北方地區傳統民居被動式建筑節能初探
——以天津楊柳青石家大院為例

史 津，齊思彤

(天津城建大學 建筑學院，天津 300384)

建筑與規劃

北方地區傳統民居被動式建筑節能初探
——以天津楊柳青石家大院為例

史 津，齊思彤

(天津城建大學 建筑學院，天津 300384)

中國傳統民居形式各異，建筑師通過對建筑布局、空間形式以及材料選取等對建筑進行設計，以減低由地域氣候、環境以及自然條件對居住者帶來的不適感，創造出較為宜居的居住環境．筆者以楊柳青石家大院為例，初步分析了中國傳統民居的被動式節能理念．

石家大院；傳統民居；被動式；節能

隨著科技的發展，多樣的智能化產品運用在建筑中，在帶給居住者便利與舒適的同時，也產生一些負面的影響．例如，室內采暖及制冷設備的普及在一定程度上即時的滿足了使用者對溫感的需求，利用一些非常規能源替代常規能源以達到節約的目的，但卻忽略了其本身排放大量的能源和對資源的消耗．人們逐漸開始意識到建筑的排放“垃圾”對大自然乃至整個地球的破壞，“綠色”與“生態”必須參與到建筑設計中．設計師開始著手利用更合理的建筑布局、形體組合方式，更契合的外部環境，巧妙的構造設計以及優化材料配置，并通過合理的運行管理來達到滿足室內舒適環境的目的．這種被動式節能方式，甚至可以達到零排放與零消耗的節能目標，這種被動式節能方式在中國北方傳統民居建筑中一直被沿用至今．

1 被動式節能在北方傳統民居中的應用

在高能耗的“大機器”出現之前，設計者只能在建筑本身上做文章．古代設計者巧用被動式節能技術，使得傳統民居在低產出的前提下，為居住者提供相對適宜的居住環境，與自然環境相融相生．也正是因為遼源大地有著不同的氣候特征、自然條件以及人文歷史背景，伴隨著歷史、經濟、文化等要素產生了不同地域特點的建筑面貌[1]．傳統民居中的被動節能技術，是一種不增加額外能耗，通過自身的布局、材料、做法，充分利用自然環境和條件，達到舒適與節能的技術．被動式節能技術并不是把人群從自然中隔離，而是因地制宜，因勢利導，這些都為如今的現代居住建筑設計提供了莫大的啟示．

北方民居建筑受到氣候和地理條件的影響，使得形制、結構和材料以及空間布局都體現了較為鮮明的特點[2]．由于寒冷干燥，民居形式主要以防寒保暖為首要條件，加厚墻體以保溫．在建筑密度的控制上，北方民居建筑間距略小，但傳承庭院式空間格局，一是為了減少陽光入射角，獲取充足的陽光；二是為家庭提供一個便于聚會的小型空間．屋內則縮短近深和高矮，盡量減小面積，聚集熱氣．北方傳統民居在屋頂的坡度設計上，較為平緩，使得熱量能散發到屋內，同時可將糧食擺放在屋頂上晾曬．北方民居的設計不僅在構件上有地域性的特色，外墻的顏色也同樣可以起到被動式的保溫作用，且多選用吸熱的灰色．同樣，傳統民居設計師也會根據當時的可用條件，打造火炕火墻等主動采暖方式．

2 被動式建筑節能案例分析：石家大院

2.1 氣候環境分析

素有“華北第一宅”之稱的石家大院，地處華北平原東北部，坐落于天津市西青區楊柳青鎮，地勢較為平坦．石家大院身處地域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，夏季悶熱伴有集中降雨，冬季較為寒冷[3]．由于北方特殊的氣候特點、地理環境和人文情況的影響，石家大院采用了天津獨有的四合套院庭院式設計．

2.2 民居選址

傳統民居的選址在當時受到風水影響頗大，中國人的“風水學”并非憑空捏造，而是歷經人類長期的實踐積累經驗，而后總結，加以文字修飾而獲得．風水學實則遵循自然法則，反映了人類與大自然和諧相生的規律．北方民居多背陰抱陽(見圖1)，“背陰”是指：盡量保證南面不要有建筑物或障礙物，從而充分采納陽光；通過北面的建筑物或障礙物抵御北方冬季的寒風，起到保暖的作用．“抱陽”是指南面臨水：一方面可提供古人飲水或生活使用；另一方面水域可使房屋迎風納氣，調節環境的舒適度．

