张家口坝上地区建筑气候适应性设计研究——以张北县为例

(河北建筑工程学院 河北 张家口 075000)

张家口坝上地区建筑气候适应性设计研究
——以张北县为例

孙健陆炳燕成帅任志坤

(河北建筑工程学院河北张家口075000)

随着北京携手张家口成功申办2022年冬奥会和京津冀一体化的进程的加快，张家口已成为京津冀的避暑胜地和世界滑雪中心。本文以张家口典型气象年数据为基础，分析被动式太阳能采暖、围护结构蓄热和夜间通过风、直接与间接蒸发降温、自然通风等气候适应性设计策略，为进一步提升张家口空气质量与建筑节能有着重要意义。

张家口坝上地区；气候适应性；被动式设计；软件模拟

一、引言

北京携手张家口成功申办2022冬奥会和京津冀一体化的大背景下，张家口地区作为北京的“后花园”，与北京的联系越来越紧密，整个地区呈现出城市发展加快的态势。随着人们生活品质的提高，张家口良好的空气质量和自然环境更是凸显出其优越的宜居性，而现代建筑中采暖和空调技术的采用在改善室内环境的同时，也带来了能耗和污染的问题。在建筑设计中，将当地气候条件的潜能发挥到最大，既可以满足一定程度下建筑室内舒适环境的要求，也可以有效的降低建筑能耗，进一步提高张家口空气质量具有重要的社会意义和经济效益。

二、张家口坝上地区气候环境特征

张家口地形基本上由阴山山脉隔断划分为坝上和坝下两个地区。坝上地区包括张家口市沽源、康保、尚义和张北4县。基本呈现西北高，东南低的趋势，平均海拔在1400米左右。张家口坝上地区属于严寒地区，气候划分区域为ID类气候区。

张家口坝上地区全年气温偏低，昼夜温差较大；夏季室内环境舒适，冬季寒冷漫长。年日照可达2600～3100h，年太阳辐射总量132～146Kcal/cm2。年均风速为3.6～4.1m/s，属于太阳能、风能富集地区。

三、张北县建筑气候适应性分析

建筑节能受当地气候条件和人体热舒适的影响，而对于建筑室内舒适度来说，温度和相对湿度是首要考虑的因素。本文以张北县典型气象年数据(数据来源于《中国建筑热环境分析专用气象数据集》)为依据，通过weather tool得出当地建筑气候的焓湿图和各种被动式设计方法所能改善室内舒适度的逐时百分比，最终分析张北县建筑室内热舒适的气候适应性设计策略。

表是1张北县典型气象年逐月最低温度和对应相对温度、最高温度和对应相对湿度统计，由表1可知，张北县夏季气温舒适宜人，但冬季室外温度较低。春季和秋季相对湿度较低，空气干燥。但由于张北地区冬季气候异常寒冷，如何保持室内温度应是建筑室内舒适度首要考虑的因素。

表1 张北县每月最低温度和对应相对温度、最高温度和对应相对湿度统计

注：图表来源《中国建筑热环境分析专用气象数据集》数据

图1 张北县被动式设计分析

注：室内人的活动状态设为静坐，南向开窗率为30%，围护结构保温设计为高，被动式太阳能的效益设为平均,室内风速为1m/s。图片来源Weather Tool得出。

表2 张北县各月气候调节策略有效时间比

注：数据来源Weather Tool得出。

1.被动式太阳能采暖

被动式太阳能采暖分为直接获取太阳能系统和各类型暖房两种方式。直接获取太阳能可以通过改变透明围护结构的面积、类型、位置和朝向等方式来增加室内对于太阳能的吸收和利用。暖房则是通过增加一部分建筑空间，形成一个室内与室外过渡空间，进而改善室内热环境。此外还有一些综合性的被动式太阳能采暖方式,如特朗布墙、史蒂夫·贝尔系统和巴拉系统等等。

由图1和表1、2分析可知，张北县冬季气温低且漫长，采暖期为10月15日—4月15日。11月—3月被动式太阳能采暖主要是对正午时间段的室内温度略提升，但基本不能满足全天内室内舒适度的需求，需要采取传统采暖保证室内的热舒适度。张北县春秋气温较低，而夏季凉爽适宜。4月—6月和8月—10月被动式太阳能采暖设计提高了16%—38%逐时百分比，32%—44%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。可以看出，在采暖期前后室内热环境较差时，被动式太阳能采暖可以提高室内温度，保证室内的舒适度。这对于过渡季节改善室内热环境意义重大。而7月份仅提高7%逐时百分比，32%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。从全年来看，被动式太阳能采暖设计提高了15%逐时百分比，22%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。由以上分析可得，张北县被动式太阳能采暖设计春季、夏季和秋季增温意义重大。

2.围护结构蓄热与夜间通风

围护结构蓄热通过改变建筑材料的蓄热能力，延缓室外环境对于室内环境的影响。以便让夜间的室内温度趋近于白天，白天的室内温度趋近于夜间。夜间通风主要是通过夏季夜间通风，将室内温度降低，白天将窗户关闭，以延缓白天室外高温对室内环境的影响。

