基于Climate Consultant分析的吐魯番民居氣候適應性設計策略研究

李濤，雷振東/LI Tao, LEI Zhendong

氣候是決定建筑設計的重要因素，一個地方的民居建筑往往建立在對當?shù)貧夂蜷L期適應的基礎上，不同地區(qū)的氣候差異造成了各地民居的地域性特征。然而，現(xiàn)代人工環(huán)境使得人類擺脫了自然氣候對建筑的影響，極大地提升了建筑室內環(huán)境的舒適度，卻引發(fā)了能源和環(huán)境的危機以及建筑地域特征的消失。如何在建筑設計中科學地把握氣候因素，建立建筑與氣候的良好適應關系，對于建設行業(yè)的節(jié)能環(huán)保以及地域特色傳承具有重要意義。然而以往的建筑設計往往依靠模糊的經(jīng)驗進行設計策略的選擇，缺乏對氣候因素客觀全面的分析，容易造成設計結果的偏差。氣候分析工具能夠收集特定地區(qū)的氣候信息，通過對大量氣候數(shù)據(jù)的定量分析得出相應的設計策略，為建筑師在設計前期的設計方案提供依據(jù)。本文在對比氣候分析工具的基礎上，采用Climate Consultant對吐魯番地區(qū)的氣候特征及民居的氣候適應性進行了分析，進一步結合當?shù)貍鹘y(tǒng)民居氣候適應經(jīng)驗，提出了適用于該地區(qū)民居建筑的氣候適應性設計策略，以期為當?shù)孛窬拥木G色設計和綠色更新提供指導。

1 氣候分析工具及舒適模型的選擇

1.1 氣候分析工具的比較

氣候分析工具建立在對某個地區(qū)氣象數(shù)據(jù)收集和分析的基礎上，它能夠將室外氣象條件、人體熱舒適要求和建筑設計策略三者聯(lián)系起來，成為了建筑師在設計前期階段制定設計策略的有效工具。目前國際上主流的氣候分析工具主要有Weather tool 和Climate Consultant兩款。Weather tool是由英國square one公司開發(fā)的，目前隸屬于Autodesk公司。Climate Consultant是由美國加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）建筑與城市設計系開發(fā)的。這兩款軟件都可以讀取某個地區(qū)全年8760h的氣象數(shù)據(jù)，并將其以可視化的方式表達出來，以幫助建筑師直觀地理解某地的氣候特征。兩款軟件最重要的功能是：都提供了一種焓濕圖（Psychrometric Chart）的表達方式1）[1]，能夠將室外的氣象因素、人體的熱舒適范圍以及建筑可采用的氣候策略直觀地反映在一張圖表上。由于Climate Consultant包含了15種氣候策略，而Weather tool僅包含了6種，因此選擇更加全面的Climate Consultant進行本文研究。

1.2 舒適模型的選擇

人體的熱舒適和空氣溫度、輻射溫度、空氣流速、衣著、活動量等多種綜合因素相關[2]，在不同標準下會產(chǎn)生不同的舒適范圍。舒適模型選擇是氣候分析的基礎，Climate Consultant提供了4種不同的舒適模型作為標準以供選擇：（1）California Energy Code舒 適 模 型 2013；（2）ASHRAE Standard 55和當前基礎模型手冊；（3）ASHRAE基礎舒適手冊2005；（4）ASHRAE Standard 55-2010的自適應舒適模型。第一個屬于靜態(tài)的舒適模型，舒適范圍只有一個且高低溫度不隨季節(jié)而變化，這個軟件默認的舒適模型所設定的舒適范圍較窄，只能適用于氣候溫和地區(qū)和采用集中空調的建筑類型[3]；第四個舒適模型假定使用者可以通過窗戶開關、衣著自由調節(jié)舒適范圍，其熱響應部分取決于室外氣候，具有最寬的舒適范圍，因此適合自然通風建筑[4]，但是這個舒適模型僅能分析自然通風一項氣候策略；第二個和第三個舒適模型的舒適范圍介于前兩者之間，都設定了冬季和夏季兩個舒適范圍，屬于動態(tài)舒適模型，其中，第二個模型設定了溫度的上下限和濕度的上限，卻沒有設定濕度的下限，即并沒有把濕度過低導致的皮膚、眼球、粘膜干燥等生理現(xiàn)象納入舒適度的考慮[5]，因此本文選擇第三個考慮比較全面的舒適模型進行吐魯番地區(qū)民居的氣候適應性分析。該模型分為冬夏兩個舒適范圍，冬季設定正常著裝，相對濕度50%，有效溫度為20～23.3℃，濕球溫度上限為17.8℃，溫度下限（露點溫度）為2.2℃；夏季設定舒適區(qū)域的溫度范圍相對升高2.8℃2）。

