張 蕾, 王思思, 范小娜, 朱軼韻

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

我國傳統(tǒng)民居有著數(shù)千年的發(fā)展歷史,其發(fā)展過程與氣候和社會(huì)環(huán)境有著不可分割的關(guān)系。在以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式為主的背景下,經(jīng)過不斷“試錯(cuò),進(jìn)化”而來的傳統(tǒng)民居[1],其建筑形式、空間布局和圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料有著符合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)的地域特色,即使沒有采暖、空調(diào)等設(shè)施,也可以滿足人們對(duì)室內(nèi)舒適度的一部分需求[2]。但隨著氣候的變化和社會(huì)的發(fā)展,民居的部分性能有所下降,已無法滿足人們對(duì)建筑室內(nèi)舒適度日益增高的需求。因此對(duì)傳統(tǒng)民居氣候適應(yīng)性的優(yōu)勢(shì)及缺陷做出評(píng)價(jià),對(duì)其不足之處進(jìn)行因地制宜地優(yōu)化,以此來提高室內(nèi)舒適度,促進(jìn)傳統(tǒng)民居的可持續(xù)發(fā)展。

建筑氣候適應(yīng)性分析方法近年來被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)民居的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。何泉等[3]通過氣候分析軟件,肯定了拉薩傳統(tǒng)民居氣候適應(yīng)性方面的優(yōu)勢(shì),并對(duì)其不足之處提出了適宜的被動(dòng)式策略。張濤等[4]以青海莊窠為研究對(duì)象,認(rèn)為其在空間形態(tài)和熱工性能兩方面都具有良好的氣候適應(yīng)性特性。韓勝飛等[5]針對(duì)云南滄源佤族傳統(tǒng)民居的氣候特點(diǎn),分析得到被動(dòng)式太陽能利用在當(dāng)?shù)鼐哂幸欢ǖ臐摿Α?/p>

近年來多位學(xué)者對(duì)關(guān)中地區(qū)民居進(jìn)行了研究,虞志淳等[6]通過對(duì)關(guān)中傳統(tǒng)民居的熱環(huán)境測(cè)試,發(fā)現(xiàn)了其室內(nèi)熱環(huán)境差,能耗高的問題,并針對(duì)以上問題提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。趙文學(xué)等[7]對(duì)民居冬季室內(nèi)氣象參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,分析了室內(nèi)熱環(huán)境的形成原因,并提出了改造建議。何梅等[8]針對(duì)關(guān)中地區(qū)農(nóng)村住宅的調(diào)研現(xiàn)狀,從室內(nèi)分區(qū)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、被動(dòng)式太陽能利用等方面提出了適合該地區(qū)的節(jié)能策略。現(xiàn)有的研究大多只單獨(dú)針對(duì)冬季或夏季對(duì)關(guān)中地區(qū)民居的優(yōu)化提出建議,且缺少定量的分析驗(yàn)證。

本研究以關(guān)中地區(qū)傳統(tǒng)民居為研究對(duì)象,采用實(shí)地調(diào)研測(cè)試與模擬相結(jié)合的方法,得到當(dāng)?shù)囟膬杉镜臍夂蛱攸c(diǎn),根據(jù)該結(jié)果分析傳統(tǒng)民居在氣候適應(yīng)性方面的優(yōu)勢(shì)及存在的不足,進(jìn)而提出適宜的被動(dòng)式優(yōu)化策略,以期為關(guān)中地區(qū)傳統(tǒng)民居的傳承及發(fā)展提供參考。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 研究對(duì)象

關(guān)中地區(qū)的冬夏兩季較長,獨(dú)特氣候特點(diǎn)使得當(dāng)?shù)匦纬闪四媳豹M長的窄院型合院式民居[9]。民居南向房間為廳房,北向房間為門房,東西兩側(cè)為廂房,用作臥室、儲(chǔ)藏和廚房。廳房的開間約為9～10 m,進(jìn)深5～6 m,東西向廈房的開間隨房間數(shù)量變化,進(jìn)深一般在3 m左右。

1.2 研究方法

1.2.1 Climate Consultant 軟件氣候分析

氣候分析軟件可以科學(xué)客觀地評(píng)判不同地區(qū)的氣候特點(diǎn),避免了人為的盲目性和主觀性。Climate Consultant通過讀取和分析某地區(qū)的氣候數(shù)據(jù),進(jìn)而將其結(jié)果轉(zhuǎn)化為直觀的圖表,如干球溫度、太陽輻射強(qiáng)度、焓濕圖等[10]。此外,該軟件可以在焓濕圖的基礎(chǔ)上,有針對(duì)性地為該地區(qū)建筑提供15種氣候適應(yīng)性策略。因此本研究選擇Climate Consultant分析關(guān)中地區(qū)的氣候條件,并進(jìn)一步解析當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居氣候適應(yīng)性策略。

