基于熱舒適改善的陜南鄉(xiāng)村民居被動式建筑設(shè)計策略

趙欽，劉蓬晨，朱軼韻，桑國臣

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

近年，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程不斷加速，能源消耗總量逐年上升。面對有限的資源承載力，推進建筑節(jié)能，實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略勢在必行。目前，城市建筑已執(zhí)行相關(guān)節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，使建筑能耗顯著降低，并且室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量明顯提高。然而，鄉(xiāng)村建筑多為居民自行建造，缺乏科學(xué)設(shè)計，因此，部分建筑存在著如熱工性能差、能耗高、室內(nèi)熱環(huán)境不理想等問題。

鄉(xiāng)村民居建筑在我國整個住宅建筑中占有較大的比例，民居建筑的熱工性能不僅影響建筑運行過程中的能源消耗，而且直接影響到廣大鄉(xiāng)村居民的人居環(huán)境質(zhì)量。鄉(xiāng)村民居的被動式建筑設(shè)計策略研究一直被眾多學(xué)者所重視[4-6]，但已有研究多是普適性的設(shè)計思路和方法，因此與建筑的地域?qū)傩蕴卣鹘Y(jié)合并不密切。

本文以陜南鄉(xiāng)村民居為研究對象，基于實地調(diào)查結(jié)果及熱舒適焓濕圖分析提出適宜性被動式建筑設(shè)計策略，以期為陜南及同類地區(qū)的鄉(xiāng)村民居設(shè)計提供參考。

1 陜南民居及熱環(huán)境現(xiàn)狀

課題組于2013年對陜南民居現(xiàn)狀進行了實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)陜南鄉(xiāng)村地區(qū)現(xiàn)存兩大類民居：傳統(tǒng)生土民居及簡易型磚混民居。圖1、圖2所示分別為漢中市徐望鎮(zhèn)草塘村的傳統(tǒng)生土民居及簡易型磚混民居。

圖1 傳統(tǒng)生土民居

圖2 簡易型磚混民居

目前，村中傳統(tǒng)生土民居僅存少數(shù)，大部分民居為村民自建的簡易型磚混民居。收入水平的提高，使村民向往城市住宅樣式，因而紛紛自建磚混民居取代生土民居。但磚混民居在外觀與城市住宅接近的同時，卻丟棄了傳統(tǒng)民居“冬暖夏涼”、“取材生態(tài)”等地域適應(yīng)性優(yōu)點。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，自建磚混民居的屋頂未設(shè)置保溫層，外墻多為240厚實心粘土磚墻，外窗多為面積較小的木窗，圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)較大，建筑熱工性能差。夏季室內(nèi)濕熱，平均氣溫約在28℃左右，相對濕度為70%～85%；冬季室內(nèi)濕冷，平均氣溫約在7℃左右，相對濕度為60%～80%。陜南地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，由于民居建筑被動式設(shè)計的缺失，建筑整體熱工性能較差，當(dāng)?shù)鼐用裰荒芤蕾囷L(fēng)扇、火爐等設(shè)備以及大量增減衣物，才能維持最基本的熱舒適。

2 被動式建筑設(shè)計手段對熱舒適的影響

自建磚混民居建筑熱工性能差、室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量差，可通過采用被動式建筑設(shè)計策略來改善。若根據(jù)經(jīng)驗對被動式建筑設(shè)計策略進行選擇，容易造成對其實際效果把握不夠準(zhǔn)確，缺乏科學(xué)性與系統(tǒng)性。借助Ecotect軟件中的氣候分析模塊Weather Tool[7]，可以結(jié)合區(qū)域氣候條件，分析被動式建筑設(shè)計策略對熱舒適的影響，從而選擇適宜的被動式建筑設(shè)計策略。

空氣溫度、相對濕度、空氣流速和環(huán)境輻射溫度為影響人體熱舒適的4個環(huán)境因素[8]。Weather Tool中假定平均輻射溫度接近空氣溫度，空氣流速在人體舒適范圍內(nèi)，根據(jù)空氣溫度和相對濕度的組合情況，在焓濕圖上劃定出熱舒適區(qū)域[9]，通過熱舒適區(qū)域面積的大小變化可分析出被動式建筑設(shè)計策略對熱舒適的影響。

2.1 被動式太陽能采暖

被動式太陽能采暖設(shè)計是提高冬季室內(nèi)熱舒適的有效措施，其中直接受益式集熱設(shè)計具有成本低、簡單易行等優(yōu)點，適用于鄉(xiāng)村建筑。直接受益式集熱設(shè)計對室內(nèi)熱舒適度的影響受窗墻比、圍護結(jié)構(gòu)保溫性能、門窗氣密性等多因素影響，其中，南向窗墻比對室內(nèi)熱環(huán)境影響最為顯著。