圖1 石家大院選址“背陰抱陽”

2.3 院落布局

北方民居由于自然條件的影響，以抗寒、保暖、采光、爭取日照為主要目的．四合套院的形式較為集優的體現了北方民居建筑的特點．石家大院以南北縱軸對稱左右而生，軸線為主要建筑物，向外層層擴散，南側為入口及生活用房，北側和西側為輔助型用房和仆人房，西側為功能娛樂區(見圖2)，為生活區帶來抗寒遮陽的作用．偌大的花園安排在西南角，為穿梭在功能用房中的使用者帶來了美景，整個西側休閑娛樂區域增添了院落的生氣．四合套院的形式使每一個小院的主人都有相對獨立和私密的空間，正房與廂房違和的小院落也提供了相對私密的活動空間，每個相對獨立的小合院的使用者也可以在屬于自己的小院落內種植一些花花草草，多在院落內種植喬木，夏季遮擋陽光，冬季落葉后又可以充分納陽．

圖2 石家大院院落布局

2.4 建筑節能措施

2.4.1 墻體

在以防寒保暖為主要目的的北方，墻體的材質與形式尤為重要，建筑的東、西、北三面外墻均使用土坯墻，南面為木裝修，即“三封一敞”式．民居通常加厚北墻，阻擋寒風，加大南面的開窗面積，吸納陽光[4]．

由于古建筑多選用木材作為建筑構件，墻身選用夯土墻，所以防雨成為保護建筑的重要技術問題．在不同地域自然因素以及文化背景的影響下，建筑的外檐作為防雨構件也多體現了地方特點．大部分北方傳統建筑多選用磚石為材料，形式多為封護檐式(見圖3)．石家大院在處理山墻防雨時，將夯土墻上釘草排，又稱之為“蓑衣墻”．

影壁經常出現在傳統民居大門之內，在功能上，一方面起到了增強私密性的作用，遮擋院內人與外人直接的視線對接，往來賓客并不能直接觀察到院內的景象．同時雕琢精美的影壁[5](見圖4)，是外人進入院內的第一印象，提升住宅的氣勢；另一重要的功能是作為防風的屏障(見圖5)，防止風由開敞的大門直接灌入院內．

圖3 石家大院山墻

圖4 影壁

圖5 影壁防風

2.4.2 窗

合院式民居，多不在最外圈建筑臨街的一側墻上開窗，保障其私密性的完好，不會使街上喧鬧的聲音傳入私人的宅院內．院內的建筑盡量增大南面的開窗面積，吸納白天的天然日光，減少北面和西面的開窗面積，以避免熱量流失．窗戶的形式多為雙層支摘窗(見圖6)，冬季防風保暖性能強，到了炎熱的夏天，可以將下窗扇取下，支起上窗扇，保持屋內的通風，降低溫度[6]．

2.4.3 保溫集暖

寒冷的北方民居都會采用火炕，作為冬日必備取暖設備，石家大院也不例外．火炕用磚或土坯建炕間墻，形成回旋煙道，在上面覆蓋石板，在加泥摸平后鋪炕席就可以使用．炕洞選用土坯材料，導熱性強，且熱氣不易消散．普通北方民居多數將火炕灶口與灶臺相連，在廚房燒柴做飯的同時將火炕點熱，節省能耗．而石家大院等大戶人家，將灶口獨立設置于前檐廊下(見圖7)，保證院內每一間屋子的熱源穩定與充足．至于屋內的集暖問題，設計者采用類似如今地采暖的構造方式加以解決，將方磚懸空架構在梅花垛上，互相交錯形成煙道，從西方的地爐灶燃燒木炭而來的熱氣穿過地下層煙道向上供暖，最后順沿東北面墻內暗藏的煙道從屋頂排除．

