村鎮(zhèn)住宅被動式節(jié)能改造實效分析研究
——以山東濰坊某民居改造實踐為例

■ 李翔宇 LI Xiangyu 徐友璐 XU Youlu 劉昌睿 LIU Changrui 郭 菂 GUO Di

0 引言

隨著我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的快速推進與村鎮(zhèn)整體生活水平的逐步提高，村民對生活品質及居住環(huán)境的要求也隨之提升。由于不同氣候區(qū)室外溫度、太陽輻射強度及局部氣候上會存在一定差異，因而不同熱工分區(qū)內建筑能耗水平及其重要影響參數會有所不同[1]。受地理環(huán)境不同及氣候差異的影響，各地區(qū)建筑熱工環(huán)境設計的標準也不盡相同；無論是房屋的肌理、空間還是材料構造，都呈現(xiàn)出較大的規(guī)律性差異。因此，基于特定的地區(qū)及氣候條件下，進行針對性改造策略的探討才更有意義。

在環(huán)境問題日益突出及國家大力倡導節(jié)能減排綠色發(fā)展的背景下，基數大且總量多的村鎮(zhèn)民居對建筑整體耗能的影響不可忽視。目前，我國村鎮(zhèn)民居多采用空調等設備進行主動調節(jié)[2]；而基于經濟性和實用性考量，村民往往更加傾向于被動式調節(jié)的方式。因此，為提升居民生活品質、緩解村鎮(zhèn)建筑耗能，村鎮(zhèn)民居的低能耗改造尤為必要。本文將結合實例，對村鎮(zhèn)住宅的被動式節(jié)能改造進行實效分析。

1 改造民居區(qū)位及氣候分析

改造項目為山東省濰坊市馬司村的一處民居（圖1），位于環(huán)渤海地區(qū)范圍內。該區(qū)域在我國建筑氣候分區(qū)中橫跨嚴寒地區(qū)及寒冷地區(qū)，夏季主要受太平洋夏威夷低氣壓帶來的濕熱季風影響；其西北方向隔大興安嶺緊鄰蒙古高原及西伯利亞地區(qū)，故冬季風受北方內陸干冷風影響[3]。由于受地理位置與氣候條件的雙重影響，需同時兼顧夏季隔熱通風與冬季保溫防風。

圖1 山東濰坊改造民居區(qū)位及實況

使用氣候分析軟件Climate Consulan，對濰坊市全年溫濕度（圖2、3）進行分析。由溫度指標可知，氣溫在20～25℃范圍內的，全年不超過5 個月，大部分時間超出了人體舒適度范圍；從濕度指標來看，全年有接近一半的時間相對濕度在60%～80%，夏季大部分時間相對濕度則在80%以上。因此，其氣候特點為：夏天炎熱濕潤，冬季寒冷干燥。

圖2 濰坊市全年溫度分析

2 改造前后數據實測及分析

在不同環(huán)境下，人體對于不同氣象指標諸如溫度、濕度及風速等的敏感性并不相同?；诖舜胃脑斓膶嶋H情況及外部環(huán)境，選擇對人體舒適度影響相對較大的溫濕度進行記錄，并將其作為評價室內環(huán)境及舒適度的兩項主要指標。

2.1 測點分布及測量方法

對房屋平面連同院落進行分區(qū)并布置12 個測量點（圖4），覆蓋改造建筑的主屋、側屋以及室外院子的全部區(qū)域。測量儀器擺放于窗戶和門扇中線上距氣候邊界1.5 m 位置處，且測點距地面高度統(tǒng)一為1.5 m，以避免室內外不同點之間垂直方向上的細微差別對結果的干擾。在12 個測點中，1～8 號測點位于主屋內，其中，1～4 號測點靠近北立面，5～8號測點靠近南立面；9～11 號測點位于側屋內，其中，11 號測點所在的旱廁為半室外環(huán)境，12 號測點位于院落中央，反映室外環(huán)境變化并可作對照。

圖3 濰坊市全年濕度分析

圖4 測點平面布局示意圖

根據濰坊市所處熱工分區(qū)及氣候特點，將測量時間劃分為冬夏季和過渡季（春秋兩季），分4 次進行數據記錄。其中，過渡季測量時間選在春秋兩季中間月（4 月和10 月）的中旬，夏季測量時間選最熱月（7 月）中旬，冬季測量時間選最冷月（1月）中旬。每次測量均為逐時記錄，且每次測量布點時間間隔均為3 個月。

2.2 外部氣候環(huán)境分析

在各季節(jié)測量時間段內，逐時記錄室外測點12 每日（按當日14:00至次日14:00 計）的溫濕度，并求均值繪制散點圖（圖5、6）。

由圖5 可知，建筑所處環(huán)境在過渡季的晝夜溫差相對較?。ǎ?℃），全天超過80%的時間均處于人體舒適度范圍(18～25℃)內，整體氣候環(huán)境較為舒適；而在夏季和冬季，室外溫度在很大程度上偏離了人體舒適度范圍，必須要有相應的調節(jié)措施才能保證室內舒適度。

