西北五省地區(qū)民居被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)策略模擬

王玉寶

（山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院工程設(shè)計(jì)中心，山西 太原 030001）

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，人們的環(huán)保理念不斷加重，對(duì)建筑工程的節(jié)能減排要求也越來越高，發(fā)展綠色節(jié)能型建筑已經(jīng)成為建筑行業(yè)發(fā)展的重要方向。西北五省城市地區(qū)在發(fā)展中對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)的應(yīng)用已非常普遍，但鄉(xiāng)村地區(qū)中很多住宅都是由居民自行建造，在建筑設(shè)計(jì)的科學(xué)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(duì)該地區(qū)中民居被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)策略進(jìn)行模擬，希望能為農(nóng)村住宅改造提供一定參考。

1 分析軟件的選定

要想實(shí)現(xiàn)利用建筑設(shè)計(jì)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行改變并降低能耗的目標(biāo)，需要在建筑物的設(shè)計(jì)階段，以人體熱舒適度、當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)、方案設(shè)計(jì)三個(gè)因素作為居住熱舒適度的設(shè)計(jì)因素，制定針對(duì)性更強(qiáng)的被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略。影響建筑物能源的原因較多，其中氣象參數(shù)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(dāng)前用于分析氣候特點(diǎn)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(jié)合地區(qū)歷史氣象資料對(duì)該區(qū)域的地理優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果用圖形或圖表表示出來，具體分析方式是先利用Energy Plus對(duì)地區(qū)全年的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，讀取內(nèi)容包括太陽能、太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量等，然后將各項(xiàng)數(shù)據(jù)以圖表形式輸出，使地區(qū)的全年氣象數(shù)據(jù)一目了然。雖然以上三種分析軟件的應(yīng)用原理相同，但Cli-mate Consultant軟件除能分析地區(qū)氣象數(shù)據(jù)外，還能提供多種被動(dòng)式建筑策略，與氣相分析的目標(biāo)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(xiàn)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(yīng)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(duì)小范圍熱舒適分析效果較好，多適用于溫和地區(qū)中應(yīng)用中央空調(diào)進(jìn)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(qū)中進(jìn)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(huì)對(duì)居住的舒適度產(chǎn)生影響；ASHRAE Standard 55—2010適應(yīng)性舒適模型對(duì)采用自然通風(fēng)的建筑類型舒適度分析效果較好。綜合比較后，對(duì)西北五省地區(qū)的氣候特點(diǎn)進(jìn)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(qū)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(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)共同構(gòu)成，五個(gè)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(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)來看，西北五省中的大部分地區(qū)都屬于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)。通過統(tǒng)計(jì)一個(gè)城市非城鎮(zhèn)常住人口的數(shù)量能側(cè)面反映出該城市周邊鄉(xiāng)村民居的落成量，為模擬西北五省地區(qū)居民被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)策略，選用西北五省代表城市在2018年統(tǒng)計(jì)年鑒中非城鎮(zhèn)常住人口數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)，并將非城鎮(zhèn)常住人口數(shù)量最多的前四個(gè)城市作為最終研究對(duì)象。

通過Energy plus氣象分析軟件對(duì)各省市氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將居住建筑繪制焓濕圖，對(duì)四個(gè)代表城市的被動(dòng)式建筑策略適用時(shí)間用圖1表示，統(tǒng)計(jì)后適用時(shí)間用圖2表示。

圖1 西北五省四個(gè)代表城市適宜的被動(dòng)策略（焓濕圖）

通過分析圖2可知，在西北五省中選擇的20個(gè)代表城市中，有19個(gè)城市適用“被動(dòng)式太陽得熱+高蓄熱”建筑設(shè)計(jì)策略，16個(gè)城市適用“窗戶遮陽”建筑設(shè)計(jì)策略。該兩種被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)策略對(duì)大部分西北城市來說都具有適用性，因此，最終對(duì)該兩種居民被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)策略進(jìn)行深入研究和模擬，旨在探索被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)策略與能耗之間的關(guān)系。

