北方地区传统民居被动式建筑节能初探——以天津杨柳青石家大院为例

史 津，齐思彤

(天津城建大学 建筑学院，天津 300384)

建筑与规划

北方地区传统民居被动式建筑节能初探
——以天津杨柳青石家大院为例

史 津，齐思彤

(天津城建大学 建筑学院，天津 300384)

中国传统民居形式各异，建筑师通过对建筑布局、空间形式以及材料选取等对建筑进行设计，以减低由地域气候、环境以及自然条件对居住者带来的不适感，创造出较为宜居的居住环境．笔者以杨柳青石家大院为例，初步分析了中国传统民居的被动式节能理念．

石家大院；传统民居；被动式；节能

随着科技的发展，多样的智能化产品运用在建筑中，在带给居住者便利与舒适的同时，也产生一些负面的影响．例如，室内采暖及制冷设备的普及在一定程度上即时的满足了使用者对温感的需求，利用一些非常规能源替代常规能源以达到节约的目的，但却忽略了其本身排放大量的能源和对资源的消耗．人们逐渐开始意识到建筑的排放“垃圾”对大自然乃至整个地球的破坏，“绿色”与“生态”必须参与到建筑设计中．设计师开始着手利用更合理的建筑布局、形体组合方式，更契合的外部环境，巧妙的构造设计以及优化材料配置，并通过合理的运行管理来达到满足室内舒适环境的目的．这种被动式节能方式，甚至可以达到零排放与零消耗的节能目标，这种被动式节能方式在中国北方传统民居建筑中一直被沿用至今．

1 被动式节能在北方传统民居中的应用

在高能耗的“大机器”出现之前，设计者只能在建筑本身上做文章．古代设计者巧用被动式节能技术，使得传统民居在低产出的前提下，为居住者提供相对适宜的居住环境，与自然环境相融相生．也正是因为辽源大地有着不同的气候特征、自然条件以及人文历史背景，伴随着历史、经济、文化等要素产生了不同地域特点的建筑面貌[1]．传统民居中的被动节能技术，是一种不增加额外能耗，通过自身的布局、材料、做法，充分利用自然环境和条件，达到舒适与节能的技术．被动式节能技术并不是把人群从自然中隔离，而是因地制宜，因势利导，这些都为如今的现代居住建筑设计提供了莫大的启示．

北方民居建筑受到气候和地理条件的影响，使得形制、结构和材料以及空间布局都体现了较为鲜明的特点[2]．由于寒冷干燥，民居形式主要以防寒保暖为首要条件，加厚墙体以保温．在建筑密度的控制上，北方民居建筑间距略小，但传承庭院式空间格局，一是为了减少阳光入射角，获取充足的阳光；二是为家庭提供一个便于聚会的小型空间．屋内则缩短近深和高矮，尽量减小面积，聚集热气．北方传统民居在屋顶的坡度设计上，较为平缓，使得热量能散发到屋内，同时可将粮食摆放在屋顶上晾晒．北方民居的设计不仅在构件上有地域性的特色，外墙的颜色也同样可以起到被动式的保温作用，且多选用吸热的灰色．同样，传统民居设计师也会根据当时的可用条件，打造火炕火墙等主动采暖方式．

2 被动式建筑节能案例分析：石家大院

2.1 气候环境分析

素有“华北第一宅”之称的石家大院，地处华北平原东北部，坐落于天津市西青区杨柳青镇，地势较为平坦．石家大院身处地域属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，夏季闷热伴有集中降雨，冬季较为寒冷[3]．由于北方特殊的气候特点、地理环境和人文情况的影响，石家大院采用了天津独有的四合套院庭院式设计．

2.2 民居选址

传统民居的选址在当时受到风水影响颇大，中国人的“风水学”并非凭空捏造，而是历经人类长期的实践积累经验，而后总结，加以文字修饰而获得．风水学实则遵循自然法则，反映了人类与大自然和谐相生的规律．北方民居多背阴抱阳(见图1)，“背阴”是指：尽量保证南面不要有建筑物或障碍物，从而充分采纳阳光；通过北面的建筑物或障碍物抵御北方冬季的寒风，起到保暖的作用．“抱阳”是指南面临水：一方面可提供古人饮水或生活使用；另一方面水域可使房屋迎风纳气，调节环境的舒适度．