2 基于Climate Consultant的吐魯番氣候條件分析

吐魯番地區(qū)位于我國新疆東部，屬于典型的大陸性干旱氣候，具有太陽輻射強烈，夏季極端干旱炎熱，冬季寒冷，降雨稀少，晝夜溫差大，風砂天多的氣候特征，素以“火洲”著稱。在這種極端特殊的氣候條件下，形成了吐魯番民居逐水而居、密集居住、街巷狹窄、內向封閉、外墻厚重、開窗狹小、注重通風、高棚架、半開敞空間、半地下室、冬室和夏室等一系列典型的地域性特征（圖1），反映出當?shù)貍鹘y(tǒng)民居應對極端氣候的傳統(tǒng)營建智慧[6-7]。

采用Climate Consultant軟件讀取吐魯番地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)（Chinese Standard Weather Data,CSWD）3）[8]，選擇居住建筑生成焓濕圖。選取軟件中被動策略的最佳組合，自動去除矛盾和多余的選項，即得到最適合當?shù)氐?項被動策略（圖2）。從焓濕圖中可以看出：吐魯番當?shù)貧夂驐l件惡劣，全年僅有11.9%的時間屬于舒適時段（約1045h），38.9%的時間需要采暖和加濕，4.0%的時間需要制冷和除濕。適用的被動策略按照有效時間長短依次排序為：（1）采暖且必要時需要加濕（38.9%）；（2）間接蒸發(fā)降溫（25.3%）；（3）窗戶遮陽（14.7%）；（4）室內加熱（14.4%）；（5）被動太陽能采暖+高蓄熱材料（9.0%）；（6）單純加濕（4.0%）；（7）制冷且必要時需要除濕（4.0%）?？紤]到吐魯番當?shù)孛窬咏ㄖ膬炔渴褂秒娖鬏^少，缺少室內用電熱源，因此去掉不符合當?shù)貙嶋H情況的室內加熱選項，采暖策略的有效時間比例上升為48.3%。

各項被動策略各月的有效時間比例如表1所示，可以看出：吐魯番地區(qū)熱舒適時間段主要分布在春秋兩季，冬季的熱舒適情況最差；采暖措施對于冬季尤其是1月和12月有明顯的改善效果；間接蒸發(fā)降溫、窗戶遮陽和空調制冷對夏季有較理想的效果；被動式太陽能采暖結合高蓄熱材料、加濕主要對春秋兩季熱環(huán)境改善明顯。

