李雪平，張引

（西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安 710054）

0 引 言

氣候與建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)和室內(nèi)熱舒適性有著密不可分的聯(lián)系，在嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)，要求建筑有足夠的保溫設(shè)計(jì)以抵御冬季冷空氣滲透，夏熱冬冷地區(qū)則應(yīng)在設(shè)計(jì)建筑冬季保溫的同時(shí)考慮夏季防熱。建筑設(shè)計(jì)者根據(jù)不同地區(qū)氣候特點(diǎn)設(shè)計(jì)出適宜的民居，不僅可以提高建筑壽命和居住舒適度，也順應(yīng)了低能耗建筑的趨勢。

借助氣候分析軟件可以評估建筑對環(huán)境的適應(yīng)程度并對不足之處提出應(yīng)對策略，對于建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)十分有利[1-2]。20 世紀(jì)以來，隨著科技發(fā)展，人類逐漸依賴人工設(shè)備達(dá)到室內(nèi)舒適的目的，建筑與環(huán)境的聯(lián)系逐漸淡化，造成建筑失去地方特色，運(yùn)行能耗也大大增加。

建筑設(shè)計(jì)與當(dāng)?shù)貧夂驐l件密不可分，對與氣候相適應(yīng)的傳統(tǒng)民居進(jìn)行分析有助于學(xué)習(xí)寶貴經(jīng)驗(yàn)，使新建民居與生態(tài)環(huán)境和諧共生。本文以傳統(tǒng)徽派民居為研究對象，綜合焓濕圖和建筑室內(nèi)外實(shí)測溫濕度數(shù)據(jù)，得到民居適應(yīng)氣候存在的問題，并提出應(yīng)對策略，給夏熱冬冷地區(qū)民居設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 氣候分析軟件與舒適度模型選擇

1.1 氣候分析軟件

建筑室內(nèi)舒適性受到地方氣候和人體熱舒適度共同影響，因此，評價(jià)建筑適應(yīng)性應(yīng)同時(shí)考慮氣候和人體熱舒適性。建筑氣候分析軟件精確分析一個(gè)區(qū)域多年氣象數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮氣候與熱舒適性提出適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻谋粍硬呗?。目前可以整合氣象?shù)據(jù)并通過分析數(shù)據(jù)形成氣候分區(qū)圖的軟件有Weather Tool 和Climate Consultant。Weather Tool 是屬于建筑生態(tài)軟件Autodesk Ecotect Analysis 的子軟件，Climate Consultant是由美國加利福尼亞大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)系結(jié)合Baruch Givoni 和Murray Milne 理論研究成果開發(fā)的建筑氣候分析軟件。2 款軟件都可以讀取地方全年的氣象數(shù)據(jù)，并整合成容易理解的溫濕度圖、日照輻射圖和焓濕圖。通過焓濕圖可以分析建筑室內(nèi)熱舒適度細(xì)微的影響因素，并對室內(nèi)熱環(huán)境改善提供具體有效的建議。由于Climate Consultant 包含4 種舒適模型和13種被動被動式建筑節(jié)能策略，因此，本研究選擇Climate Consultant 作為分析黃山市民居氣候適應(yīng)性的軟件。

1.2 熱舒適模型

熱舒適性基于干球溫度、衣物水平（clo）、代謝活動（met）、空氣流速等，考慮不同條件的舒適性結(jié)果也會有差異，Climate Consultant 氣候分析軟件提供4 種舒適模型以滿足不同客觀條件下舒適型分析需求，分別為加州能源效益規(guī)程的舒適型模型、ASHRAE Standard 55 和當(dāng)前基礎(chǔ)模型手冊、2005年ASHRAE 基礎(chǔ)手冊舒適模型以及ASHRAE Standard 55-2010 自適應(yīng)熱舒適模型。本文選擇ASHRAE Standard 55，該模型假定室內(nèi)平均輻射溫度接近干球溫度，使用PMV 預(yù)測評價(jià)投票模型計(jì)算大多數(shù)人感到舒適的區(qū)域，室內(nèi)人員根據(jù)季節(jié)調(diào)整衣服，在較高的空氣流速下感覺舒適[3]，因此，比在有中央空調(diào)系統(tǒng)的建筑物中有更大的舒適范圍，此舒適模型基本滿足徽派民居的實(shí)際情況。