圖5 測點12 的四季溫度散點圖

由圖6 可知，春夏兩季均較干燥，多數時間段濕度在30%±5%范圍內浮動；而秋冬兩季的溫濕度指標相對較高，整體上比春夏兩季潮濕。

圖6 測點12 的四季濕度散點圖

2.3 圍護結構氣密性分析

改造的重點集中于提升房屋圍護結構氣密性及保溫隔熱效果，以保證室內環(huán)境的舒適性。在改造前，由于外圍護結構及屋頂缺少保溫隔熱構造（圖7），氣密性較差且保溫性能不佳，使得層高接近3.6 m 的主屋在寒冷的冬季毫無居住舒適性可言。

圖7 改造前建筑外圍護結構及屋頂構造

由于改造民居位于聯(lián)排式建筑群內，東西立面均與隔壁房屋共用，因此，外圍護結構的改造主要集中于南北立面，具體改造內容包括增加外墻保溫并更換門窗材料以提升門窗氣密性及保溫性能。至于屋頂的改造，則通過室內空間的改造間接實現(xiàn)。在室內增加吊頂，將原有高度遠超3 m 的室內空間降至3 m 以內。這樣，既可以通過新增的吊頂層改善原有坡屋頂氣密性不佳的問題；又增加了一層空氣層保溫，從而提升圍護結構保溫效果。

（1）由改造前后的溫濕度變化（圖8、9）可知：改造前，建筑室內外溫差較小，氣候邊界不明顯。其中，春季氣溫變化最大幅度在3℃左右，整體環(huán)境相對較為舒適；夏季較為炎熱，位于主屋的8 個室內測點溫度均值及極值均超過了人體正常的舒適溫度范圍，室內外溫差極值也始終在4℃范圍內，建筑外圍護結構在調節(jié)室內外溫度方面的作用微乎其微，無法保證室內環(huán)境的舒適度。改造后，建筑外圍護結構氣密性的提升情況在實測數據上得到了直觀反映。以測點8、10 和12 的冬季數據為例，室外溫度（測點12）為7.4℃時，側屋儲藏室（測點10）內溫度為11℃，而主臥（測點8）室內溫度則接近18℃，室內外溫度差值將近10℃，相較于改造前有了明顯提升。

圖8 各測點改造前后四季溫度曲線圖

（2）從曲線的波動幅度來看，在改造前，無論是春季還是夏季，12個測點相互連接形成曲線的波動性較小，說明“室外—半室外—室內”的邊界區(qū)分并沒有對應到數據的變化規(guī)律上，圍護結構的界定作用幾乎可以忽略不計；但是在改造后，曲線的溫濕度分布有了規(guī)律性變化，從側面反映出圍護結構對室內環(huán)境的影響。

（3）從圖9 可以看出，在較為干燥的春夏季，房屋的室內濕度明顯高于室外，尤其是位于北面的1～4號測點，相對濕度接近60%；而同一時刻，室外的相對濕度只有30%左右。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是室內房間單元的劃分不太合理，導致北向房間通風狀況不佳（圖10）。因此在改造時，需對內部單元的分隔重新布置，使房間內通風效果更佳（圖11）。

圖9 各測點改造前后四季濕度曲線圖

圖10 改造前室內環(huán)境檢測

圖11 馬司村被動式低能耗改造方案平面圖

2.4 房屋熱工性能分析

取室外測點12 及室內測點8(主臥)、測點7(客廳)、測點4（主臥儲藏室)各季整點數據，繪制柱狀圖（圖12、13）。

（1）由圖12 可知，房屋改造前，春秋兩季溫度雖處于舒適范圍內，但冬夏兩季環(huán)境溫度超過了體感上限與下限，且房屋無被動式調節(jié)設計，因而測點4、7、8 的溫度均偏離了人體舒適區(qū)；改造后，由于房屋整體熱工性能的變化，夏季室內溫度下降，冬季室內溫度上升，尤其是冬季室內溫度相比改造前平均提升了6℃左右。

圖12 改造前后測點4、7、8、12 溫度分析

（2）由圖13 可知，改造前，由于室內通風狀況不佳，室內空氣相對濕度常年處于55%以上，秋冬季甚至達到80%以上；改造后，主要活動房間基本實現(xiàn)了全年處于相對舒適的濕度范圍內，原本夏季干燥、冬季潮濕且常年密閉不通風的狀況得到了有效改善。

