建筑節(jié)能背景下冀東地區(qū)民居氣候適用性分析

任瑞杰，王思佳

(1 保定市墻體材料革新與建筑節(jié)能辦公室，河北 保定，071051；2 河北科技師范學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院)

民居建筑是人類為了御寒避暑，遮風(fēng)擋雨而建造的最早的建筑形式。在自發(fā)營建的鄉(xiāng)土建筑時(shí)期，為適應(yīng)千差萬別的氣候條件，形成適合人類居住的室內(nèi)微氣候，人們在居住空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造方法上，采取了各種氣候適應(yīng)性策略，民居建筑呈現(xiàn)出豐富的建筑形態(tài)。然而，伴隨著科技的進(jìn)步，依賴建筑設(shè)備來創(chuàng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境成為可能，氣候與建筑的關(guān)聯(lián)逐漸被割裂，導(dǎo)致城市與建筑嚴(yán)重同質(zhì)化，失去了自身的特色，同時(shí)造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染[1]。在發(fā)達(dá)國家，近40%的能源消耗在建筑上，據(jù)專家估算，其中2/3～3/4的能源，可以通過有效的氣候適應(yīng)性措施節(jié)省下來[2]。

成熟的傳統(tǒng)建筑形態(tài)必定有其對環(huán)境的適應(yīng)性。對傳統(tǒng)民居氣候適應(yīng)性進(jìn)行研究，有助于我們繼承傳統(tǒng)民居的寶貴經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)其不足之處，使新建民居朝著節(jié)能、生態(tài)的方向發(fā)展。筆者以冀東地區(qū)民居為研究對象，通過軟件對當(dāng)?shù)貧夂驐l件進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)建筑物理相關(guān)知識加以判斷，得出相應(yīng)的被動式氣候調(diào)節(jié)策略，探求冀東地區(qū)民居氣候適應(yīng)性方面的經(jīng)驗(yàn)和不足，以期對當(dāng)?shù)匦旅窬咏ㄔO(shè)改造和新農(nóng)村規(guī)劃設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 分析軟件和舒適模型選擇

1.1 分析軟件的選擇

在建筑熱環(huán)境分析過程中，需要綜合考慮自然氣候、室內(nèi)熱舒適狀況和建筑設(shè)計(jì)措施等3個(gè)方面，對指定地區(qū)進(jìn)行氣候數(shù)據(jù)分析，生成建筑氣候分析圖。目前，常用的氣候適用性分析軟件有Climate Consultant，Autodesk Ecotect子系統(tǒng)Weather Tool。Climate Consultant軟件是美國洛杉磯加州大學(xué)(UCLA) 開發(fā)的一款氣候研究以及被動式策略有效性分析的軟件，它能夠有效載入美國能源部官網(wǎng)所公布的兩種氣象數(shù)據(jù)類型：CSWDEPW，SWERAEP。SWERAEP數(shù)據(jù)包括2005年中國氣象局氣象信息中心聯(lián)合清華大學(xué)研究并開發(fā)的《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，覆蓋全國270個(gè)地面氣象站，近10年的典型氣象年綜合數(shù)據(jù)[3]。SWERAEPW數(shù)據(jù)是基于太陽能和風(fēng)能資源評價(jià)而開發(fā)的數(shù)據(jù)庫。氣候適用性分析軟件提供豐富的氣候數(shù)據(jù)分析圖表，Climate Consultant中的焓濕圖與Weather Tool分析軟件中的焓濕圖相對比要簡單些，不同年份或者典型月份的之間對比較少，但Climate Consultant軟件對特定區(qū)域氣候條件作了評定后，可以利用焓濕圖來分析被動式設(shè)計(jì)策略的適用性，計(jì)算各項(xiàng)措施的有效程度，Climate Consultant的焓濕圖功能，可以展示出細(xì)微的氣候?qū)傩约捌鋵ㄖ螒B(tài)的影響[4]。因此，筆者在本次研究中選擇Climate Consultant分析冀東地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，并對當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居的氣候適應(yīng)性進(jìn)行解析。