2 黃山市氣候分析

2.1 黃山市區(qū)位及氣候條件

黃山市屬于中亞熱帶與北亞熱帶過渡區(qū)，多陰雨天，夏季酷熱，冬季寒冷。從Climate Consultant 讀取黃山市氣象數(shù)據(jù)如圖1 所示，氣候特征為：（1）夏季持續(xù)時(shí)間較長且溫度較高，冬季較冷。黃山市6、7、8 月平均溫度均高于舒適溫度，7 月為全年最熱月，最高溫度達(dá)到38 ℃。1、2、12 月最低溫度在-7 ℃左右，2 月為全年最冷月，由于黃山市濕潤多雨、空氣潮濕、冬季濕冷，加重了人體的不適感。（2）空氣濕度較大。由于黃山市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨多，導(dǎo)致全年濕度偏高，相對濕度最低為54.58%，全年約有80%以上的時(shí)間濕度高于人體濕度舒適范圍40%～70%，其中12 月份空氣濕度最低，7 月空氣濕度最高。（3）太陽資源一般。黃山市水平總輻射量較穩(wěn)定，5～8 月太陽輻射量較充足，在7 月太陽輻射峰值達(dá)到680 W/m2。根據(jù)國家氣象局風(fēng)能太陽能評估劃分標(biāo)準(zhǔn)，黃山市屬于太陽輻射量一般區(qū)域。

圖1 黃山市全年氣象數(shù)據(jù)

2.2 焓濕圖分析

從Climate Consultant 得到黃山市焓濕圖見圖2。

圖2 黃山市焓濕圖

由圖2 可見，絕大多數(shù)點(diǎn)都落在舒適區(qū)域及舒適區(qū)左邊，即民居大多數(shù)時(shí)間溫度偏低，夏季高溫情況也時(shí)常出現(xiàn)，全年濕度偏高。選擇顯示最佳被動策略組合軟件會自動去除矛盾和多余的被動措施，此策略組合可以幫助建筑獲得最大的舒適時(shí)間。從最優(yōu)組合焓濕圖給出的設(shè)計(jì)策略可知，全年舒適時(shí)間僅為4.5%，夏季和冬季極端溫度時(shí)間持續(xù)較長，溫度適宜的過渡季節(jié)十分短暫。一年中40.3%的時(shí)間需要采用電暖、火爐等主動采暖方式進(jìn)行采暖，16.1%時(shí)間需要采取制冷措施，被動策略按照有效時(shí)間排序，依次為除濕（17.4%），內(nèi)部得熱（16.6%），窗戶遮陽（7.9%），被動太陽能得熱+高蓄熱（6.3%），高蓄熱+夜間通風(fēng)（1.2%）等，戶外空間防風(fēng)保護(hù)和加濕等策略有效時(shí)間為0，可以忽略。