圖13 改造前后測點4、7、8、12 濕度分析

通過以建筑外圍護結構改造為主、室內空間再設計為輔的被動式改造設計，該房屋實現(xiàn)了不同季節(jié)房屋進行被動式調節(jié)的實際效果，尤其是增強了房屋夏季防熱與冬季保溫的熱工性能，從而提升了房屋的居住品質與舒適度，并減少對調節(jié)設備的依賴性，降低能耗。

3 室內舒適度評價

氣候舒適度是指在氣溫、濕度、風速和日照等氣象因子的綜合影響下，人體冷熱感覺的舒適狀態(tài)與適宜程度。對于改造前后室內舒適度的評價，不僅需要有客觀評價的模型及標準，還需要制定合理的體感分級標準，并與對量化指標的計算結果相對應，使其與人體的冷熱經驗產生直接關聯(lián)，從而實現(xiàn)室內舒適度的綜合評價。

3.1 舒適度評價模型

結合此次改造實踐的數據記錄，選取經驗模型中具有代表性且與溫濕度兩項氣候指標直接相關聯(lián)的溫濕指數（Temperature Humidity Index，THI）作為此次舒適度計算及評價的基礎模型。常用的溫濕指數計算公式為：

式中，ITH表示溫濕指數；t表示氣溫；RH表示相對濕度。

基于THI 計算模型，可以直接通過所測得的溫濕度數據計算得出ITH值，并通過季節(jié)錨點法[4]與人體的主觀感知相對應，為客觀氣候指標與人體主觀感受兩者之間建立一個較為合理的比較分析方法，用于室內舒適度的綜合評價。

3.2 改造前后舒適度評價

選取改造前后12 個測點在過渡季及冬夏季12:00 的溫濕度實測數據（表1、2），通過THI 計算模型得到相關數值后，與人體的主觀感受建立科學合理的聯(lián)系?；凇凹竟?jié)錨點法”體感分級的相關理論，按不同時期人們對于冷熱感受的描述，將其劃分為“暑—熱—暖—溫—涼—冷—寒” 7 級體感。實際應用中，不同體感劃分之間的6 個THI 模型分界值如表3 所示，對應參考溫度是指在每種體感等級對應下，只考慮溫度時，相對應的參考范圍。

表1 改造前全年溫濕度實測及ITH 計算

表2 改造后全年溫濕度實測及ITH 計算

表3 季節(jié)錨點法所得體感等級表 單位：℃

由于不同溫度范圍內的濕度波動對人體熱感覺與水鹽代謝的影響并不相同，可以通過相同濕度下的溫度及溫濕指數的計算結果，建立與體感分級之間的聯(lián)系并相互參照，確保結論的合理性。

在改造前后，根據上述7 級體感劃分，對兩位老年住戶的主觀感受進行問卷調研，并與ITH值相比較（表4、5）。結果顯示，老人對改造前后各季節(jié)同時期的主觀感受均產生了變化，尤以夏、秋、冬三季感受明顯。

表4 改造前戶主體感調研與ITH 值對照分析

（1）夏季：改造前，老人對其中6 個主要房間的體感為“暑”；改造后，室內測點1～8 所處房間的體感均在“暖”“熱”范圍內。這一結果與ITH 基本相符。

（2）秋季：改造前，老人對12個測點的體感均為“溫”“涼”；改造后，除室外體感為“溫”外，其他11 個測點的體感均為“暖”，改造效果明顯，與ITH 基本相符。

（3）冬季：改造前，老人對北面及西面所有測點房間體感均為“涼”，室外院落（測點12）為“寒”，僅朝南的臥室（測點6、8）與客廳（測點7）體感為“溫”；改造后，測點12 體感不變，北面及西面其他測點房間體感基本變?yōu)椤皽亍?，測點6～8 的體感變?yōu)椤芭?，室內保溫效果明顯改善。對應ITH值來看，改造后，室內ITH最小值為13.7℃（衛(wèi)生間除外）、最大值為19.1℃，室外ITH值為6.4℃，與老人的實際感受存在細微差別，但基本契合。

由此可見，通過對建筑南北立面增設保溫設計，在室內增加吊頂及屋頂保溫層，以及改變室內隔墻位置等被動式改造措施，可有效改善室內環(huán)境，提升室內居住舒適度。

表5 改造后戶主體感調研與ITH 值對照分析

4 結語

隨著我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的不斷推進，人們的生活水平逐步提升，對居住品質的要求也越來越高——在改善居住質量的同時，亦需遵循低碳環(huán)保的原則。然而，大部分鄉(xiāng)村民居尤其是村民自建房往往會忽視此方面的設計及投入，造成額外成本及建筑耗能的增加。

在本案例中，通過被動式低能耗改造，其房屋外圍護結構的熱工性能尤其是冬季保溫的實際效果明顯增強，整體居住舒適度提升，對同類型民居的改造具有借鑒意義。