1.2 熱舒適模型的選擇

評價(jià)建筑環(huán)境中人的熱舒適性通常有兩大類模型，即靜態(tài)模型和適應(yīng)性模型。Climate Consultant提供了4種熱舒適模型：①California Energy code comfort Model，2013，②Adaptive comfort model in ASHRAE Standard 55- 2010，③ASHRAE Standard 55 and Current Handbook of Fundamentals Model，④ASHRAE Handbook of Fundamentals Comfort Model up through 2005。其中，前兩種的熱舒適模型屬于靜態(tài)模型，模型①適合封閉的中央空調(diào)環(huán)境[5]，模型②適合于開敞的自然通風(fēng)環(huán)境[6]。模型③中PMV舒適模型設(shè)定了濕度上限，但沒有設(shè)定下限，假定含濕量與熱感覺無關(guān)[7]；模型④中熱舒適模型設(shè)定相對濕度50%時(shí)有效溫度(ET)在20.0～23.3 °C，最大濕球溫度為17.8 °C，最低露點(diǎn)溫度為2.2 °C，衣著熱阻(夏季：0.5 clo，冬季0.9 clo)，人體代謝活動量(M≤1.2 met)，空氣氣流速度v(v夏季≤0.8 m/s，v冬季≤0.15 m/s)，符合人熱濕感覺的綜合性、復(fù)雜性的特征[8]?；谝陨嫌^點(diǎn)，筆者在本次研究中選擇ASHRAE Handbook of Fundamentals Comfort Model up through 2005分析模型。

2 冀東地區(qū)居民氣候適應(yīng)性分析

2.1 冀東地區(qū)氣候分類

根據(jù)不同氣候、資源、自然環(huán)境等特點(diǎn)，參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB13(J)81- 2009[9]，《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(75%)》DB13(J)185- 2015[10]的氣候分區(qū)，將河北省區(qū)域分為I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)共3類。本次研究以冀東地區(qū)為例，選擇的地區(qū)為河北省綠色建筑技術(shù)II類地區(qū)，利用Climate Consultant進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)分析，并根據(jù)分析結(jié)論，選取適合當(dāng)?shù)亟ㄖ谋粍邮讲呗?。但受到EPW數(shù)據(jù)采集限制，最終確定的地點(diǎn)大致為北緯39.43°，東經(jīng)118.88°的區(qū)域，該區(qū)域位于河北省秦皇島市與唐山市的交界處。

2.2 冀東地區(qū)氣候焓濕圖分析

焓濕圖(Psychrometric Chart)的使用是從Olgyay的“生物氣候分析圖”以及Givoni的“建筑氣候設(shè)計(jì)分析圖”發(fā)展而來，綜合人體舒適度和舒適區(qū)間概念，是對建筑環(huán)境綜合氣象參數(shù)而設(shè)計(jì)的一種圖表分析，是Climate Consultant進(jìn)行被動式策略分析的主要依據(jù)。冀東地區(qū)的氣候焓濕圖如圖1所示，橫坐標(biāo)表示干球溫度，縱坐標(biāo)表示絕對濕度以及露點(diǎn)溫度，斜曲線表示相對濕度，斜直線表示濕球溫度。圖中陰影部分四邊形區(qū)域表示在無任何技術(shù)措施下，或者在自然氣候條件下，所能達(dá)到的室內(nèi)熱舒適的區(qū)間或狀態(tài)。利用焓濕圖與舒適區(qū)相結(jié)合，可以表明室外氣候的不舒適程度和氣候特征。舒適區(qū)左方是過冷氣候區(qū)域，右方是過熱區(qū)域，上方是過于潮濕區(qū)域，下方是過于干燥區(qū)域。

圖1 冀東地區(qū)氣候數(shù)據(jù)焓濕圖

選取被動式策略最佳組合(Show Best Set of Design Strategies)，自動去除矛盾的和多余的選項(xiàng)后，得到最適合冀東地區(qū)氣候條件的被動式建筑策略。在不用傳統(tǒng)采暖或制冷系統(tǒng)的前提下，這些策略以最少的措施組合獲得最大化的舒適時(shí)間(表1)[11]。

分析圖1和表1可知，冀東地區(qū)全年僅有8.4%的時(shí)間屬于舒適時(shí)段，且主要集中在春、秋季節(jié)。全年43.9%的時(shí)間需要常規(guī)加熱，必要時(shí)加濕。雖然建筑室內(nèi)得熱的有效時(shí)間為20.6%，但考慮到冀東地區(qū)民居中電器、照明燈具等室內(nèi)熱源并不豐富，依靠室內(nèi)得熱的可能性很小，所以這一選項(xiàng)并不適合冀東地區(qū)。除去“建筑得熱”的選項(xiàng)，需要采暖，必要時(shí)加濕的比例則增長至64.5%。10.8%的時(shí)間需要被動式太陽得熱+高蓄熱。9.2%的時(shí)間需要窗口遮陽。其他適用的各項(xiàng)被動式建筑策略，按照有效時(shí)間的長短，依次排列為：風(fēng)機(jī)加強(qiáng)通風(fēng)(8.4%)，制冷，必要時(shí)除濕(8.3%)，僅除濕(7.9%)，二級蒸發(fā)制冷(2.6%)，防止冷風(fēng)滲透(0.5%)，僅加濕(0.4%)。表1及后面的被動式策略分析主要針對有效時(shí)間比例在1%以上的選項(xiàng)。