3 基于Climate Consultant分析的吐魯番民居氣候適應性設計策略

常規(guī)的設計往往依靠建筑師實踐中的個人經(jīng)驗，缺少量化的評價機制，難以形成高效的氣候適應性設計策略組合。采用Climate Consultant不但能夠對特定地區(qū)的氣候數(shù)據(jù)進行準確的分析，生成適用當?shù)氐谋粍硬呗越M合和各項策略的適用時間范圍，還能夠給出了可供選擇的具體設計策略及其重要程度排序，提高設計應對氣候的有效性和準確性。根據(jù)經(jīng)驗判斷，吐魯番地區(qū)居住環(huán)境面對的主要問題是干熱氣候，而通過軟件的分析發(fā)現(xiàn)：冬季的寒冷氣候、全年和晝夜的巨大溫差是該地區(qū)同樣重要的問題，因此在做好夏季防熱設計的同時也需要注意冬季的防寒設計。使用Climate Consultant對吐魯番地區(qū)居住建筑進行分析，形成16條具體的設計策略，序號表達了各策略的優(yōu)先使用程度排序（表2）。將這些設計策略按吐魯番當?shù)孛窬拥募夹g經(jīng)濟性進行分析，去掉一些不適宜當?shù)氐脑O計策略，最終將這些設計策略劃分為：應對干熱氣候、應對寒冷氣候和應對溫度變化3類。

3.1 應對干熱氣候的設計策略

根據(jù)軟件分析，吐魯番全年日太陽輻射總量平均值約為4500Wh/m2，6、7月份平均值最高，日太陽輻射總量在7000Wh/m2以上（圖3），6-8月的平均最高溫度在38℃以上（圖4），然而年平均降水總量卻僅有16.6mm[8]，屬于典型的干熱氣候。蒸發(fā)降溫、遮陽和自然通風是應對干熱氣候需重點考慮的設計策略。

3.1.1 蒸發(fā)降溫

當?shù)貍鹘y(tǒng)民居選址盡可能靠近河流和植物茂盛的環(huán)境中（圖1-1、1-2）。在民居附近和庭院中常常種植花草樹木和設置葡萄架（圖1-7），通過植物的蒸騰作用為空氣加濕和降溫。在建筑的外部空間通常設有澇壩，在提供取水的同時形成蒸發(fā)降溫。此外還可以借鑒國外相似氣候區(qū)的蒸發(fā)降溫技術，中東等干熱地區(qū)常常在捕風窗口附近設置水罐[9]，從窗外進入的空氣經(jīng)過蒸發(fā)水體的加濕和冷卻之后進入建筑內部，對室內空氣降溫（圖5），這種低造價的適宜技術經(jīng)過優(yōu)化后可在吐魯番民居中推廣使用。

3.1.2 遮陽

為了應對強烈的太陽輻射，吐魯番民居中普遍采用了多種形式的遮陽在建筑內外空間中營造了大面積的陰影空間。比如，結合當?shù)鼐用裣矚g室外活動的生活習慣，在庭院和生活空間頂部加上高棚架（圖1-4、1-5），將大部分活動空間遮蔽在陰影之下，形成了“不露天的露臺”以及“無陽光的陽臺”（圖6、7）。然而調研發(fā)現(xiàn)吐魯番當?shù)孛窬又腥鄙俅昂?、百葉等室內遮陽設施，在新民居的設計中應結合使用需求在建筑內設置窗簾、百葉等遮陽設施，與建筑外空間的遮陽形式相結合，共同營造舒適的熱環(huán)境。

