建筑节能背景下冀东地区民居气候适用性分析

任瑞杰，王思佳

(1 保定市墙体材料革新与建筑节能办公室，河北 保定，071051；2 河北科技师范学院城市建设学院)

民居建筑是人类为了御寒避暑，遮风挡雨而建造的最早的建筑形式。在自发营建的乡土建筑时期，为适应千差万别的气候条件，形成适合人类居住的室内微气候，人们在居住空间形态、结构形式和构造方法上，采取了各种气候适应性策略，民居建筑呈现出丰富的建筑形态。然而，伴随着科技的进步，依赖建筑设备来创造舒适的室内环境成为可能，气候与建筑的关联逐渐被割裂，导致城市与建筑严重同质化，失去了自身的特色，同时造成了严重的能源浪费和环境污染[1]。在发达国家，近40%的能源消耗在建筑上，据专家估算，其中2/3～3/4的能源，可以通过有效的气候适应性措施节省下来[2]。

成熟的传统建筑形态必定有其对环境的适应性。对传统民居气候适应性进行研究，有助于我们继承传统民居的宝贵经验，改进其不足之处，使新建民居朝着节能、生态的方向发展。笔者以冀东地区民居为研究对象，通过软件对当地气候条件进行分析，在此基础上，依据建筑物理相关知识加以判断，得出相应的被动式气候调节策略，探求冀东地区民居气候适应性方面的经验和不足，以期对当地新民居建设改造和新农村规划设计提供科学依据。

1 分析软件和舒适模型选择

1.1 分析软件的选择

在建筑热环境分析过程中，需要综合考虑自然气候、室内热舒适状况和建筑设计措施等3个方面，对指定地区进行气候数据分析，生成建筑气候分析图。目前，常用的气候适用性分析软件有Climate Consultant，Autodesk Ecotect子系统Weather Tool。Climate Consultant软件是美国洛杉矶加州大学(UCLA) 开发的一款气候研究以及被动式策略有效性分析的软件，它能够有效载入美国能源部官网所公布的两种气象数据类型：CSWDEPW，SWERAEP。SWERAEP数据包括2005年中国气象局气象信息中心联合清华大学研究并开发的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》，覆盖全国270个地面气象站，近10年的典型气象年综合数据[3]。SWERAEPW数据是基于太阳能和风能资源评价而开发的数据库。气候适用性分析软件提供丰富的气候数据分析图表，Climate Consultant中的焓湿图与Weather Tool分析软件中的焓湿图相对比要简单些，不同年份或者典型月份的之间对比较少，但Climate Consultant软件对特定区域气候条件作了评定后，可以利用焓湿图来分析被动式设计策略的适用性，计算各项措施的有效程度，Climate Consultant的焓湿图功能，可以展示出细微的气候属性及其对建筑形态的影响[4]。因此，笔者在本次研究中选择Climate Consultant分析冀东地区的气象数据，并对当地传统民居的气候适应性进行解析。

1.2 热舒适模型的选择

评价建筑环境中人的热舒适性通常有两大类模型，即静态模型和适应性模型。Climate Consultant提供了4种热舒适模型：①California Energy code comfort Model，2013，②Adaptive comfort model in ASHRAE Standard 55- 2010，③ASHRAE Standard 55 and Current Handbook of Fundamentals Model，④ASHRAE Handbook of Fundamentals Comfort Model up through 2005。其中，前两种的热舒适模型属于静态模型，模型①适合封闭的中央空调环境[5]，模型②适合于开敞的自然通风环境[6]。模型③中PMV舒适模型设定了湿度上限，但没有设定下限，假定含湿量与热感觉无关[7]；模型④中热舒适模型设定相对湿度50%时有效温度(ET)在20.0～23.3 °C，最大湿球温度为17.8 °C，最低露点温度为2.2 °C，衣着热阻(夏季：0.5 clo，冬季0.9 clo)，人体代谢活动量(M≤1.2 met)，空气气流速度v(v夏季≤0.8 m/s，v冬季≤0.15 m/s)，符合人热湿感觉的综合性、复杂性的特征[8]。基于以上观点，笔者在本次研究中选择ASHRAE Handbook of Fundamentals Comfort Model up through 2005分析模型。

