海草房民居被動式設計策略實效性分析

【摘 要】海草房是在當地特殊的氣候、自然環境下的產物，地域性的被動式設計保證了海草房良好的熱舒適狀況。研究表明：在選址規劃、建筑單體設計、材料與構造層面采取一系列設計措施后，海草房在夏季室內的氣溫在26.9～29.9 ℃，空氣相對濕度在78.6%～87.9%，平均風速為0.21 m/s，墻壁、屋頂內表面溫度在24.2～27.8℃；在冬季室內的氣溫在8.8～16.7 ℃，空氣相對濕度在52.4%～97.5%，平均風速為0.03 m/s，墻壁、屋頂內表面溫度在13.6～19.4 ℃；同時室外微氣候（尤其是院落）也在較為舒適的范圍內。實測證明了海草房一系列設計措施的實效性，為海草房民居的生態更新與保護提供了數據支持和設計基礎。

【關鍵詞】海草房； 被動式設計； 實測； 實效性

【中圖分類號】TU201.5【文獻標志碼】A

［定稿日期］2022-12-02

［基金項目］山東省社會科學規劃研究項目（項目編號：21DWYJ20）， 山東省藝術科學重點課題（項目編號：ZD201906239）、煙臺市社會科學規劃研究項目（項目編號：YTSK-2022-003）

［作者簡介］程嘉城（1995—），男，碩士，研究方向為綠色建筑。

［通信作者］鄭彬（1984—），男，博士，副教授，研究方向為生態城市與綠色建筑。

1 海草房概述

海草房是山東省膠東沿海地區一種極富地方特色的民居，多以天然石材為墻體，以質感蓬松、繃著漁網的厚海草為頂，外觀古樸厚拙，極具地方特色，宛如童話世界中的草屋（圖1），具有“冬暖夏涼、居住舒適、百年不腐”［1］等特點，是古代勞動人民充分結合當地自然資源，積極應對當地氣候而創造的珍貴建筑遺產。

膠東半島北、東、南三面環海，受暖溫帶濕潤季風氣候影響的同時又受海洋的調節作用。以威海榮成市為例，因三面環海，海洋性氣候特點表現突出，具有四季分明、氣候溫和、冬少嚴寒、夏無酷暑、季風明顯、空氣濕潤、降水集中等特點［2］。日照時數2 526.5 h。年均氣溫11.3 ℃，與同緯度內陸相比，冬季氣溫高，夏季氣溫低。年降水量平均值為759.8 mm，夏季降水量達445.2 mm，占全年降水量的59%，冬季降水量極少，僅占全年的5.6%，年分配極不均勻［3］。受氣候影響，夏季引風遮陽防曬，冬季擋風保溫防寒是建筑設計的重點所在。

實踐證明：在這種特殊的地理位置和氣候條件之下，海草房保證了良好的熱舒適狀況，這與其選址布局、建筑體型、熱惰性良好的厚石墻以及特殊的海草屋頂等一系列被動式設計策略是分不開的。這些被動式設計策略在現代建筑設計中，仍具有積極的借鑒意義。因此，本文為驗證被動式建筑設計的實效性，對威海榮成的海草房進行了夏冬兩季熱環境的實測分析。

2 被動式設計策略

2.1 被動式設計的概念

所謂的被動式設計是指在建筑群體規劃和建筑單體設計過程中，本著經濟、環保和節能的原則，依據項目所處的區域氣候條件和特征，綜合建筑功能和布局、空間與形態等設計需要，合理組織和處理各種建筑元素，使建筑物內部環境在與外界進行能量和物質交換過程中不需要或減少依賴空調設備，而本身具有較強的氣候適應和調節能力，在滿足人們對生產、生活的要求的基礎上，創造出有助于促進人們身心健康的良好建筑室內外環境的設計策略［4］。

2.2 海草房被動式設計策略

經過長期以來對當地氣候環境的適應性研究，當地居民在海草房規劃與建筑建造過程中巧妙地使用了一些被動式設計策略，營造了良好的室內外環境。具體措施見表1。

3 測試概況

為研究海草房民居室內外的微氣候與熱環境，選取山東省榮成市煙墩角村一戶典型的海草房進行實測。對民居室內、院落與公共空間進行熱環境實測，獲取空氣溫度、空氣濕度、風速、表面溫度等熱環境參數。通過實測研究，對被動式設計策略的制冷保溫效果進行量化和驗證。

