西北五省地區民居被動式建筑設計策略模擬

王玉寶

（山西省城鄉規劃設計研究院工程設計中心，山西 太原 030001）

隨著社會的進步與發展，人們的環保理念不斷加重，對建筑工程的節能減排要求也越來越高，發展綠色節能型建筑已經成為建筑行業發展的重要方向。西北五省城市地區在發展中對節能設計的應用已非常普遍，但鄉村地區中很多住宅都是由居民自行建造，在建筑設計的科學性上存在一定不足，使得住宅的保暖能力和能耗水平較差，下文對該地區中民居被動式建筑設計策略進行模擬，希望能為農村住宅改造提供一定參考。

1 分析軟件的選定

要想實現利用建筑設計對室內熱環境進行改變并降低能耗的目標，需要在建筑物的設計階段，以人體熱舒適度、當地氣候特點、方案設計三個因素作為居住熱舒適度的設計因素，制定針對性更強的被動式設計策略。影響建筑物能源的原因較多，其中氣象參數的影響較為明顯，尤其是水平太陽輻射和氣溫等能直接影響建筑的采暖能耗。當前用于分析氣候特點的常用分析軟件有Ecotect Analysis，Cli-mate Consultant和Ladybug&Honeybee三種，以上軟件都能結合地區歷史氣象資料對該區域的地理優劣勢進行分析，并將分析結果用圖形或圖表表示出來，具體分析方式是先利用Energy Plus對地區全年的氣象數據進行讀取，讀取內容包括太陽能、太陽輻射、風速、風向、降水量等，然后將各項數據以圖表形式輸出，使地區的全年氣象數據一目了然。雖然以上三種分析軟件的應用原理相同，但Cli-mate Consultant軟件除能分析地區氣象數據外，還能提供多種被動式建筑策略，與氣相分析的目標相符。

2 舒適模型的選擇

Cli-mate Consultant軟件中列舉了4種熱舒適分析模型，分別為California Energy Code舒適模型、現行的ASHRAE Standard 55的PMV舒適模型、2005年ASHRAE舒適模型以及ASHRAE Standard 55—2010中的適應性舒適模型。四種舒適模型在功能性方面各有不同，其中California Energy Code對小范圍熱舒適分析效果較好，多適用于溫和地區中應用中央空調進行集中供暖的建筑類型；ASHRAE Standard 55的PMV舒適模型中由于缺少濕度下限，多適用于氣候濕潤的地區中進行熱舒適度分析，而西北五省普遍具有氣候干燥的特征，若濕度過低，也會對居住的舒適度產生影響；ASHRAE Standard 55—2010適應性舒適模型對采用自然通風的建筑類型舒適度分析效果較好。綜合比較后，對西北五省地區的氣候特點進行分析的舒適模型最終選用2005年ASHRAE舒適模型。

3 西北五省地區氣候條件分析

西北五省由陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區、新疆維吾爾自治區共同構成，五個省份共占全國陸地面積的31.7%，范圍廣面積大，按我國建筑氣候區劃標準來看，西北五省中的大部分地區都屬于嚴寒及寒冷地區。通過統計一個城市非城鎮常住人口的數量能側面反映出該城市周邊鄉村民居的落成量，為模擬西北五省地區居民被動式建筑設計策略，選用西北五省代表城市在2018年統計年鑒中非城鎮常住人口數據作為研究數據，并將非城鎮常住人口數量最多的前四個城市作為最終研究對象。

通過Energy plus氣象分析軟件對各省市氣象數據進行分析，并將居住建筑繪制焓濕圖，對四個代表城市的被動式建筑策略適用時間用圖1表示，統計后適用時間用圖2表示。

圖1 西北五省四個代表城市適宜的被動策略（焓濕圖）

通過分析圖2可知，在西北五省中選擇的20個代表城市中，有19個城市適用“被動式太陽得熱+高蓄熱”建筑設計策略，16個城市適用“窗戶遮陽”建筑設計策略。該兩種被動式建筑設計策略對大部分西北城市來說都具有適用性，因此，最終對該兩種居民被動式建筑設計策略進行深入研究和模擬，旨在探索被動式建筑設計策略與能耗之間的關系。