圖3是南向窗墻比分別為0.2、0.3、0.5時，室內(nèi)熱舒適區(qū)域面積的變化情況。從圖中可以看出，采用被動式太陽能采暖后熱舒適區(qū)域面積有所增加，且窗墻比越大熱舒適區(qū)域面積增大越多，窗墻比為0.5時，熱舒適區(qū)域面積已有明顯增大。

2.2 圍護結(jié)構(gòu)熱工性能

圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能對房屋室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量有很大影響。

通過增強屋頂、外墻、窗戶等圍護結(jié)構(gòu)的保溫性及蓄熱性，夏季可以抵抗室外熱作用，減少熱量進入室內(nèi)，避免室溫過高；冬季可以有效減小房間內(nèi)的熱量損失，提高室內(nèi)溫度。增大圍護結(jié)構(gòu)傳熱阻，可使熱舒適區(qū)域面積明顯增加，如圖4所示。

圖3 南向窗墻比對室內(nèi)熱舒適區(qū)域影響示意圖

圖4 增大傳熱阻對室內(nèi)熱舒適區(qū)域影響示意圖

2.3 自然通風(fēng)

自然通風(fēng)是一種常見的被動式策略，其最大特點是不用消耗機械功，不需消耗能源，而能達到凈化室內(nèi)空氣、降溫、除濕的效果[10]。同時空氣流動可以加快人體的汗液蒸發(fā)及人體與周圍空氣的對流換熱，使人體感覺舒適。根據(jù)我國建筑熱工分區(qū)的劃分，陜南屬于夏熱冬冷地區(qū)，需滿足夏季防熱要求，同時兼顧冬季保溫要求。因而需要注重夏季自然通風(fēng)，以改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量。加強自然通風(fēng)，可使熱舒適區(qū)域面積顯著增大，如圖5所示。

圖5 加強自然通風(fēng)對室內(nèi)熱舒適區(qū)域影響示意圖

3 適宜性被動式建筑設(shè)計策略

考慮陜南地區(qū)的地域特點以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟技術(shù)條件，結(jié)合上述分析，提出如下具體適宜性被動式建筑設(shè)計策略。

3.1 被動式集熱設(shè)計

1)采用合理朝向

太陽輻射為冬季主要自然熱源，在很大程度上影響室內(nèi)溫度，選擇好的朝向可以使建筑物在冬季獲得較多的太陽輻射，提高室內(nèi)溫度，改善室內(nèi)熱環(huán)境狀況。綜合考慮陜南漢中市的氣候條件，選擇正南方向建造民居為較佳朝向，可充分利用太陽輻射。

2)采用合理窗墻比

根據(jù)上文分析，同時考慮《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》以及《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求，采用0.4～0.45的窗墻比，形成南向太陽能直接受益窗。這樣，冬季時陽光通過玻璃照射到室內(nèi)，墻面和地面吸收大部分太陽能并轉(zhuǎn)換成熱量，使室內(nèi)溫度升高。

3.2 改善圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能

1)采用節(jié)能外墻

常見的保溫外墻構(gòu)造做法中，外保溫外墻、內(nèi)保溫外墻、夾芯保溫外墻，屬于復(fù)合節(jié)能墻體，墻體由承重材料和保溫材料共同構(gòu)成[11]。而自保溫外墻屬于單一材料節(jié)能外墻，墻體由既充當(dāng)承重材料又充當(dāng)保溫材料的單一節(jié)能材料構(gòu)成。自保溫外墻與復(fù)合節(jié)能外墻相比，做法相對簡單，砌筑方便，造價較低，適宜在經(jīng)濟相對落后的鄉(xiāng)村地區(qū)推廣使用。自保溫外墻可選用加氣混凝土、泡沫混凝土、多孔磚、蒸壓粉煤灰磚等作為墻體材料，其中蒸壓粉煤灰磚既可利用粉煤灰工業(yè)廢料資源，又具有較高的墻體強度和良好的保溫性能，故選用蒸壓粉煤灰磚作為外墻材料用來改善外墻的熱工性能。

2)采用節(jié)能窗

外窗是圍護結(jié)構(gòu)中熱工性能最薄弱的部位，外窗的能耗約占建筑圍護結(jié)構(gòu)總能耗的40%～50%，改善外窗的熱工性能十分必要。夏季外窗的能耗主要源于太陽輻射得熱；冬季外窗的能耗主要包括玻璃和窗框的傳熱、窗縫的冷風(fēng)滲透[12]。采用節(jié)能外窗可有效降低外窗能耗，改善室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量。節(jié)能外窗常用的玻璃材料有普通中空玻璃、熱反射玻璃及鍍膜玻璃等，常用的窗框材料有木框、塑料框及復(fù)合框等。綜合考慮陜南鄉(xiāng)村地區(qū)的經(jīng)濟條件以及地域特點，選用木框雙層中空玻璃形式的節(jié)能外窗較為合適。但雙層中空玻璃的遮陽系數(shù)較大，而陜南地區(qū)外窗的選擇需要兼顧遮陽和保溫，故可在窗戶內(nèi)側(cè)增設(shè)可調(diào)節(jié)百葉窗，以防夏季過曬。

