黨曉暉，方博聞，賈麗芬

(甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030)

1 概述

氣候是大氣物理特征的長期平均狀態(tài)，它具有穩(wěn)定性。氣候的主要要素包括了氣溫、降水、風(fēng)力、太陽輻射、空氣的濕度等[1]。氣候的適應(yīng)性，可理解為基于對氣候要素的分析，從而在建筑設(shè)計(jì)時做出對應(yīng)的策略。通過規(guī)劃布局、設(shè)計(jì)手法、建造技術(shù)來滿足不同條件下的氣候特征。在確保建筑的功能合理的前提下，統(tǒng)籌考慮建筑自身的氣候適應(yīng)性的能力，從而減少各種設(shè)備的使用率，最大限度的降低建筑能耗，創(chuàng)建出一個舒適安全的室內(nèi)建筑環(huán)境[2]。

所謂傳統(tǒng)民居的氣候適應(yīng)性，可以理解為鄉(xiāng)村聚落在發(fā)展與建設(shè)過程中，通過簡單的建設(shè)策略來對應(yīng)外部氣候，以取得與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)共生，從而達(dá)到良好的氣候適應(yīng)能力。通過對傳統(tǒng)民居的氣候適應(yīng)研究，有利于我們在新建、改建民居的過程中，吸取經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)不足，創(chuàng)造出能耗低、更綠色的建筑。本文以天水伏羲廟片區(qū)的傳統(tǒng)民居為研究對象，通過對當(dāng)?shù)貧夂虻难芯?，結(jié)合軟件的分析判斷，為甘肅地區(qū)新建、改建的民居歸納出相對應(yīng)的設(shè)計(jì)策略，見圖1。

圖1 天水民居改建

2 軟件與數(shù)據(jù)

2．1 分析軟件

當(dāng)?shù)氐臍夂驍?shù)據(jù)是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要依據(jù)，特別是在建筑設(shè)計(jì)的初步階段。目前對于氣候分析的軟件有Climate Consultant 和Weather Tool。Climate Consultant 是美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校(UCLA) 建筑與城市設(shè)計(jì)系開發(fā)，Weather Tool 由英國Square One 公司開發(fā)的建筑生態(tài)設(shè)計(jì)軟件。兩款軟件均可以分析某地域全年8 760 h 的氣候數(shù)據(jù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為更易理解的多種圖表語匯。其中的焓濕圖更能直觀的反映出當(dāng)?shù)剡m宜的被動式建筑設(shè)計(jì)策略，如室內(nèi)通風(fēng)、太陽能采光、熱輻射利用、直接和間接的蒸發(fā)降溫，以及全年室內(nèi)的干濕、冷熱的狀態(tài)。為了得到建筑的最佳朝向及當(dāng)?shù)氐奶栞椛鋮?shù)，可以通過全年日照分析圖與日軌分析圖。

2．2 氣候數(shù)據(jù)

目前常用的四個主要?dú)夂驍?shù)據(jù)為CSWD，CTYW，SWERA，IWEC。本次模擬計(jì)算的Climate Consultant 和Weather Tool 數(shù)據(jù)均來自中國氣象局的CSWD(Chinese Standard Weather Data) ，Climate Consultant 的模型選取2005 版ASHRAE 基礎(chǔ)舒適模型[3]。

3 天水地區(qū)氣候分析

天水，北緯34．58°，東經(jīng)105．75°，位于甘肅省東南部，毗鄰關(guān)中平原，天水境內(nèi)地勢西北高，東南低，海拔在1 000 m ～2 100 m 之間。天水地區(qū)在氣候區(qū)域劃分上屬于寒冷地區(qū)，屬大陸性暖溫帶半濕潤氣候。無霜期185 d左右，年平均氣溫11 ℃，年降水量500 mm ～600 mm，5 月～9 月降水占全年降水的90%，年平均日照小時數(shù)2 100 h[4]。

3．1 焓濕圖分析

通過Climate Consultant 軟件分析出天水地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)從而得到相應(yīng)的焓濕圖。大部分的點(diǎn)位都落在舒適區(qū)的左側(cè)，可以理解為很大一部分的溫度位于舒適溫度之下，從圖表中可以直觀的反映出天水地區(qū)屬于寒冷地區(qū)。在策略選擇時，可以選擇最佳被動式策略的模式選項(xiàng)，為了得到室內(nèi)環(huán)境舒適度的最大化，可以通過選擇非傳統(tǒng)模式的采暖與制冷模式。從圖表中可知天水地區(qū)僅有13．8%時間屬于舒適時段。除此以外，全年44．4%的時間需要以主動方式采暖，如空調(diào)采暖、鍋爐采暖、電熱板采暖等。其他有效的被動式策略分別為:26．1%的內(nèi)部得熱，11． 4% 的被動式太陽能得熱高蓄熱，7． 7% 的被動式太陽能得熱低蓄熱，6．5%的窗戶遮陽，歸納總結(jié)后可采取被動式策略的各月總結(jié)見表1[5]。

