建筑節能背景下冀東地區民居氣候適用性分析

任瑞杰，王思佳

(1 保定市墻體材料革新與建筑節能辦公室，河北 保定，071051；2 河北科技師范學院城市建設學院)

民居建筑是人類為了御寒避暑，遮風擋雨而建造的最早的建筑形式。在自發營建的鄉土建筑時期，為適應千差萬別的氣候條件，形成適合人類居住的室內微氣候，人們在居住空間形態、結構形式和構造方法上，采取了各種氣候適應性策略，民居建筑呈現出豐富的建筑形態。然而，伴隨著科技的進步，依賴建筑設備來創造舒適的室內環境成為可能，氣候與建筑的關聯逐漸被割裂，導致城市與建筑嚴重同質化，失去了自身的特色，同時造成了嚴重的能源浪費和環境污染[1]。在發達國家，近40%的能源消耗在建筑上，據專家估算，其中2/3～3/4的能源，可以通過有效的氣候適應性措施節省下來[2]。

成熟的傳統建筑形態必定有其對環境的適應性。對傳統民居氣候適應性進行研究，有助于我們繼承傳統民居的寶貴經驗，改進其不足之處，使新建民居朝著節能、生態的方向發展。筆者以冀東地區民居為研究對象，通過軟件對當地氣候條件進行分析，在此基礎上，依據建筑物理相關知識加以判斷，得出相應的被動式氣候調節策略，探求冀東地區民居氣候適應性方面的經驗和不足，以期對當地新民居建設改造和新農村規劃設計提供科學依據。

1 分析軟件和舒適模型選擇

1.1 分析軟件的選擇

在建筑熱環境分析過程中，需要綜合考慮自然氣候、室內熱舒適狀況和建筑設計措施等3個方面，對指定地區進行氣候數據分析，生成建筑氣候分析圖。目前，常用的氣候適用性分析軟件有Climate Consultant，Autodesk Ecotect子系統Weather Tool。Climate Consultant軟件是美國洛杉磯加州大學(UCLA) 開發的一款氣候研究以及被動式策略有效性分析的軟件，它能夠有效載入美國能源部官網所公布的兩種氣象數據類型：CSWDEPW，SWERAEP。SWERAEP數據包括2005年中國氣象局氣象信息中心聯合清華大學研究并開發的《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》，覆蓋全國270個地面氣象站，近10年的典型氣象年綜合數據[3]。SWERAEPW數據是基于太陽能和風能資源評價而開發的數據庫。氣候適用性分析軟件提供豐富的氣候數據分析圖表，Climate Consultant中的焓濕圖與Weather Tool分析軟件中的焓濕圖相對比要簡單些，不同年份或者典型月份的之間對比較少，但Climate Consultant軟件對特定區域氣候條件作了評定后，可以利用焓濕圖來分析被動式設計策略的適用性，計算各項措施的有效程度，Climate Consultant的焓濕圖功能，可以展示出細微的氣候屬性及其對建筑形態的影響[4]。因此，筆者在本次研究中選擇Climate Consultant分析冀東地區的氣象數據，并對當地傳統民居的氣候適應性進行解析。

1.2 熱舒適模型的選擇

評價建筑環境中人的熱舒適性通常有兩大類模型，即靜態模型和適應性模型。Climate Consultant提供了4種熱舒適模型：①California Energy code comfort Model，2013，②Adaptive comfort model in ASHRAE Standard 55- 2010，③ASHRAE Standard 55 and Current Handbook of Fundamentals Model，④ASHRAE Handbook of Fundamentals Comfort Model up through 2005。其中，前兩種的熱舒適模型屬于靜態模型，模型①適合封閉的中央空調環境[5]，模型②適合于開敞的自然通風環境[6]。模型③中PMV舒適模型設定了濕度上限，但沒有設定下限，假定含濕量與熱感覺無關[7]；模型④中熱舒適模型設定相對濕度50%時有效溫度(ET)在20.0～23.3 °C，最大濕球溫度為17.8 °C，最低露點溫度為2.2 °C，衣著熱阻(夏季：0.5 clo，冬季0.9 clo)，人體代謝活動量(M≤1.2 met)，空氣氣流速度v(v夏季≤0.8 m/s，v冬季≤0.15 m/s)，符合人熱濕感覺的綜合性、復雜性的特征[8]。基于以上觀點，筆者在本次研究中選擇ASHRAE Handbook of Fundamentals Comfort Model up through 2005分析模型。

2 冀東地區居民氣候適應性分析

2.1 冀東地區氣候分類

根據不同氣候、資源、自然環境等特點，參考《公共建筑節能設計標準》DB13(J)81- 2009[9]，《居住建筑節能設計標準(75%)》DB13(J)185- 2015[10]的氣候分區，將河北省區域分為I區、II區、III區共3類。本次研究以冀東地區為例，選擇的地區為河北省綠色建筑技術II類地區，利用Climate Consultant進行氣象數據分析，并根據分析結論，選取適合當地建筑的被動式策略。但受到EPW數據采集限制，最終確定的地點大致為北緯39.43°，東經118.88°的區域，該區域位于河北省秦皇島市與唐山市的交界處。

