何京哲，陳敬*，張群，王穎

0 引言

河西走廊地區(qū)鄉(xiāng)村振興水平的逐步提高[1]，生態(tài)治理、扶貧脫貧、產(chǎn)業(yè)整合等工作的推進(jìn)，帶動(dòng)了鄉(xiāng)村民居易地搬遷建設(shè)的需求[2]。而當(dāng)前新建民居囿于快速設(shè)計(jì)施工，未能充分適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，產(chǎn)生了能源消耗過大的問題。

現(xiàn)有能耗研究在針對(duì)氣候及建筑類型差異方面取得了較多進(jìn)展：Dascalaki等[3]調(diào)研了分布于歐洲4個(gè)氣候區(qū)域的5類辦公建筑，提出了影響辦公建筑能耗的各因素，并總結(jié)了各因素的節(jié)能優(yōu)化策略；Ivan等[4]依據(jù)形態(tài)、構(gòu)造、開窗、日照遮陽系統(tǒng)等構(gòu)建了英國(guó)地區(qū)現(xiàn)存辦公建筑典型模型，以此開展該類建筑的能耗預(yù)測(cè)研究；金虹等[5]提取了嚴(yán)寒地區(qū)鄉(xiāng)村民居的空間設(shè)計(jì)因素，通過實(shí)驗(yàn)得到各因素的最佳組合，用以指導(dǎo)鄉(xiāng)村民居的節(jié)能設(shè)計(jì)。然而，現(xiàn)有研究較少針對(duì)河西走廊地區(qū)的氣候特征與民居類型提出可供參考的典型模型，在當(dāng)?shù)亻_展鄉(xiāng)村民居的節(jié)能研究缺乏一定理論基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)對(duì)河西走廊民居空間特征的研究已具規(guī)模：李鷹[6]梳理了河西走廊地區(qū)生土建筑的空間形態(tài)，并提出其更新原則；王軍[7]提出當(dāng)?shù)孛窬宇愋桶ê显骸⑶f廓，并提出各類型的空間布局與營(yíng)造特點(diǎn)；李鈺[8]揭示了河西走廊民居建筑現(xiàn)象的形成與發(fā)展脈絡(luò)。以上成果促進(jìn)了以能耗為目標(biāo)的河西走廊鄉(xiāng)村民居典型模型的建立[9]。

首先提取河西走廊鄉(xiāng)村民居空間因素1）并設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，通過模擬比較不同因素組合下的民居能耗，總結(jié)各空間因素對(duì)民居能耗影響的敏感性，結(jié)合生產(chǎn)生活需求給出各空間因素優(yōu)化后的尺度，針對(duì)不同家庭結(jié)構(gòu)需求給出優(yōu)化戶型平面，為河西走廊鄉(xiāng)村民居的更新建設(shè)提供參考。

1 河西走廊地區(qū)焓濕圖

1 河西走廊氣候與鄉(xiāng)村民居概述

民居的形態(tài)與自然環(huán)境息息相關(guān)。分析建筑所處地域的氣候因素，有助于理解民居的生成原因，從中提取與應(yīng)對(duì)氣候相關(guān)的空間因素，建立空間因素與能耗之間的關(guān)系。

1.1 氣候特征

河西走廊屬嚴(yán)寒寒冷地區(qū)[10]，具有溫帶大陸性氣候特征。分析河西走廊地區(qū)焓濕圖[11]可知，全年平均氣溫為8.5 ℃，夏季晝夜溫差大，冬季嚴(yán)寒，最熱月平均氣溫22.4 ℃，最冷月平均氣溫-8.7 ℃。境內(nèi)全年日照數(shù)為3000～3200h，日照輻射資源豐富。境內(nèi)降雨量少而蒸發(fā)量大，氣候干燥（圖1）。