表1 天水地區(qū)各月被動策略

根據(jù)軟件分析得出的圖表可知，天水地區(qū)利用太陽能熱輻射采暖在3 月、4 月、10 月、11 月比不采用太陽能熱輻射采暖有明顯的提升。在利用高熱容材料方面，與之前相比較，4 月～10 月能發(fā)揮最大的作用。利用夜間通風(fēng)效果最明顯的月份為4 月～10 月。在自然通風(fēng)方面，5 月～9 月降溫明顯。與其他被動式策略相比較，直接蒸發(fā)降溫效果一般，但是在5 月、6 月也具有一定的降溫能力。4 月～9 月的間接蒸發(fā)降溫能力較好，特別是在7 月效果最為明顯，見圖2。

圖2 天水地區(qū)焓濕圖

3．2 日軌分析

根據(jù)Weather Tool 軟件分析出天水地區(qū)的太陽熱輻射量，通過改變標(biāo)尺的對應(yīng)量，可以計(jì)算出不同角度的熱輻射量。由圖示可知在太陽角度為5 月1 日中午12 點(diǎn)整時，正北方向太陽的熱輻射量。其中黃色的區(qū)域?yàn)檫^冷區(qū)域時間段，藍(lán)色的區(qū)域?yàn)檫^熱區(qū)域時間段，白色區(qū)域?yàn)槭孢m區(qū)域時間段。較粗的曲線為該方向上太陽輻射的平均值。根據(jù)分析結(jié)果可了解到，6 月～8 月為天水地區(qū)的最熱時間段，1 月、2 月、12 月為天水地區(qū)的最冷時間段，太陽輻射量在500 kW·h/m2～1 500 kW·h/m2上下波動，因此可提出不同的設(shè)計(jì)技術(shù)措施來應(yīng)對不同時間不同朝向上的建筑，見圖3[6]。

圖3 天水地區(qū)全年熱輻射量

根據(jù)Weather Tool 軟件分析出天水地區(qū)的最佳朝向，為了滿足最佳朝向的需求，應(yīng)該在方案設(shè)計(jì)階段就將建筑布置于南偏東20°，避免北偏東70°的朝向布置，獲得最優(yōu)的采光與日照。充分利用太陽的最佳朝向，不僅可以為冬天采暖提供更多的熱輻射能量，而且還可以有效的避免炎熱的夏季過多的輻射量進(jìn)入室內(nèi)空間，如圖4 所示。

圖4 天水地區(qū)最佳朝向

3．3 風(fēng)玫瑰分析

為了獲得天水地區(qū)的全年主導(dǎo)風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)頻等數(shù)據(jù)，可以通過將天水地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入Weather Tool軟件，從而得到天水地區(qū)的逐月的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而制定科學(xué)合理的通風(fēng)策略，見圖5。

根據(jù)圖5 可知圓圈的深淺程度，代表了風(fēng)頻。顏色較淺，可以理解為風(fēng)頻較低，與之相對，顏色深則表示較高的風(fēng)頻。圖5 的縱坐標(biāo)表示風(fēng)速，圓坐標(biāo)則表示風(fēng)向。通過對天水地區(qū)風(fēng)玫瑰的分析，可以知道天水地區(qū)3 月、8 月的風(fēng)速較大，其他月份的風(fēng)速較為平均，見圖6。

圖5 天水地區(qū)全年風(fēng)玫瑰圖

圖6 3 月、8 月風(fēng)玫瑰圖

4 天水傳統(tǒng)民居的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略

4．1 利用太陽能熱輻射

鑒于天水地區(qū)的太陽能輻射較強(qiáng)，見圖7。全年約10%的時間每小時水平面總輻射量超474 kW·h/m2，16%的時間每小時水平面總輻射量在316 kW·h/m2～474 kW·h/m2，夜間的水平面總輻射量約占全年總量的49%，因此該地區(qū)較為適合采用太陽能熱輻射的設(shè)計(jì)策略[7]。

天水傳統(tǒng)民居多選擇院落式的布局，坐北朝南，有利于最佳太陽熱輻射的獲取，建筑與建筑之間的庭院也增加建筑的間距，利于獲得更多的有效采光與日照。南向的廳堂與居室均開有較大的窗戶，窗墻比一般在0．4 ～0．55 之間，窗臺高度約為900 mm，但天水的傳統(tǒng)民居往往多為單坡或雙坡屋面，并伴有較大的出挑，留出寬廊，這樣的布局不利于冬季自然光線的射入。近些年來新建成的民居，部分已經(jīng)弱化了寬廊的設(shè)計(jì)，并擴(kuò)大了窗墻比，以利于冬季更多的陽光進(jìn)入室內(nèi)，見圖8[8]。

圖8 民居實(shí)拍

4．2 減少熱量損失

天水地區(qū)的冬季時間較長，室內(nèi)外溫差較大，且需要主動采暖的時間較長，因此，減少熱量的損失就成為了重要的問題。在建筑布局上，天水民居屬四合院形制，院落呈南北長而東西窄的縱長方形，南向多有開窗，東西向山墻面開小窗或者不開窗，北向基本不開窗。這樣單側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)開敞的形式，有利于減少室內(nèi)的熱量損失。