3.1 測試對象

實測民居為三合院布局，屬于海草房院落典型的布局形式，院落東西側與相鄰院落并聯，相鄰院落正房共用山墻。院落由正房、東西廂房及大門圍合而成，正房為5開間，中間為堂屋，左右分別為主次臥室，兩端為廚房和倉儲間。正房與東廂房均為海草屋頂，西廂房則是用作儲藏間的平屋頂。東西廂房南側與大門平齊，結合院墻將院落封閉起來。具體布局如圖2所示。

3.2 測試方案

夏季選取實測時間為7月中旬，持續時間為7：00—21：00，天氣晴；冬季選取實測時間為1月中旬，持續時間為7：00—21：00，天氣晴；測試期間分別是膠東沿海地區的夏季、冬季的典型氣象日。實測用的儀器包括testo435風速儀、testo175溫濕度記錄儀、紅外線測溫儀。記錄數據包括空氣溫度、空氣濕度、風速值、圍護結構表面溫度，數據采集間隔為1 h。連續監測點主要包括廣場、大門門外、院落中心、堂屋、左右耳房、廣場地面、院內的外地面、屋頂、立面和大門等處（圖2）。

4 測試分析

4.1 夏季參數分析

4.1.1 空氣溫度

實測期間，廣場中心平均溫度30.8 ℃，最高達35.3 ℃，最低27.7 ℃；院落中心平均溫度31.1 ℃，最高達35.1 ℃，最低27.4 ℃；室內以堂屋為例，平均溫度28.7 ℃，最高達29.9 ℃，最低27.3 ℃。

在7：00—21：00之間，各測點空氣溫度呈先升后降的趨勢，7：00與21：00時刻處于最低溫度，且室內外各測點溫度相差不大，均在27～29 ℃；從早上7：00開始，室外溫度迅速升高，在10：00—11：00之間上升最快，以院落中心為例，1 h之內上升2.7 ℃，這是因為在該時間段內，太陽輻射快速增加，院落受到照射的結果。

中午13：00點時刻，廣場中心，大門門外、院落中心，均達到最大值，在35～35.3 ℃之間，這是因為室外空氣流動較快，導致室外各處空氣溫度比較均勻。此時室內最高溫度比室外最高溫度低5.9～6.7 ℃。以堂屋為例，空氣溫度為29.9 ℃，比廣場中心低5.4 ℃，這主要是由于建筑單體中的院落設計、建筑體型等提供了較為良好的室外環境，同時高聳的海草坡屋頂和厚石墻作為圍護結構，具有較大的熱惰性，能夠有效地阻隔熱量流入室內。

13：00后，太陽輻射下降，且通風順暢，空氣溫度隨之快速下降； 19：00及以后，空氣溫度到達較低值，此時室內外最低溫度相近，均在28 ℃左右，這是由于晚間充分散熱以后，各測點位置的空氣溫度相當，這也說明建筑的圍護結構在阻熱隔熱的同時并不影響散熱，夜晚可以將室內熱量散出（圖3）。

4.1.2 空氣相對濕度

空氣相對濕度與空氣溫度變化呈相反趨勢，早晚值大，中午值小。實測期間，室外空氣濕度明顯比室內空氣濕度變化大。其中，廣場中心平均濕度為74.1%，最高達85.9%，最低59.4%；院落中心平均濕度71.2%，最高達83.3%，最低52.3%；室內以堂屋為例，平均濕度為81.5%，最高達83.9%，最低78.6%，濕度變化較小。

在7：00～21：00之間，各測點位置空氣濕度呈先降后升的趨勢；7：00與21：00時刻空氣濕度最大，并且室內外各測點相差不大，均在80%以上；從早上7：00以后，室外空氣濕度迅速降低，在10：00—11：00之間降低最快，以院落中心為例，1 h之內下降了8.3%，這是因為在該時間段，太陽輻射快速增加，院落受到照射，水蒸氣快速蒸發。

