嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)宅改造中熱緩沖空間設(shè)置的性能化分析

秦 迪 高鵬昆 劉喃喃

1長(zhǎng)春工程學(xué)院（130000） 2 長(zhǎng)春市長(zhǎng)規(guī)城市建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司（130000）

20 世紀(jì)70 年代，我國(guó)的鄉(xiāng)村開始了“社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)”，21 世紀(jì)伊始，“美麗鄉(xiāng)村建設(shè)”、“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”，成為國(guó)家農(nóng)村工作的重點(diǎn)。2019年2 月《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳關(guān)于開展農(nóng)村住房建設(shè)試點(diǎn)工作的通知》[1]提出，積極推進(jìn)示范性宜居型農(nóng)房建設(shè)，努力到2035 年完成滿足農(nóng)民新生活方式的宜居型農(nóng)房建設(shè)。

1 研究背景

1.1 嚴(yán)寒地區(qū)既有農(nóng)宅的現(xiàn)狀

通過對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，影響農(nóng)宅居住舒適性問題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是房屋保溫性能差，冬季冷風(fēng)滲透嚴(yán)重，農(nóng)民往往通過在南北兩側(cè)加塑料薄膜形成熱緩沖腔體空間，有一定效果，但是熱效率低、易破損，影響村落風(fēng)貌。二是建筑功能不完整，流線不合理，傳統(tǒng)的“三間大瓦房”已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)民的使用要求。

1.2 理論基礎(chǔ)與概念界定

1.2.1 熱緩沖腔體空間的工作原理

“Thermal Buffer Zone”的定義為:在一定地方性氣候條件下，通過使用綠色可再生能源，對(duì)自然環(huán)境要素進(jìn)行充分利用，減輕室外環(huán)境對(duì)室內(nèi)微氣候產(chǎn)生負(fù)面影響的空間。清華大學(xué)宋嘩皓教授曾提出了“建筑氣候緩沖空間”的概念，他認(rèn)為：建筑氣候緩沖空間介于建筑與外界環(huán)境之間，其作用是通過阻隔室內(nèi)與室外空氣的直接接觸來降低外界氣候?qū)χ饕臻g的不利影響，從而達(dá)到在盡量少使用其他能源的前提下保證建筑內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定與舒適的目的。即減少不可再生能源的使用，并加強(qiáng)對(duì)風(fēng)能、太陽能和地?zé)岬染G色可再生能源的開發(fā)與利用。在現(xiàn)有的、代表性的熱緩沖空間中，如陽光間，幕墻表皮空腔也均有體現(xiàn)此技術(shù)特點(diǎn)[2]。

熱緩沖腔體空間與外界氣候之間產(chǎn)生熱交換的原理如下:①熱緩沖空間內(nèi)部的冷、熱媒介將從環(huán)境中所獲得的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化；②空間化的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可增加建筑界面與空氣的接觸面積，從而創(chuàng)造更多的機(jī)會(huì)對(duì)外部氣流進(jìn)行調(diào)節(jié)。熱緩沖空間其實(shí)就充當(dāng)了機(jī)械設(shè)備中換熱器的角色，自然環(huán)境中的可再生能源充當(dāng)了電能的角色，兩者相輔相成構(gòu)成了“自然空調(diào)系統(tǒng)”。熱交換所需的清潔能源來源于建筑所處的特定自然環(huán)境中，像陽光、空氣、水、土壤、植物等均可作為能量來源，這些自然能源可對(duì)熱緩沖空間內(nèi)部空氣進(jìn)行加熱或者降溫處理從而形成建筑保護(hù)屏障，以此來減少外界環(huán)境對(duì)主要空間的直接影響，最終達(dá)到維持室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定與舒適的效果，熱緩沖空間的熱交換示意[3-4]。

1.2.2 動(dòng)態(tài)熱工模擬軟件Dest

文章的模擬研究選擇的是最新的動(dòng)態(tài)熱工模擬軟件DeST2.0 版本。該軟件由清華大學(xué)熱能工程系研發(fā)，通過設(shè)對(duì)太陽輻射、建筑內(nèi)部空間布局、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射、室外大氣及大地等影響因素的設(shè)置，模擬特定區(qū)域內(nèi)的建筑室內(nèi)空間的全年逐時(shí)溫度、濕度變化，以及在各種類型空調(diào)設(shè)備運(yùn)行下的能源消耗等多方面內(nèi)容。該軟件模擬計(jì)算所采用的室外氣象數(shù)據(jù)是基于我國(guó)氣象局對(duì)193 個(gè)城市二十年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬計(jì)算生成，可以真實(shí)反映不同地區(qū)不同月份下的氣候條件，具有很高的仿真度?？煽啃砸呀?jīng)通過理論驗(yàn)證以及國(guó)際公認(rèn)。

1.3 研究?jī)?nèi)容

文章將既有農(nóng)宅的功能補(bǔ)充與熱緩沖腔體空間的加建相結(jié)合，通過動(dòng)態(tài)熱工模擬軟件Dest，檢驗(yàn)不同朝向與尺度的熱緩沖腔體空間布置對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，確定最大效益化的熱緩沖空間布置方式，滿足冬季室內(nèi)熱舒適性，在現(xiàn)有的農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件及生活方式下，為解決既有農(nóng)宅對(duì)新的生活方式的適應(yīng)性改造及居住熱舒適性改善提供思路。

