(河北建筑工程學(xué)院 河北 張家口 075000)

張家口壩上地區(qū)建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計研究
——以張北縣為例

孫健陸炳燕成帥任志坤

(河北建筑工程學(xué)院河北張家口075000)

隨著北京攜手張家口成功申辦2022年冬奧會和京津冀一體化的進程的加快，張家口已成為京津冀的避暑勝地和世界滑雪中心。本文以張家口典型氣象年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析被動式太陽能采暖、圍護結(jié)構(gòu)蓄熱和夜間通過風(fēng)、直接與間接蒸發(fā)降溫、自然通風(fēng)等氣候適應(yīng)性設(shè)計策略，為進一步提升張家口空氣質(zhì)量與建筑節(jié)能有著重要意義。

張家口壩上地區(qū)；氣候適應(yīng)性；被動式設(shè)計；軟件模擬

一、引言

北京攜手張家口成功申辦2022冬奧會和京津冀一體化的大背景下，張家口地區(qū)作為北京的“后花園”，與北京的聯(lián)系越來越緊密，整個地區(qū)呈現(xiàn)出城市發(fā)展加快的態(tài)勢。隨著人們生活品質(zhì)的提高，張家口良好的空氣質(zhì)量和自然環(huán)境更是凸顯出其優(yōu)越的宜居性，而現(xiàn)代建筑中采暖和空調(diào)技術(shù)的采用在改善室內(nèi)環(huán)境的同時，也帶來了能耗和污染的問題。在建筑設(shè)計中，將當(dāng)?shù)貧夂驐l件的潛能發(fā)揮到最大，既可以滿足一定程度下建筑室內(nèi)舒適環(huán)境的要求，也可以有效的降低建筑能耗，進一步提高張家口空氣質(zhì)量具有重要的社會意義和經(jīng)濟效益。

二、張家口壩上地區(qū)氣候環(huán)境特征

張家口地形基本上由陰山山脈隔斷劃分為壩上和壩下兩個地區(qū)。壩上地區(qū)包括張家口市沽源、康保、尚義和張北4縣。基本呈現(xiàn)西北高，東南低的趨勢，平均海拔在1400米左右。張家口壩上地區(qū)屬于嚴(yán)寒地區(qū)，氣候劃分區(qū)域為ID類氣候區(qū)。

張家口壩上地區(qū)全年氣溫偏低，晝夜溫差較大；夏季室內(nèi)環(huán)境舒適，冬季寒冷漫長。年日照可達2600～3100h，年太陽輻射總量132～146Kcal/cm2。年均風(fēng)速為3.6～4.1m/s，屬于太陽能、風(fēng)能富集地區(qū)。

三、張北縣建筑氣候適應(yīng)性分析

建筑節(jié)能受當(dāng)?shù)貧夂驐l件和人體熱舒適的影響，而對于建筑室內(nèi)舒適度來說，溫度和相對濕度是首要考慮的因素。本文以張北縣典型氣象年數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》)為依據(jù)，通過weather tool得出當(dāng)?shù)亟ㄖ夂虻撵蕽駡D和各種被動式設(shè)計方法所能改善室內(nèi)舒適度的逐時百分比，最終分析張北縣建筑室內(nèi)熱舒適的氣候適應(yīng)性設(shè)計策略。

表是1張北縣典型氣象年逐月最低溫度和對應(yīng)相對溫度、最高溫度和對應(yīng)相對濕度統(tǒng)計，由表1可知，張北縣夏季氣溫舒適宜人，但冬季室外溫度較低。春季和秋季相對濕度較低，空氣干燥。但由于張北地區(qū)冬季氣候異常寒冷，如何保持室內(nèi)溫度應(yīng)是建筑室內(nèi)舒適度首要考慮的因素。

表1 張北縣每月最低溫度和對應(yīng)相對溫度、最高溫度和對應(yīng)相對濕度統(tǒng)計

注：圖表來源《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》數(shù)據(jù)

圖1 張北縣被動式設(shè)計分析

注：室內(nèi)人的活動狀態(tài)設(shè)為靜坐，南向開窗率為30%，圍護結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計為高，被動式太陽能的效益設(shè)為平均,室內(nèi)風(fēng)速為1m/s。圖片來源Weather Tool得出。