1-1密集居住1-4 高棚架1-7 開敞空間1-2逐水而居1-5 無陽光的陽臺1-8 通風墻1-3厚重墻體1-6 葡萄晾房1-9 花格窗

表1 吐魯番地區(qū)適宜的被動策略及各月有效時間比（作者根據(jù)Climate Consultant 6.0數(shù)據(jù)整理分析繪制）

表2 對軟件生成設計策略的分析（作者根據(jù)Climate Consultant 6.0數(shù)據(jù)整理分析繪制）

3 吐魯番的全年日太陽輻射總量

4 吐魯番的全年溫度范圍（3.4 圖片來源：作者采用Climate Consultant 6.0繪制）

5 水罐蒸發(fā)降溫技術原理（圖片來源：作者在參考文獻[10]底圖上分析繪制）

6“不露天的露臺”遮陽和通風原理

7“無陽光的陽臺”遮陽和通風原理（6.7 圖片來源：作者在參考文獻[7]底圖上分析繪制）

8“葡萄晾房”遮陽和通風原理

3.1.3 自然通風

自然通風是應對干熱氣候中的重要手段，在吐魯番當?shù)孛窬又须S處可見對自然通風基本原理的使用。比如，在民居建筑中常常利用門洞形成通風路徑，為交往空間創(chuàng)造舒適的風環(huán)境；建筑的圍護結構大量采用鏤空的磚墻（圖1-8）和花格窗（圖1-9）等形式促進室內外空氣流通；在屋頂上設置的葡萄晾房，避免了陽光直射屋頂，同時利用自然通風帶走屋頂上的熱量，保持居室空間的涼爽（圖8）；民居中將窗戶設置在墻面中較高的位置，增加進風口和出風口的高度差，利用熱壓通風的原理促進自然通風。

3.2 應對寒冷氣候的設計策略

根據(jù)軟件分析，吐魯番地區(qū)冬季最冷月1月的平均最低溫度低于-10oC（圖4），從焓濕圖中可以看出，絕大多數(shù)時間點位于冬季舒適范圍的左端（圖1），遠遠不能到達滿足人體熱舒適的正常范圍。間歇式局部空間采暖、被動式太陽能采暖、利用熱緩沖空間是應對寒冷氣候需重點考慮的設計策略。

3.2.1 間歇式局部空間采暖

由于缺少木材，常規(guī)能源比較缺乏，吐魯番民居的采暖燃料很少，不可能在每間房子設置熱源。通常的做法是：僅在主要的臥室中設置火炕，炕的一邊設置鍋灶，冬季一火兩用。因此主要房間既做廚房也做臥室使用，并且僅在需要時點燃。這種間歇式局部空間的采暖方式，在應對現(xiàn)實條件的基礎上，有效地節(jié)約了資源，改善了室內的熱環(huán)境。在民居更新中應當鼓勵采用這種局部空間和局部時間的采暖方式，并使用新的高效率采暖設施，以提高能效、減少污染。

3.2.2 被動式太陽能采暖

吐魯番地區(qū)屬太陽能資源較豐富地區(qū)[11]，采用被動式太陽能采暖改善冬季熱環(huán)境具有很大優(yōu)勢。在當?shù)孛窬又蟹浅Ｖ匾暯ㄖ某?，主要的居住空間朝南，以利于接受陽光。然而調研發(fā)現(xiàn)當?shù)孛窬幽舷蜷_窗面積較小，對太陽能的利用并不充分。分析認為其主要原因是增加南向開窗面積會導致夏季過多的太陽輻射進入室內，在夏季防熱和冬季得熱之間產(chǎn)生矛盾。因此在吐魯番地區(qū)應結合使用空間合理進行被動式太陽能采暖設計，同時在被動太陽能采暖設計中充分兼顧夏季的防熱處理，在南向太陽房的窗外根據(jù)太陽高度角度計算設置遮陽，使冬季日照能夠穿透而阻擋夏季日照（圖9）。

3.2.3 熱緩沖空間

吐魯番民居以“沙拉依”作為最基本的居住單元，這種居住單元由一明兩暗的3間房構成，中間小兩邊大，兩邊的“米瑪哈那”和“阿西哈那”是主要的生活起居空間，而中間的小房間“代立茲”作為一個獨立性空間，形成了一個從室外向室內過渡時的熱緩沖空間，能夠有效避免了冷風的滲透（圖10），而居室的兩側也常常利用儲藏室等輔助空間作為外側的熱緩沖區(qū)，增加主要居室的熱穩(wěn)定性（圖11）。

3.3 應對溫度變化的設計策略

根據(jù)軟件分析，吐魯番全年最熱月平均最高溫度和最冷月平均最低溫度相差50oC以上（圖4），一天內晝夜溫差也在20oC以上（圖12）。為了適應溫度的波動變化，高熱容材料結合夜間通風、利用地下空間和設置冬夏轉移式的居住空間是應對全年和晝夜溫度變化的設計策略。