黃山市各月份和不同季節(jié)被動策略有效時(shí)間見表1、表2。

表1 黃山市被動式建筑策略各月有效時(shí)間對比 %

表2 黃山市各季節(jié)建筑被動策略有效時(shí)間對比

3 民居熱環(huán)境實(shí)測

3.1 測試概況

影響室內(nèi)舒適型的主要指標(biāo)有空氣溫度、濕度等，根據(jù)調(diào)查研究表明：人體舒適的空氣溫度在16～25 ℃，相對濕度在40%～70%范圍內(nèi)，如果超出上述范圍不僅使主觀舒適度降低，甚至?xí)绊懙饺梭w健康。選取位于黃山市徽州古城中山巷內(nèi)的民居作為測試對象，民居外墻為空斗墻，門窗皆為木質(zhì)，坡屋頂上有馬頭墻，由于民居歷史悠久，外墻侵蝕嚴(yán)重，門窗老化，民居平面見圖3。對民居的室內(nèi)、外空氣溫度和相對濕度進(jìn)行24 h 連續(xù)監(jiān)測，冬季測試時(shí)間為1 月21 日，夏季測試時(shí)間為7 月22 日。測試過程門窗根據(jù)居民舒適需求自由開關(guān)，測試儀器每30 min 記錄1 次溫度，室外溫度取建筑物北向陰影區(qū)域溫度。采用testo175H1 數(shù)據(jù)記錄儀，溫度測量范圍為-20～+55 ℃，相對濕度測量范圍為0～100%。

圖3 民居平面及測點(diǎn)分布

3.2 溫濕度實(shí)測分析

3.2.1 民居溫度測試分析（見圖4）

圖4 民居溫度實(shí)測結(jié)果

由圖4 可見，民居冬季室外平均溫度為3.5 ℃，溫度波動較大。客廳和臥室是休息和活動的主要場所，平均溫度分別為3.4、4.2 ℃，最高溫度分別為3.8、5.5 ℃，溫度波幅分別為0.3、1.3 ℃，廚房內(nèi)溫度較低，平均溫度僅為2.5 ℃，廚房在使用期間溫度短暫升高，最高為4 ℃。臥室和客廳為民居室內(nèi)溫度較高的房間，臥室的西向墻體在下午受太陽輻射，由于該墻體未開窗，且門處于關(guān)閉狀態(tài)，室內(nèi)維持較高溫度，客廳內(nèi)多余熱量被天井通風(fēng)帶走，在晚上溫度有所下降；民居夏季室外平均溫度為29.1 ℃，客廳和廚房溫度波動較大，其中客廳通風(fēng)良好，白天溫度隨著室外溫度升高有所升高，平均溫度為29.4℃，臥室相對密閉，溫度保溫穩(wěn)定，平均溫度為30.1 ℃，由于廚房面積和開窗均較小，不利于室內(nèi)外熱量交換，造成廚房溫度略高于臥室和客廳。由測試結(jié)果可知，民居冬季和夏季室內(nèi)溫度均不滿足舒適要求，需要采用主動措施提高舒適度。

3.2.2 民居濕度測試分析

民居冬季測試時(shí)間內(nèi)天氣轉(zhuǎn)陰，相對濕度測試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 民居相對濕度實(shí)測結(jié)果

由圖5 可見，室外相對濕度一直處于上升狀態(tài)，在22 日00：00～02：00 有較大的波動，總體變化范圍保持在42%～73%，室內(nèi)相對濕度隨之增大?？蛷d和臥室相對濕度較為接近，均值分別為58.4%、59.1%，廚房相對濕度較高，均值為66%，冬季相對濕度偏高，超過人體舒適濕度閾值。夏季測試日的民居室外濕度范圍為45%～78%，早上05：00 太陽出升后由于蒸騰作用室外濕度持續(xù)降低，在下午16：00 降至最低點(diǎn)，室內(nèi)客廳和臥室由于白天溫度升高濕度也有所降低。民居室外冬季和夏季平均相對濕度分別為64.9%和63.6%，濕度偏高，這是由于黃山市氣候潮濕多雨，門窗老化嚴(yán)重、密閉性差，加之天井通風(fēng)作用，使得室內(nèi)濕度隨室外濕度變化較大。

3.3 熱舒適性評價(jià)

丹麥Fanger P O 教授提出假定人體與環(huán)境處于平衡狀態(tài)的條件下，利用受試者在不同環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出了舒適性模型[4]。我國民用建筑熱濕環(huán)境評價(jià)和中等熱環(huán)境舒適的測試均采用PMV-PPD 熱評價(jià)體系，利用該體系對民居冬季和夏季臥室內(nèi)熱舒適性進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 臥室PMV 曲線

