掩土技术应用于新农宅设计的可行性
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摘要：本文首先从掩土住宅的基本理论出发，肯定掩土住宅在生态节能上的巨大研究意义。而后分析了我国农村地区的优势，针对几种典型气候和地形提出了几种适用的建筑形式，并用计算机进行了非掩土与掩土房间的负荷初步模拟分析，为特殊地区新农宅的设计提出一种新思路。
中图分类号：T0201.5
文献标识码：A
文章编号：1008-0422(2010)10-0084-03
1引言
据统计，我国农村目前的民用建筑面积占全国总建筑面积的60％以上，农村建筑耗能占到我国建筑总能耗的20％以上。而且随着人们经济生活水平的日益提高，农村的建筑能耗量还在日益增加。在目前新农村建设的浪潮中，国家提出“节能又节地”的绿色建筑理念，建筑节能工作成为新农村建设中的一项重要任务。但是，除了太阳能、天然气等常规能源利用外，寻求一种全生命周期内生态、绿色的建筑形式也是改善人居环境的重要手段。掩土住宅即其主要形式之一，具有较大的研究及应用价值。
2 掩土建筑概念及发展
掩土住宅源于人类的穴居，最早也是在农村地区发展起来，其后随着现代地上建筑的兴起而逐渐衰落。掩土住宅一般是在平地或是开挖的地基上，用常规方法建造一幢住宅，完成结构以后，屋顶和外墙面积的一半以上用一定厚度的土壤覆盖，其余部分保持外露或向阳的住宅，一般属于半地下式。这种住宅不同于上部有建筑的地下室住宅，除了覆土面，它可能具有多个外露的朝阳面，获得舒适的居住环境，又称“覆土住宅”，它与一般以生土为材的生土建筑有所区别。掩土建筑借助于土壤的热延迟性获得室内稳定的热舒适。
我国有已一些现代掩土建筑的实践，但多是位于城市，以获得生态景观为出发点的公共建筑，例如广州保利世纪绿洲会所和杭州西湖博物馆，人们对于它实际的节能设计和效果关注甚少。掩土住宅的最早研究始于西北地区的生土建筑――窑洞，而且目前对于掩土住宅的创新发展正处于尴尬状态。兰州市“臼塔山庄”是20世纪80年代新型掩土住宅的试点工程，目前在延安枣庄还有新型的绿色窑居示范点。
国外掩土住宅的实践较多，尤其以20世纪70年代的美国覆土住宅为代表。20世纪70年代的石油危机和日益恶化的自然环境使人们重新反思掩土住宅的节能效益。首先在美国，人们为了躲避大城市的恶劣环境，一些居民向郊区迁徙并自建住宅，坡地和洼地地价便宜，一些建筑师从保护环境的意识出发，也推动了掩土住宅的发展。图2是一例美国现代掩土住宅，目前美国还有一些专门从事掩土住宅设计的机构，他们的技术和设计经验相对成熟，值得借鉴。英格兰建筑师罗格・迪恩(Roger Dean)也曾通过覆土的方式进行着生态村落的设计实践。
3地域优势
3.1地理气候
城市里人口密集，随处是不透水下垫面。一般居住区容积率较大，居住空间向高空发展，低密度景观性的掩土公建是城市中可以尝试的形式，而掩土住宅的发展空间还是在市郊和农村地区。
中国是一个多山的国家，山地的面积约占全国陆地面积的1／3，有大约56％的人口生活在山区，那里地广人稀，尤其适合建造坡地式掩土住居。掩土住宅适用于气候恶劣区，比如干冷区或是干热区，我国西北部大部分地区属于大陆性气候。常年气候干燥，夏季炎热冬季寒冷，日温差大，建筑需要具有很好的热稳定性来抵抗温度波动：在华北地区温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥夏季炎热多雨。
3.2生态建材
在我国广大农村地区，生土资源丰富，天然廉价又可以循环使用，给人们提供了一种经济节约的建材，自然且具有可持续性。例如我国黄土高原地区的传统窑洞建筑，主要具有利用生土、就地取材、冬暖夏凉、节约能源、防火隔声、施工简易、造价低廉、文化深厚、保护景观等优势，其生态优势尤为明显。
混凝土结构掩土住宅的建造比一般砖材墙体住宅前期投资要多一些，比如要解决结构强度，屋面墙体防水防潮等问题。但是实践证明，由于大部分维护结构的热保持性好，居住者不必花费太多取暖和制冷费用，后期为居住者节省的能耗开支是非常可观的。
3.3优化的居住模式