3.3.1 高熱容材料結合夜間通風

晝夜溫差在20oC以上的地區(qū)非常適合高熱容的圍護結構材料與夜間通風相結合的策略[12]。吐魯番當?shù)孛窬佣嗖捎煤裰氐纳敛牧辖ㄔ欤敛牧暇哂泻芨叩男顭嵝阅?，白天吸收強烈的太陽輻射能量儲藏起來，在夜間溫度低的時候通過建筑頂部的小窗帶走蓄熱材料的熱量，使其又能夠在新的一天吸收熱量，形成了天然的“空調系統(tǒng)”。

3.3.2 地下空間

地下空間具有良好的熱穩(wěn)定性。根據(jù)軟件分析，吐魯番地下2m和地表0.5m的溫度相差將近5oC（圖13）。當?shù)孛窬又袕V泛地利用地下空間應對溫度變化。在吐魯番形成了一種半地下室的窯洞式居住空間，建筑露出地面1.5m左右，開高窗，即利用了地下空間的恒溫性，也解決了采光和通風問題（圖14）。

3.3.3 轉移式居住空間

由于溫度變化的影響，當?shù)鼐用裥纬闪艘环N隨季節(jié)和晝夜而變化的轉移式居住方式，這種生活習慣也反映在民居空間當中：吐魯番的居室分為夏居室和冬居室，冬居室相對封閉，通常位于建筑中靠中間的位置，需要穿越幾個房間才能到達，具有較好的熱穩(wěn)定性，臨近室內的熱源；夏居室相對開敞，一般布置在北向，避免太陽輻射，房間高大，側墻開高窗，利用自然通風降溫，室內不設置熱源（圖15）。

4 結語

在以往的民居建設和更新中對氣候的考慮往往依靠建筑師模糊的經(jīng)驗判斷，常常造成掛一漏萬和不夠準確的弊端，采用氣候分析工具作為民居建設和更新的輔助手段，能夠客觀、全面和準確地制定適宜當?shù)氐脑O計策略，提升民居建設的科學性。但是當前氣候分析工具中的基本條件設置和軟件自動生成的設計策略均建立在西方國家舒適標準和經(jīng)濟水平的基礎上，不完全適用我國，需要建筑師結合當?shù)貙嶋H情況進行選擇和修正，以保證設計的經(jīng)濟合理。本文采用Climate Consultant分析了吐魯番的氣候數(shù)據(jù)，得出了適宜吐魯番民居的被動策略組合及各項策略適用的時間范圍；并進一步結合對當?shù)貍鹘y(tǒng)民居的分析，從應對夏季干熱、冬季寒冷、溫度變化三個方面提出了適宜吐魯番民居的氣候適應性設計策略，為吐魯番地區(qū)的民居建設與更新提供指導和幫助。□

9 適宜吐魯番太陽房的兩種遮陽形式（8.9 繪制：李濤）

10“代立茲”作為熱緩沖空間

11 儲藏和客房作為熱緩沖空間（6.7.10.11圖片來源：作者在參考文獻[7]底圖上分析繪制）

12 吐魯番地區(qū)的各月晝夜溫度三維分析

13 吐魯番的月平均地溫（12.13圖片來源：作者采用Climate Consultant 6.0繪制）

14 半地下室

15 夏居室和冬居室

注釋

1）焓濕圖建立在維克多·奧爾基亞（Victor Olgyay）和巴克魯·吉沃尼（Baruch Givoni）生物-氣候分析圖（Bio-climatic Chart）研究的基礎上。

2）參見Climate Consultant 6.0幫助文件。

3）本文所使用的吐魯番的氣象數(shù)據(jù)為典型氣象年數(shù)據(jù)，格式為CSWD，來源于中國氣象信息中心與清華大學建筑技術科學系共同開發(fā)的《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，收錄了1971-2003年之間全國270個地面氣象站的實測氣象數(shù)據(jù)。