草原聚落绿色建筑低能耗设计探究

doi： 10.3969/j.issn. 1673-7237.2019.03.017

建筑节能■节能改造与技术

草原聚落绿色建筑低能耗设计探究$

谢庄秀，许国强，刘威

(内蒙古工业大学建筑学院，呼和浩特010051)

摘要：针对草原建筑分散的问题，立足于草原本土建筑特色，设计探究方便牧民生产、生活的空间，

并加以辅助设施用房围合成草原生态聚落空间。利用绿色生态技术对聚落空间进行生态节 能设计，形成能源利用系统。本着可持续的设计理念，通过工作原理及性能分析来验证设计 方案的正确性，最终达到节能减排的目的。

关键词：草原牧区；绿色建筑；节能减排；绿色环保

中图分类号：TU201.5 文献标志码：A 文章编号：1673-7237(2019)03-0081-04

Low-energy Ecological Desicin of Grassland Settlements and Green Buildings

XIE Zhuartg-xiu , XU Guo-qiang, LIU Wei

(School of Architecture , Inner Mongolia University of Technology , Hohhot 010051 , China)Abstrcict： This paper firstly focuses on the decentralization of prairie building , based on the

characteristics of prairie local architecture , designing and exploring the space for production and living of pastoralists , aad assisting the use of facilities for the integratioo of grassland ecclogiccl Eco-eeergy design is practiced for ssacc by using greee ecological technology to oorm aa eeergy

settlement

utilization systemi. Based oo the sfstainaaly design coocept , the correctness of the design scheme is verified analysis , and the gool of eeergy cooservvtioo aad emissioothrough working principles aad performance reduction caa be achievee.Keywords： grassland pastoral aea； green building； energy saving and emission reduction； greenenvironmental protection

0引言

从我国目前的国情来看，建设生态文明最有难度

的先进性[2]。所以设计时需要结合内蒙古草原牧区 建筑受当地气候环境、地域资源、牧民生产生活方式 影响的实际情况，该地区建筑分布较分散，能耗水平 高，导致生态恶化严重。本文针对目前草原牧区建筑 造型简单无地域特色、建筑外围护结构保温隔热性能 差、室内空气质量不良、结构笨重等问题对草原生态 聚落空间进行绿色低能耗生态设计。1

研制背景及意义

内蒙古自治区是中国北疆的天然保护屏障，它以

的地区是农村牧区[1]。所以，国家倡导的新时代生态 文明建设的发展理念将内蒙古自治区草原聚落空间 作为研究对象，立足于草原本土建筑文化与绿色、生 态技术体系的配套研发，维护草原的生态平衡，制定 对草原的保护措施进而降低对其的破坏程度，实现可 再生能源的循环利用。并以绿色集成技术创造的生 产生活环境为牧民提供绿色生态低能耗的居住生产 建筑的同时提高牧民经济水平和牧民居住的适宜性 为最终目的。业内专家曾指出：建筑设计对现代建筑 科学性的应用，对其适应性的要求远远大于技术本身 *

收稿日期：018-05-10;

修回日期：019-01-78

地域辽阔和民风淳朴被人们所周知。该地区草原面 积86万km2 ,草原覆盖率高达72. 7%。但是，牧区人 居环境差，建筑能耗水平高，生态恶化严重。内蒙古 草原上有农牧民约300余万户，内蒙古农村牧区用能 总量约为1 249万吨标准煤，每年累计能耗约为 9. 677亿吨标准煤，单位建筑面积供暖能耗达到了 22. 8 kgee/m2 ,远高于北方城镇14. 6 kgee/m2的水

*基金项目：国家自然科学基金资助顶目（51768049);内蒙古自然科学

基金资助顶目(2018MS05057);内蒙古工业大学科学研究 顶目（X20m0)

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平。发展绿色建筑不仅仅是生态文明建设，更深层次 的意义是在学习、实践科学发展观[3]。从国内外农村 内年平均风速为3.7 m/s，月平均风速在3. 2~4. 3 m/s之间，最大风速值达30 m/s，年中出现大风

一

牧区建设经验发现，绿色技术的应用对于改善人居环 境、降低能耗、缓解生态压力作用明显。因此，如何挖 掘牧区传统居住方式的绿色生态技术优势，充分利用 草原可再生能源，探索适宜的绿色技术措施，构建适 宜草原牧区的绿色聚落空间，提升牧民的居住质量， 成为亟待研究的热点问题。2