圖2 西北五省地區各城市適宜的被動策略統計表

4 西北五省地區居民氣候適應性策略分析

4.1 被動式太陽得熱

根據我國建筑氣候區劃標準來看，西北五省中的大部分地區都屬于嚴寒及寒冷地區，建筑氣候區劃圖中Ⅱ類地區代表寒冷地區，代表城市選擇蘭州；Ⅵ類地區代表嚴寒地區，西北五省中只占其中的ⅥA，代表城市選擇西寧；Ⅶ類地區代表中ⅦA，ⅦB，ⅦC選擇烏魯木齊為代表城市，ⅦD選擇吐魯番為代表城市。通過軟件分析可知，寒冷地區在全年最冷月份1月的平均最低氣溫低于-10℃，嚴寒地區在全年最冷月份1月的平均最低氣溫低于-15℃，四個代表城市全年的溫度范圍用圖3表示。若建筑物在進行設計時全依靠被動式太陽得熱方式進行采暖，在冬季無法充分滿足住戶對熱舒適度的要求。

圖3 蘭州、吐魯番、西寧、烏魯木齊的全年溫度范圍

西北城市普遍具有較為豐富的太陽能資源，如寒冷地區中的代表城市蘭州和吐魯番，兩個城市在全年約有11%的時間每小時水平面總輻照量為316～474Wh/m2，18%的時間每小時水平面總輻照量超過474 Wh/m2（夜間時間占全年的50%）。基于這一特點，可在設計建筑空間布局時，使居住空間盡量朝向南方，同時擴大窗戶面積，以獲得更好的采光效果。另外，在建筑的朝南一側設置被動式太陽房，更便于建筑在冬季獲得更多熱量，提高室內溫度，減少能耗。

4.2 高蓄熱

西北五省各城市普遍具有晝夜溫差大的氣候特點，高蓄熱是利用建筑的外圍護結構儲存白天建筑吸收的熱能，當夜晚室外溫度逐漸降低后，外圍護結構中的蓄熱材料會逐漸散發熱量保持室內溫度的穩定。所以，在西北五省地區中設計居民被動式建筑時，可充分應用蓄熱材料做建筑外圍護材料，減少室內溫度受外界溫度的影響，還能有效減少建筑能耗。

4.3 窗戶遮陽

由于西北城市普遍具有日照強烈的氣候特點，很多城市需要在5～10月日照強烈的時間進行窗戶遮陽，如西北城市中的寒冷地區需要窗戶遮陽的時間占全年總時間的7.6%～13.3%，西北城市中的嚴寒地區需要窗戶遮陽的時間占全年總時間的4.5%～16.7%。為提高建筑被動式太陽采暖能力會適當擴大南向窗戶面積，為調節冬季得熱和夏季避暑的矛盾，可利用可調節水平遮陽板或太陽能板進行遮擋。

5 策略驗證——以寧夏、新疆地區為例

本文以寧夏和新疆鄉村民居為例，對被動式建筑設計策略進行驗證，對建筑的維護結構、戶型優化和太陽能利用等進行節能設計。將具有代表性的常規建筑基準平面圖和優化后的建筑基準平面圖用圖4表示。

圖4 寒冷地區和嚴寒地區鄉村居民基平面圖

5.1 圍護結構

通過調研發現，很多新建住宅并未對不同朝向的開窗標準進行統一，窗戶面積的大小也主要根據建筑的采光需求確定，在對被動式建筑設計策略進行驗證時，將未優化建筑不同朝陽的窗墻比初始值設為0.25，優化后，將朝南一側窗墻比擴大為0.35，東西兩側窗墻比減小到0.1，朝北一側不設開窗。此種優化方式不僅不會對室內采光產生影響，也不會使熱量在空氣南北向對流的過程大量散失，既能節省建筑造價成本，也能提高建筑在冬季的室內溫度，減少能耗。

5.2 高蓄熱

太陽能蓄熱技術是目前較為成熟且造價較低的蓄熱技術。對西北地區來說，由于晝夜溫差大，提高建筑蓄熱能力，減緩室內熱量流失能有效減少建筑能耗。另外，也可科學選擇建筑圍護結構的材料，利用圍護結構有效儲存白天的自然熱量，并在夜晚逐步散發熱量，能有效減緩建筑內溫度的下降速度。目前在鄉村民居中常用的維護結構材料熱物性如表1所示。

表1 常見蓄熱級別建筑材料熱物性

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當地鄉村民居多采用300㎜厚燒結黏土磚作為建筑外墻圍護結構，屋頂采用120㎜后預制鋼筋混凝土空心樓板，不設保溫層。建筑設計策略模擬過程中將外墻材料改為370㎜后鋼筋混凝土作為外墻圍護結構，屋頂改為200㎜厚鋼筋混凝土。通過Design Builder模擬建筑能耗在蓄熱材料變化前后的對比如表2所示。

表2 高蓄熱策略前后能耗對比

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6 結語

本文通過Climate Consultant氣候分析軟件對西北五省地區居民建筑的設計策略進行模擬，希望能以此為參考，為西北地區民居改造提供一定思路，提高居民居住舒適度的同時，減少建筑在使用過程中的能耗。