1.2.2 民居熱環(huán)境實(shí)測(cè)

采用TESTO175-H型自記式溫濕度計(jì)對(duì)關(guān)中地區(qū)傳統(tǒng)民居進(jìn)行熱環(huán)境實(shí)地測(cè)試。課題組分別于2020年1月10日和2021年7月25日對(duì)當(dāng)?shù)卮硇缘牡湫徒ㄖM(jìn)行室內(nèi)外溫濕度測(cè)試,數(shù)據(jù)采集間隔為1 h。測(cè)試民居的平面圖及測(cè)點(diǎn)布置見圖1,民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造見表1。

表1 傳統(tǒng)民居構(gòu)造詳情Tab.1 Details of traditional house construction

圖1 測(cè)試民居平面圖Fig.1 Civilian map for the test dwellings

2 關(guān)中地區(qū)氣候分析及熱環(huán)境測(cè)試結(jié)果

2.1 關(guān)中地區(qū)氣候分析

關(guān)中位于我國陜西省中部,渭河兩岸,南依秦嶺,北眺北山,有“八百里秦川”之稱。該地區(qū)在我國建筑氣候分區(qū)上屬于寒冷氣候區(qū),同時(shí)也屬于大陸性半濕潤半干旱季風(fēng)氣候區(qū),年平均溫度在9～13℃,年降水量為500～800 mm,多發(fā)生在夏季6～9月份,占全年總降水量的60%,冬春降水較少,空氣相對(duì)濕度較小。

利用Climate Consultant讀取關(guān)中地區(qū)代表城市之一西安的典型氣象年數(shù)據(jù),經(jīng)分析計(jì)算得到適宜該地區(qū)最佳組合設(shè)計(jì)策略和焓濕圖,見圖2。

圖2 西安市焓濕圖Fig.2 Enthalpy-humidity diagram of Xi’an

由圖2可知,當(dāng)?shù)厝陜H有12.1%的時(shí)間處于舒適時(shí)間,41.6%的時(shí)間需要采取主動(dòng)采暖的方式,8.4%的時(shí)間需要使用空調(diào)進(jìn)行制冷。除主動(dòng)措施外,在各項(xiàng)被動(dòng)式策略中,有效時(shí)間比從高到低排列依次為內(nèi)部得熱(21.1%)、遮陽(10%)、被動(dòng)式采暖+高蓄熱(5.8%)、自然通風(fēng)(5.7%)。雖然軟件分析內(nèi)部得熱的有效時(shí)間占全年總時(shí)間的21.1%,但經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),民居內(nèi)部電器、照明數(shù)量有限,通過此方法獲得熱量的可能性較少,這一策略并不適合關(guān)中地區(qū)。

在不考慮主動(dòng)式策略的前提下得到各月及全年的適宜性被動(dòng)式策略組合方式,見圖3。分析可得,當(dāng)?shù)卮呵镞^渡季舒適時(shí)間較長,采取遮陽和通風(fēng)措施在夏季對(duì)于提高舒適度有較大潛力;冬季室內(nèi)熱舒適度較低,可以利用被動(dòng)式采暖和高蓄熱墻體材料來改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境。

圖3 各氣候適應(yīng)性策略各月有效時(shí)間比Fig.3 Effective time ratio of climate adaptation strategy

2.2 民居熱環(huán)境測(cè)試結(jié)果

2.2.1 夏季室內(nèi)外空氣溫濕度

民居夏季室內(nèi)外溫濕度變化情況見圖4和圖5。由圖4可知,測(cè)試期間室外平均溫度為30.2℃,最高溫度為33℃。由圖5可知,測(cè)試當(dāng)天民居廳房和主臥的平均溫度分別為26.4℃和26.6℃,波動(dòng)范圍分別為24.9℃～27.7℃和25.9℃～27.1℃,處于夏季室內(nèi)舒適溫度區(qū)間內(nèi)[11];相對(duì)濕度波動(dòng)范圍分別為72.2%～76.4%和70.2%～76.5%,已超出《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告》[12]中規(guī)定的舒適度范圍。

圖5 夏季測(cè)試期間室內(nèi)空氣溫濕度Fig.5 Indoor air temperature and humidity during summer test

2.2.2 冬季室內(nèi)外空氣溫濕度

圖6和圖7為民居冬季室內(nèi)外溫濕度測(cè)試結(jié)果。由圖6可知,當(dāng)?shù)囟練夂蚝?室外最高溫度為6℃,最低溫度為-1.3℃,平均溫度為2.5℃。由圖7可知,民居廳房和主臥的平均溫度分別為6.8℃和5.3℃,溫度波動(dòng)范圍分別為5.4℃～8.9℃和3.8℃～7.6℃,無法滿足人體熱舒適需求[13]。因此,采用被動(dòng)式太陽能采暖技術(shù)提升室內(nèi)溫度,改善室內(nèi)熱環(huán)境是十分有必要的。