草原聚落空间低能耗设计

绿色建筑技术有着它独特的优点，在设计理念方 面它更注重低耗、高效、经济、环保等一系列现实问 题，在一定程度上解决了人与自然、现在与未来之间 的利益共享，这种优势是传统建筑技术无法比拟和超 越的[4]。本设计充分结合地形条件对草原聚落进行 整体设计，通过体型系数节能计算确定符合草原气候 特征并且最节能的草原聚落空间的建筑形体为圆形， 体形系数是指建筑室外接触外表面面积与建筑体积 之间的比值，体形系数越小，说明建筑的体积越大，对 节能越好，同样大小的外表面积的情况下圆柱体的体 型系数要比正方体的小一些，节能效果更突出，所以 建筑体型以圆形为主。建筑南向采光。为了保证建 筑物的通风合理流畅以及达到室内通风良好的状态， 应采取建筑高低错列布置。即前排的一层辅助空间 在后排二层生活空间的背风区，这样通过回旋涡流的 作用可以达到预设目的。同时，采用被动式设计手段 设计阳光间实现节能，生产空间、居住空间和辅助空 间可以自行通风、采光、遮阳、防潮，实现草原聚落空 间的被动节能。利用Rhino建模软件绘制以及后期 使用Photoshop软件进行综合处理得到草原聚落绿色 生态建筑效果图（见图1)以及草原聚落空间建筑设

计平面图(见图2)。

图2草原聚落空间建筑设计平面图

3 能源合理转化利用

3.1 风能的转化利用

在我国内蒙古等地区，地广人稀，蕴藏着丰富的 可利用自然资源，其中风能尤为丰富。内蒙古地区境

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的天数为47天，最多达78天，风能资源丰富。风能 实际上也是一种动能，它的能量形成实际上是由于空 气流动所产生，而且它是一种清洁能源。风能中蕴藏 着巨大的机械能和热能，现阶段，主要是利用其中的 机械能，如由张鹏举等人设计的内蒙古锡林郭勒盟苏 尼特左旗现代化牧业合作社就是利用风力提供电力。 风能内部机械能的利用主要是利用风机进行发电，但 是由于风机发电受风速的制约，造成风能的利用率并 不高，当风速过低时，无法带动风机转动，而当风速过 高时，为了保护风机过载，往往会选择停机，造成大量 的风能浪费;另外，内蒙等草原地区冬季温度较低，需 要供暖，若能有效地收集风能中携带的大量的能量和 风能转化过程中释放的大量热能用于当地建筑内部 供热，则会节省大量的能源。3.2 太阳能的转化利用

太阳能蕴藏着巨大的光能、机械能和热能。为了 更好地吸收热量，提出主动式和被动式两种利用太阳 能的方式，被动式利用太阳能的方式是将建筑内部南 向的公共空间做成阳光间被动式利用太阳能，以自然 热交换的方式使建筑物尽可能多地吸收和储存热量， 以达到冬季采暖和夏季散热的目的。主动式利用太 阳能的方式是将太阳能热水器和太阳能电池板设置 于建筑的屋顶，利用主动式手段吸收太阳能，设总控 开关分别控制热水器、用电器、热交换器、太阳能电池 板、供水阀门、水泵等用电设备。太阳能热水器连接 室内给水管网，在太阳能辐射作用下可将水进行加 热。加热后的水通过预先在建筑内铺设的连通管道 中循环流动，为室内提供热量。这样的设计在寒冷季 节可以有效提高室内的温度，最终实现光能到热能的 转换，也可以将太阳能集热器放置在紧靠居室内浴室 的墙壁之外，为室内提供热水。3.3生物质能的转化利用

生物质能来源广泛且易获得，生活中常见的农作 物秸秆、柴薪、畜禽粪便等都是良好的生物质能载体。 利用生物质能源为室内供暖已经成为了一个热议话 题，因为乡村居民建筑层数较低，体积小且布局分散， 故导致冬季采暖能耗较高[5]。同时，其他供暖方式或 多或少存在着一些缺点与不足。例如：集中供暖的燃

料多为煤炭，虽然煤炭的发热量大，但是煤炭燃烧产 生的有害气体是不可避免的，同时，使用煤炭作为燃 料也会增加经济支出；土暖气利用串联的方式可以为 所有功能空间加热，但是消耗的能源较多；传统被动 式方法中空火墙供热采暖有利于提高室内温度，但是

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施工不严谨会造成室内发霉，排出的一氧化碳危害人 的身体健康。因此，合理利用生物质能取暖已经成为 了节能环保的首选之路。牧区可采用粪砖作为冬季 取暖的燃料，出于经济性和获取便捷性的原因，粪砖 在牧区作为主要的燃料能源具有很大的发展前景。 沼气池也可作为一种能源获取手段运用到设计中。

3. 4水资源的综合利用

水资源是非常珍贵的资源，对水资源进行有效的 合理运用是绿色建筑不可或缺的一部分，草原建筑中 生活饮用水可以直接来自于井水。但是，在组织排水 设计中应注重回收利用雨水雪水。设计时建筑基座 以通过污水处理系统二次利用，提供牧民生产生活中