由于张北县8月的气温相对其他月份较高，且昼夜温差较大。这段时间内围护结构蓄热略高于夜间通风的逐时百分比之外，而全年其他时间基本相同。就两者总体而言，由图1和表1、2分析可知，由于张北县冬季气温较低，11月—3月期间围护结构蓄热与夜间通风设计对于室内舒适度的改善微乎其微。4和10月仅提高6%和5%逐时百分比，5月和9月改善了22%—26%逐时百分比，28%—34%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。在过渡季节中，围护结构蓄热与夜间通风设计可以改善室内部分时间的热化境，以减少在采暖期前后室内气温较低的时间。而6月—8月效果明显，改善了43%—53%逐时百分比，64%—77%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。围护结构蓄热与夜间通风设计可以延缓夏季室外温度对室内温度的影响，保证室内热环境白天更加凉爽，且夜晚相对温暖。从全年来看，围护结构蓄热与夜间通风设计可以改善16%逐时百分比，23%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。由以上分析可得，张北县围护结构蓄热与夜间通风设计在夏季和春秋较热的时间段内可以起到有效改善室内舒适度的作用。

3.直接与间接蒸发降温

直接蒸发降温是通过通过蒸发作用产生冷气流来给建筑的室内环境降温。如坎宁安和汤普森冷却塔。间接蒸发降温则是不将水蒸气引入室内，通过外围护结构的蒸发冷却作用来降低室内热环境的方式，如屋顶水池。

一年之中，张北县直接蒸发降温基本和间接蒸发降温效果相同，只有在7月份的时候有较大差异，直接蒸发降温基本比间接蒸发降温设计低14%逐时百分比。就两者总体而言，由图1和表1、2分析可知，由于张北县冬季寒冷，10月—4月直接与间接蒸发降温设计对于室内舒适度的基本没有影响。除9月提高了5%，对于室内舒适度影响较小外。5月—8月直接与间接蒸发降温设计提高了13%—40%逐时百分比，21%—65%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。可以有效的缓解这段时间内白天室内温度略高的情况。从全年来看，直接与间接蒸发降温设计提高了9%逐时百分比，16%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。由以上分析可得，张北县直接与间接蒸发降温设计在夏季对于改善室内的舒适度有着很大作用。

4.自然通风

自然通风可以置换室内污浊的空气，保持室内空气质量。在温暖的环境下，较高的风速可以增加人体对流换热，并且消除皮肤因出汗而感到的不适，从而改善人对于室内舒适度的感觉。

由图1和表1、2分析可知，由于张北县冬季寒冷，9月—4月期间自然通风对于室内舒适度基本没有影响。而过渡季节由于张北县气温仍然较低，所以自然通风效果并不明显。5月和9月自然通风可以提高4%—8%逐时百分比，16%—27%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。夏季自然通风对于室内舒适度的影响较大，提高了12%—35%逐时百分比，33%—60%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。基本可以满足白天通过自然通风就可以达到室内降温的需求。从全年来看，自然通风可以提高8%逐时百分比，15%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。由以上分析可得，张北县自然通风设计对于夏季和过渡季节温度较高时节的室内舒适度有着明显的改善。

综合考虑各种被动式设计对张北县室内热环境的影响，4月—10月室内舒适度的改善有着显著的作用。11月—2月被动式设计对于室内的舒适度影响微乎其微，这段时期主要需要依靠传统采暖的方式来改善室内舒适度。4月—10月被动式设计提高了23%—55%逐时百分比，34%—83%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。尤其是6月—8月平均提高了52%—56%逐时百分比，78%—83%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。就全年而言，被动式设计提高了25%逐时百分比，36%逐时百分比的室内热环境是舒适状态。

四、结语

在建筑方案阶段，通过相应的采用适用于张北地区气候条件的被动式设计手段可以显著的改善室内环境。被动式太阳能采暖、围护结构蓄热与夜间通风对于室内舒适度的改善最为显著，而自然通风和蒸发降温也有很好的效果。张北地区10月—3月需要被动式太能能采暖与传统采暖相结合的设计思路来解决室内舒适度的需求。4月—9月，被动式设计策略可以很好的利用当地气候条件，改善室内热环境。其中6月—8月效果最为明显，通过各种被动式设计方法的综合利用，基本可以达到不用主动式设备(空调、电扇等)就能满足室内舒适的需求。

[1]巴鲁克·吉沃尼(美).建筑设计和城市设计中的气候因素[M].第一版.北京：中国建筑工业出版社.2011年

[2]柳孝图.建筑物理[M].第三版.北京：中国建筑工业出版社.2010年

[3]杨柳.建筑气候学[M].第一版，北京：中国建筑工业出版社.2010年

孙健(1990.01-)，男，汉族，石家庄市，在读硕士，寒冷地区绿色建筑方向。