基于室內熱環境改善的湘北民居被動式建筑設計策略研究

湯林聲，王志勇，劉　盛，申紀澤

（1. 湖南工業大學 建筑與城鄉規劃學院，湖南 株洲 412007；2. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

基于室內熱環境改善的湘北民居被動式建筑設計策略研究

湯林聲1，王志勇2，劉盛1，申紀澤1

（1. 湖南工業大學 建筑與城鄉規劃學院，湖南 株洲 412007；2. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

通過對湘北地區某鄉村磚混結構民居的圍護結構特點以及室內熱環境狀況進行調研，發現該類建筑存在圍護結構熱工性能差、建筑能耗高、室內熱環境質量低等問題。針對上述問題，結合夏熱冬冷地區的地域氣候特點，提出了合理選擇建筑朝向、改善圍護結構熱工性能、控制窗墻比以及自然通風等適應性的被動式建筑設計優化方案，利用Ecotect軟件分析了上述優化策略對室內熱環境改善的影響。通過正交試驗方法設計試驗方案，并計算分析了9組方案在全年典型日的PMV值，得到湘北民居最優設計方案。

湘北地區；民居；熱環境；被動式建筑；PMV

0　引言

我國地域遼闊，現有鄉村民居的建筑面積約300億m2，是城市住宅建筑面積的3倍。我國鄉村地區的民居建筑大多缺乏科學的設計，絕大部分建筑存在著圍護結構熱工性能差、建筑能耗高、室內熱環境質量低等問題［1-3］。特別是夏熱冬冷地區，夏季悶熱，冬季濕冷，室內熱舒適性極差［4］。在全球生態化、可持續發展的大背景下，隨著我國農村經濟水平的發展、人們生活水平的提高以及新農村建設的普及和深入，如何合理、科學地設計并建造出滿足農民居住需求的農村住宅，是目前可持續建筑設計領域中的一個重要課題。相對于城市，農村經濟仍不發達，農村住宅設計的工作重點應該盡量利用被動式技術，減少能源消耗和能源需求的增加。被動式技術的運用決定于良好的設計，而目前大部分農村住宅的設計粗糙，缺乏對基于氣候條件的被動式技術的科學理解和利用［5］。

本文針對湘北民居的圍護結構形式、特點以及其熱工性能展開實地調研，根據調查結果和對熱舒適焓濕圖、全年熱舒適百分比的分析，結合軟件模擬手段、正交試驗方法對每組方案在全年典型日的預測平均投票數（predicted mean vote，PMV）值進行計算分析，優選出湘北民居適應性的被動式建筑設計策略。

1　湘北民居建筑結構及熱工特點

對湘北地區農村民居建筑進行實地調研后發現，以往傳統民居主要采用以當地黏土所制成的土胚磚以及當地所產的木材作為建筑的砌筑材料，結構形式多為磚木結構、木結構。如今，隨著農民收入的提高，農村紛紛效仿城市住宅樣式，逐漸以自建磚混民居取代較為生態以及具有地域特點的傳統磚木結構及木結構民居。以湖南省株洲市大沖村為例，該村的簡易磚混民居在數量上遠超過另外2種傳統結構形式的民居。

在熱工方面，由于該類磚混結構民居在建造過程中幾乎未考慮建筑節能設計，建筑的圍護結構缺少有效的保溫構造，材料的傳熱系數大，熱工性能較差，往往達不到保溫隔熱的效果。表1為株洲市大沖村典型的磚混結構民居圍護結構的構造方式。此外，該類建筑往往由于窗墻比的控制以及窗戶的位置、高度設置不當，使得室內空氣流通性較差、室內空氣品質較低，嚴重影響居住環境質量。湘北地區屬于典型的夏熱冬冷地區。調研發現：該類民居夏季室內濕熱，平均溫度為30 ℃左右，相對濕度為75%～90%；冬季平均溫度為2 ℃左右，相對濕度為60%～80%，并且室內自然通風效果不佳，居民往往有明顯的濕冷感。由于該類建筑缺少適應性的被動式建筑設計，導致建筑整體熱工性能較差，居民往往只能依靠高能耗的空調、其他取暖設備以及增減衣物來維持最基本的熱舒適性。

表1　簡易磚混結構民居建筑構造Table 1　Construction of simply brick concrete house

2　湘北民居被動式建筑設計策略

被動式建筑技術是在建筑設計中通過對建筑朝向的合理布置、遮陽的設置、建筑圍護結構的保溫隔熱處理、有利于自然通風的建筑開口設計等，實現建筑的采暖、通風等舒適性居住需求，并降低能耗［6］。磚混結構民居采用適宜性的被動式建筑設計策略，可以有效地解決該類建筑熱工性能差、室內熱環境質量低等問題。本文使用Ecotect的子軟件Weather Tool，并結合當地氣象數據，分析各種被動式建筑設計策略對室內熱舒適以及全年熱舒適百分比的影響。