表2 張北縣各月氣候調(diào)節(jié)策略有效時間比

注：數(shù)據(jù)來源Weather Tool得出。

1.被動式太陽能采暖

被動式太陽能采暖分為直接獲取太陽能系統(tǒng)和各類型暖房兩種方式。直接獲取太陽能可以通過改變透明圍護結(jié)構(gòu)的面積、類型、位置和朝向等方式來增加室內(nèi)對于太陽能的吸收和利用。暖房則是通過增加一部分建筑空間，形成一個室內(nèi)與室外過渡空間，進而改善室內(nèi)熱環(huán)境。此外還有一些綜合性的被動式太陽能采暖方式,如特朗布墻、史蒂夫·貝爾系統(tǒng)和巴拉系統(tǒng)等等。

由圖1和表1、2分析可知，張北縣冬季氣溫低且漫長，采暖期為10月15日—4月15日。11月—3月被動式太陽能采暖主要是對正午時間段的室內(nèi)溫度略提升，但基本不能滿足全天內(nèi)室內(nèi)舒適度的需求，需要采取傳統(tǒng)采暖保證室內(nèi)的熱舒適度。張北縣春秋氣溫較低，而夏季涼爽適宜。4月—6月和8月—10月被動式太陽能采暖設(shè)計提高了16%—38%逐時百分比，32%—44%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)?？梢钥闯?，在采暖期前后室內(nèi)熱環(huán)境較差時，被動式太陽能采暖可以提高室內(nèi)溫度，保證室內(nèi)的舒適度。這對于過渡季節(jié)改善室內(nèi)熱環(huán)境意義重大。而7月份僅提高7%逐時百分比，32%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。從全年來看，被動式太陽能采暖設(shè)計提高了15%逐時百分比，22%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。由以上分析可得，張北縣被動式太陽能采暖設(shè)計春季、夏季和秋季增溫意義重大。

2.圍護結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)

圍護結(jié)構(gòu)蓄熱通過改變建筑材料的蓄熱能力，延緩室外環(huán)境對于室內(nèi)環(huán)境的影響。以便讓夜間的室內(nèi)溫度趨近于白天，白天的室內(nèi)溫度趨近于夜間。夜間通風(fēng)主要是通過夏季夜間通風(fēng)，將室內(nèi)溫度降低，白天將窗戶關(guān)閉，以延緩白天室外高溫對室內(nèi)環(huán)境的影響。

由于張北縣8月的氣溫相對其他月份較高，且晝夜溫差較大。這段時間內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)蓄熱略高于夜間通風(fēng)的逐時百分比之外，而全年其他時間基本相同。就兩者總體而言，由圖1和表1、2分析可知，由于張北縣冬季氣溫較低，11月—3月期間圍護結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)設(shè)計對于室內(nèi)舒適度的改善微乎其微。4和10月僅提高6%和5%逐時百分比，5月和9月改善了22%—26%逐時百分比，28%—34%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。在過渡季節(jié)中，圍護結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)設(shè)計可以改善室內(nèi)部分時間的熱化境，以減少在采暖期前后室內(nèi)氣溫較低的時間。而6月—8月效果明顯，改善了43%—53%逐時百分比，64%—77%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。圍護結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)設(shè)計可以延緩夏季室外溫度對室內(nèi)溫度的影響，保證室內(nèi)熱環(huán)境白天更加涼爽，且夜晚相對溫暖。從全年來看，圍護結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)設(shè)計可以改善16%逐時百分比，23%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。由以上分析可得，張北縣圍護結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)設(shè)計在夏季和春秋較熱的時間段內(nèi)可以起到有效改善室內(nèi)舒適度的作用。

3.直接與間接蒸發(fā)降溫

直接蒸發(fā)降溫是通過通過蒸發(fā)作用產(chǎn)生冷氣流來給建筑的室內(nèi)環(huán)境降溫。如坎寧安和湯普森冷卻塔。間接蒸發(fā)降溫則是不將水蒸氣引入室內(nèi)，通過外圍護結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)冷卻作用來降低室內(nèi)熱環(huán)境的方式，如屋頂水池。

