东北农村的节能住宅设计学士学位.doc

吉 林 农 业 科 技 学 院

学 士 学 位 论 文

论 文 题 目： 东北农村的节能住宅设计

吉林农业科技学院

吉林农业科技学院本科毕业设计（论文）题目
东北农村的节能住宅设计

摘 要
随着全球能源问题的日益严重，建筑节能技术和可持续能源的利用已经成为全世界各个国家住宅发展的趋势。在我国东北地区农村住宅中，普遍存在着维护结构保温性能差、能耗大、室内热舒适差等问题，给农民生活质量的提高和生活环境的改善都草成很大的影响。为了改变这一现状，本文在总结吸取以往研究成果的基础上，根据地区的实际情况，从维护结构保温技术、太阳能利用两个方面对住宅进行总体性和系统性的优化。
本文对我国东北地区农村住宅进行了调查，首先介绍了东北地区农村住宅的能耗现状，并对其进行了分析。然后从采用新型墙体材料、采用保温技术、提高哦啊窗户的热工性能、加强窗户夜间保温和屋面保温方面进行研究，期望能够使围护结构达到理想的保温效果。本文还讨论了太阳能技术在东北地区农村住宅中的应用。
通过调查研究，发现如果寒冷地区农村住宅运用适宜节能措施、并充分利用太阳能资源，可以使寒冷地区农村住宅成为低能耗、高舒适的住宅，并期望论文对寒冷地区新农村住宅建设提供一定的借鉴意义。

关键词：东北地区；农村住宅；节能技术

- I -
东北农村的节能住宅设计
The Subject of Undergraduate Graduation Project
Name: 石占军
Major: 农业建筑环境与能源工程
Tutor: 胡宇祥

Abstract
With the world's growing energy，building energy—saving technology and sustainable energy use in all countries around the world has become a residential development China's cold in the rural residential areas，the prevalence of pool performance envelope insulation．heating cycle length，energy consumption，indoor thermal comfort poor，the peasants to improve the quality of life and living environment have improved a great impact In order to change tile status quo，the paper summed up the lessons in the past on the basis of research results，based on the realities on the ground，from the envelope insulation technology，the use of solar energy for both residential general and systematic optimization
This article investigates Chinese rural residence in cold area first introduced the energy consumption of residence in cold rural area the status quo and analyzed And then using the new wail material．thermal insulation using technology to improve the thermal performance of windows insulation to strengthen the windows at night and look into the issue of roof insulation，building envelope can look forward to achieve the desired effect of the insulation. This article also discussed the solar energy technology in cold regions in rural residence applications.
Through investigation and study found that if rural residence in cold area regions suitable for use of energy—saving measures and make full use of energy resource will enable the rural residence in cod area into the low-power，high comfort of home，paper look forward to the regions of the new housing construction rural residence in cold area to provide a reference significance.

Key Words：Cold Area，Rural Residence，Energy Saving Technology

- V -
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名： 日期： 年 月 日

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涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日
导师签名： 日期： 年 月 日
目 录
摘 要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 新农村建设的开展 1
1.1.2 节约型社会的建设 1
1.1.3 农村住宅节能的潜力 1
1.2 研究的内容、意义和目标 1
1.2.1 研究的内容 1
1.2.2 研究的意义 2
1.2.3 研究的目标 2
1.3 研究方法 2
1.4 具体措施 2
1.5 研究的可行性 2
2 东北农村住宅节能情况调查 3
2.1 东北农村地区概况 3
2.2 农村住宅节能现状调研准备与整理 4
2.2.1 问卷的设计 4
2.2.2 调研结果的收集和整理 4
2.3 调研结果的分析 4
2.3.1 建筑节能现状分析 4
2.3.2 节能方面住户意愿分析 5
2.4 调研报告 6
2.4.1 东北农村住宅的形式与居住现状 6
2.4.2 东北农村住宅在节能方面的问题 6
2.4.3 东北农村建设的问题 7
3 农村住宅节能设计方法 8
3.1 选址与布局 8
3.1.1 选址 8
3.1.2 布局 9
3.2 太阳能技术 9
3.2.1 农村建设中太阳能的利用 9
3.2.2 被动式太阳能技术在农村住宅中的应用 10
3.2.3 太阳能热利用技术在住宅中的应用 10
3.3 围护结构适用节能技术 10
3.3.1 外墙 11
3.3.2 屋顶 11
3.3.3 外窗 12
3.4 总结 13
4 样板房设计 14
4.1 概述 14
4.1.1 设计目标 14
4.1.2 设计要求 14
4.2 设计内容 15
4.2.1 方案设计 15
4.2.2 结构形式与外围护结构多方案比较 19
4.2.3 能源结构的规划 21
4.3 造价及经济分析 21
4.3.1 多方案造价比较 21
4.3.2 经济性分析 22
4.4 总结 23
结 论 24
参 考 文 献 25
致 谢 26