中午13：00時刻，廣場中心、大門門外、院落中心，均達到最小值，并且相差不大，在58.9%～60.9%之間，這是因為室外空氣流動較快，導致室外各處空氣濕度比較均勻；此時室內最低濕度比室外最低濕度高17.7%～22%。以堂屋為例，空氣濕度為79.6%，比廣場中心的空氣濕度高20.2%，這主要是由于海草房地面是灰磚灰土砌筑，與土壤有一定的熱濕傳遞，同時高聳的海草坡屋頂和厚石墻作為圍護結構，使室內空氣不能與室外進行良好的熱濕交換，導致室內空氣濕度較大，使人有一種涼爽的感覺。

13：00以后，室外空氣濕度上升，在19：00及以后，慢慢處于穩定狀態，空氣濕度恢復到80%以上，這說明過了正午太陽輻射下降，空氣溫度下降，導致空氣濕度隨之上升（圖4）。

4.1.3 風速

在實測期間，室外風速變化明顯，時常有陣陣涼風吹過，而室內風速基本穩定。廣場中心的平均風速為0.67 m/s，最大達1.56 m/s，最低0.34 m/s；大門門外平均風速0.4 m/s，最大0.68 m/s，最小0.15 m/s；院落中心平均風速0.78 m/s，最大達1.31 m/s，最小0.43 m/s；室內以堂屋為例，平均風速0.21 m/s，最大0.34 m/s，最小0.12 m/s，變化很小。

由圖5可以看出，在7：00—21：00期間，平均風速最大的是院落中心，比大門門外平均風速高0.38 m/s，比廣場中心平均風速高0.11 m/s，這主要是因為通風被正房阻擋，在院落中心形成渦流，加速了院落內的空氣流動，加強了通風效果，使得院落內風速大于院外。同時，院落風速的增加也帶動了室內的空氣流動，使得室內風速大部分時間均保持在0.25 m/s以上，可基本滿足人體的熱舒適及日常的通風需求［8］（圖5）。

4.1.4表面溫度

實測期間，建筑外表面溫度變化很大，而建筑內表面溫度變化很小。其中，屋頂海草表面溫度變化最為明顯，表面平均溫度為33.7 ℃，最高達52.9 ℃，最低24.2 ℃；室外立面磚材表面平均溫度為32.3 ℃，最高達39.9 ℃，最低26 ℃；室外立面石材表面平均溫度為31.1 ℃，最高達36.5 ℃，最低24.9 ℃；以堂屋為例，室內南立面表面（石材內表面）平均溫度為26.3 ℃，最高27.7 ℃，最低24.2 ℃。

由圖6可以看出：在7：00—21：00之間，屋頂海草表面溫度變化最大，最高在12：00時刻達到52.9 ℃，這是由太陽輻射的熱不同和材料的蓄熱能力引起的；在早7：00和21：00時刻，建筑室內外表面最低溫度相近，且均在27 ℃左右，而室內地面表面溫度一天之中都處在較低溫度，這是由于地面與大地相連，穩定性最好。

在中午時刻，墻體的內表面溫度比外表面溫度低25.1 ℃，而在下午到晚上這段時間，建筑外表面溫度又會迅速降低到與室內表面相近的溫度，室內表面溫度出現3 ℃左右的升溫，這是由于作為圍護結構的海草房屋頂與石墻具有較大熱惰性，導熱系數小，傳熱慢，建筑物內表面溫度受外表面溫度劇烈波動的影響小，但同時又具有一定的儲熱能力，使圍護結構的熱傳遞產生延遲效應（圖6）。

4.2 冬季參數分析

4.2.1 空氣溫度

實測期間，冬季室外溫度變化較大，廣場中心平均溫度5.5 ℃，最高10 ℃，最低1.3 ℃；院落中心平均溫度4.5 ℃，最高達8.7 ℃，最低1.3 ℃；室內以堂屋為例，平均溫度12.2 ℃，最高達15.4 ℃，最低8.8 ℃。

在7：00—21：00之間，各測點空氣溫度呈先升后降的趨勢；7：00與21：00時刻處于最低溫度，而室內外溫度相差較大，溫差在7.3～10.4 ℃之間；從早上7：00以后，室外溫度迅速升高，在9：00—10：00之間上升最快，以院落中心為例，1 h之內上升了3.2 ℃，這是因為在該時間段，太陽輻射快速增加，院落受到照射的結果。