圖6 雙層支摘窗

圖7 石家大院火炕燒火口

2.5 自然采光

石府戲樓是現今中國保存最為完整的一座民宅封閉式戲樓．整個單體建筑巧妙地運用被動式技術讓使用者在享受戲曲的同時，聽覺、視覺和觸覺都有較為舒適的體驗．

戲樓由南至北，依次為后臺區、舞臺區和賓客區，地勢由低到高．戲臺朝北，賓客向南，可較好地利用自然光線，使得站在舞臺上的表演者在陰柔的陽光下繪聲繪色地表演，并不會受強光滋擾，如圖8所示．回廊之上設置一圈高墻采光，但陽光無法直射到樓內任何一個座位，不會造成聽戲者的視盝覺障礙．屋頂采用定式，采光效果極佳，通過屋頂的設計與太陽高度角的變動來調節光照與溫度，如圖9所示．

圖8 石家大院戲樓采光示意

圖9 石家大院戲樓節能示意

2.6 空氣流通

由于古代的設計者巧妙地運用被動式節能的技術手法，使北方的人們在寒風刺骨的冬日可以選擇在暖暖的戲樓中喝茶賞曲．相反炎炎夏日，戲樓的使用者也完全不用擔心悶熱的天氣會帶來不適的體感而影響賞戲的心情．地爐空氣流通，東西兩側偶有陣陣清風拂過，高窗空氣對流，方磚青石也為聽戲者帶來一絲涼意．

3 被動式節能的設計手法總結

城市快速發展，但同時也帶來了全球氣候變暖、資源耗費嚴重、環境污染加劇等負面效應．人均耗能量的提升，給國家乃至全球都帶來了較為嚴重的負面影響．所以節能設計逐漸成為建筑設計當中較為重要的考慮因素．所謂被動建筑設計并不是通過設備減少能量消耗或提高能量效率，而是通過建筑設計手段，適應環境而改變建筑朝向、制約建筑體形、計算最佳的窗墻比以及引用因地適宜的節能技術、充分利用自然資源等達到最低消耗．

3.1 調整合理性建筑布局

在設計之初，設計師首先要對項目所在地區環境要素進行充分的調查和研究，在有效利用自然資源的同時，盡可能規避不利的影響因素．如今高新的技術可以勘測出當地太陽的照射強度與角度，通過季節和風向的變化等本地的氣候和環境條件，可較為精確地計算出最優的建筑朝向，同時給出較為合理的設計建議．例如，對建筑體量的控制，綠化率的控制等，可通過被動式設計手法，調整出較為合理的建筑布局，達到冬暖夏涼的溫感．

3.2 營造宜居性內部空間

在研究石家大院內部的空間設計后要求設計師對建筑內部空間在功能和美觀性上作出調整，同時也要考慮當地的氣候環境因素，最大限度地利用自然風與自然光源，減少空調與采光等輔助設備的耗能．例如，由于氣候寒冷及要求充分采光，北方住宅多為板式，縮短近深，盡量使陽光散落到每一個房間的角落．南方對于通風的要求較高，在住宅的建筑立面內凹形成陰影小氣候區，近而設計較為復雜的凹凸空間形成陰影，從而造成溫差以解決通風問題．但由于外表皮面積過大會導致能耗的提升，所以平面凹凸不易過多，力求完整．

3.3 探索可持續性圍護結構

以石家大院為代表的北方傳統建筑多以控制外墻厚度、選用適合的建筑材料以及窗戶開敞大小來調節室內溫度，達到夏季將熱量隔絕在外，冬季阻隔熱量散出的效果．現代建筑除了沿襲這些設計手法，還從科學上將圍護結構得到發展，利用建筑表皮，這樣一個聯系建筑內外的媒介來調節室內溫度．例如設置雙層立面(見圖10-12)，在保溫、隔熱、隔聲、節能方面都由優于傳統幕墻．雙層玻璃幕墻由內外兩層玻璃幕墻組成，中間形成夾層，冬季關閉外層玻璃表皮，夏季開啟，中間空氣層起到緩沖作用，以此通過開啟或關閉某個立面層次以控制室內的溫度[7]．