东北农村的节能住宅设计
1 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 新农村建设的开展
2005年10月11日，中国共产党第十六届中央委员会第五次会议提出了“建设社会主义新农村”的重大历史任务，为做好当前和今后一个时期的“农民、农村、农业（三农）”工作指明了方向。
今年全国两会上，刮起了一股“低碳风”。据统计，两会上人大代表、政协委员们提交的与“低碳”有关的议案提案占总量的10%左右，其关注度之高可见一斑。
1.1.2 节约型社会的建设
建设节约型社会，实现可持续发展，是总结现代化建设经验、从我国国情出发而提出的一项重大决策。这是关系到我国经济社会发展和中华民族的兴衰，具有全局性和战略性的重大决策。
1.1.3 农村住宅节能的潜力
建筑使用过程中的能耗在建筑的能耗中占比重最大，包括建筑物的采暖与保暖、热水供应、炊事、照明及建筑电器的消耗，农村住宅建筑在这一比例上所占的比重比城市建筑更高，节能提升空间是比较大的。对这些方面的节能研究非常有必要。因此本论文重点对这几方面的节能研究进行讨论。
1.2 研究的内容、意义和目标
1.2.1 研究的内容
论文研究的内容：首先通过对东北农村地区的居住现状和能耗现状的调研，了解农村居民的居住要求，然后根据当地的经济条件水平，选择适宜的节能技术，进行分析调研，最后运用到农村住宅的设计中。
研究主要通过以下几个方面展开：
1.东北地区农村建设的概况和调研方法、过程和结果——农村住宅节能的主要问题的提出。
2.国内农村实验节能住宅案例分析，吸取相关经验。
3.从规划、建筑单体、新能源利用等角度对农村住宅节能的理论研究。
4.节能住宅样板房设计。
1.2.2 研究的意义
本文对东北地区农村住宅能耗现状进行了调查研究，希望可以找到解决东北地区住宅能耗大，室内热舒适度低的问题。并从围护结构保温隔热技术、太阳能技术、沼气技术三个方面出发，使东北地区农村住宅耗能在总体性和系统性上得到优化。
1.2.3 研究的目标
从保温隔热技术、太阳能技术、沼气技术三个方面对农村已有建筑物进行改造，并在未来农村建筑物建造过程中广为采用，以增强人们的节能意识，提高人们对节能技术使用，改善农村住宅建筑在节能方面的构造。通过本设计希望为新农村建设在节能方面上做出一点贡献。
1.3 研究方法
1.分析东北地区农村住宅能耗现状、影响因素及其原因。
2.综合各种节能办法对住宅建筑进行节能设计或改造。
3.理论与实践相结合。
1.4 具体措施
从住宅建筑的外墙保温、太阳能的利用、沼气利用等方面对农村住宅进行节能设计。
1.5 研究的可行性
随着城市化进程的加快，我国建筑行业面临资源、能源、环境等方面的严重问题。我国农村目前民用建筑面积240亿平方米,占全国总的建筑面积的60%，有9.1亿人生活在农村。农村居住建筑节能更是落后，建筑能耗达到同等气候条件发达国家的5倍以上，所以在降低能耗方面有很大的空间。
太阳能技术，沼气技术方面在国内处于领先水平，但为了更好的把它们加以利用并推广，本论文就这些问题进行了可行性研究，并提出最终设计方案。
2 东北农村住宅节能情况调查
2.1 农村住宅节能现状调研准备与整理
笔者调研的主要对象包括普通村民、村干部以及县规划建设部门人员，其中以农民为调研的主体，尽量调动村民的主观能动性，发挥农民的主体作用。主要的调研方法包括开放式的讨论、问卷调研、入户个体调研三种方式相结合。针对东北农村地区的住宅能耗和节能现状的各个方面进行仔细的调研，同时了解村民对于建筑的节能的认知程度和接受程度，从中总结出东北地区住宅节能所存在的主要问越和解决方案，做到“对症下药”。
在调研的过秤中，我们强调调研与宣传相结合，在进行调研的同时，积极向村民宣传建筑节能的重要性和其中的经济性，提高村民对节能的认知程度和接受程度。
2.1.1 问卷的设计
问卷调研是了解村民生活和能耗情况最为直观的方式，可以很全面的掌握一个地区的整体概况。而入户调研可以选择不同家庭结构和经济水平的居民进行调研，了解更加详细的需求和问题在对调研问卷的设计中.充分考虑到村民的受教育程度和人普遍接受的调研长度，尽量用选择题的形式，尽量做到选项的清晰易懂，避免选项的模糊性，同时将问卷的题目控制在10道题内。