表1 冀東地區(qū)民居被動式策略有效時(shí)間比例 %

2.3 冀東地區(qū)民居氣候適用性分析

冀東地區(qū)太陽輻射總量為5 040～6 300 MJ/(m2·年)，屬于太陽能資源很豐富地區(qū)，全年有效日照時(shí)數(shù)在2 500～3 000 h。依據(jù)冀東地區(qū)氣候特點(diǎn)，冬季能被利用的太陽能比較可觀，夏季(6～8月)空氣相對濕度平均在80%上下，清晨時(shí)分(日出之前)室外氣溫接近露點(diǎn)溫度等情況，得到適用于該地區(qū)的氣候設(shè)計(jì)策略。冬季設(shè)計(jì)策略，主要以保溫、防寒為主，最大限度的利用太陽能，做好主動式與被動式太陽能相結(jié)合，此外，注意防風(fēng)和防凍。夏季設(shè)計(jì)策略，主要以自然通風(fēng)為主，注意進(jìn)行隔熱和遮陽設(shè)計(jì)，有效防止太陽輻射，對于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)注意防潮和避免西曬。

冀東地區(qū)典型民居建筑的平面布置如圖2所示。民居南側(cè)開窗面積較大，北側(cè)窗相對面積較小且位置較高，僅滿足采光需要，東西兩側(cè)在建筑布局上不具備開窗的條件。中間設(shè)堂屋，安放灶臺等設(shè)施，兩側(cè)房間南側(cè)設(shè)置火炕，北側(cè)設(shè)置家具。夏季自然通風(fēng)良好，春季和秋季主要依靠建筑室內(nèi)得熱的有效性，冬季由于室外氣溫過低，單純依靠建筑的室內(nèi)得熱，完全無法滿足室內(nèi)的熱舒適需求，需要借助于火炕供暖。冀東地區(qū)的民居屋頂以“屯頂”為主，一方面適當(dāng)減少建筑頂部的空氣容量，起到保溫作用的同時(shí)，節(jié)省建筑材料，另一方面相對平整的屋頂，增加了糧食曬臺的面積，但“屯頂”的設(shè)計(jì)挑檐相對坡頂挑檐尺寸較小。

冀東地區(qū)民居建筑形式能夠最大限度地利用冬季陽光照射，利用典型的高蓄熱材料——土坯搭建火炕采暖，但冷風(fēng)滲透考慮不足，經(jīng)常是在冬季進(jìn)行窗口密封，加掛門簾等措施來彌補(bǔ)，夏季遮陽設(shè)計(jì)考慮不足，隨著傳統(tǒng)上懸窗逐漸改為平開窗和推拉窗，窗口遮陽的作用漸漸消失，需要重新進(jìn)行遮陽設(shè)計(jì)。

3 冀東地區(qū)民居節(jié)能改造策略

3.1 門窗洞口遮陽和密封設(shè)計(jì)

冀東地區(qū)民居，可以通過優(yōu)化透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)來獲取更多的太陽輻射。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)狀民居多采用的是鋁合金或塑鋼窗框配合單層普通玻璃，經(jīng)過長期使用后的窗口扇框之間的密封性大大下降，冬季冷空氣滲透和“熱橋”效應(yīng)嚴(yán)重。建議在窗體材料的選用上，采用斷橋鋁窗框配合雙層Low- E玻璃，將開窗方式由一般的推拉窗改為平開窗。窗洞口兩側(cè)墻體由平行砌筑改為內(nèi)八字砌筑，在不增加窗洞口大小的情況下，獲取更多的太陽輻射。

圖2 冀東地區(qū)民居平面組合形式

對于夏季遮陽設(shè)計(jì)，應(yīng)以窗口的挑屋檐設(shè)計(jì)為主(圖3)，實(shí)現(xiàn)夏季窗口遮陽，冬季日照滿窗的實(shí)際效果，以減少夏季太陽輻射獲得量，增加冬天太陽輻射獲得量。也可以采用高大的落葉喬木來進(jìn)行綠化，但應(yīng)該避開的正前方向，綠植的布局與門窗形成45°的夾角，以避免影響通風(fēng)效果。為增強(qiáng)夏季自然通風(fēng)效果，可以設(shè)置位置較低的空氣進(jìn)氣口，和位置較高的空氣出風(fēng)口。