圖6 冬季測(cè)試期間室外空氣溫濕度Fig.6 Outdoor air temperature and humidity during winter test

圖7 冬季測(cè)試期間室內(nèi)空氣溫濕度Fig.7 Indoor air temperature and humidity during winter test

3 傳統(tǒng)民居氣候適應(yīng)性分析

根據(jù)Climate Consultant軟件對(duì)關(guān)中地區(qū)的氣候分析給出的被動(dòng)式策略組合和當(dāng)?shù)孛窬訜岘h(huán)境實(shí)測(cè)結(jié)果,本研究主要針對(duì)傳統(tǒng)民居的遮陽、自然通風(fēng)、墻體的熱工性能和被動(dòng)式太陽能采暖等方面進(jìn)行分析及優(yōu)化。

3.1 遮陽

根據(jù)氣候分析可知,關(guān)中地區(qū)4～8月份宜采用遮陽的策略來提高室內(nèi)舒適度。當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居庭院空間狹長,東西廂房只向內(nèi)院開窗,一定程度上減少了太陽輻射對(duì)窗戶的直射。其次,民居的屋頂形式多為坡屋頂,附有1.2 m左右寬的挑檐,夏季太陽高度角較大,挑檐阻擋了部分太陽輻射進(jìn)入室內(nèi),降低了室內(nèi)溫度。

為定量分析挑檐對(duì)房間的遮陽效果,本文采用Ecotect讀取西安地區(qū)的氣象參數(shù),以南向廳房為例建立模型,分別對(duì)有無挑檐兩種工況進(jìn)行模擬,得到廳房各月受到的太陽輻射總量及被遮擋百分比,結(jié)果見圖8。由圖8可知,在夏季,挑檐的存在大幅減少了各方向入射太陽輻射量,1.2 m寬的的挑檐使得太陽輻射遮擋比高達(dá)92%。在冬季,由于太陽高度角變小,挑檐對(duì)入射太陽輻射的影響較小。

圖8 廳房各月總計(jì)太陽輻射入射量及遮擋比Fig.8 Monthly total solar radiation incident and occlusion ratio of the hall room

3.2 庭院通風(fēng)

夏季的自然通風(fēng)可以帶走過多的濕氣,是提升民居夏季室內(nèi)舒適度的有效策略,而建筑的空間布局形式是影響其自然通風(fēng)狀況一大因素。為探究當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居獨(dú)特的窄院空間的自然通風(fēng)性能,利用斯維爾Vent軟件對(duì)其庭院空間的通風(fēng)進(jìn)行模擬定量分析。傳統(tǒng)民居的庭院寬長比通常在1∶3～1∶4,廳房與廂房之間有1～3 m寬的走廊[14],本研究設(shè)置以下四種工況(見表2)來進(jìn)行模擬分析,結(jié)果見圖9。

表2 庭院尺寸比例變化的四種工況Tab.2 Four working conditions of courtyard size ratio change

圖9 不同庭院尺寸的風(fēng)速云圖Fig.9 Wind speed nephogram for different courtyard sizes

由圖9可知,當(dāng)庭院面寬與進(jìn)深之比為1∶3時(shí),庭院中心無風(fēng)區(qū)面積較大,各房間門前風(fēng)速達(dá)到0.7 m/s;當(dāng)面寬與進(jìn)深之比為1∶4時(shí),庭院中央無風(fēng)區(qū)面積縮小,各房間門前風(fēng)速達(dá)到0.8 m/s。這是因?yàn)檫M(jìn)深增大,庭院的“狹管效應(yīng)”增強(qiáng),故當(dāng)?shù)鬲?dú)有的窄院形式在一定程度上有利于促進(jìn)夏季通風(fēng)。

3.3 墻體熱工性能

外墻體是建筑抵御不利氣候的重要屏障,其材料的熱工性能是影響室內(nèi)熱量和溫度的波動(dòng)主要因素。當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居外墻的主要材料是天然環(huán)保的生土,為評(píng)價(jià)生土墻的熱工性能,將其與現(xiàn)代民居普遍 使用的實(shí)心磚墻和空心磚墻對(duì)比,在Ecotect和Design Builder中建立廳房的簡易模型,分別模擬在不同墻體構(gòu)造下該房間最冷日圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱量和室內(nèi)逐時(shí)溫度。模型設(shè)置中屋面、門窗構(gòu)造與實(shí)測(cè)民居構(gòu)造保持一致,三種不同墻體材料參數(shù)及熱工指標(biāo)見表3,模擬結(jié)果見圖10和圖11。