3)設(shè)置保溫屋面

陜南鄉(xiāng)村民居的屋面形式為坡屋頂，在構(gòu)造層次上基本均未設(shè)置保溫層，僅在木屋架上直接掛瓦作為防水層，其傳熱系數(shù)很大。為加強屋面的保溫性能，應(yīng)該設(shè)置保溫層。常用的保溫材料有EPS板、擠塑聚苯板、膨脹珍珠巖等。針對當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，從生態(tài)節(jié)能角度出發(fā)，在木屋架體系以及單層掛瓦屋面這兩個構(gòu)造層不變的前提下，采用黃泥構(gòu)造的保溫層做法，加入一定厚度的現(xiàn)代城鎮(zhèn)建筑材料擠塑聚苯板，調(diào)整屋面的構(gòu)造層次。更新后的屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小，屋頂?shù)臒峁ば阅艿玫礁纳啤?/p>

3.3 注重自然通風(fēng)

自然通風(fēng)的主要形式包括貫流式通風(fēng)(穿堂風(fēng))、單面通風(fēng)以及中庭通風(fēng)等。

窗戶的開啟方式、位置和面積都對自然通風(fēng)的效果產(chǎn)生影響。對于陜南鄉(xiāng)村地區(qū)，應(yīng)選擇平開窗，同時增大南向窗戶面積，注意窗戶的開啟角度隨風(fēng)向而變化；在熱負荷較大的北向，開小面積高窗。這樣，夏季時可以在室內(nèi)形成穿堂風(fēng)，獲得良好的自然通風(fēng)效果，同時不會對冬季室內(nèi)采暖熱負荷造成太大影響。

4 被動式建筑設(shè)計策略有效性驗證

為驗證上述被動式建筑設(shè)計策略的有效性，采用Ecotect軟件對陜南漢中市徐望鎮(zhèn)草塘村原民居及運用被動式建筑設(shè)計策略的改進民居的室內(nèi)溫度進行模擬。

4.1 模型建立

以圖2所示的當(dāng)?shù)氐湫痛u混民居為例，采用Revit-Architecture[13]軟件建立三維建筑信息模型，該民居包括主臥、次臥、客廳、雜物間等四個區(qū)域，如圖6、圖7所示。

圖6 典型磚混民居建筑信息模型

圖7 模型平面圖

4.2 室溫模擬對比分析

將Revit-Architecture所建模型導(dǎo)入Ecotect中，加載漢中標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)[14]，按照表1所示的不同民居建筑構(gòu)造來修改模型參數(shù)，分別對原民居和改進民居的室內(nèi)溫度進行模擬。

表1 原民居與改進民居建筑構(gòu)造

圖8為兩民居主臥區(qū)域全年典型日的室內(nèi)逐時溫度對比圖。圖8(a)為最熱日不同民居的室內(nèi)逐時溫度對比圖，從圖中可以看出，改進民居全天室內(nèi)溫度波動較小，熱穩(wěn)定性較好，且下午最熱時段內(nèi)(13：00～18：00)改進民居的室內(nèi)溫度低于原民居的室內(nèi)溫度；圖8(b)為最冷日不同民居的室內(nèi)逐時溫度對比圖，從圖中可以看出，改進民居全天的室內(nèi)平均溫度高于原民居，且溫度波動小，熱穩(wěn)定性較好。整體上，相比于原民居，在不額外增加能耗的情況下，改進民居的室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量得到了提高。

圖8 原民居與改進民居典型日室內(nèi)外逐時溫度對比圖

5 結(jié) 論

被動式建筑設(shè)計可以在不使用機械設(shè)備、不消耗能源的情況下，使建筑充分適應(yīng)地域氣候條件，營造出舒適健康的室內(nèi)熱環(huán)境，對于推動人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。本文著眼于占全國住宅建筑比例較大的鄉(xiāng)村民居，以陜南地區(qū)為研究對象，針對陜南漢中鄉(xiāng)村典型磚混民居實地調(diào)查出的建筑熱工性能差、能耗高及室內(nèi)熱環(huán)境差等問題，從利用太陽能采暖、改善圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、加強自然通風(fēng)三個角度出發(fā)，因地制宜，在不造成居民過高經(jīng)濟負擔(dān)的基礎(chǔ)上，提出合理建筑朝向、窗墻比、窗位置、節(jié)能外墻、節(jié)能窗、保溫屋面等一系列被動式建筑設(shè)計策略，并通過模擬分析證明所提策略可以有效提高陜南鄉(xiāng)村民居的室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，對于改善陜南居民的人居環(huán)境質(zhì)量，促進陜南民居建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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