2.1建筑朝向的布置

太陽輻射是影響室內溫度的重要因素。在夏熱冬冷地區，需要同時考慮建筑的夏季防熱與冬季保暖要求，因此在該類地區進行被動式建筑設計時，選擇一個最佳的建筑朝向很關鍵。所謂最佳建筑朝向就是考慮過冷的時期內得到的太陽輻射較多，而在過熱的時期內得到的太陽輻射較少，二者權衡折中后所得到的一個朝向［7］。利用Ecotect中的Weather Tool工具分析發現，在株洲市大沖村選擇南偏東10°即170°的方向建造民居為最佳朝向，這樣在冬季可獲得較多的太陽輻射，提高室內溫度，改善室內熱環境狀況。

2.2窗墻比的控制

窗墻比是建筑熱工設計中常用的一個指標。窗墻比的大小對建筑的能耗和室內舒適度等因素有著重要的影響，合適的窗墻比可以有效利用太陽能，對于減少建筑采暖空調能耗具有重要的作用［7］。圖1所示為某磚混民居南向窗墻比分別為0.2， 0.3， 0.5時，室內熱舒適區域面積的變化情況。圖中空白線框區域表示原有熱舒適區域，陰影線框區域則表示增加的熱舒適區域。

圖1　不同窗墻比時的室內熱舒適區域變化Fig. 1　Indoor thermal comfort zone variation at different window wall ratio

從圖中可以看出，隨著窗墻比的提高，熱舒適區域面積相應增加，當窗墻比達到0.5時，熱舒適區域增大明顯，說明室內熱環境質量已得到明顯改善。在夏熱冬冷地區，人們無論是在過渡季節還是冬、夏兩季，往往有開窗通風的習慣。研究發現，結合JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》［8］的要求，建議對該民居建筑增加南向開窗面積，將南向窗墻比控制在0.4左右，有利于在冬季獲得更多的太陽輻射；同時減小北向開窗面積，將北向窗墻比控制在0.1左右，并將北向窗設置為高窗，以在室內形成穿堂風，達到夏季加強室內通風、帶走室內余熱和積蓄冷量的目的。

2.3圍護結構保溫隔熱處理

建筑圍護結構的熱工性能對室內熱舒適度有較大影響。在夏季，通過增加墻體、屋面、地面等實體結構的隔熱性與蓄熱性，可以有效地阻止室外熱量進入室內并降低室外溫度的波動對室內溫度的影響［9］，避免室內溫度過高；在冬季，可以有效地減少室內熱量的損失，維持室內溫度相對恒定。圖2所示為采用高熱容圍護結構對室內全年熱舒適百分比的影響。圖中黑色柱狀條表示室內原有全年熱舒適百分比，灰色柱狀條則表示采用高熱容圍護結構后室內全年熱舒適百分比。

圖2　采用高熱容圍護結構后室內熱舒適百分比的變化Fig. 2　The percentage variation of indoor thermal comfort after using high thermal mass retaining structure

從圖中可看出，在采用高熱容圍護結構后，室內全年熱舒適百分比較采用之前有明顯增加。針對夏熱冬冷地區該類民居而言，可以采用如下圍護結構的熱工性能優化策略。

1）采用節能型圍護結構材料。外墻保溫構造方法主要有：外保溫外墻、內保溫外墻、夾芯保溫外墻以及自保溫外墻4種［10］。前三者屬于復合保溫體系，墻體由承重材料與保溫材料共同構成。相比之下，自保溫墻體其本身承重材料就屬于節能型材料，在滿足保溫要求的情況下，不需要再額外附加保溫材料，并且較復合保溫外墻的構造方法相對簡單，砌筑更加方便，造價也更為低廉，對經濟水平相對較低的鄉村地區較為適用。常見的自保溫墻體材料有泡沫混凝土、加氣混凝土、膨脹蛭石混凝土、爐渣蒸壓磚等。