图1 石家大院选址“背阴抱阳”

2.3 院落布局

北方民居由于自然条件的影响，以抗寒、保暖、采光、争取日照为主要目的．四合套院的形式较为集优的体现了北方民居建筑的特点．石家大院以南北纵轴对称左右而生，轴线为主要建筑物，向外层层扩散，南侧为入口及生活用房，北侧和西侧为辅助型用房和仆人房，西侧为功能娱乐区(见图2)，为生活区带来抗寒遮阳的作用．偌大的花园安排在西南角，为穿梭在功能用房中的使用者带来了美景，整个西侧休闲娱乐区域增添了院落的生气．四合套院的形式使每一个小院的主人都有相对独立和私密的空间，正房与厢房违和的小院落也提供了相对私密的活动空间，每个相对独立的小合院的使用者也可以在属于自己的小院落内种植一些花花草草，多在院落内种植乔木，夏季遮挡阳光，冬季落叶后又可以充分纳阳．

图2 石家大院院落布局

2.4 建筑节能措施

2.4.1 墙体

在以防寒保暖为主要目的的北方，墙体的材质与形式尤为重要，建筑的东、西、北三面外墙均使用土坯墙，南面为木装修，即“三封一敞”式．民居通常加厚北墙，阻挡寒风，加大南面的开窗面积，吸纳阳光[4]．

由于古建筑多选用木材作为建筑构件，墙身选用夯土墙，所以防雨成为保护建筑的重要技术问题．在不同地域自然因素以及文化背景的影响下，建筑的外檐作为防雨构件也多体现了地方特点．大部分北方传统建筑多选用砖石为材料，形式多为封护檐式(见图3)．石家大院在处理山墙防雨时，将夯土墙上钉草排，又称之为“蓑衣墙”．

影壁经常出现在传统民居大门之内，在功能上，一方面起到了增强私密性的作用，遮挡院内人与外人直接的视线对接，往来宾客并不能直接观察到院内的景象．同时雕琢精美的影壁[5](见图4)，是外人进入院内的第一印象，提升住宅的气势；另一重要的功能是作为防风的屏障(见图5)，防止风由开敞的大门直接灌入院内．

图3 石家大院山墙

图4 影壁

图5 影壁防风

2.4.2 窗

合院式民居，多不在最外圈建筑临街的一侧墙上开窗，保障其私密性的完好，不会使街上喧闹的声音传入私人的宅院内．院内的建筑尽量增大南面的开窗面积，吸纳白天的天然日光，减少北面和西面的开窗面积，以避免热量流失．窗户的形式多为双层支摘窗(见图6)，冬季防风保暖性能强，到了炎热的夏天，可以将下窗扇取下，支起上窗扇，保持屋内的通风，降低温度[6]．

2.4.3 保温集暖

寒冷的北方民居都会采用火炕，作为冬日必备取暖设备，石家大院也不例外．火炕用砖或土坯建炕间墙，形成回旋烟道，在上面覆盖石板，在加泥摸平后铺炕席就可以使用．炕洞选用土坯材料，导热性强，且热气不易消散．普通北方民居多数将火炕灶口与灶台相连，在厨房烧柴做饭的同时将火炕点热，节省能耗．而石家大院等大户人家，将灶口独立设置于前檐廊下(见图7)，保证院内每一间屋子的热源稳定与充足．至于屋内的集暖问题，设计者采用类似如今地采暖的构造方式加以解决，将方砖悬空架构在梅花垛上，互相交错形成烟道，从西方的地炉灶燃烧木炭而来的热气穿过地下层烟道向上供暖，最后顺沿东北面墙内暗藏的烟道从屋顶排除．