從上午10：00開始到中午12：00時刻，院落中心、大門門外、廣場中心氣溫相繼達到最大值，在7.8～10 ℃之間。而此時室內溫度仍處于爬升階段，隨后于14：00時刻達到最大值，此時室內最高溫度比室外最高溫度高8.9 ℃。以堂屋為例，空氣溫度為15.4 ℃，比廣場中心空氣溫度高6.9 ℃，這是由于建筑單體中的院落設計、建筑體型等提供了較為良好的室外環境，增加了冬季陽光照射得熱，同時高聳的海草坡屋頂和厚石墻作為圍護結構，具有較大的熱惰性以及良好的儲熱能力，在保溫的同時仍能少量得熱。

14：00—15：00室外空氣溫度下降最快，廣場中心1 h之內下降2.1 ℃，這說明過了正午，太陽輻射下降，空氣溫度隨之下降；到達21：00時刻，室內外空氣溫度均到達較低值，此時室內外最低溫度差在8.3～10.4 ℃之間，這是由于圍護結構保溫性能較好，室內溫度下降較少，仍能保持較溫暖的室內熱環境（圖7）。

4.2.2 空氣相對濕度

空氣相對濕度與空氣溫度變化呈相反趨勢，早晚值大，中午值小。實測期間，冬季室內空氣濕度比室外空氣濕度變化大，且呈同增同減趨勢。其中，廣場中心平均濕度為64.3%，最高達79.1%，最低47.6%；院落中心平均濕度68.1%，最高達83.2%，日較差30.8%；室內以堂屋為例，平均濕度為76.3%，最高達97.5%，最低54.2%。

在7：00—21：00之間，各測點空氣濕度呈先降后升的趨勢；7：00與21：00時刻室外空氣濕度最大；在21：00時刻，室內外各測點濕度相差不大，濕度差在0.1%～10%之間；從早上7：00以后，室內外空氣濕度均迅速降低，在9：00—10：00之間降低最快，以院落中心為例，1 h之內下降了20.5%，這是因為在該時間段，太陽輻射快速增加，院落受到照射，水蒸氣快速蒸發。

中午13：00點時刻，廣場中心，大門門外、院落中心，均達到最小值，并且相差不大，在53.3%～54.1%之間，這是因為室外空氣流動較快，導致室外各處空氣濕度比較均勻；此時室內最低濕度比室外最低濕度高6.7%～12%。以堂屋為例，空氣濕度為64.4%，比廣場中心的空氣濕度高10.3%，這主要是由于海草房厚實的海草坡屋頂和厚石墻作為圍護結構，具有良好的密閉性，在該時間段，人們外出活動減少，使室內空氣不能與室外進行良好的熱濕交換，導致室內空氣濕度增大，使冬天不會過于干燥。

14：00以后，室外空氣濕度上升，在21：00基本與室內空氣濕度相平，空氣濕度恢復到70%以上，過了正午太陽輻射下降，空氣溫度下降，空氣濕度隨之上升（圖8）。

4.2.3 風速

在實測期間，室外風速變化很大，寒風呼嘯，而室內基本處于無風狀態。其中，廣場中心的平均風速為0.7 m/s，最大達1.5 m/s，最低0.09 m/s；大門門外平均風速0.85 m/s，最大2.25 m/s，最小0.19 m/s；院落中心平均風速0.37 m/s，最大達0.78 m/s，最小0.03 m/s；室內以堂屋為例，平均風速0.03 m/s，最大0.05 m/s，最小0 m/s，屬于無風狀態。

由圖9可以看出，在7：00—21：00間，室外平均風速最小的是院落中心，平均風速比大門門外平均風速低0.48 m/s，比廣場中心平均風速低0.33 m/s，這主要是因為海草房高聳的屋頂以及封閉的院落可以對冬季的不利風向進行阻擋，使得院落內風速小于院外。海草房冬季室內基本不開窗通風，使室內基本處于無風狀態，有效隔絕了室外風環境的干擾（圖9）。