2 既有農(nóng)宅基礎(chǔ)模型建立及分析

既有農(nóng)宅的基礎(chǔ)模型是建立在自然室溫條件下的，自然室溫條件是指當(dāng)建筑物不設(shè)置采暖空調(diào)系統(tǒng)和其他采暖措施時(shí)，在室外氣象條件和室內(nèi)各種發(fā)熱量的共同作用下的室內(nèi)空氣溫度，能夠反映建筑本身性能和各種被動(dòng)熱擾性對(duì)建筑物的影響。最冷日單日自然室溫曲線能夠清晰的表明在最冷日內(nèi)室內(nèi)溫度的動(dòng)態(tài)波動(dòng)情況。

2.1 既有農(nóng)宅建筑基礎(chǔ)模型的基本情況

既有農(nóng)宅建筑基礎(chǔ)模型選擇朝向?yàn)槟媳毕颍_間11.7 m，進(jìn)深8.1 m，建筑高度2.8 m。為避免不同戶型對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果干擾，去除內(nèi)部隔間布置，根據(jù)調(diào)研樣本數(shù)據(jù)，設(shè)置門窗的位置、數(shù)量及尺寸。北向外窗3 扇，寬度1 500 mm，高度1 800 mm；南向外窗共4 扇，其中兩扇尺寸1 800 mm×1 800 mm，兩扇為900 mm×1 800 mm；南向入戶門居中設(shè)置，尺寸為900 mm×2 400 mm。

2.2 基礎(chǔ)模型的參數(shù)設(shè)定

2.2.1 材料參數(shù)

既有農(nóng)宅建筑基礎(chǔ)模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定，材料熱工屬性以《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》為準(zhǔn)，對(duì)外墻、內(nèi)墻、外門、墻體、地面的材料選取代表半數(shù)以上農(nóng)村住宅的現(xiàn)狀。外墻為370 mm 磚墻，內(nèi)外刷20 mm 水泥砂漿；內(nèi)墻為240 mm 磚墻，內(nèi)外刷20 mm 水泥砂漿；6 mm 單玻木框外窗，25 mm 厚單層實(shí)體木質(zhì)門，120 mm 磚地面。

2.2.2 氣候參數(shù)

下面以重慶萬州500 kV長(zhǎng)江大跨越工程為例，對(duì)比分析計(jì)算了6種大跨越導(dǎo)線方案，結(jié)果表明高強(qiáng)度耐熱鋁合金導(dǎo)線方案具有明顯優(yōu)勢(shì)，為今后低海拔地區(qū)500 kV大跨越工程提供參考。

使用吉林省長(zhǎng)春市的CSWD 氣候參數(shù)數(shù)據(jù)。模型設(shè)置為自然通風(fēng)，即將整個(gè)建筑物作為一個(gè)系統(tǒng)，其中每個(gè)房間為一個(gè)區(qū)域，在同一區(qū)域內(nèi)部，假設(shè)空氣充分混合，其空氣參數(shù)一致，各節(jié)點(diǎn)之間通過各種門、窗、縫隙等空氣流通路徑相連，從而形成流體網(wǎng)絡(luò)以便于分析敷設(shè)熱緩沖腔體空間對(duì)建筑的影響。

2.2.3 采暖設(shè)置

文章以自然室溫為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，排除嚴(yán)寒地區(qū)復(fù)雜多樣的采暖方式的影響，將熱緩沖空間同樣設(shè)置為非制冷或采暖的能耗空間，更關(guān)注單純附設(shè)熱緩沖空間時(shí)，室內(nèi)氣溫的變化，已確定熱緩沖空間布置的適宜朝向。

2.3 既有農(nóng)宅基礎(chǔ)模型模擬分析

按照以上基本參數(shù)與設(shè)值要求，使用動(dòng)態(tài)熱工模擬軟件Dest 進(jìn)行對(duì)既有農(nóng)宅建筑基礎(chǔ)模型進(jìn)行分析，觀察隨著時(shí)間變化，農(nóng)宅室溫的狀況。選擇在冬季最冷日即大寒日，進(jìn)行24 h 自然室溫檢測(cè)。通過數(shù)據(jù)整理發(fā)現(xiàn)，最高溫度為-7.89 ℃，出現(xiàn)在下午16 點(diǎn)，從16 點(diǎn)開始溫度逐步下降，最低溫度為-11.88 ℃，在早上8 點(diǎn)出現(xiàn)，早上8 點(diǎn)之后溫度逐步上升（如圖1 所示）。

圖1 既有農(nóng)宅基礎(chǔ)模型的dest 模擬分析

3 基于功能需求的熱緩沖空間設(shè)置

3.1 熱緩沖空間的布置模式分類

以農(nóng)宅的基礎(chǔ)模型為依據(jù)，在農(nóng)宅的東南西北不同方位設(shè)置熱緩沖空間，西向空間定義為A、南向空間定義為B、東向空間定義為C、北向空間定義為D。按照單面式、雙面式半、半包圍式、全包圍式，在農(nóng)宅周邊設(shè)置熱緩沖空間，并拓展15 種附屬空間組合排布模式（如圖2 所示）。

