方式。根据农宅原型的保温效果进行不同程度的改造，为农户提供更加合理的选择。大体上提供以下几种改造思路：（1）外围护结构保温改造炕连灶系统太阳能系统；（2）外围护结构保温改造太阳能系统地源热泵系统；（3）外围护结构保温改造炕连灶系统+太阳能系统+地源热泵系统。首先，外围护结构保温改造是被动式低能耗的基础。严寒地区冬季-25的气温条件下，一个没有任何保温能力的原始农宅，在仅进行外围护结构保温改造后，其室内平均温度可以保持在 10 12左右。夜间偏冷，维持在 8 10左右。可通过炕连灶系统进行局部加热，使夜间局部空间（炕体及上部空间）可维持人体舒适温度，形成“脚热头冷”的睡眠环境。如果将炕连灶系统换成地源热泵系统，虽然初期改造成本相对提高，但全年可将室温保持在1618左右，且部件放置在室内或地下稳定环境内，后期维护成本极低。在此基础上，加入太阳能系统，形成光伏建筑一体化，可产生以下几点好处：（1）使得太阳能为地源热泵供能，降低地源热泵使用成本，形成绿色能源的整合循环；（2）如遇严寒地区恶劣天气，建筑本体保温和地源热泵系统不能使室内达到人体舒适环境温度，可通过太阳能集热系统补充环境温度，以满足室内热稳定性；（3）可通过太阳能系统解决生活水电问题，多余产电可通过上网出售给国家电网，增加农户收入。农户可根据自家住宅本体实际情况和经济情况，自由选取改造方案，不同的改造方案和不同保温性能的住宅灵活结合，这也是面对不要将城市千篇一律的改造方案应用在农村住宅的有力回答，消除了农村建筑向城镇建筑的趋同性，保护了农宅的地域性和原始面貌。3 运维策略清洁取暖是北方地区农村的硬需求，双碳背景下的乡村振兴之路也离不开清洁取暖。“十三五”期间，我国北方农村地区的清洁取暖率由 9%提高到 28%左右，其中重点地区的农村清洁取暖率达到 71%。2021年 4 月，东北、西北等非重点区域的部分城市首次成为了清洁取暖试点城市。这些严寒地区的农村清洁取暖难度将远远大于寒冷地区，其中设备维保问题也会逐渐暴露。俗话说：“一年看成本、三年看质量、五年看维保。”清洁取暖前十年，大家关注的是通过“热源侧”改造，减少对大气污染的影响。现在，工作的重心应向运行效果层面倾斜，不断优化技术路线，加快建设维保服务平台，使被动式农宅全生命周期得以保障。3.1 政府调控未来被动式农宅改造和清洁取暖离不开政府的调控。引入智能化综合管理平台可帮助政府主管部门迅速解决报修、定期维护及投诉问题，利用平台分析大数据，提升有效管理能力。在政府平台的调控下，农户可直接反映问题，并根据每户需求设定专项温控，减少资源浪费，降低采暖支出。设备供应商也可根据大数据提升产品质量和维保服务水平。3.2 村民参与自治清洁取暖改造之余应与设备供应商合作，选取专人为广大农户提供讲解和培训，让农户亲自参与到清洁取暖中来，认识到被动房清洁取暖的好处，学会如何运行和维护设备。采用村民自治的方法，提高村民积极性的同时，也减少了运维人员的额外支出。结语基于我国碳中和发展目标，农村清洁能源现状以及未来发展趋势，面对清洁取暖向严寒地区不断扩展的形势，提出了双碳背景下严寒地区被动式低能耗农宅的改造方案。结合我国严寒地区农村住宅现状、气候特征、经济水平、清洁能源条件等因素，提出了以满足符合农民生活需求的室内热环境为前提，以建筑本体节能为基础，以可再生能源为主要能源供应形式的低碳化发展策略。针对严寒地区相对严峻的气候特征，提供了灵活多样的改造方式，提高了被动式农房改造的可行性。随着清洁取暖的不断深入，设备的后期运维变得十分重要，本文提出了政府调控加村民参与自治相结合的方式，引入智能化管理平台，为农户提供讲解培训。做到全生命周期的能源改造，使节能减排真正走进千家万户，步入常态化，共同推动双碳背景下的乡村振兴发展的全新模式。参考文献：1张春鹏.德国被动式超低能耗建筑设计及保障体系探究D.山东建筑大学,2016.2王艳静.有关北方地区清洁取暖的探讨C/2021供热工程建设与高效运行研讨会论文集,2021:191-195.3宋敏,闫星仪.寒冷地区被动房设计问题探索J.居业,2019(02):47.4周琮,仝晖,高雪莹.被动式超低能耗建筑外围护结构隔热保温方法研究J.新型建筑材料,2020,47(07):125-129.5杨铭.北方供暖“零煤耗”农宅实现模式与关键技术研究D.清华大学,2011.6冯晓梅,邹瑜,张昕宇,等.太阳能系统与地源热泵系统联合运行方式的探讨J.太阳能,2007(02):23-25.7余海.夏热冬冷地区集中供暖可行性分析C/2021供热工程建设与高效运行研讨会论文集,2021:79-86.8龚秋望.关于新农村建设中节能“被动房”问题的探讨C/2014首届全国绿色建材与德国被动房技术交流大会暨展示会会刊.出版者不详,2014:47-51.