2.1.2 调研结果的收集和整理
调研的对象：农村常住人口
调研方法：采取问卷形式，向4个村发送了 200份问卷，收到有效答卷165份（我们将回答问题数超过2/3的视为有效问卷），有效率为82.5%，占东北地区农村户数的1%左右。
2.2 调研结果的分析
2.2.1 建筑节能现状分析
（1）您家屋顶釆用了什么保温材料？
在所有的问卷中，有近75%的居民屋顶采用了保温材料，而且都采用的是植物的秸秆。可见，与外墙体相比，屋顶还是进行了一定的保温处理，但是由于材料简单和构造方法没有进行改进，所以实际的保温效果还需要改进。
（2）您家住房的墙体采用了保温措施没有？厚度为多少？
通过统计，住房墙体的平均厚度为25.8mm，其中，有58%的家庭的外墙为240mm，20%的为370 mm，各有10%和12%的是低于240mm和高于370 mm的。可见，东北地区住宅的外墙整体来说保温性能是很差的，370 mm的墙体的散热量是240mm墙体的70%，而且有98%的墙体没有采用任何的保温措施，墙体的节能改造是农村地区住宅节能改造的重点。
2.2.2 节能方面住户意愿分析
（1）在适当增加建筑造价的情况下，你愿意选择更加节能的住宅吗？
有62%的居民愿意选择更加节能的建筑，但当回答第2个问题时，很多居民不愿意回答，而做出选择的居民也有72%。的选择是在增加造价10%以下可以接受。可见，有大部分的居民愿意接受节能的住宅，但是不希望增加造价，经济因素起到了很大的制约条件，这就需要设计者在进行节能设计时，尽量采用适宜的低造价技术运用到建筑中。
（2）您在修新房时最为考虑以下哪个方面（请按重要程度排序）？
有83%的居民认为最为重要的是建筑的面积和房间的数量，其次有11%的居民认为是舒适性是最重要的，5%的居民认为是美观，只有1%的居民认为建筑的质量与节能为最重要的。应该说，建筑的节能与建筑的舒适性是有直接关系的，但是舒适性的住宅并不一定是节能的，有些舒适的住宅是以大量消耗资源为代价的。从以上的统计可以看出农民在建房时只是单纯的解决了居住的问题，这与经济发展那水平有直接关系，并没有考虑建筑的质量，特别是建筑的节能。
2.3 调研报告
2.3.1 东北农村住宅在节能方面的问题
1.现状建筑围护结构保温效果差
东北地区多农村住宅的墙体整体厚度不够，且使用的材料保温性能差和屋顶的保温隔热性能差，门窗单薄且不严密，冬季的渗透风严重，导致围护结构保温隔热性能不足。围护结构的节能性是农村住宅节能的关键：
2.冬季采暖的能耗高
冬季采暖耗能是农村住宅在使用过程中最主要的能耗，该地区冬季采暖大部分采用土暖气，燃料为煤和植物秸秆。由于对炕和灶的改造还没完全开展，造成很多村庄的能源的利用率较低，造成了“入小产出”的现象，仍釆用粗犷式的发展模式。很多家庭冬季采暖不仅仅要依靠烧煤，还要大量的燃烧秸秆，燃烧所产生的浓烟直接影响环境，而且在自家院落中需要占用一定的空间来储存这些燃料。所以对于燃料结构的调整能够很好的提高资源的利用率，减少不必要的浪费，同时气态和液态燃料在燃烧中无烟无灰尘，这对于提高农村住宅的室内卫生条件是有利的。
3.所用建筑材料不当、设备落后
粘土砖墙在东北地区仍然在被采用，在笔者调研过程中发现，许多在建的新房仍釆用的是粘土实心砖，保温节能效果差。村民对夯土，草砖等传统材料认同性不高，几乎没有住户愿意自家新建住宅釆用这些材料，曾经在农村中被广泛采用的材料在渐渐消失，却而代之的是钢筋混凝土等大量的城市工业材料，这些材料固然牢固，也有很好的保温性能，但由于造价过高，推广起来仍有一定难度。同时这些材料使用结束以后所产生的建筑垃圾也是对乡村环境的破坏。
2.3.2 东北农村建设的问题
1.土地利用率低
村庄盲目的向外扩张，同时随着人口的死亡或者居民搬到城市居住，造成村庄内部仍有大量的闲置房屋和荒废上地，宅基地内杂草丛生，房屋破烂不堪，不仅仅影响了村容，而且造成了土地的浪费。村庄布局不合理，为了保证自家的住宅不与邻居家的共用东西墙，而在两栋住宅之间仍保留不可利用的小块土地，这种落后的传统思想需要剔除。
2.村庄环境治理不当