2）采用節能窗。通常情況下，建筑外窗所采用的材料傳熱阻較小，再加上外窗窗縫中空氣的對流傳熱，使得外窗成為建筑外圍護結構中傳熱最為敏感的部位。在冬季，外窗的傳熱能耗加上其空氣滲透能耗，可以占到建筑總能耗的一半甚至更多。因此，采取節能型外窗以改善外窗的熱工性能、提高室內熱環境質量顯得十分重要［3］。節能外窗的玻璃材料較常見的有普通雙層真空玻璃、單層鍍膜玻璃、高強度雙層Low-E防火玻璃等；常見節能外窗的窗框材料主要有木窗框、塑料窗框、鋁木復合窗框等。對湘北鄉村地區的經濟狀況以及地域氣候條件綜合考慮后，節能型外窗框，采用導熱系數較低的木窗框較為合適。而對于玻璃材料的選擇，應進一步考慮建筑所在場所的環境因素，通過模擬試驗分析后進行優選。

3）增加屋面保溫隔熱構造。近年來，湘北地區民居屋頂樣式多為平屋頂，屋面構造是直接在鋼筋混凝土結構層上刷防水砂漿進行防水，其傳熱系數較大，除此之外再未設置任何形式的保溫層與隔熱層。為了加強屋面的熱工性能以及改善室內的熱環境，在屋面上增設保溫隔熱構造十分必要。在屋頂保溫方面，常用的保溫材料有4，5-環氧四氫鄰苯二甲酸二異辛酯（4，5-epoxyte-trahydrophthalic acid di-（2-ethylhexyl）ester， EPS）板、多孔聚苯乙烯（expanded polystyrene， XPS）、膨脹珍珠巖等，其保溫性能與保溫材料的厚度成正比［11］。在進行屋面隔熱處理過程中，可在屋面上增設空氣間層來達到隔熱以及加強屋面的通風降溫效果。

2.4強化自然通風

在夏熱冬冷地區，夏季溫度高，相對濕度大，人們在室內往往有悶熱感。加強建筑自然通風可以在不產生任何機械能耗的情況下改善室內熱環境，達到凈化室內空氣、自然蒸發降溫的效果，是一種有效的被動式設計策略。此外，空氣流動也增加了人體與周圍空氣的對流換熱量，以及人體的汗液蒸發量，從而提高人的體熱舒適度［7］。加強建筑的自然通風后，室內全年熱舒適百分比也會相應增加，熱舒適百分比變化如圖3所示。

圖3　加強自然通風后室內熱舒適百分比的變化Fig. 3　The percentage variation of indoor thermal comfort after reinforcing natural ventilate

3　湘北民居被動式建筑設計策略優選及可行性驗證

3.1民居模型建立

在Ecotec軟件中導入株洲市氣象數據，并按照表1中的構造方式構建出如圖4所示的磚混結構民居模型。

圖4　 磚混結構民居建筑模型Fig. 4　The model of brick concrete structure residence

3.2正交試驗設計

對建筑圍護結構進行合理的優化設計是改善室內熱環境的主要策略，而圍護結構所采用的材料及厚度是影響室內熱環境的關鍵因素［12］。因此，引入正交試驗方法［4］對影響室內熱環境的各個關鍵因素進行組合分析，尋找最優組合方案。選取建筑墻體材料、屋面保溫材料、保溫材料厚度、窗玻璃材料作為正交試驗的4個關鍵因子，并分別對每個因子水平進行確定，表2為正交因子水平表。正交試驗選用磚混結構民居模型作為分析對象，并根據表3中9組試驗方案以及上述被動式建筑設計優化策略來調整模型參數。

表2　正交因子水平表Table 2　Orthogonal factor standard table

表3　L9（34）正交試驗表Table 3　L9（34） orthogonal experimental table

3.3熱工環境模擬及熱舒適對比分析

為客觀分析每組試驗方案對室內熱環境的影響，以優選出最佳試驗方案，本文將采用預測平均投票數（predicted mean vote， PMV）指標，對比分析該地冬至日和夏至日原民居和分別采用各組試驗方案后的民居全天室內熱舒適性。

3.3.1PMV指標相關參數設定

PMV綜合考慮了人體活動程度、衣服熱阻、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣濕度和空氣流動速度6個因素，是國際上應用最廣泛的熱環境評價指標。ISO7730《適中的熱環境—PMW與PPD指標的確定及熱舒適條件的確定》中規定PMV在區間［-0.5， 0.5］中為室內熱舒適指標，而這一指標只有舒適性空調建筑才可以達到。有學者推薦，對于我國大量的自然通風房間，PMV范圍在區間［-1， 1］較為合適［13］。參照我國GB/T 50785—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》［14］，并結合株洲市氣象數據，對PMV計算過程中的相關參數取值設定如下：