由圖6 可見，臥室夏季PMV 在0.82～0.96，預(yù)測室內(nèi)不滿意率平均值為18%，冬季PMV 在-2.32～-2.13，預(yù)測室內(nèi)不滿意率平均值為85.6%?？梢娒窬佣居捎诤浜统睗裨斐傻娜梭w濕冷感使得室內(nèi)舒適度極低，大多數(shù)居民認(rèn)為室內(nèi)環(huán)境不令人滿意。民居夏季在較為良好的通風(fēng)作用下，室內(nèi)舒適度較高，但是由于黃山市夏季室外高溫天頻繁，民居的防熱也應(yīng)當(dāng)被重視。

4 氣候適應(yīng)性策略分析

通過軟件模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)對黃山市氣候分析發(fā)現(xiàn)，黃山市存在夏季炎熱、冬季寒冷、且降雨較多、空氣潮濕的氣候特點(diǎn)，對居住環(huán)境有嚴(yán)重的不利影響，提出主動調(diào)節(jié)措施可以應(yīng)對較差的氣候條件并提高建筑內(nèi)舒適度。

4.1 應(yīng)對炎熱氣候策略

黃山市夏季最高溫度達(dá)到38 ℃，且濕度偏高，濕熱氣候是傳統(tǒng)民居在夏季面臨的首要問題，由焓濕圖可知，降溫策略全年有效時(shí)間占44.2%，其中制冷占比最高，其次為窗戶遮陽、風(fēng)扇驅(qū)動降溫和自然通風(fēng)降溫。遮陽是民居中常見且有效的降溫措施，黃山市民居一年中有9.8%的時(shí)間需要遮陽，徽派民居由于其建筑構(gòu)造特點(diǎn)，在外墻極少開窗，主要通風(fēng)和采光功能由天井承擔(dān)，需要遮陽的為少數(shù)南向二樓窗戶，遮陽需求相對較小，因此通過風(fēng)扇和天井通風(fēng)作用降溫是徽派民居夏季降溫的主要措施。

門、窗和洞口的位置是影響室內(nèi)通風(fēng)的主要因素[5]，在南向和北向外墻開窗可以在室內(nèi)形成穩(wěn)定的空氣流通，進(jìn)、出風(fēng)口錯(cuò)位分布可以增加空氣在室內(nèi)的流通時(shí)間，也可以采用非全封閉式屋頂，在開敞區(qū)設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板，冬季將該區(qū)域封閉，通風(fēng)方式見圖7。在天井處種植綠植、盆栽，利用植物的蒸騰作用可以降低空氣溫度，提高空氣品質(zhì)。由于徽派民居布局緊湊，建筑間距較小，可以互相遮擋陽光輻射，避免了由陽光直射將熱量帶入室內(nèi)，但民居窗戶大多開在二樓，建筑遮擋作用不佳，可以為二樓南向、西向外窗設(shè)置遮陽，通過合理調(diào)整遮陽尺寸達(dá)到阻隔夏季陽光輻射的目的，也可以采用遮陽窗簾或百葉窗設(shè)計(jì)直接阻擋夏季熱量，在窗戶上方設(shè)置遮陽板以滿足采光需求，徽派民居通風(fēng)和遮陽方式見圖8。