新农居建设要关注当地居民的生活居住模式，农村住区要有乡土特色，不能像城市一样规划，目前我国大部分农居还是独宅独院较多，房前屋后能种花养菜的田园式住区。掩土住居有利于充分利用土地资源，可以利用屋顶的覆土进行种植和绿化，营造生态绿色的住区环境。河南陕县的天井院窑居很多被毁的原因是当地政府认为每户窑院的占地面积远远大于地上住户，不符合节约用地的原则，于是推掉窑洞，居民前往地上新建住宅。其实问题主要是窑院屋顶的防水、种植没有做好技术支持，如果能在窑上地面绿化种植，就能节约不少用地。
4可行的建筑形式
住宅掩土形式的选择要注意地域性，根据不同地区的具体情况来设计，气候(包括山区微气候)、地形、日照、通风条件等。具体到地形和气候的综合，可实施的掩土形式大致可以归纳为以下三种类型：
平地掩土。在严寒和寒冷地区，土地资源允许的情况下可以在平缓地块，采取短进深、横向展开的直线型平面。不仅使房间采光良好，而且有利于在冬季接受太阳辐射热量。如图3-a，房屋背阴面覆土，朝阳面有大面积玻璃窗和遮阳构件，夏季阻挡强烈日光，冬季高度角较低的阳光能达到室内深处。室内地坪些许下降也会收到更好的效果。
下沉院落。在我国常年干燥少雨、夏热冬冷的黄土高原地区，下沉式窑洞建筑是一种常见的居住方式。但是，过去的建造方式已经不能满足现代人们对室内居住环境和品质的要求，设计和建造方法均需要革新，如图3-b，每户下沉的院子可以在房间一侧也可以四周被房间围绕，房间朝向庭院采光，可以垂直设置通风管道或是捕风井。地面上规划道路，绿化种植，合理利用土地。
坡地掩土。在丘陵地带，依山顺势建造“梯田状”的掩土农宅也是一种颇具优势的建筑形式。如图3-c所示，结合坡地设计住宅是节省土地资源的一种有效措施，选择适宜的向阳坡面，坡度不宜太大，不仅可以设计划分出很多形式丰富的单元，重要的是能很好地解决传统地下住居解决不了的自然通风、自然采光和视线的问题。
5热负荷分析
地下室建筑一般会有冬暖夏凉的感觉，建筑师海特曾经有一种大胆设想，就是把夏季的热能储存起来留给冬季供暖，相反希望把冬天的冷气能留到夏天来代替空调，这样就可以节省很大一部分能耗。为了验证这种想法，笔者自行设计了一户小农宅，选择不同的气候区用Ecotect Analysis软件对全年用电负荷进行模拟。如图4所示，同一个住宅平面分别为用掩土和非掩土两种构造方案对比模拟，选择西
安、郑州、杭州三个由北而南的代表性城市，用该软件进行全年房间用电负荷分析。两种方案的模拟条件和结果如表1列出。
5.1显著降低冬季采暖负荷
如图4-b、c、d，笔者选择位于寒冷地区的西安、夏热冬冷地区的气候干燥区郑州和气候湿润区杭州三个典型地区分别作为模拟气候区，可以看出三个地区方案二掩土住宅冬季全年负荷相比普通住宅至少减少1／3，土壤可以将夏季的热量储存到冬季，再通过地下房屋的墙壁向室内释放，冬季土层储存冷量待夏季向地下房屋内释放，但是事实上还有很多实际问题要解决，比如土壤的湿度、传热系数，冬季的保温效果也与覆土厚度有关系，一般情况下认为覆土越厚保温效果越好。
5.2多种因素影响夏季制冷
从模拟比较图中可以看出，三个地区掩土住宅的夏季负荷稍有减少，但变化不大，在南方湿热地区有时反而会增加能耗，这当然不能确定掩土法不能夏季隔热，只是针对笔者设计的方案和模拟条件来说效果不明显。掩土建筑的夏季室内舒适度受到很多条件的影响。覆土的厚度是其中比较重要的一个影响因素，如果覆土厚度不够热量的延迟传人室内，在连续高温日照下，传人室内的热量反而不易散去；一些地区的通风问题也对其有影响，比如我国南方湿热地区夏季注重通过自然通风来带走室内热量，从侧面也说明掩土技术的应用具有地域性，此外土壤的导热系数比现代的绝热材料要大26倍，所以做好墙体的隔热层也是必要的。
6结语
由于人们潜意识里对地下住居的偏见，掩土住宅的理念还不能完全被接受，但是不可否认它是一种可持续的独特建筑形式。目前的建筑技术已经能够很好地解决结构、防水、通风和采光等问题，此外还有一些现实问题待于讨论，例如选址、抗震、坡地交通组织等。相信随着技术的发展，一些难题会被解决，掩土生态住宅的发展和推广还需要建筑师更多的努力，设计出全新的掩土作品，未来能够因地制宜地建造，服务于人类居住环境。
当然，笔者并不是提倡所有地区的新农居都变成“掩土形式”，掩土住宅的设计首先因地制宜，考虑到具体的乡情、地情，才能建造出最具特色的生态乡土住宅。其次，结合其他的技术措施一起会收到更好的效果，例如设置阳光问、通风道等。掩土技术是一种地域性兼具广泛应用方法的生态低技术，建筑师要细心发现，才能创造出更加绿色有趣昧的建筑。