村庄将大暈的资金进行一些不实用且并不美观的装饰工程、面子工程，如在村口做雕塑，修假山，利用率低的广场，这造成了资金的浪费的同时，也破坏了农村朴实而自然的环境。村庄内道路崎岖不平，排污系统和绿化系统不完备，垃圾处理不当。
3 农村住宅节能设计方法
对东北地区农村住宅节能设计是建立在对当地的调研与案例分析的基础上，结合农村住宅所普遍存在的问题的基础上展开的，目的是能够做到农村住宅的“节地、节能、节水”。
节能设计并不是简单的将各种节能技术罗列出来，不加考虑的叠加使用，也不是某一项节能技术独立运用，而是要根据原理，从体系上加以整理，减少节能方法的遗漏，为了比较节能技术相互之间在性能上的差异性和相似性，就需要建立整体的、体系化的节能设计方法。而且这些方法应该是在房屋材料的生产和运输、房屋建造过程、以及后来的房屋的运行中均有很好的节能效果的技术。
3.1 选址与布局
3.1.1 选址
中国人自古以来就讲究建筑与自然环境的“天人合一”，将民居作为一个有生命的体系进行研究，将能获得更多的启示，例如背山面水（前塘后山）、背风向阳、山环水抱及地势干爽，都是中国千百年来的经验总结。村庄选址应在不占用少占用耕地的基础上，注意自然环境与人造环境各因素之间的关系。
在农村建设过程中，也会出现一些整体村庄搬迁的现象，在这个过程中所要解决的问题就是村庄选址问题。选址不应该选择在洼地、沟地等中部地势低而周边地势商的区域，冬季的冷空气下沉并且会在低地滞留，形成对建筑物的“霜冻”现象，在这种区域建设住宅，冬季釆暖所产生的能耗较高。同时有条件时，可利用地形特点，巧妙地避开冬季寒风的侵袭。
在东北的山地地区，住宅建筑的选址应该选择在山体的南面，这样在避开北风侵袭的同时，能够利用地势高低错落更多的利用日照，从而达到节省能源的效果。
3.1.2 布局
1.行列式
这种方式在北方的农村中最为常见，在笔者走访的村落中也大部分采用的这种方式，特别是在新建的住宅区域，更加明显。这种方式对于节约土地是有利的，但是这种布局方式单调而缺乏变化，前院后街，村落空间变化少，给人以“兵营”的感觉。缺乏活动与公共活动的空间。
2.自由式
这种方式在很大程度上是村民自发建设所形成的，布局自由无规律，由于各家的宅基地并不是统一的划分，所以基地的自由划分自然就形成了建筑布局的自由。这样的布局方式不利于节约土地，如果建设不当，会造成村落建筑的混乱无序。
3.2 太阳能技术
3.2.1 被动式太阳能技术在农村住宅中的应用
被动式太阳房（或称被动式太阳能采暖系统）的特点是不需要专门的集热器、热交换器、水泵（或风泵）等主动式太阳能采暖系统中所必需的部件，只依靠建筑方位的合理布置，通过窗、墙、屋顶等建筑物体本身构造和材料的热工性能，以自然交换的方式（辐射、对流、传导）使建筑物在冬季尽可能多地吸收和储存热量达到采暖的目的。简而言之，被动式太阳房就是根据当地的气象条件，在基本不添置附加设备的条件下，只在建筑构造和材料上下工夫，使房屋达到一定采暖效果的系统。因此，这种太阳能采暖系统构造简申、造价便宜。[1]
3.2.2 太阳能热利用技术在住宅中的应用
太阳能热水系统是利用太阳能把水加热的装置，是目前实际应用最多、技术最成熟、产业化最高的太阳能热利用系统。太阳能热水系统主要元件包括集热器、储存装置及循环管路三部分，此外，还有辅助的再加热装置如电热器等以供应无日照时使用。
普通太阳能热水系统的原理是利用温室原理，把太阳能转变为热能，并向水传递热量，从而获得热水。具体来说，太阳光透过玻璃进入密封的集热器内，大部分能量被集热器内的黑色吸收体吸收，然后将热量传给冷水，冷水加热后重量变轻，自动流入水箱上部，水箱下部冷水由于密度大而自动流入吸热体继续获得热景，周而复始，水箱内的全部冷水将被加热。当太阳能加热能力不足时，由辅助再热装置补充热量。
太阳能热水辐射采暖的热媒温度为30-60℃的低温热水，这就使利用太阳能作为热源成为可能。按照使用部位不同，可分为太阳能顶棚辐射采暖、太阳能地板辐射采暖等几类。[2]
3.3 围护结构适用节能技术