1.2 鄉(xiāng)村民居概述

以合院與莊廓民居為對(duì)象，提取當(dāng)?shù)孛窬拥牡湫涂臻g特征 （圖2）。兩類民居形態(tài)具有相似性：平面呈矩形，以房間圍合內(nèi)部院落，外墻以夯土或土坯壘筑，內(nèi)向而封閉。

河西走廊鄉(xiāng)村民居通過調(diào)整空間形態(tài)，達(dá)到適應(yīng)氣候、減少能耗的目的[12]：合理尺度的院落由房間圍合形成陰影區(qū)和日照區(qū)，營(yíng)造相對(duì)穩(wěn)定的半室外環(huán)境；房間以合理面寬進(jìn)深及層高組合，保證冬季保溫及夏季散熱；厚重的外墻具有優(yōu)良的熱物理性能，且向院落內(nèi)開窗，隔絕自然環(huán)境中的不利因素，維持室內(nèi)空間的熱穩(wěn)定性。

河西走廊民居各空間因素與尺度范圍，隨著時(shí)間與生活方式的發(fā)展不斷變化。如，建成時(shí)間較晚的民居出現(xiàn)了在外墻上開窗的情況，是因采用了密閉性及熱工性能更好的窗戶，維持室內(nèi)熱穩(wěn)定性的同時(shí)獲得了更多采光日照，是值得借鑒的新手法。

2 河西走廊鄉(xiāng)村民居空間特征

2.1 院落形態(tài)

院落是當(dāng)?shù)孛窬又猩a(chǎn)生活的重要組成部分，按其功能可分為生活用前院和生產(chǎn)用后院。其平面均呈矩形，面寬尺度范圍為3.8～12m，進(jìn)深尺度范圍為2.8～16.3m，面寬與進(jìn)深之比為1:3～3.5:1。依院落入口方向，其朝向在南偏東20°至南偏西40°之間，個(gè)別案例存在入口向北開的情況。

2.2 單體空間形態(tài)

當(dāng)?shù)孛窬又袉误w空間由堂屋2）、臥室、廚房、倉(cāng)儲(chǔ)、衛(wèi)生間5個(gè)部分組成：堂屋與院落入口相對(duì)，臥室處于院落南北軸線東西側(cè)廂房位，廚房、倉(cāng)儲(chǔ)及衛(wèi)生間位于院落4個(gè)角落。其中，堂屋與臥室是民居內(nèi)最主要的使用空間，堂屋面寬、進(jìn)深與層高的尺度范圍為3.8～8.9m、2.7～4.5m及2.9～4.1m，窗墻比范圍為3.3%～53.2%。

2.3 各部構(gòu)造特征

夯土是當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，有多種構(gòu)造做法，廣泛使用于墻體與屋面等結(jié)構(gòu)中，具有熱濕穩(wěn)定性高、保溫隔熱性能良好的特點(diǎn)。燒結(jié)磚、混凝土等制成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)提高了民居的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但建筑熱工性能大幅下降，造成了能源浪費(fèi)（表1）。

表1 傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法

3 河西走廊民居的能耗模擬

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，河西走廊民居實(shí)際建設(shè)中存在尺度與構(gòu)造不合理的情況，造成無法適應(yīng)自然環(huán)境和能源浪費(fèi)的問題，需要科學(xué)指導(dǎo)各空間因素的選擇。

2 河西走廊鄉(xiāng)村民居類型

3.1 研究方法

為探究河西走廊地區(qū)民居各設(shè)計(jì)因素在交互作用下影響能耗的規(guī)律，本文使用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

正交試驗(yàn)法是使用標(biāo)準(zhǔn)正交表格安排試驗(yàn)，通過分析某指標(biāo)在不同水平下的各因素組合后得到的數(shù)據(jù)，研究各因素對(duì)該指標(biāo)的影響趨勢(shì)及它們對(duì)該指標(biāo)影響的主次關(guān)系的試驗(yàn)方法。