對于建筑主入口的改造，建議背陽面設(shè)置防風(fēng)門斗，向陽面設(shè)置擴(kuò)大的門斗，充當(dāng)季節(jié)性陽光房，結(jié)合被動式太陽能房設(shè)計(jì)，增加直接受益式的采暖效果，用來減少冬季室內(nèi)的熱損失。另外，在“門斗”設(shè)計(jì)中增加隔音材料，進(jìn)一步優(yōu)化室內(nèi)聲環(huán)境。

圖3 夏季南向窗口遮陽

3.2 墻體保溫、蓄熱設(shè)計(jì)

根據(jù)焓濕圖的分析，被動式太陽能采暖(直接受益式)+高蓄熱策略的效果明顯，可以選用高蓄熱系數(shù)的建筑材料，例如瓷磚、石材或者木地板等，對室內(nèi)的地面、墻面進(jìn)行鋪裝。在春季和秋季，室外氣溫不是太低，室內(nèi)可以借助機(jī)械熱源以及人源熱量就能達(dá)到較為理想的熱舒適狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)方案中，提高良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能，減小在冬季采暖的熱損失，來達(dá)到室內(nèi)的熱舒適條件以及節(jié)能的目的。墻體要注意構(gòu)件間的密封性，應(yīng)盡量的減少氣流的滲入和排出；在分隔墻體的核心層設(shè)計(jì)上，應(yīng)將未絕緣金屬支撐從每隔40 cm增加到60 cm，從而降低熱橋效應(yīng)，減少熱量流失。

3.3 屋頂?shù)孛娓魺?、防潮設(shè)計(jì)

關(guān)于屋頂保溫改進(jìn)策略，軟件建議設(shè)置雙層屋頂且寬度不小于5 cm，利于屋頂間的空氣層間形成保溫層，進(jìn)一步普及天花板(吊頂)的應(yīng)用，并在天花板和屋頂間增設(shè)厚度合理的保溫層，設(shè)置保溫空氣間層的通風(fēng)口，冬季通風(fēng)口保持密閉狀態(tài)，夏季通風(fēng)口保持開敞狀態(tài)。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，冀東地區(qū)7～8月份室內(nèi)除濕的有效明顯增加，需要在制冷的同時(shí)加強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)，降低空氣濕度。結(jié)合夏季要注意地面和屋頂防潮，屋頂處通風(fēng)口應(yīng)設(shè)計(jì)擋雨條，地面要設(shè)置防潮層。鼓勵在民居中用天花板吊扇代替普通的落地電風(fēng)扇，雖然電扇過高不利于夏季室內(nèi)通風(fēng)降溫，軟件分析結(jié)果顯示，處于良好工作狀態(tài)的吊扇可以降低夏季窗口關(guān)閉狀態(tài)下的室內(nèi)氣溫5 °C以上。

4 結(jié)論與討論

節(jié)能建筑設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)，建筑師可以借助于氣象分析軟件快速準(zhǔn)確的把握當(dāng)?shù)貧夂蛱卣?，科學(xué)地提出創(chuàng)造舒適室內(nèi)環(huán)境的設(shè)計(jì)依據(jù)和改善方法。美國綠色建筑協(xié)會(USGBC)建議環(huán)境氣候的分析可以運(yùn)用在方案構(gòu)思的初級階段(Schematic Design)或者既有建筑節(jié)能改造的決策階段。對于軟件分析的結(jié)果建筑師應(yīng)有自己的判斷，一方面是因?yàn)槭澜绺鞯氐臍夂虿町愝^大，Climate Consultant的默認(rèn)設(shè)置主要針對一般性的氣候條件，當(dāng)分析對象城市化發(fā)展程度高時(shí)，建筑師需要特別注意局域微氣候和熱島效應(yīng)對分析結(jié)果的影響。另一方面，Climate Consultant軟件是基于發(fā)達(dá)國家現(xiàn)代化住宅狀況和熱舒適標(biāo)準(zhǔn)，對于我國各地的具體情況來說并不完全適用。因此，要求建筑師需要具備一定的建筑環(huán)境學(xué)基礎(chǔ)知識對軟件分析結(jié)果進(jìn)行辨析。

冀東地區(qū)屬于寒冷地區(qū)，自然舒適時(shí)間短，當(dāng)?shù)孛窬釉陂L期歷史發(fā)展過程中，積累了應(yīng)對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的生存智慧。隨著河北省大力推廣民用建筑節(jié)能措施，傳統(tǒng)民居中能耗較高的建筑形體、構(gòu)造和污染嚴(yán)重的建筑材料被逐漸取代，被動式建筑策略的運(yùn)用結(jié)合新型的環(huán)保材料的運(yùn)用，可以有效緩解冀東地區(qū)冬季保溫與夏季通風(fēng)的矛盾，進(jìn)一步減少建筑冬季采暖的能耗和夏季降溫的能耗，為使用者提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。

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