围护结构是保护房间免受室外低温、高温和风的作用，而供暖系统则可使室内维持一定的温度，围护结构的好与坏对房间的温度有重要影响。围护结构系由结构层、保温层、隔汽层或防水层以及内、外面层所组成。其中结构层和保温层是主要的。结构层通常是密实的材料层，因此具有较大的导热系数，且对水蒸气和空气的渗透性能是不良的。保温层通常釆用低导热性的和水蒸气和空气易透过的材料。可以说围护结构是农村住宅节能的最薄弱的环节，在农村大部分地区的住宅外围护结构的热工性能与国家标准相差甚远。所以，对于农村住宅节能来说，围护结构热工性能的改善是节能关键。
3.3.1 外墙
在建筑外围护结构中，墙体所占比重最大。冬季通过墙体散失的热紐约为建筑总散热量的20%，夏季通过外墙吸收的热量约为建筑总吸热量的35%。因而外墙体的保温设计相当重要。
最为常用的方式就是增加墙体的保温层，保温层根据位置的不同可以分为：内保温、外保温和夹心保温，由于内保温的形式有一定的局限性：
1、由于保温材料位于承重墙体的内侧，所以减少了建筑的室内使用面积。
2、由于保温材料位于内侧，承重墙体的温度较低，当室内湿度较大时，就容易形成结露的现象。而外保温墙体与夹心保温、内保温比较起来，可以避免围护结构的“冷桥”影响，同时可以避免围护结构内部凝水，保护围护结构受到室外气候的不利影响，所以外保温形式得到了广泛的运用和推广。
在农村地区，可以利用当地丰富的植物秸秆材料，制作成植物秸秆的保温层，无论是国外还是国内，这种材料是最为经济，也是最为简易的。利用植物秸秆生产的草板是很好墙体保温材料，植物秸秆的导热系数极低，在外墙附加50mm的草板就能起到很好的保温效果。草板也是一种能呼吸的材料，所以在进行外表面装饰的时候避免采用不透气的水泥砂浆，应该选择有一定空隙率的材料，如：混合型砂浆等。
夹层外墙是另一种有效提高墙体保温效果的做法，即将墙分为承重和保护两部分,其中承重部分的墙体厚度可以为370mm，而保护部分墙体厚度可以采用120mm。中间留60mm〜120mm空隙,可填保温材料，也可做空气层。此种墙体保温性能明显上升，是农村比较适用的一种墙体类型，这种墙体在我国的东北地区已经开始运用。在农村地区，植物秸秆、锯末、谷壳等材料也是很好的保温材料，可以作为夹层墙的填充材料，但是需要注意的是一定要注意材料的防腐，在农作物保温材料暴晒以后，加入防腐、防虫剂。 [3]
3.3.2 屋顶
东北地区的屋顶形式多采用硬山式坡屋顶的形式，比平屋顶更利于节能。东北地区实测与平屋顶相比，室内温度冬天提高了大约3℃-4℃，夏天则降低了4℃-5℃，现状建筑屋顶多为木结构，少有采用保温材料的，外盖普通红瓦或灰瓦，节能效果很差。
1.屋顶保温材料
选择保温性能更好的保温材料，降低屋顶的导热系数。膨胀珍珠岩、矿棉、炉渣等疏松、轻质的材料较传统的草泥好，其中以膨胀珍珠岩的性能最优，其导热系数比草泥低96%，相同厚度提高热阻11倍。而且膨胀珍珠岩的价格也比较低廉，适合在农村地区推广，同时这种材料可以反复利用。在施工过程中可以在屋顶的承重结构上直接铺水泥膨胀珍珠岩的板材，或者是将珍珠岩用塑料袋包装起来以后再铺设在屋面上。
2.改善屋顶的保温构造
农村地区大部分仍采用的是木结构屋顶，在调研发现，很多居民是在木榑上加木望板，再在表面铺设植物秸秆和草泥的保温，再铺设瓦材。这样的屋顶较混凝土屋顶自重轻，易于施工，但传统的做法的保温效果还需改进。所以在继承了传统木结构屋顶的优点基础上，对构造层次进行了改造。采用双层木望板的形式，中间留有空气间层30mm左右，中间可以填充干燥的秸秆末，上层木望板上铺设油毡瓦，这种屋顶较传统的瓦材自重降低了很多。
3.3.3 外窗
外窗部分的热损失占整个建筑能耗的30%，同面积的窗户的热损失是同等面积墙体的9倍，所以外窗的节能设计是建筑节能的一个重要环节。提高外窗的保温性能有以下几种方法：
1. 增加窗户层数
采用双层或单框双坡有条件的居民可以釆用双层玻璃或者单框双层玻璃。
2.贴反射膜和悬挂光学薄膜
一波一膜是指在玻璃窗内侧扇上贴透光率为80%左右的含有氧化锌和氧化锡特殊薄膜，形成“透短反长”的效果，薄膜距离玻璃30mm，保证薄膜与玻璃之间的气密性，形成空气间层，这样可以降低导热系数60%。
3.选择合理的门窗材料
延庆农村地区的窗框多釆用单层木质窗框，部分窗框己经变形和老化，新修住宅多釆用铝合金窗框。从热工性能来看，木和塑料的保温隔热性能要优于刚和普通铝合金，同时价格更加便宜，但是木和塑料的耐久性能较差，通过木窗进行过防腐和防水处理以后，是适合在农村地区使用的。