图6 双层支摘窗

图7 石家大院火炕烧火口

2.5 自然采光

石府戏楼是现今中国保存最为完整的一座民宅封闭式戏楼．整个单体建筑巧妙地运用被动式技术让使用者在享受戏曲的同时，听觉、视觉和触觉都有较为舒适的体验．

戏楼由南至北，依次为后台区、舞台区和宾客区，地势由低到高．戏台朝北，宾客向南，可较好地利用自然光线，使得站在舞台上的表演者在阴柔的阳光下绘声绘色地表演，并不会受强光滋扰，如图8所示．回廊之上设置一圈高墙采光，但阳光无法直射到楼内任何一个座位，不会造成听戏者的视盝觉障碍．屋顶采用定式，采光效果极佳，通过屋顶的设计与太阳高度角的变动来调节光照与温度，如图9所示．

图8 石家大院戏楼采光示意

图9 石家大院戏楼节能示意

2.6 空气流通

由于古代的设计者巧妙地运用被动式节能的技术手法，使北方的人们在寒风刺骨的冬日可以选择在暖暖的戏楼中喝茶赏曲．相反炎炎夏日，戏楼的使用者也完全不用担心闷热的天气会带来不适的体感而影响赏戏的心情．地炉空气流通，东西两侧偶有阵阵清风拂过，高窗空气对流，方砖青石也为听戏者带来一丝凉意．

3 被动式节能的设计手法总结

城市快速发展，但同时也带来了全球气候变暖、资源耗费严重、环境污染加剧等负面效应．人均耗能量的提升，给国家乃至全球都带来了较为严重的负面影响．所以节能设计逐渐成为建筑设计当中较为重要的考虑因素．所谓被动建筑设计并不是通过设备减少能量消耗或提高能量效率，而是通过建筑设计手段，适应环境而改变建筑朝向、制约建筑体形、计算最佳的窗墙比以及引用因地适宜的节能技术、充分利用自然资源等达到最低消耗．

3.1 调整合理性建筑布局

在设计之初，设计师首先要对项目所在地区环境要素进行充分的调查和研究，在有效利用自然资源的同时，尽可能规避不利的影响因素．如今高新的技术可以勘测出当地太阳的照射强度与角度，通过季节和风向的变化等本地的气候和环境条件，可较为精确地计算出最优的建筑朝向，同时给出较为合理的设计建议．例如，对建筑体量的控制，绿化率的控制等，可通过被动式设计手法，调整出较为合理的建筑布局，达到冬暖夏凉的温感．

3.2 营造宜居性内部空间

在研究石家大院内部的空间设计后要求设计师对建筑内部空间在功能和美观性上作出调整，同时也要考虑当地的气候环境因素，最大限度地利用自然风与自然光源，减少空调与采光等辅助设备的耗能．例如，由于气候寒冷及要求充分采光，北方住宅多为板式，缩短近深，尽量使阳光散落到每一个房间的角落．南方对于通风的要求较高，在住宅的建筑立面内凹形成阴影小气候区，近而设计较为复杂的凹凸空间形成阴影，从而造成温差以解决通风问题．但由于外表皮面积过大会导致能耗的提升，所以平面凹凸不易过多，力求完整．

3.3 探索可持续性围护结构

以石家大院为代表的北方传统建筑多以控制外墙厚度、选用适合的建筑材料以及窗户开敞大小来调节室内温度，达到夏季将热量隔绝在外，冬季阻隔热量散出的效果．现代建筑除了沿袭这些设计手法，还从科学上将围护结构得到发展，利用建筑表皮，这样一个联系建筑内外的媒介来调节室内温度．例如设置双层立面(见图10-12)，在保温、隔热、隔声、节能方面都由优于传统幕墙．双层玻璃幕墙由内外两层玻璃幕墙组成，中间形成夹层，冬季关闭外层玻璃表皮，夏季开启，中间空气层起到缓冲作用，以此通过开启或关闭某个立面层次以控制室内的温度[7]．