圖2 熱緩沖空間的布置模式分類

3.2 熱緩沖空間設(shè)置的功能性需求

現(xiàn)有嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)宅在功能分區(qū)與流線設(shè)計(jì)上不能滿足居民生活品質(zhì)提升需求。設(shè)置熱緩沖空間，可以對(duì)原有農(nóng)宅在功能上進(jìn)行優(yōu)化。以傳統(tǒng)三開間為例，當(dāng)于南北兩側(cè)布置熱緩沖空間后，原有住房的廚房、餐廳、會(huì)客等功能混雜布局情況會(huì)得以改善。南側(cè)熱緩沖空間可以成為陽光房，作為家庭起居空間，在冬季增加蓄熱；北側(cè)熱緩沖空間東向可以設(shè)計(jì)為餐廳與廚房，西北向可以增設(shè)儲(chǔ)藏空間、室內(nèi)衛(wèi)生間，通過過度空間緩解冬季冷風(fēng)滲透問題，東西兩側(cè)布置熱緩沖空間，可設(shè)置室內(nèi)車庫，解決村民家用轎車、農(nóng)用車輛停車的需求，也可以作為農(nóng)業(yè)儲(chǔ)藏空間、經(jīng)營(yíng)性空間有利于農(nóng)宅內(nèi)部提升生活的需求。如上所述，熱緩沖空間的設(shè)置在建筑功能上為農(nóng)宅的宜居性建設(shè)提供了可能。

3.3 熱緩沖空間設(shè)置方式的性能化分析

通過Dest 軟件對(duì)熱緩沖空間15 種布置方式的進(jìn)行比較，對(duì)比基礎(chǔ)農(nóng)宅的24 h 溫度數(shù)據(jù)，分析不同布置方式對(duì)室內(nèi)溫度的影響情況，尋找最佳的熱緩沖空間布置方案?？梢园凑招阅芑母叩蛣澐譃橐韵氯N模式。

高效性模式可以總結(jié)為溫度對(duì)比原始模式提升10～15 ℃。ABCD 布置模式屬于高效性模式，在熱緩沖空間全包圍布置的情況下，房屋內(nèi)部溫度對(duì)比基礎(chǔ)模型室內(nèi)最冷日自然室溫平均溫度提升10℃以上，溫度提升效果明顯，自然室溫波動(dòng)明顯平緩，熱穩(wěn)定性提高，證明農(nóng)宅外圍設(shè)置熱緩沖空間措施有效可行（如圖3 所示）。

圖3 全包圍模式熱緩沖空間設(shè)置模擬分析比較

雖然此種模式溫度提升明顯，但并不是農(nóng)房升級(jí)的首選。主要是前期投入是比較多的，增設(shè)的熱緩沖空間并不一定完全利用。房屋內(nèi)部溫度仍不能達(dá)到舒適溫度的要求，必須借助輔助熱源或其他改進(jìn)措施。

3.3.2 改善型模式

改善型性模式可以總結(jié)為溫度對(duì)比原始模式提升5～10 ℃。改善型熱緩沖空間布置主要包括兩種模式。一是南北側(cè)同時(shí)排布，如BD 的雙面布置模式，二是在BD 模式基礎(chǔ)上增加?xùn)|廂或西廂的ABD或者CBD 半包圍模式。在南北向門窗位置設(shè)置熱緩沖空間，熱緩沖空間在北向布置能后形成“溫度阻尼區(qū)”，和南側(cè)空間共同作用，有效防止冷空氣入侵及熱量流失。

3.3.3 低效性模式

低效性模式可以總結(jié)為溫度對(duì)比原始模式提升0～5 ℃。低效性熱緩沖空間布置分主要包括三種模式。一是A、B、C、D 單面式布局，其中南廂B 模式、北廂D 模式中溫度變化對(duì)比其他模式波動(dòng)減小，對(duì)室內(nèi)溫度波動(dòng)有一定的改善效果，形成“溫度波動(dòng)緩沖區(qū)”，A、C 模式溫度提升不明顯。二是AC、AD、DC 雙面布局模式，三是ADC、BCD、ABC 半包圍布局模式，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)宅南北兩側(cè)外墻面的熱量損失最大，當(dāng)有一面外墻直接暴露在室外時(shí)，就不能有效提升自然室溫。

4 結(jié)語

綜上，通過模擬發(fā)現(xiàn)，農(nóng)宅中熱緩沖空間的布置對(duì)自然室溫的提升及改善具有正面效果?？梢酝ㄟ^增設(shè)熱緩沖空間，一方面提升優(yōu)化原有農(nóng)房的使用功能，另一方面改善熱環(huán)境，降低采暖能耗，提高居住的舒適度，是在嚴(yán)寒地區(qū)鄉(xiāng)村振興既有農(nóng)村住宅改造中可以推行的技術(shù)手段。