4.加强气密性
平开窗比推拉窗更利于保证窗的气密性，在北方农村地区，冬季居民会用浆糊和纸来粘窗户的漏缝，这样简单的措施就能减少75%的漏风。而窗缝的冷风渗透占整个窗热损失的1/3-1/2。加强门窗的气密性是加强窗保温性能的最为简单和有效办法，很多可以通过居民自己动手进行施工。
5.窗格和窗洞的设计
过密的窗格在冬季时对阳光有很大的遮挡，所以在窗格的设计中应该合理的考虑开启扇的位置，可以适当的将分散的开启扇进行整合，减少框格的杆件，不仅节约了材料而且能保证最多的阳光进入室内。
3.4 总结
在针对农村地区进行节能设计时，如果不加以正确的引导，将造成巨大的能源与物资的浪费，也会对建筑周边的环境造成巨大的危害。为了能在农村地区达到节能物资、节约能源、保护环境的目的，需要：
1. 尽量形成物质能量的循环体系。
对于建筑全寿命周期内的能源与物质投入以及最后的废料的处理要有全面的估计。
2. 建筑在每个环节都要减少能源的消耗。
从建筑原始材料的收集，材料的加工与生产、建筑的设计与建造、建筑的使用、建筑的销毁这几个环节均要考虑到能源的消耗问题。前两个阶段的关键是建筑材料的选择，一般采用的是就近原则，材料可以在基地附近获得，并且材料不会对周边环境造成影响。第三个阶段主要依靠建筑设计解决，通过设计手法上的措施改善建筑的釆光、通风等一系列的问题。第四阶段应该将建筑设计与区域的产业规划结合起来，以产业带动新能源的运用。
4 样板房设计
4.1 概述
4.1.1 设计目标
通过样板房的设计带动周边节能住宅的推进工作，节能住宅的设计是建立在对于东北当地的实地调研与研究的基础上进行，选择适合东北地区的建筑材料与技术，将这些技术有效的整合起来，并有效降低建筑的造价，让大部分中等收入的农民有能力承担，从而使节能技术的运用落地实处，也改变以往“样板房”只有少数富裕居民才有能力修建的局面，真正起到示范作用。但“样板房”的作用并不是希望所有村民都按照这样的形式及方式进行修建，而是希望村民通过样板房来了解与接受其中的一些技术与材料运用于自宅的建设中，提高村民对于乡土材料以及节能技术的接受程度。
4.1.2 设计要求
从建筑的全寿命周期的角度出发，节能的农村住宅需要满足以下几点要求：
（1）功能适应性
满足农宅的基本生活功能和室外环境性能，应该方便使用、灵活可变、高效率的利用空间。
（2）技术适宜性
在建筑全寿命周期的各个阶段均采用适宜的技术，并要保证居住的安全性和可靠性，并能高效地使用各功能，保证在建筑在全寿命周期内有很好的节能特性。
（3）环境协调性
该部分应该是农村节能住宅的设计的关键，它主要包含：节能、生态、环保等因素：
首先，能源消耗最小原则，减少常规能源的消耗，尽量运用太阳能等可再生能源，在全寿命周期内的各阶段均需采用有效的节能技术；
再者，资源最佳利用原则，建筑全寿命周期中，尽可能减少不可替代资源的耗费，控制可替代和可维持资源的利用强度，保护资源再生所需的环境条件，尤其要注重节地、节水，充分使用可循环、可重复和可再生材料；
然后，环境负载最小原则，在全寿命周期内，减少对环境的破坏，减少建筑垃圾、固体及气体污染物、污水等污染物的产生：
最后，“零损害”原则，指所建筑在建设和使用过程中对修建者、直接使用者或间接使用者来说是无害的，各环节的生产是安全、卫生的，使用环境是舒适健康的。
(4)经济合理性
经济合理性是指用最低的寿命周期成本实现必要的功能，获得丰厚的寿命周期经济效益。所谓寿命周期成本是指整个寿命周期过程中发生的全部费用，包括建设费用、使用维修费用、残值及清理费用等。
4.2 设计内容
在节能住宅设计中，无论是在建筑材料的选择和加工还是具体的构造形式方面均进行了改进，同时结合魏家营村自身的气候条件与自然资源，对该村的能源结构进行了调整，试图使建筑在全寿命周期内的各个环节均能达到节约能源，并将样板房的设计与村庄的整体环境结合起来，减少对村庄环境的不利影响，并试图将建筑纳入到整个村庄的物质循环中去，从而达到很好的示范作用，让村民可以切身感受到节能技术的优越性。
4.2.1 方案设计