圖2 西北五省地區(qū)各城市適宜的被動(dòng)策略統(tǒng)計(jì)表

4 西北五省地區(qū)居民氣候適應(yīng)性策略分析

4.1 被動(dòng)式太陽得熱

根據(jù)我國建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)來看，西北五省中的大部分地區(qū)都屬于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)，建筑氣候區(qū)劃圖中Ⅱ類地區(qū)代表寒冷地區(qū)，代表城市選擇蘭州；Ⅵ類地區(qū)代表嚴(yán)寒地區(qū)，西北五省中只占其中的ⅥA，代表城市選擇西寧；Ⅶ類地區(qū)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(qū)在全年最冷月份1月的平均最低氣溫低于-10℃，嚴(yán)寒地區(qū)在全年最冷月份1月的平均最低氣溫低于-15℃，四個(gè)代表城市全年的溫度范圍用圖3表示。若建筑物在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)全依靠被動(dòng)式太陽得熱方式進(jìn)行采暖，在冬季無法充分滿足住戶對(duì)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(qū)中的代表城市蘭州和吐魯番，兩個(gè)城市在全年約有11%的時(shí)間每小時(shí)水平面總輻照量為316～474Wh/m2，18%的時(shí)間每小時(shí)水平面總輻照量超過474 Wh/m2（夜間時(shí)間占全年的50%）。基于這一特點(diǎn)，可在設(shè)計(jì)建筑空間布局時(shí)，使居住空間盡量朝向南方，同時(shí)擴(kuò)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(cè)設(shè)置被動(dòng)式太陽房，更便于建筑在冬季獲得更多熱量，提高室內(nèi)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(diǎn)，高蓄熱是利用建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存白天建筑吸收的熱能，當(dāng)夜晚室外溫度逐漸降低后，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的蓄熱材料會(huì)逐漸散發(fā)熱量保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。所以，在西北五省地區(qū)中設(shè)計(jì)居民被動(dòng)式建筑時(shí)，可充分應(yīng)用蓄熱材料做建筑外圍護(hù)材料，減少室內(nèi)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(qiáng)烈的氣候特點(diǎn)，很多城市需要在5～10月日照強(qiáng)烈的時(shí)間進(jìn)行窗戶遮陽，如西北城市中的寒冷地區(qū)需要窗戶遮陽的時(shí)間占全年總時(shí)間的7.6%～13.3%，西北城市中的嚴(yán)寒地區(qū)需要窗戶遮陽的時(shí)間占全年總時(shí)間的4.5%～16.7%。為提高建筑被動(dòng)式太陽采暖能力會(huì)適當(dāng)擴(kuò)大南向窗戶面積，為調(diào)節(jié)冬季得熱和夏季避暑的矛盾，可利用可調(diào)節(jié)水平遮陽板或太陽能板進(jìn)行遮擋。

5 策略驗(yàn)證——以寧夏、新疆地區(qū)為例

本文以寧夏和新疆鄉(xiāng)村民居為例，對(duì)被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)策略進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)、戶型優(yōu)化和太陽能利用等進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。將具有代表性的常規(guī)建筑基準(zhǔn)平面圖和優(yōu)化后的建筑基準(zhǔn)平面圖用圖4表示。

圖4 寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)鄉(xiāng)村居民基平面圖

5.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多新建住宅并未對(duì)不同朝向的開窗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，窗戶面積的大小也主要根據(jù)建筑的采光需求確定，在對(duì)被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)策略進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，將未優(yōu)化建筑不同朝陽的窗墻比初始值設(shè)為0.25，優(yōu)化后，將朝南一側(cè)窗墻比擴(kuò)大為0.35，東西兩側(cè)窗墻比減小到0.1，朝北一側(cè)不設(shè)開窗。此種優(yōu)化方式不僅不會(huì)對(duì)室內(nèi)采光產(chǎn)生影響，也不會(huì)使熱量在空氣南北向?qū)α鞯倪^程大量散失，既能節(jié)省建筑造價(jià)成本，也能提高建筑在冬季的室內(nèi)溫度，減少能耗。

5.2 高蓄熱

太陽能蓄熱技術(shù)是目前較為成熟且造價(jià)較低的蓄熱技術(shù)。對(duì)西北地區(qū)來說，由于晝夜溫差大，提高建筑蓄熱能力，減緩室內(nèi)熱量流失能有效減少建筑能耗。另外，也可科學(xué)選擇建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料，利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)有效儲(chǔ)存白天的自然熱量，并在夜晚逐步散發(fā)熱量，能有效減緩建筑內(nèi)溫度的下降速度。目前在鄉(xiāng)村民居中常用的維護(hù)結(jié)構(gòu)材料熱物性如表1所示。

表1 常見蓄熱級(jí)別建筑材料熱物性

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當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村民居多采用300㎜厚燒結(jié)黏土磚作為建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，屋頂采用120㎜后預(yù)制鋼筋混凝土空心樓板，不設(shè)保溫層。建筑設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)，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(duì)比如表2所示。

表2 高蓄熱策略前后能耗對(duì)比

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6 結(jié)語

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