圖7 非全封閉屋頂通風(fēng)示意

圖8 徽派民居天井遮陽和通風(fēng)示意

4.2 應(yīng)對寒冷氣候?qū)Σ?/h3>

由焓濕圖可知，黃山市一年中大多時(shí)間溫度低于舒適區(qū)域，冬季采暖有效時(shí)間占38.9%，且不屬于集中供暖區(qū)域，優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省冬季采暖能耗、降低費(fèi)用、保護(hù)環(huán)境，缺點(diǎn)是室內(nèi)溫度低，舒適性差，居民會主動使用分散采暖設(shè)備來提高室內(nèi)溫度。由于民居外墻較厚且不開窗，冬季室內(nèi)熱量不易流失，因此室內(nèi)熱源采暖效果較好，一般在廚房設(shè)置火爐，采暖的同時(shí)可以輔助炊事活動，臥室、客廳使用電暖氣，更安全方便。提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、降低傳熱系數(shù)可以增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫效果。黃山市民居多使用單層玻璃，圍護(hù)結(jié)構(gòu)不設(shè)置保溫層。結(jié)合當(dāng)?shù)囟緯r(shí)間長、溫度低的氣候特征，可以在屋頂和外墻增加保溫層降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱能力，保溫層做法如圖9 所示。采用雙層玻璃可以反射部分入射室內(nèi)太陽輻射，同時(shí)降低冬季采暖熱量的散失，如圖10 所示。

圖9 圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層做法

圖10 窗戶保溫及采光設(shè)計(jì)示意

4.3 應(yīng)對空氣潮濕對策

黃山市處于亞熱帶季風(fēng)氣候，多山地，由于北坡和南坡受陽光輻射差異較大，局部地形對氣候的影響作用導(dǎo)致云霧多、降水多、濕度大的氣候特點(diǎn)[6]。如焓濕圖所示黃山市2020 年80%時(shí)間空氣相對濕度在80%～90%，民居內(nèi)潮濕感較重，造成建筑外墻出現(xiàn)返堿、長霉菌，屋頂和地面返潮現(xiàn)象。民居主要為木質(zhì)框架，干燥的木材為民居濕環(huán)境有調(diào)節(jié)作用，但在木材吸濕達(dá)到飽和后，對環(huán)境調(diào)節(jié)能力大幅下降，解決室內(nèi)潮濕問題的最佳方法為加強(qiáng)通風(fēng)。

風(fēng)速分析三維圖如圖11 所示。

圖11 風(fēng)速分析三維圖

由圖11 可見，黃山市風(fēng)速較低，全年60%的時(shí)間風(fēng)速低于2 m/s，這大大限制了民居的自然通風(fēng)效果，天井構(gòu)造的設(shè)計(jì)有效地加快民居室內(nèi)空氣流通。據(jù)研究，徽派民居全年適宜通風(fēng)的時(shí)間約占60.99%[7]，超過半數(shù)的時(shí)間可以利用通風(fēng)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，通過加大新風(fēng)量帶走室內(nèi)多余水分。在室外濕度較大，不適宜通風(fēng)時(shí)間內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)建筑密閉性，提高建筑內(nèi)溫度，限制通風(fēng)也是除濕的一種有效手段。

5 結(jié) 語

黃山市作為典型的夏熱冬冷地區(qū)，溫度適宜的過渡季節(jié)短暫，全年舒適時(shí)間僅為4.5%，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居為適應(yīng)氣候不斷演變，形成較為適宜環(huán)境的建筑朝向、空間布局、建筑材料等，針對夏季溫度高、持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)，衍生出加快建筑內(nèi)通風(fēng)的天井構(gòu)造，以及良好隔絕輻射的坡屋頂結(jié)構(gòu)。這些構(gòu)造對建筑室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)作用雖不及現(xiàn)代設(shè)備所帶來的舒適條件，但與環(huán)境相互協(xié)調(diào)，不耗費(fèi)額外能源達(dá)到居住舒適居住條件的理念，值得現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)時(shí)借鑒。

借助軟件分析建筑氣候與適宜性可以定量分析建筑室內(nèi)的舒適時(shí)間以及必要采取的主動措施，以評價(jià)建筑對環(huán)境的適應(yīng)程度。軟件氣候分析同樣可以在建筑節(jié)能中提供相應(yīng)的改造方向。