图4.-1节能农宅效果图
图片来源：作者自绘
样板房基地面积控制在每户“3分地”左右，即面积在200m2左右，方案的设计充分考虑了村民的使用习惯与经济承受能力，面积控制在160 m2以内，采用两层住宅的形式，既节约了土地也有利于减小建筑的体型系数，院落的面积也大大增加，生活品质提高。建筑形式基本延续了北方农村住宅的特点，采用三开间的平面形式，规整简洁，仍以堂屋作为建筑的中心，增加了卧室的数量，居住的人数可以增加到8人左右，可以满足两代居的要求。庭院内仍考虑到村民的生活习惯的要求，设置了一定面积的家禽畜养和种植区，农用器具仍考虑放罝在院落内，以保证住宅的洁净（见图4-2）

图4-2 样板房一层平面图
图片来源：作者自绘

图4-3 样板房二层平面图
图片来源：作者自绘
在样板房的设计中，针对传统住宅中的诸多不足进行了改进：
1.平面设计上与传统普通住宅户型的改进之处有（见图4-2、图4-3）
（1）加大住宅进深。新的节能住宅进深加大到8.4m，（传统住宅进深为4.5m-5m有利于降低建筑的体型系数。
（2）增加住宅的储藏空间，并将杂物农具与日常用品的储藏空间区分出来。由于储藏等辅助空间设置在建筑北面，可以为主要房间形成“缓冲”层。
（3）加设阳光房。在主要房间的南侧加建阳光房，冬季可以很好的保证房间的舒适性，阳光房顶部和南面均设置可开启扇，有利于夏季通风。
2.在剖面设计方面与传统普通住宅的改进之处有（见图4-4）
（1）适当降低建筑层高，将建筑的层高由原来的3.9m—4.2m降低到2.7m，层高的降低不仅仅节省了造价，而且能有效的减少建筑的散热面积。