1）該地區人們在室內均以坐姿為主，人體新陳代謝率的取值為58.15 W/m2；

2）冬至日時，衣服熱阻為1.3 clo（0.200 m2·℃），夏至日時，衣服熱阻為0.5 clo（0.080 m2·℃） ；

3）對外做功為0 met；

4）PMV熱舒適區間為［-1， 1］ 。

3.3.2熱工環境模擬與對比分析

通過Eoctect軟件分別模擬并記錄該地區冬至日和夏至日原民居和分別采用各組試驗方案后的民居全天室內溫濕度、平均輻射溫度。將以上數據分別代入PMV公式［15］中進行計算后得出：在冬至日，分別采用9組試驗方案的民居中有4組方案（方案1、方案2、方案4、方案6）在室內良好密封及不使用任何采暖設備的條件下，其全天PMV值在區間［-1， 0］上，可暫作為優選方案。4組優選方案民居室內PMW值對比如圖5所示。

由圖5 可知，采用方案4的民居全天PMV值較采用其他3組方案的民居更高，表示該方案在冬季能夠最大限度地改善民居室內熱舒適度。對于夏至日來說，在全天自然通風的條件下，分別采用9組試驗方案的民居全天PMV值均處于［0， 1］區間，都已達到熱舒適范圍。

在綜合考慮該地區氣候條件和經濟因素后，方案6在滿足改善民居室內熱環境的前提下，其建造成本較其他3組方案更低，同時其屋面保溫材料厚度較方案4更薄，減輕了屋面自重。圖6為采用方案6的民居與原民居在冬至日和夏至日的全天室內PMV值對比圖，其整體構造方式如表4所示。

圖5　冬至日4組優選方案民居室內PMV值對比Fig. 5　Comparison of indoor PMV of 4 preferred plans on winter solstice day

圖6　方案6與原民居室內PMV值對比Fig. 6　Comparison of indoor PMV of Plan 6 and the original dwelling house

表4　湘北民居最優被動式設計策略整體構造方式Table 4　Optimal passive design strategies of residential construction in north Hunan

從圖6中可以看出，無論在冬至日還是夏至日，采用方案6的民居在不使用任何采暖、空調設備，僅對原民居采用被動式節能設計改進的情況下，有效地提高了該地區民居的室內熱舒適性。因此，采用方案6的構造方式并與上述被動式改善建議相結合，可作為改善湘北地區民居室內熱環境的最優被動式設計策略。

4　結語

被動式建筑技術可以不依賴任何空調、采暖等高能耗機械設備及外部能源而實現建筑采暖、降溫、采光及通風，最大限度地提高室內熱舒適度，改善室內熱環境質量［16-18］。本文從改善鄉村民居室內熱環境為出發點，以夏熱冬冷地區的湘北鄉村民居為研究對象，具體分析了傳統磚混結構民居所存在的一系列問題，結合當地氣候環境特點，有針對性地從合理選擇建筑朝向、改善圍護結構熱工性能、控制窗墻比、加強自然通風等方面提出了適應性的被動式節能設計策略；并通過Ecotect軟件進行模擬、設計正交試驗以及熱舒適評價分析，總結出最適合于該地區的被動式建筑設計策略，進而通過對比分析驗證了該被動式建筑設計策略在某磚混結構民居應用后，其室內熱環境得到了明顯改善。

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（責任編輯：鄧光輝）

Research on the Residential Passive-House Design Strategies Based on the Improvement of Indoor Thermal Environment in North Hunan

TANG Linsheng1，WANG Zhiyong2，LIU Sheng1，SHEN Jize1
（1. School of Architecture and Urban & Rural Planning，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Investigated and researched the retaining structure of a rural residential brick concrete house in the north of Hunan and the indoor thermal environment conditions， and found some problems such as poor thermal performance of house envelope， high energy consumption， low quality of indoor thermal environment， etc. Aiming at the problems and combining with the regional climate characteristics in hot summer and cold winter area proposed passive-house design optimal scheme of reasonably selecting house orientation， improving retaining structure thermal performance， controlling window wall ratio and natural ventilation， etc. Analyzed the influence of the optimization strategy on the indoor thermal environment improvement by Ecotect software. Designed the experiment scheme by the orthogonal testing method， calculated and analyzed the PMV values of the typical day of the year of nine schemes， and obtains the optimal residential design of north Hunan.

north Hunan area；residence；thermal environment；passive-house；PMV

TU111.2

A

1673-9833（2016）01-0078-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.01.014

2015-12-02

國家“十二五”科技支撐計劃基金資助項目（2013BAJ10B14）

湯林聲（1991-），男，湖南株洲人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為綠色生態建筑技術，E-mail ：hom0819@hotmail.com