另外，從建筑材料可知，天水民居多為土木結(jié)構(gòu)，木頭的導(dǎo)熱系數(shù)較小，利于保溫。且傳統(tǒng)的民居多為夯土墻體，厚度約在500 mm。傳統(tǒng)的夯土墻材料，不僅具有良好的蓄熱性能，同時也有著突出的隔熱性能，僅需要少量的能源消耗便可獲得穩(wěn)定而舒適的室內(nèi)環(huán)境，見圖9。

圖9 民居山墻實(shí)拍

4．3 減少晝夜溫差

天水地區(qū)的年溫差值較為穩(wěn)定，四季分明，但每天晝夜溫差較大，天水地區(qū)的日溫差可達(dá)14 ℃～18 ℃。對于這樣的氣候特征，傳統(tǒng)的民居一般通過加厚墻體的方式來增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力，通常傳統(tǒng)夯土墻體的厚度約在500 mm。這樣的墻體設(shè)計(jì)可以確保在室外溫度波動較大的時候，室內(nèi)的溫度能夠相對穩(wěn)定與舒適。與此同時，許多傳統(tǒng)民居在更新設(shè)計(jì)時都增加了陽光房的設(shè)計(jì)，陽光房的設(shè)計(jì)不僅充分利用太陽熱輻射改善室內(nèi)的溫度，而且還是空間上的延伸，以提供更加舒適的室內(nèi)環(huán)境。但在陽光房的設(shè)計(jì)上，應(yīng)注意通風(fēng)隔熱的處理，避免一些不利的影響。

4．4 夏季熱遮陽策略

通過焓濕圖可知天水地區(qū)在夏季無明顯高溫，需要遮陽的時間僅6．7%，主要集中在5 月～8 月。夏季，傳統(tǒng)民居的挑檐設(shè)計(jì)就為室內(nèi)提供了有效的遮陽措施。傳統(tǒng)的單坡或者雙坡屋面，在屋頂開有小的氣窗，有利于夏季的通風(fēng)換氣，在降低室內(nèi)溫度的同時，也能改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量。與此同時，天水的傳統(tǒng)民居，常在院子內(nèi)種植樹木，這些樹木也成為了納涼休憩的好地方。

4．5 解決光熱矛盾

要充分利用太陽能熱輻射采暖，需要增加窗戶面積，減少遮陽措施，但是，夏季需要在室內(nèi)活動時，為了避免過強(qiáng)的太陽光與眩光，居民需要一定的遮陽措施，這樣反過來又影響太陽能采暖的效率。因此，既要提高太陽能采暖的效率，又需要確保室內(nèi)舒適的光環(huán)境，可采取借助主動式設(shè)備的策略。首先，在屋面上設(shè)計(jì)太陽能集熱板，通過太陽能集熱板的轉(zhuǎn)換，將太陽能轉(zhuǎn)換為屋內(nèi)的熱能，以提供室內(nèi)的采暖。其次，可以在窗戶上加設(shè)遮陽措施，如百葉拉簾、遮陽窗簾等。這樣做不僅可以有效控制室內(nèi)的眩光，營造舒適的室內(nèi)光環(huán)境，而且提高采暖效率，這種主動式策略雖然有一定的建造成本，但是效果穩(wěn)定且明顯(見表2) 。

表2 熱工環(huán)境設(shè)計(jì)策略

5 結(jié)語

通過軟件分析當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，不僅可以合理地提出相關(guān)的技術(shù)措施與設(shè)計(jì)策略，而且有利于建筑師、工程師精準(zhǔn)把握當(dāng)?shù)貧夂虻奶卣?。對于建筑設(shè)計(jì)的初步階段，可以明確提出相應(yīng)的方案構(gòu)思，另外，對于既有建筑的改造與更新，可以提出更加明確的技術(shù)應(yīng)用措施，以滿足室內(nèi)環(huán)境舒適性的要求。目前，我們應(yīng)用的軟件多為國外開發(fā)性，與我國的氣候及建筑類別有出入，針對我國生土建筑并不是完全合適。這就需要在選擇策略的時候，有所取舍與判斷，在獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，能夠深入分析與對比出適合我國國情和現(xiàn)狀的策略。

天水地區(qū)屬于我國的寒冷地區(qū)，自然環(huán)境較為舒適。通過對自然環(huán)境的變更不斷做出調(diào)整與適應(yīng)，以相對合理與科學(xué)的形式因地制宜的發(fā)展，提煉出具有自身特色的建筑布局、空間形式、建筑材料等。通過厚實(shí)的夯土外墻、出挑的寬廊、居室的火炕等措施來適應(yīng)天水地區(qū)寒冷、晝夜溫差大、太陽能資源豐富的氣候特征。這些被動式的生土建造方式，雖然不能完全到達(dá)現(xiàn)代化的居住舒適的要求，但是在相對傳統(tǒng)與技術(shù)落后的民居更新與改造上是非常實(shí)用與科學(xué)的。因此，這種傳統(tǒng)的生土建筑以低技術(shù)、低成本的方式減少了能耗，節(jié)約了能源，也是天水傳統(tǒng)民居被動式設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)策略與技術(shù)措施。