图4-4 剖面示意图
图片来源：作者自绘

图4-5 南立面图
图片来源：作者自绘
（2）在房间顶部设置保温吊顶，减少通过屋顶的热损失。
3.在立面设计方面与传统普通住宅的改进之处有（见图4-5）：
（1）屋顶和南向外墙设置平板式太阳能热水器的集热器，与建筑一体化设计。
（2）屋顶高度相错，为阁楼提供采光和通风。
4.2.2 结构形式与外围护结构多方案比较
建筑外围护结构是农村住宅节能的关键，外围护结构决定了建筑所采用的主要材料与施工技术，特别是在经济条件较差的农村地区来说，外围护结构性能的优劣直接关系建筑最后的节能性与居住的舒适性。在节能住宅样板房中，对于外围护结构进行了多方案比较（见表4-1），其中的普通农宅的建设标准是按照上个世纪80、90年代农村住宅的建设标准，也是现在东北农村地区大部分现有住宅的建设标准。方案1是作者这对东北地区现有的自然资源所选用的当地材料所进行的设计。方案2是根据《东北农民住宅建筑节能墙改示范项目管理办法》中推荐使用的新型建筑结构体系中提供的多种建设标准中的最为常见的结构体系，也是政府所大力推广的结构体系。
项目名称
普通农宅
节能住宅方案1
节能住宅方案2
结构形式
砖混结构
轻钢结构
混凝土框架结构
外墙
370mm粘土砖
60mm混合砂浆（石灰，泥土，砂）
+钢丝加固
+450mm草砖
+60mm混合砂浆（石灰、泥土、砂）
10mm水泥砂浆
+190mm粉煤灰空心砖（找平）
+10mm水泥砂浆
+90mm膨胀性聚苯乙烯板
+4mm水泥砂浆+玻璃纤维布
+10mm水泥砂浆
屋顶
木望板+红瓦
保温层采用植物秸秆板，具体构造为：12mm胶木板+18 mm细木工板
+120 mm植物秸秆保温层
+20 mm水泥硬化
+防水油毡瓦5层

保温层采用挤塑型聚苯乙烯板，具体构造为：100mm混凝土圆孔板
+20mm水泥焦渣
+90mm膨胀型聚苯乙烯板
+20mm水泥砂浆
+防水油毡瓦5层
表4-1 各方案结构形式与外围护结构的比较
表格来源：作者自绘

方案1 方案2
4-6 各方案外墙构造图
图片来源：作者自绘

图4-7 各方案屋顶构造层次图
图片来源：作者自绘
从外围护结构的材料来看，方案1所采用的保温技术与材料是根据东北农村地区的材料进行选择和设计的。方案2选用的材料大部分是在城市建筑中运用比较广泛的，且价格比较低廉，是政府进行新农村建设中所推荐的保温材料和技术。
4.2.3 能源结构的规划
在样板房设计中，主要使用的是燃气灶和太阳能热水器作为采暖和炊事的主要燃料。太阳能热水器为浴室提供热水，满足一家人的日常热水需求，日常的炊事依靠燃气灶。冬季釆暖仍依靠燃气灶，采用低温地面辐射供暖的方式供暖，夏季制冷主要依靠自然通风解决。
4.3 经济性分析
方案1比方案2的造价降低很多，主要是由于维护结构所选用的材料与施工的不同。方案1所用的传统乡上材料，通过对材料性能的改善和构造方式的改变，其保温性能与城市中普遍采用的材料所建造的住宅差距不大。综合造价、节能性、建筑寿命和舒适度4个因素综合进行比较，如下表（见表4-3）：
表4-3各方案综合因索比较
表格来源：作者自绘
项目名称
普通农宅
方案2
方案3
节能性
差
好
好
造价

适中
很高
舒适度
差
好
好
耐久性
好
好
很好
从上表中可以发现，普通农宅所采用的粘土砖材料不仅仅造价偏高，