2 冀东地区居民气候适应性分析

2.1 冀东地区气候分类

根据不同气候、资源、自然环境等特点，参考《公共建筑节能设计标准》DB13(J)81- 2009[9]，《居住建筑节能设计标准(75%)》DB13(J)185- 2015[10]的气候分区，将河北省区域分为I区、II区、III区共3类。本次研究以冀东地区为例，选择的地区为河北省绿色建筑技术II类地区，利用Climate Consultant进行气象数据分析，并根据分析结论，选取适合当地建筑的被动式策略。但受到EPW数据采集限制，最终确定的地点大致为北纬39.43°，东经118.88°的区域，该区域位于河北省秦皇岛市与唐山市的交界处。

2.2 冀东地区气候焓湿图分析

焓湿图(Psychrometric Chart)的使用是从Olgyay的“生物气候分析图”以及Givoni的“建筑气候设计分析图”发展而来，综合人体舒适度和舒适区间概念，是对建筑环境综合气象参数而设计的一种图表分析，是Climate Consultant进行被动式策略分析的主要依据。冀东地区的气候焓湿图如图1所示，横坐标表示干球温度，纵坐标表示绝对湿度以及露点温度，斜曲线表示相对湿度，斜直线表示湿球温度。图中阴影部分四边形区域表示在无任何技术措施下，或者在自然气候条件下，所能达到的室内热舒适的区间或状态。利用焓湿图与舒适区相结合，可以表明室外气候的不舒适程度和气候特征。舒适区左方是过冷气候区域，右方是过热区域，上方是过于潮湿区域，下方是过于干燥区域。

图1 冀东地区气候数据焓湿图

选取被动式策略最佳组合(Show Best Set of Design Strategies)，自动去除矛盾的和多余的选项后，得到最适合冀东地区气候条件的被动式建筑策略。在不用传统采暖或制冷系统的前提下，这些策略以最少的措施组合获得最大化的舒适时间(表1)[11]。

分析图1和表1可知，冀东地区全年仅有8.4%的时间属于舒适时段，且主要集中在春、秋季节。全年43.9%的时间需要常规加热，必要时加湿。虽然建筑室内得热的有效时间为20.6%，但考虑到冀东地区民居中电器、照明灯具等室内热源并不丰富，依靠室内得热的可能性很小，所以这一选项并不适合冀东地区。除去“建筑得热”的选项，需要采暖，必要时加湿的比例则增长至64.5%。10.8%的时间需要被动式太阳得热+高蓄热。9.2%的时间需要窗口遮阳。其他适用的各项被动式建筑策略，按照有效时间的长短，依次排列为：风机加强通风(8.4%)，制冷，必要时除湿(8.3%)，仅除湿(7.9%)，二级蒸发制冷(2.6%)，防止冷风渗透(0.5%)，仅加湿(0.4%)。表1及后面的被动式策略分析主要针对有效时间比例在1%以上的选项。

表1 冀东地区民居被动式策略有效时间比例 %

2.3 冀东地区民居气候适用性分析

冀东地区太阳辐射总量为5 040～6 300 MJ/(m2·年)，属于太阳能资源很丰富地区，全年有效日照时数在2 500～3 000 h。依据冀东地区气候特点，冬季能被利用的太阳能比较可观，夏季(6～8月)空气相对湿度平均在80%上下，清晨时分(日出之前)室外气温接近露点温度等情况，得到适用于该地区的气候设计策略。冬季设计策略，主要以保温、防寒为主，最大限度的利用太阳能，做好主动式与被动式太阳能相结合，此外，注意防风和防冻。夏季设计策略，主要以自然通风为主，注意进行隔热和遮阳设计，有效防止太阳辐射，对于外围护结构注意防潮和避免西晒。