图10 双层玻璃幕墙

图11 GSW总部大楼立面

图12 DEBIS总部大楼立面

3.4 采用优化性节能技术

设计师在建筑设计之余，还会因地制宜地采用辅助的设施给使用者带来更为舒适的体感．由于我国北方冬季漫长，寒风刺骨，北方人民发明火炕作为取暖设施，通过较大的炕面将热量排放到整个屋内，不仅给坐在火炕上的人带来直接的温感提升，也能将暖意带到屋内每一个角落．由于当时石家大院建造时，科技较为落后，火炕也造成了资源浪费、环境污染、操作困难等问题．现代设计师可以通过燃烧和传热的原理，对旧式火炕的结构进行合理的改造，使其通风性好、燃烧充分，起到了节能的作用．如今，这种新式火炕仍然运用在经济条件较差的北方农村，并且受到农民的一致好评．太阳能作为另一种环保新技术，在建筑领域得到广泛推广，设计师主张高效利用自然能源为建筑提供能量，太阳能不仅在建筑上满足传统意义上调节冷热和发电的要求，而且其技术领域已经向更广泛的方向延伸，例如提供热水、吸收式制冷、通风降温、控制自然采光等．

3.5 融入地域性自然环境

高楼耸立的城市中，人们与大自然的距离越来越远．随着使用者对生态要求的提高，设计师将绿化融入到建筑设计之中．在设计之初，应尽量保留地区原有植被，特别是一些已经生长成熟的大型树木，可以起到遮阴纳凉的作用，其树荫也给人们提供休闲的空间[8]．同时，可根据空间布局适当地引入符合当地自然生长的人工植被，不仅让使用者在视觉上有贴近自然的感觉，更重要的作用是能提升整个空间的空气质量，减少通风压力，同时也展现出地域性的建筑特点．

4 结 语

传统民居的被动式节能技术，在当时只是为了提高生活的舒适性，顺应自然而采取的一些仅对建筑布局、空间、构造优化的设计手法．在如今的经济技术条件的推动下，人们对舒适度的要求也越来越高，单靠这些被动式节能设计手法已经不能完全满足当下人们对舒适度的需求．但是，由于这些被动式技术可以更好地适应当地自然条件，如何将这种技术与现代高智能设备结合使用，减少运行时间，降低耗能，也将会对“绿色建筑”的发展提供有价值的参考．

［1］ 黄 浩. 中国传统民居与文化[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1996.

［2］ 梁思成. 中国建筑史[M]. 天津：百花文艺出版社，1998.

［3］ 宫桂桐，韩志勇. 杨柳青石家大院[M]. 天津：新蕾出版社，2007.

［4］ 马炳坚. 北京四合院建筑[M]. 天津：天津大学出版社，1999.

［5］ 王其钧. 中国古建筑语言[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

［6］ 贾 珺. 北京四合院[M]. 北京：清华大学出版社，2009.

［7］ 许锦峰，黄欣鹏，吴志敏. 被动式节能建筑围护结构的技术特征[J]. 南京工业大学学报(自然科学版)，2011(5)：60-63.

［8］ 李道明. 太阳能技术在住宅中应用具有广阔的前景[J]. 住宅产业，2004(Z1)：94-97

Energy Efficiency of Traditional Local-Style Dwelling Houses in Northern Passive Building：A Case Study of Courtyard of Shi Family Tianjin

SHI Jin，QI Sitong
(School of Architecture, TCU, Tianjin 300384, China)

There are Chinese traditional residence forms, architects use different designs such as the building layout, space form and material selection of architectural designs, to reduce the regional climate, environment and natural conditions of discomfort to the occupants and to create a more livable living environment. Based on Courtyard of Shi Family Tianjin as an example, this paper preliminary analyzes the passive energy efficiency concept of Chinese traditional local-style dwelling houses.

courtyard of Shi Family；traditional residence；passive；energy efficiency

TU241.5

A

2095-719X(2016)05-0315-05

2015-10-20；

2015-11-23

史 津（1966—），男，天津人，天津城建大学教授，博士．