一年之中，張北縣直接蒸發(fā)降溫基本和間接蒸發(fā)降溫效果相同，只有在7月份的時候有較大差異，直接蒸發(fā)降溫基本比間接蒸發(fā)降溫設(shè)計低14%逐時百分比。就兩者總體而言，由圖1和表1、2分析可知，由于張北縣冬季寒冷，10月—4月直接與間接蒸發(fā)降溫設(shè)計對于室內(nèi)舒適度的基本沒有影響。除9月提高了5%，對于室內(nèi)舒適度影響較小外。5月—8月直接與間接蒸發(fā)降溫設(shè)計提高了13%—40%逐時百分比，21%—65%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。可以有效的緩解這段時間內(nèi)白天室內(nèi)溫度略高的情況。從全年來看，直接與間接蒸發(fā)降溫設(shè)計提高了9%逐時百分比，16%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。由以上分析可得，張北縣直接與間接蒸發(fā)降溫設(shè)計在夏季對于改善室內(nèi)的舒適度有著很大作用。

4.自然通風(fēng)

自然通風(fēng)可以置換室內(nèi)污濁的空氣，保持室內(nèi)空氣質(zhì)量。在溫暖的環(huán)境下，較高的風(fēng)速可以增加人體對流換熱，并且消除皮膚因出汗而感到的不適，從而改善人對于室內(nèi)舒適度的感覺。

由圖1和表1、2分析可知，由于張北縣冬季寒冷，9月—4月期間自然通風(fēng)對于室內(nèi)舒適度基本沒有影響。而過渡季節(jié)由于張北縣氣溫仍然較低，所以自然通風(fēng)效果并不明顯。5月和9月自然通風(fēng)可以提高4%—8%逐時百分比，16%—27%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。夏季自然通風(fēng)對于室內(nèi)舒適度的影響較大，提高了12%—35%逐時百分比，33%—60%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)?；究梢詽M足白天通過自然通風(fēng)就可以達到室內(nèi)降溫的需求。從全年來看，自然通風(fēng)可以提高8%逐時百分比，15%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。由以上分析可得，張北縣自然通風(fēng)設(shè)計對于夏季和過渡季節(jié)溫度較高時節(jié)的室內(nèi)舒適度有著明顯的改善。

綜合考慮各種被動式設(shè)計對張北縣室內(nèi)熱環(huán)境的影響，4月—10月室內(nèi)舒適度的改善有著顯著的作用。11月—2月被動式設(shè)計對于室內(nèi)的舒適度影響微乎其微，這段時期主要需要依靠傳統(tǒng)采暖的方式來改善室內(nèi)舒適度。4月—10月被動式設(shè)計提高了23%—55%逐時百分比，34%—83%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。尤其是6月—8月平均提高了52%—56%逐時百分比，78%—83%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。就全年而言，被動式設(shè)計提高了25%逐時百分比，36%逐時百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。

四、結(jié)語

在建筑方案階段，通過相應(yīng)的采用適用于張北地區(qū)氣候條件的被動式設(shè)計手段可以顯著的改善室內(nèi)環(huán)境。被動式太陽能采暖、圍護結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)對于室內(nèi)舒適度的改善最為顯著，而自然通風(fēng)和蒸發(fā)降溫也有很好的效果。張北地區(qū)10月—3月需要被動式太能能采暖與傳統(tǒng)采暖相結(jié)合的設(shè)計思路來解決室內(nèi)舒適度的需求。4月—9月，被動式設(shè)計策略可以很好的利用當(dāng)?shù)貧夂驐l件，改善室內(nèi)熱環(huán)境。其中6月—8月效果最為明顯，通過各種被動式設(shè)計方法的綜合利用，基本可以達到不用主動式設(shè)備(空調(diào)、電扇等)就能滿足室內(nèi)舒適的需求。

[1]巴魯克·吉沃尼(美).建筑設(shè)計和城市設(shè)計中的氣候因素[M].第一版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2011年

[2]柳孝圖.建筑物理[M].第三版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2010年

[3]楊柳.建筑氣候?qū)W[M].第一版，北京：中國建筑工業(yè)出版社.2010年

孫健(1990.01-)，男，漢族，石家莊市，在讀碩士，寒冷地區(qū)綠色建筑方向。