4.2.4 表面溫度

實測期間，建筑外表面溫度變化很大，而建筑內表面溫度變化很小。其中，仍屬屋頂海草表面溫度變化最為明顯，表面平均溫度為15.7 ℃，最高達49 ℃，最低-5.1 ℃；室外立面石材表面平均溫度為13.7 ℃，最高達27.4 ℃，最低4.4 ℃；以堂屋為例，室內南立面表面（石材內表面）平均溫度為15.7 ℃，最高17.6 ℃，最低13.3 ℃。

由圖10可以看出：在7：00—21：00之間，屋頂海草表面溫度變化最大，最高在10：00時刻達到49 ℃，其次是室外立面石材變化較明顯，這是由太陽輻射得熱不同和材料的蓄熱能力不同引起的；而室外地面表面溫度一天之中都處在較低溫度，這是由于地面與大地相連，穩定性最好。

在中午時刻，建筑的內表面溫度比外表面溫度低10.4～26 ℃，而在下午到晚上這段時間，建筑外表面溫度又會迅速降低到比室內表面低5.4～20.1 ℃的溫度，而室內表面溫度的下降不超過5 ℃，這還是得益于具有較大熱惰性的厚海草房屋頂與厚石墻，其熱惰性越大，建筑物內表面溫度受外表面溫度劇烈波動的影響就越小，使室內始終處于較穩定的熱環境中（圖10）。

5 分析與結論

（1）在選址規劃方面，通過對村落選址和街巷布局的設計，夏季室外平均氣溫可保持在31 ℃左右，平均濕度在71.2%～74.9%之間，室外平均風速可達0.83 m/s，使夏季較為涼爽；冬季室外平均濕度在61.4%～66%之間，使冬季較濕潤，同時其選址布局有效阻擋了冬季不利寒風，使室外平均風速僅為0.89 m/s，受寒風影響小。這些設計策略為村落創造出了較為舒適的微氣候，也為海草房民居良好的室內環境提供了一個重要保障。

（2）在院落及建筑單體方面，通過對院落以及建筑體型的設計，加強了夏季海草房院落內的通風，使院內平均風速可達0.78 m/s，同時院內風速的增大也促進了室內空氣流動，使室內風速基本保持在0.25 m/s以上，基本滿足了人體的熱舒適及日常的通風需求；冬季海草房高聳的屋頂以及封閉的院落可以對冬季的不利風向進行阻擋，使得院落內平均風速僅為0.37 m/s，比院外小0.48 m/s，冬季太陽角度低，采光得熱增加，同時較小的建筑體形系數減少了散熱，為海草房民居提供了一個良好的熱環境。

（3）在材料構造方面，選取天然石材及海草作為建筑材料，搭配適宜的建筑構造方式，使建筑的圍護結構具有了較好的密閉性、較大的熱惰性以及一定的儲熱能力。在夏季室外溫度最高時，室內最高溫度比室外最高溫度低5.9～6.7 ℃，圍護結構墻體的內表面溫度比外表面溫度低12.2～25.1 ℃，這是因為圍護結構較大的熱惰性使其內表面溫度受外表面溫度劇烈波動的影響很小，能夠有效地阻隔熱量流入室內，取得了很好的隔熱效果。在冬季，室外溫度最低時，室內最低溫度比室外最低溫度高7.3～10.4 ℃，建筑圍護結構內外表面最低溫差在3.8～19.2 ℃之間，說明圍護結構的熱惰性同樣能夠有效地阻擋熱量流失，具有良好的保溫性能，同時圍護結構的密閉性使室內平均濕度維持在70%左右，室內最低濕度比室外最低濕度高6.7%～12%，使室內較濕潤。

從上述分析可看出：由于膠東沿海地區特殊的地理位置和氣候條件，為保證海草房良好的熱舒適狀況，提高人體舒適度，沿海人民采取了選址布局、建筑體型設計以及高熱穩定性的厚石墻、特殊的海草屋頂等一系列被動式設計策略，使得海草房具有了冬暖夏涼、保溫隔熱的效果，為海草房民居提供了一個理想的室內環境。這些被動設計在現代的建筑設計中，仍具有積極的借鑒意義，是膠東沿海人民巧妙地利用氣候、環境以及自然資源創造出來的民族文化瑰寶。但由于所處時代的局限性，一些設計策略還需改進，為今后的進一步研究提供可能性和必要性。

參考文獻

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