所需水资源。能源转换系统图如图4所示，能源利用 系统图如图5所示。

应挑出水槽收集雨雪，在直接或间接经过凹槽到达端 口处进行雨水净化后进人室内地板下的水箱并储备 起来，利用建筑给水方式中的设水箱给水方式对其进 行改造，将过滤系统设在水箱给水之后，解决水箱内 的水会造成二次污染的问题，水箱在设计中也可以深 人地基作为承重构件。基座中隐藏的水存储设备、雨 水收集相关设备管道以及其他储存箱能够与太阳能 集热板蓄热系统共同作用，经过加热后的水不仅能提 高室内温度还能为居室提供生活用水。3.5 能源利用系统分析

将风能、太阳能、生物质能利用有效装置连接形 成一个完整系统，互相联系、互相利用但互不干扰，通 过绿色生态技术合理利用自然能源。能源利用体系 图如图3所示。

图3

聚落空间绿色建筑能源利用体系图

风能和太阳能可以为用电设备共同提供电力供 应。将电能储存在蓄电池中，提供牧民生产生活中所 需的电能，太阳能和生物质能共同作为热力供应系 统，通过集热设备蓄热，营造舒适的室内热环境，雨水 和井水共同作为供水系统，井水可以直接饮用，雨水 需要进行有组织排水设置并进行污水处理，废水也可

图5能源利用系统图

4 工作原理及性能分析

为了达到绿色节能的目的，本设计以被动式设计 手法为核心亮点，从草原聚落建筑的形体构成、结构 选型以及室内空间人手，合理布置建筑物的方位与合

理分配资源的利用源系统进行节能设计。

设计被动式阳光间必须要找到它的最佳建造位 置，通过合理分析后发现将其附建在房子南侧是最优 选择，并用隔断将二者分开，阳光间受到太阳照射温 度高于其他区域。因此，阳光间的主要作用是起到缓 冲效果，从而减少房间的热损失，还能为其他房间供 给热量。同时，被动式太阳房构造简单、运输方便、组

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装便捷、造价低廉，这也是被动式阳光间在建筑节能 市场备受青睐的另一个主要原因。

建筑采取热压风压的原理通风，风压作用原理是 由于冷热空气的不均造成一定的压力差，进而使空气 流动，主要是热空气上流、冷空气下流。主要的压力 差产生于迎风面的正压区与被风面的负压区，而气流 就是在二者之间流动。利用风压通风最主要的是形 成“穿堂风”。

同时，本项目在能源利用方面采用绿色生态技术 辅以主动式设计手段，如可再生能源太阳能光伏板、 太阳能集热器、风力发电机、雨水收集系统、新风热交 换系统等的共同作用下实现草原建筑的生态低能耗、 为室内提供舒适的热湿环境和空气质量。实现可持 续的设计理念，达到节能减排的目的。5 结论

(1)本建筑设计中的绿色节能主要通过被动式设 计手法，从草原聚落建筑的形体构成、结构选型以及 室内空间入手，合理布置建筑物的方位。并结合被动 式阳光间、热压风压原理实现建筑节能。同时，利用 绿色生态技术通过主动式手段设计能源利用系统。

()该设计解决了草原地区牧民居住建筑保温隔 热性能差和室内空气质量差等问题，以及结构笨重且 不能灵活的分割空间等问题，提高了牧民生产生活 质量。

(3)本建筑设计以人、自然、建筑协调发展为目(上接第4〇页）

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的，将建筑节能设计理念融入设计中。同时，通过对 传统技术进行改良并结合科学的理论分析应用于草 原聚落空间中，实现节能减排。

(4)内蒙古草原作为中国最大的牧场，它的潜在 使用价值很强，并且也有很大的研究价值。结合近几 年节能生态环保建筑的迅速发展，草原生态聚落合理 的功能区域划分和对自然能源的充分应用等热点问 题的分析，可以得出该设计对提升草原的利用率、解 决草原生态问题起到关键性作用，并且具有较大的推 广应用空间。

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作者简介：谢t庄秀（1996)，女，内蒙古赤峰人，主要从事建筑设计方 面研究工作（109501943@ qq. com)。

通讯作者：许国强（1979)，男，内蒙古赤峰人，硕士，讲师，主要从事 建筑节能的研究工作（98101〇85@ qq. com)。

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作者简介：石峰(1981)，男，湖北人，毕业于华中科技大学，建筑学专 业，博士，副教授，中国建筑学会会员，中国绿色建筑与节能委员会会 员，主要研究方向:建筑节能设计与检测、建筑能耗模拟和风环境模拟 (shifengx@ 126. com)。

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