圖10 雙層玻璃幕墻

圖11 GSW總部大樓立面

圖12 DEBIS總部大樓立面

3.4 采用優化性節能技術

設計師在建筑設計之余，還會因地制宜地采用輔助的設施給使用者帶來更為舒適的體感．由于我國北方冬季漫長，寒風刺骨，北方人民發明火炕作為取暖設施，通過較大的炕面將熱量排放到整個屋內，不僅給坐在火炕上的人帶來直接的溫感提升，也能將暖意帶到屋內每一個角落．由于當時石家大院建造時，科技較為落后，火炕也造成了資源浪費、環境污染、操作困難等問題．現代設計師可以通過燃燒和傳熱的原理，對舊式火炕的結構進行合理的改造，使其通風性好、燃燒充分，起到了節能的作用．如今，這種新式火炕仍然運用在經濟條件較差的北方農村，并且受到農民的一致好評．太陽能作為另一種環保新技術，在建筑領域得到廣泛推廣，設計師主張高效利用自然能源為建筑提供能量，太陽能不僅在建筑上滿足傳統意義上調節冷熱和發電的要求，而且其技術領域已經向更廣泛的方向延伸，例如提供熱水、吸收式制冷、通風降溫、控制自然采光等．

3.5 融入地域性自然環境

高樓聳立的城市中，人們與大自然的距離越來越遠．隨著使用者對生態要求的提高，設計師將綠化融入到建筑設計之中．在設計之初，應盡量保留地區原有植被，特別是一些已經生長成熟的大型樹木，可以起到遮陰納涼的作用，其樹蔭也給人們提供休閑的空間[8]．同時，可根據空間布局適當地引入符合當地自然生長的人工植被，不僅讓使用者在視覺上有貼近自然的感覺，更重要的作用是能提升整個空間的空氣質量，減少通風壓力，同時也展現出地域性的建筑特點．

4 結 語

傳統民居的被動式節能技術，在當時只是為了提高生活的舒適性，順應自然而采取的一些僅對建筑布局、空間、構造優化的設計手法．在如今的經濟技術條件的推動下，人們對舒適度的要求也越來越高，單靠這些被動式節能設計手法已經不能完全滿足當下人們對舒適度的需求．但是，由于這些被動式技術可以更好地適應當地自然條件，如何將這種技術與現代高智能設備結合使用，減少運行時間，降低耗能，也將會對“綠色建筑”的發展提供有價值的參考．

［1］ 黃 浩. 中國傳統民居與文化[M]. 北京：中國建筑工業出版社，1996.

［2］ 梁思成. 中國建筑史[M]. 天津：百花文藝出版社，1998.

［3］ 宮桂桐，韓志勇. 楊柳青石家大院[M]. 天津：新蕾出版社，2007.

［4］ 馬炳堅. 北京四合院建筑[M]. 天津：天津大學出版社，1999.

［5］ 王其鈞. 中國古建筑語言[M]. 北京：機械工業出版社，2007.

［6］ 賈 珺. 北京四合院[M]. 北京：清華大學出版社，2009.

［7］ 許錦峰，黃欣鵬，吳志敏. 被動式節能建筑圍護結構的技術特征[J]. 南京工業大學學報(自然科學版)，2011(5)：60-63.

［8］ 李道明. 太陽能技術在住宅中應用具有廣闊的前景[J]. 住宅產業，2004(Z1)：94-97

Energy Efficiency of Traditional Local-Style Dwelling Houses in Northern Passive Building：A Case Study of Courtyard of Shi Family Tianjin

SHI Jin，QI Sitong
(School of Architecture, TCU, Tianjin 300384, China)

There are Chinese traditional residence forms, architects use different designs such as the building layout, space form and material selection of architectural designs, to reduce the regional climate, environment and natural conditions of discomfort to the occupants and to create a more livable living environment. Based on Courtyard of Shi Family Tianjin as an example, this paper preliminary analyzes the passive energy efficiency concept of Chinese traditional local-style dwelling houses.

courtyard of Shi Family；traditional residence；passive；energy efficiency

TU241.5

A

2095-719X(2016)05-0315-05

2015-10-20；

2015-11-23

史 津（1966—），男，天津人，天津城建大學教授，博士．