正交試驗(yàn)法有可減少試驗(yàn)組數(shù)，“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、快速的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[13]。

3.2 模擬工具介紹

選取基于Grasshopper的Honeybee插件進(jìn)行能耗模擬。Honeybee以EnergyPlus為運(yùn)算內(nèi)核，用戶可以在Grasshopper的操作界面內(nèi)完成能耗模型的建模及模擬的整套工作流程（圖3）[14]。

該工具可通過Grasshopper的參數(shù)化建模邏輯完成建模，方便后期模擬中對(duì)模型的調(diào)整。本文模擬研究涉及大量參數(shù)設(shè)置，對(duì)比傳統(tǒng)能耗模擬軟件需對(duì)模型逐個(gè)建模，選擇Honeybee可滿足快速、高效、準(zhǔn)確的試驗(yàn)需求。

3.3 模型建立

基于實(shí)地調(diào)研，依據(jù)當(dāng)?shù)孛窬咏⒌湫湍M模型，以入戶門的朝向?yàn)楦鞣块g命名3）。簡(jiǎn)化模型，設(shè)置屋面為平屋頂，并采用當(dāng)?shù)孛窬又行鲁霈F(xiàn)的設(shè)計(jì)手法，在北向房間的外墻上開窗（圖4）。以敦煌市氣象數(shù)據(jù)代表河西地區(qū)情況（數(shù)據(jù)來源：CSDW），模擬時(shí)間為全年，室溫低于15℃時(shí)開啟供暖系統(tǒng)，高于30℃時(shí)開啟制冷系統(tǒng)，建筑換氣次數(shù)為0.5 h-1，內(nèi)熱源散熱量為5 W/m2。

分別設(shè)計(jì)院落、南向房間、北向房間及東西向房間的正交實(shí)驗(yàn)：選取面寬、進(jìn)深、朝向?yàn)樵郝涞?個(gè)影響因素，分別取5個(gè)水平，設(shè)計(jì)L25（53）實(shí)驗(yàn)表；選取面寬、進(jìn)深、層高、窗墻比、墻體構(gòu)造、屋面構(gòu)造為各朝向房間的6個(gè)影響因素，分別取3個(gè)水平，設(shè)計(jì)L18（36）實(shí)驗(yàn)表。按表依次模擬能耗并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（表2–5）。

表2 院落空間因素及水平取值

3.4 數(shù)據(jù)處理

通過正交實(shí)驗(yàn)的相關(guān)分析方法整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，匯總各空間單元的單因素變化趨勢(shì)（圖5）。

由院落空間因素影響下的能耗結(jié)果，各因素對(duì)能耗的影響強(qiáng)弱為面寬＞進(jìn)深＞朝向?？芍郝涿鎸捠菍?duì)能耗影響最大的因素，且單位能耗隨著面寬的增大而降低，呈正相關(guān)性。進(jìn)深對(duì)能耗影響的程度其次，且進(jìn)深與單位能耗呈負(fù)相關(guān)性，進(jìn)深越大則單位能耗越大。院落朝向在各因素中對(duì)能耗影響的程度最小，在南偏東20°時(shí)，能耗最大，朝向逐漸偏西則能耗減小，并在南偏西10°時(shí)達(dá)到最小，隨后又逐漸升高。南、北向房間空間因素影響下的能耗結(jié)果接近，影響程度均為B（進(jìn)深）＞F（屋面構(gòu)造）＞C（層高）＞E（墻體構(gòu)造）＞A（面寬）＞D（窗墻比）。