冀东地区典型民居建筑的平面布置如图2所示。民居南侧开窗面积较大，北侧窗相对面积较小且位置较高，仅满足采光需要，东西两侧在建筑布局上不具备开窗的条件。中间设堂屋，安放灶台等设施，两侧房间南侧设置火炕，北侧设置家具。夏季自然通风良好，春季和秋季主要依靠建筑室内得热的有效性，冬季由于室外气温过低，单纯依靠建筑的室内得热，完全无法满足室内的热舒适需求，需要借助于火炕供暖。冀东地区的民居屋顶以“屯顶”为主，一方面适当减少建筑顶部的空气容量，起到保温作用的同时，节省建筑材料，另一方面相对平整的屋顶，增加了粮食晒台的面积，但“屯顶”的设计挑檐相对坡顶挑檐尺寸较小。

冀东地区民居建筑形式能够最大限度地利用冬季阳光照射，利用典型的高蓄热材料——土坯搭建火炕采暖，但冷风渗透考虑不足，经常是在冬季进行窗口密封，加挂门帘等措施来弥补，夏季遮阳设计考虑不足，随着传统上悬窗逐渐改为平开窗和推拉窗，窗口遮阳的作用渐渐消失，需要重新进行遮阳设计。

3 冀东地区民居节能改造策略

3.1 门窗洞口遮阳和密封设计

冀东地区民居，可以通过优化透明围护结构来获取更多的太阳辐射。调研数据显示，现状民居多采用的是铝合金或塑钢窗框配合单层普通玻璃，经过长期使用后的窗口扇框之间的密封性大大下降，冬季冷空气渗透和“热桥”效应严重。建议在窗体材料的选用上，采用断桥铝窗框配合双层Low- E玻璃，将开窗方式由一般的推拉窗改为平开窗。窗洞口两侧墙体由平行砌筑改为内八字砌筑，在不增加窗洞口大小的情况下，获取更多的太阳辐射。

图2 冀东地区民居平面组合形式

对于夏季遮阳设计，应以窗口的挑屋檐设计为主(图3)，实现夏季窗口遮阳，冬季日照满窗的实际效果，以减少夏季太阳辐射获得量，增加冬天太阳辐射获得量。也可以采用高大的落叶乔木来进行绿化，但应该避开的正前方向，绿植的布局与门窗形成45°的夹角，以避免影响通风效果。为增强夏季自然通风效果，可以设置位置较低的空气进气口，和位置较高的空气出风口。

对于建筑主入口的改造，建议背阳面设置防风门斗，向阳面设置扩大的门斗，充当季节性阳光房，结合被动式太阳能房设计，增加直接受益式的采暖效果，用来减少冬季室内的热损失。另外，在“门斗”设计中增加隔音材料，进一步优化室内声环境。

图3 夏季南向窗口遮阳

3.2 墙体保温、蓄热设计

根据焓湿图的分析，被动式太阳能采暖(直接受益式)+高蓄热策略的效果明显，可以选用高蓄热系数的建筑材料，例如瓷砖、石材或者木地板等，对室内的地面、墙面进行铺装。在春季和秋季，室外气温不是太低，室内可以借助机械热源以及人源热量就能达到较为理想的热舒适状态。具体设计方案中，提高良好的围护结构保温性能，减小在冬季采暖的热损失，来达到室内的热舒适条件以及节能的目的。墙体要注意构件间的密封性，应尽量的减少气流的渗入和排出；在分隔墙体的核心层设计上，应将未绝缘金属支撑从每隔40 cm增加到60 cm，从而降低热桥效应，减少热量流失。