2.2 冀東地區氣候焓濕圖分析

焓濕圖(Psychrometric Chart)的使用是從Olgyay的“生物氣候分析圖”以及Givoni的“建筑氣候設計分析圖”發展而來，綜合人體舒適度和舒適區間概念，是對建筑環境綜合氣象參數而設計的一種圖表分析，是Climate Consultant進行被動式策略分析的主要依據。冀東地區的氣候焓濕圖如圖1所示，橫坐標表示干球溫度，縱坐標表示絕對濕度以及露點溫度，斜曲線表示相對濕度，斜直線表示濕球溫度。圖中陰影部分四邊形區域表示在無任何技術措施下，或者在自然氣候條件下，所能達到的室內熱舒適的區間或狀態。利用焓濕圖與舒適區相結合，可以表明室外氣候的不舒適程度和氣候特征。舒適區左方是過冷氣候區域，右方是過熱區域，上方是過于潮濕區域，下方是過于干燥區域。

圖1 冀東地區氣候數據焓濕圖

選取被動式策略最佳組合(Show Best Set of Design Strategies)，自動去除矛盾的和多余的選項后，得到最適合冀東地區氣候條件的被動式建筑策略。在不用傳統采暖或制冷系統的前提下，這些策略以最少的措施組合獲得最大化的舒適時間(表1)[11]。

分析圖1和表1可知，冀東地區全年僅有8.4%的時間屬于舒適時段，且主要集中在春、秋季節。全年43.9%的時間需要常規加熱，必要時加濕。雖然建筑室內得熱的有效時間為20.6%，但考慮到冀東地區民居中電器、照明燈具等室內熱源并不豐富，依靠室內得熱的可能性很小，所以這一選項并不適合冀東地區。除去“建筑得熱”的選項，需要采暖，必要時加濕的比例則增長至64.5%。10.8%的時間需要被動式太陽得熱+高蓄熱。9.2%的時間需要窗口遮陽。其他適用的各項被動式建筑策略，按照有效時間的長短，依次排列為：風機加強通風(8.4%)，制冷，必要時除濕(8.3%)，僅除濕(7.9%)，二級蒸發制冷(2.6%)，防止冷風滲透(0.5%)，僅加濕(0.4%)。表1及后面的被動式策略分析主要針對有效時間比例在1%以上的選項。

表1 冀東地區民居被動式策略有效時間比例 %

2.3 冀東地區民居氣候適用性分析

冀東地區太陽輻射總量為5 040～6 300 MJ/(m2·年)，屬于太陽能資源很豐富地區，全年有效日照時數在2 500～3 000 h。依據冀東地區氣候特點，冬季能被利用的太陽能比較可觀，夏季(6～8月)空氣相對濕度平均在80%上下，清晨時分(日出之前)室外氣溫接近露點溫度等情況，得到適用于該地區的氣候設計策略。冬季設計策略，主要以保溫、防寒為主，最大限度的利用太陽能，做好主動式與被動式太陽能相結合，此外，注意防風和防凍。夏季設計策略，主要以自然通風為主，注意進行隔熱和遮陽設計，有效防止太陽輻射，對于外圍護結構注意防潮和避免西曬。

冀東地區典型民居建筑的平面布置如圖2所示。民居南側開窗面積較大，北側窗相對面積較小且位置較高，僅滿足采光需要，東西兩側在建筑布局上不具備開窗的條件。中間設堂屋，安放灶臺等設施，兩側房間南側設置火炕，北側設置家具。夏季自然通風良好，春季和秋季主要依靠建筑室內得熱的有效性，冬季由于室外氣溫過低，單純依靠建筑的室內得熱，完全無法滿足室內的熱舒適需求，需要借助于火炕供暖。冀東地區的民居屋頂以“屯頂”為主，一方面適當減少建筑頂部的空氣容量，起到保溫作用的同時，節省建筑材料，另一方面相對平整的屋頂，增加了糧食曬臺的面積，但“屯頂”的設計挑檐相對坡頂挑檐尺寸較小。

冀東地區民居建筑形式能夠最大限度地利用冬季陽光照射，利用典型的高蓄熱材料——土坯搭建火炕采暖，但冷風滲透考慮不足，經常是在冬季進行窗口密封，加掛門簾等措施來彌補，夏季遮陽設計考慮不足，隨著傳統上懸窗逐漸改為平開窗和推拉窗，窗口遮陽的作用漸漸消失，需要重新進行遮陽設計。