表3 南向房間空間因素及水平取值

3 Honeybee運(yùn)算流程

表4 北向房間空間因素及水平取值

4 模型設(shè)置

進(jìn)深對(duì)能耗影響最大且呈正相關(guān)，是由于屋面面積隨進(jìn)深增加而增加，提升了冬季接受太陽輻射的面積。屋面構(gòu)造、層高、墻體構(gòu)造對(duì)能耗的影響依次降低，均呈正相關(guān)。面寬的影響更弱，對(duì)南向房間而言，能耗在2.5～4m由高至低，又在4～5.5m由低增高，表明適當(dāng)增大面寬有助于維持南向房間的低能耗性能；對(duì)北向房間而言，能耗與面寬呈負(fù)相關(guān)。窗墻比的影響最弱，當(dāng)窗墻比為0.2時(shí)，房間因過于封閉而擁有較低能耗，增大窗墻比至0.3時(shí)能耗隨之增加，增加至0.4時(shí)房間由于能夠有效接受并散發(fā)熱輻射從而能耗達(dá)到最低，考慮夯土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，窗墻比設(shè)置在0.5～0.6間較為合適。

東、西向房間空間因素影響下的能耗計(jì)算結(jié)果基本一致但略有不同，影響程度排序?yàn)镕（屋面構(gòu)造）＞C（層高）＞E（墻體構(gòu)造）＞A（面寬）＞B（進(jìn)深）＞D（窗墻比），西向則為F（屋面構(gòu)造）＞C（層高）＞E（墻體構(gòu)造）＞A（面寬）＞D（窗墻比）＞B（進(jìn)深）。

屋面是影響能耗最大的因素，傳熱系數(shù)升高則能耗增加，與一般認(rèn)知一致。層高對(duì)能耗的影響稍次，呈負(fù)相關(guān)。其次是墻面。進(jìn)深對(duì)能耗的影響隨后，亦因增大了屋面面積更利于接受散失熱輻射。面寬、窗墻比二因素對(duì)東、西向房間能耗的影響程度不同，東向房間能耗受面寬影響較多而受窗墻比影響較少；西向房間受窗墻比影響更多而受面寬影響更少，能耗與面寬呈負(fù)相關(guān)而與窗墻比呈正相關(guān)。因此，為降低能耗，應(yīng)在保持使用需求的前提下盡可能增加?xùn)|西向房間的面寬，減少窗墻比。

4 能耗優(yōu)化下的設(shè)計(jì)指導(dǎo)

分析得到各因素對(duì)能耗的影響趨勢(shì)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)計(jì)中存在矛盾時(shí)，應(yīng)按照各因素的影響程度加以取舍（表6）。

表6 各朝向房間優(yōu)化

4.1 院落

根據(jù)對(duì)影響能耗的院落空間因素的分析，應(yīng)保證增加院落面寬而減少進(jìn)深，并考慮朝向?qū)γ窬幽芎牡挠绊慬15]。新建民居聚落時(shí)，考慮節(jié)約用地、維持院落空間尺度感及方便生產(chǎn)生活等因素的影響，首先保證民居整體朝向?yàn)槟掀?0°左右。其次結(jié)合用地，將院落設(shè)計(jì)為面寬進(jìn)深均在6～10m的近正方形，以此尺度為一組院落單元，在南北軸線上疊加以保證生產(chǎn)生活的分區(qū)需要。

4.2 南、北向房間

進(jìn)深、屋面構(gòu)造、層高及墻面構(gòu)造是對(duì)南北向房間能耗影響最顯著的前4個(gè)因素。南向房間功能常用于祭祖或會(huì)客，尺度較大，能耗較高，考慮以隔斷、壁龕和悶頂?shù)确指籼岣弑馗魺嵝阅?。結(jié)合《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[16]，控制主要使用部分為面寬4.4m、進(jìn)深3m、層高3m左右，滿足其空間主導(dǎo)地位與功能、節(jié)能的合理尺度。北向房間目前通常用作廚房兼起居或儲(chǔ)藏間，功能分區(qū)混亂，整潔度差。應(yīng)充分利用外墻開窗增加采光及輻射交換，使用隔斷控制使用單元在面寬3.2m、進(jìn)深2.5m、層高3m左右。利用新技術(shù)滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和門窗節(jié)能性的前提下，可加大南向窗墻比在45%～50%，以提升室內(nèi)氛圍，增加室內(nèi)外輻射交換，可用于起居室或書房。重視傳統(tǒng)夯土材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工價(jià)值，結(jié)合混凝土、鋼等新型結(jié)構(gòu)，保持房間的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性。