3.3 屋顶地面隔热、防潮设计

关于屋顶保温改进策略，软件建议设置双层屋顶且宽度不小于5 cm，利于屋顶间的空气层间形成保温层，进一步普及天花板(吊顶)的应用，并在天花板和屋顶间增设厚度合理的保温层，设置保温空气间层的通风口，冬季通风口保持密闭状态，夏季通风口保持开敞状态。根据表1中的数据可知，冀东地区7～8月份室内除湿的有效明显增加，需要在制冷的同时加强室内通风，降低空气湿度。结合夏季要注意地面和屋顶防潮，屋顶处通风口应设计挡雨条，地面要设置防潮层。鼓励在民居中用天花板吊扇代替普通的落地电风扇，虽然电扇过高不利于夏季室内通风降温，软件分析结果显示，处于良好工作状态的吊扇可以降低夏季窗口关闭状态下的室内气温5 °C以上。

4 结论与讨论

节能建筑设计不同于传统建筑设计，建筑师可以借助于气象分析软件快速准确的把握当地气候特征，科学地提出创造舒适室内环境的设计依据和改善方法。美国绿色建筑协会(USGBC)建议环境气候的分析可以运用在方案构思的初级阶段(Schematic Design)或者既有建筑节能改造的决策阶段。对于软件分析的结果建筑师应有自己的判断，一方面是因为世界各地的气候差异较大，Climate Consultant的默认设置主要针对一般性的气候条件，当分析对象城市化发展程度高时，建筑师需要特别注意局域微气候和热岛效应对分析结果的影响。另一方面，Climate Consultant软件是基于发达国家现代化住宅状况和热舒适标准，对于我国各地的具体情况来说并不完全适用。因此，要求建筑师需要具备一定的建筑环境学基础知识对软件分析结果进行辨析。

冀东地区属于寒冷地区，自然舒适时间短，当地民居在长期历史发展过程中，积累了应对当地环境的生存智慧。随着河北省大力推广民用建筑节能措施，传统民居中能耗较高的建筑形体、构造和污染严重的建筑材料被逐渐取代，被动式建筑策略的运用结合新型的环保材料的运用，可以有效缓解冀东地区冬季保温与夏季通风的矛盾，进一步减少建筑冬季采暖的能耗和夏季降温的能耗，为使用者提供舒适的室内环境。

[1] 赵军,狄育慧，李健，等.建筑节能热舒适的发展现状[J].洁净与空调技术,2009(3):51- 55.

[2] 牛润萍,陈其针,张培红.热舒适的研究现状与展望[J].人类工效学， 2004,10(1):38- 40.

[3] 中国气象局信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[4] 何泉,王文超,刘加平,等.基于Climate Consultant的拉萨传统民居气候适应性分析[J].建筑科学,2017,33(4):94- 100.

[5] California Energy Commission.CEC- 400- 2012- 004- CMF- REV2, 2013 Building Energy Efficiency Standard for Residential and Nonresidential Buildings[S].Sacramento:California Energy Commission,2012.

[6] ANSI/ASHRAE.ASHRAE Standard 55- 2010.Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy[S].American Society of Heating,Refrigeration and Air- Conditioning Engineers,Atlanta,USA,2010.

[7] De Dear R,Brager G.The Adaptive Model of Thermal Comfort and Energy Conservation in the Built Environment[J].International Journal of Biometeorology,2001，45(2):100- 108.

[8] ASHRAE.Chapter 8,Thermal Comfort,ASHRAE Handbook of Fundamentals[S].Atlanta:ASHRAE,Inc,2005.

[9] 河北省住房和城乡建设厅.DB13(J) 81- 2009 公共建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社，2009．

[10] 河北省住房和城乡建设厅.DB13(J)185- 2015 居住建筑节能设计标准[EB/OL].[2017- 12- 25].http://www.bzko.com/Common/ShowDownloadUrl.aspx?urlid=0&id=208237.

[11] Murray Milne,Robin Liggett,Andrew Benson,et al.Climate Consultant 4.0 Develops Design Guidelines for Each Unique Climate[EB/OL].[2017- 12- 25].http://www.energy- design- tools.aud.ucla.edu/papers/ASES09- Milne.pdf.