3 冀東地區民居節能改造策略

3.1 門窗洞口遮陽和密封設計

冀東地區民居，可以通過優化透明圍護結構來獲取更多的太陽輻射。調研數據顯示，現狀民居多采用的是鋁合金或塑鋼窗框配合單層普通玻璃，經過長期使用后的窗口扇框之間的密封性大大下降，冬季冷空氣滲透和“熱橋”效應嚴重。建議在窗體材料的選用上，采用斷橋鋁窗框配合雙層Low- E玻璃，將開窗方式由一般的推拉窗改為平開窗。窗洞口兩側墻體由平行砌筑改為內八字砌筑，在不增加窗洞口大小的情況下，獲取更多的太陽輻射。

圖2 冀東地區民居平面組合形式

對于夏季遮陽設計，應以窗口的挑屋檐設計為主(圖3)，實現夏季窗口遮陽，冬季日照滿窗的實際效果，以減少夏季太陽輻射獲得量，增加冬天太陽輻射獲得量。也可以采用高大的落葉喬木來進行綠化，但應該避開的正前方向，綠植的布局與門窗形成45°的夾角，以避免影響通風效果。為增強夏季自然通風效果，可以設置位置較低的空氣進氣口，和位置較高的空氣出風口。

對于建筑主入口的改造，建議背陽面設置防風門斗，向陽面設置擴大的門斗，充當季節性陽光房，結合被動式太陽能房設計，增加直接受益式的采暖效果，用來減少冬季室內的熱損失。另外，在“門斗”設計中增加隔音材料，進一步優化室內聲環境。

圖3 夏季南向窗口遮陽

3.2 墻體保溫、蓄熱設計

根據焓濕圖的分析，被動式太陽能采暖(直接受益式)+高蓄熱策略的效果明顯，可以選用高蓄熱系數的建筑材料，例如瓷磚、石材或者木地板等，對室內的地面、墻面進行鋪裝。在春季和秋季，室外氣溫不是太低，室內可以借助機械熱源以及人源熱量就能達到較為理想的熱舒適狀態。具體設計方案中，提高良好的圍護結構保溫性能，減小在冬季采暖的熱損失，來達到室內的熱舒適條件以及節能的目的。墻體要注意構件間的密封性，應盡量的減少氣流的滲入和排出；在分隔墻體的核心層設計上，應將未絕緣金屬支撐從每隔40 cm增加到60 cm，從而降低熱橋效應，減少熱量流失。

3.3 屋頂地面隔熱、防潮設計

關于屋頂保溫改進策略，軟件建議設置雙層屋頂且寬度不小于5 cm，利于屋頂間的空氣層間形成保溫層，進一步普及天花板(吊頂)的應用，并在天花板和屋頂間增設厚度合理的保溫層，設置保溫空氣間層的通風口，冬季通風口保持密閉狀態，夏季通風口保持開敞狀態。根據表1中的數據可知，冀東地區7～8月份室內除濕的有效明顯增加，需要在制冷的同時加強室內通風，降低空氣濕度。結合夏季要注意地面和屋頂防潮，屋頂處通風口應設計擋雨條，地面要設置防潮層。鼓勵在民居中用天花板吊扇代替普通的落地電風扇，雖然電扇過高不利于夏季室內通風降溫，軟件分析結果顯示，處于良好工作狀態的吊扇可以降低夏季窗口關閉狀態下的室內氣溫5 °C以上。

4 結論與討論

節能建筑設計不同于傳統建筑設計，建筑師可以借助于氣象分析軟件快速準確的把握當地氣候特征，科學地提出創造舒適室內環境的設計依據和改善方法。美國綠色建筑協會(USGBC)建議環境氣候的分析可以運用在方案構思的初級階段(Schematic Design)或者既有建筑節能改造的決策階段。對于軟件分析的結果建筑師應有自己的判斷，一方面是因為世界各地的氣候差異較大，Climate Consultant的默認設置主要針對一般性的氣候條件，當分析對象城市化發展程度高時，建筑師需要特別注意局域微氣候和熱島效應對分析結果的影響。另一方面，Climate Consultant軟件是基于發達國家現代化住宅狀況和熱舒適標準，對于我國各地的具體情況來說并不完全適用。因此，要求建筑師需要具備一定的建筑環境學基礎知識對軟件分析結果進行辨析。

冀東地區屬于寒冷地區，自然舒適時間短，當地民居在長期歷史發展過程中，積累了應對當地環境的生存智慧。隨著河北省大力推廣民用建筑節能措施，傳統民居中能耗較高的建筑形體、構造和污染嚴重的建筑材料被逐漸取代，被動式建筑策略的運用結合新型的環保材料的運用，可以有效緩解冀東地區冬季保溫與夏季通風的矛盾，進一步減少建筑冬季采暖的能耗和夏季降溫的能耗，為使用者提供舒適的室內環境。

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