4.3 東、西向房間

屋面構(gòu)造、層高、墻面構(gòu)造、進(jìn)深是對(duì)東西向房間能耗影響最大的4個(gè)因素。東西向房間通常用作臥室，尺度較小，可控制為面寬3m、進(jìn)深2.4m、層高2.7m左右的單元，結(jié)合需求并列設(shè)置。東西向房間窗墻比越大能耗越高，如選用熱性能較好的門窗，則可在規(guī)范基礎(chǔ)上提升窗墻比至40%以滿足采光需求。圍護(hù)結(jié)構(gòu)需求與南北向房間相同。

表5 東西向房間空間因素及水平取值

5 能耗單因素變化趨勢(shì)

結(jié)合以上優(yōu)化指導(dǎo)可組合滿足不同家庭結(jié)構(gòu)需求的整體平面（表7）。

表7 整體平面優(yōu)化

5 結(jié)論

河西走廊地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了生產(chǎn)生活方式的改變，傳統(tǒng)民居已無法滿足使用者的需求。而新建民居未能充分適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，能耗突出，不滿足使用者的經(jīng)濟(jì)水平與用能習(xí)慣。

首先，本文研究分析了鄉(xiāng)村民居空間形態(tài)并提取典型模型，整理了不同空間因素及其尺度范圍；其次，建立正交實(shí)驗(yàn)表，利用能耗模擬探究了各空間因素對(duì)房間能耗的影響趨勢(shì)與主次規(guī)律；最后，應(yīng)用分析結(jié)果結(jié)合生產(chǎn)生活需求，對(duì)民居的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出建議：

（1）院落朝向取南偏西10°左右，以面寬進(jìn)深為6～10m為一個(gè)院落單元在南北軸線上疊加；（2）南向房間以面寬4.4m、進(jìn)深3m、層高3m為基本單元，北向房間以面寬3.2m、進(jìn)深2.5m、層高3m為基本單元。單元外以隔斷、壁龕等分隔附加空間，南向窗墻比設(shè)為50%～60%；（3）東西向房間宜以面寬3m、進(jìn)深2.4m、層高2.7m為基本單元，窗墻比設(shè)為30%～40%提高采光，并使用具有優(yōu)良熱性能的門窗。各房間均宜以鋼或混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合傳統(tǒng)夯土材料，兼顧結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與空間節(jié)能性。

根據(jù)以上結(jié)論提出了適合不同家庭結(jié)構(gòu)的戶型平面，為河西走廊鄉(xiāng)村民居的節(jié)能優(yōu)化提供了參考。為進(jìn)一步優(yōu)化民居的節(jié)能性，可在以下方面推進(jìn)：（1）深入討論空間因素影響冬季能耗的規(guī)律；（2）探討河西走廊內(nèi)不同地域節(jié)能措施的差異；（3）結(jié)合河西走廊地區(qū)太陽能富集的特征，探究民居光熱性能提升下的節(jié)能設(shè)計(jì)?！?/p>

注釋

1） 空間因素指構(gòu)成使用空間及其物理環(huán)境的面寬、進(jìn)深、層高、朝向、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造等。

2） 堂屋是河西走廊鄉(xiāng)村民居的主要使用空間，用于會(huì)客、祭祖、舉行儀式。隨著社會(huì)結(jié)構(gòu)與生活習(xí)慣的改變，其傳統(tǒng)功能逐漸失去主導(dǎo)地位。

3） 各朝向房間，即堂屋、倒座、東西廂房。本文剝離房間的功能屬性，僅以各房間入戶門的朝向?yàn)槠涿?/p>