表3 不同墻體構(gòu)造及熱工指標(biāo)Tab.3 Different wall constructions

圖11 最冷日室內(nèi)逐時(shí)溫度Fig.11 Hourly indoor temperature on the coldest day

圖10為最冷日圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)各時(shí)間段內(nèi)得失熱狀況,三種墻體構(gòu)造均在12:00至17:00時(shí)間段內(nèi)熱損失量逐漸減少。經(jīng)計(jì)算得到在最冷日全天累計(jì)得失熱中,生土墻體熱損失量最少,為77 848 Wh,實(shí)心磚墻和空心磚墻的熱損失量較大,分別為116 202 Wh和116 264 Wh。通過對(duì)比可以得出在寒冷的氣候條件下,相較于現(xiàn)代磚混民居的墻體構(gòu)造,生土墻體高熱阻的特性可以減少室內(nèi)外熱量傳遞,有利于維持室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定。此外,采用生土墻作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),最冷日室內(nèi)平均溫度為5.2℃,日溫差為1.5℃。實(shí)心磚墻和空心磚墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),室內(nèi)平均溫度分別為3.4℃和3.2℃,溫差分別為1.6℃和1.7℃?？梢妭鹘y(tǒng)生土民居的室內(nèi)溫度相較現(xiàn)代普通磚混民居高2℃左右,其圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料體現(xiàn)出了良好的氣候適應(yīng)性。

3.4 被動(dòng)式太陽能采暖

被動(dòng)式太陽能采暖是指在不借助機(jī)械外力等主動(dòng)措施的前提下,通過建筑的朝向、空間布局方式等[15]手段使得室內(nèi)熱環(huán)境達(dá)到冬季熱舒適區(qū)間。在調(diào)研測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居并無被動(dòng)式采暖的措施,考慮到其普遍帶有1.2 m左右寬的檐廊,可以將南向廳房的檐廊封閉形成簡易的附加陽光間。為定量分析陽光間對(duì)室內(nèi)溫度的提升效果,利用Design Builder建立南向廳房的模型,對(duì)比有無陽光間兩種情況下冬至日室內(nèi)溫度,結(jié)果見圖12和圖13。

圖12 有無陽光間廳房室內(nèi)溫度對(duì)比Fig.12 Comparison of indoor temperature between rooms with and without sunroom

圖13 室外及陽光間內(nèi)溫度Fig.13 Outdoor and sunroom temperature

由圖12和13可知,冬至日室外最低溫度為-6.9℃,無陽光間的情況下,南向廳房室內(nèi)平均溫度為5.2℃,日溫差為1.5℃。將其南向檐廊設(shè)為簡易陽光間后,陽光房內(nèi)最高溫度為15℃,廳房室內(nèi)平均溫度為6.5℃,日溫差為0.8℃。相較于無陽光間的情況,室內(nèi)平均溫度提高了約1.3℃,且在夜間溫度降低緩慢,波動(dòng)幅度減小。因此,附加陽光間式的被動(dòng)式采暖技術(shù)對(duì)于改善當(dāng)?shù)孛窬訜岘h(huán)境有著一定的作用。

4 結(jié) 論

通過Climate Consultant軟件和實(shí)地?zé)岘h(huán)境測(cè)試結(jié)合的方法,科學(xué)客觀地評(píng)價(jià)了關(guān)中地區(qū)的氣候條件,進(jìn)而提出了適宜該地區(qū)的被動(dòng)式策略組合,利用軟件模擬驗(yàn)證了當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居的氣候適應(yīng)性及生態(tài)價(jià)值。

1) 當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居獨(dú)有的窄院院落形式及坡屋頂挑檐使得其在夏季遮陽、自然通風(fēng)方面展現(xiàn)出良好的氣候適應(yīng)性。

2) 傳統(tǒng)民居以生土為主要材料作為外墻體,其冬季室內(nèi)溫度相較于普通磚混民居高2℃左右,室內(nèi)溫度波動(dòng)減小,有利于創(chuàng)造穩(wěn)定的熱環(huán)境。

3) 關(guān)中地區(qū)太陽能資源豐富,且在當(dāng)?shù)鼐哂幸欢ǖ睦脻摿?采用附加陽光間式的被動(dòng)式太陽能采暖技術(shù)可以使民居室內(nèi)溫度在最冷日提升1.3℃。

綜上所述,傳統(tǒng)民居有著豐富的地域特色,在民居的改造和建設(shè)過程中,要繼承其優(yōu)良的氣候適應(yīng)性優(yōu)點(diǎn),促進(jìn)民居傳承和發(fā)展,為當(dāng)?shù)鼐用駝?chuàng)造更適宜的居住環(huán)境。