村镇住宅被动式节能改造实效分析研究——以山东潍坊某民居改造实践为例

■ 李翔宇 LI Xiangyu 徐友璐 XU Youlu 刘昌睿 LIU Changrui 郭 菂 GUO Di

0 引言

随着我国乡村振兴战略的快速推进与村镇整体生活水平的逐步提高，村民对生活品质及居住环境的要求也随之提升。由于不同气候区室外温度、太阳辐射强度及局部气候上会存在一定差异，因而不同热工分区内建筑能耗水平及其重要影响参数会有所不同[1]。受地理环境不同及气候差异的影响，各地区建筑热工环境设计的标准也不尽相同；无论是房屋的肌理、空间还是材料构造，都呈现出较大的规律性差异。因此，基于特定的地区及气候条件下，进行针对性改造策略的探讨才更有意义。

在环境问题日益突出及国家大力倡导节能减排绿色发展的背景下，基数大且总量多的村镇民居对建筑整体耗能的影响不可忽视。目前，我国村镇民居多采用空调等设备进行主动调节[2]；而基于经济性和实用性考量，村民往往更加倾向于被动式调节的方式。因此，为提升居民生活品质、缓解村镇建筑耗能，村镇民居的低能耗改造尤为必要。本文将结合实例，对村镇住宅的被动式节能改造进行实效分析。

1 改造民居区位及气候分析

改造项目为山东省潍坊市马司村的一处民居（图1），位于环渤海地区范围内。该区域在我国建筑气候分区中横跨严寒地区及寒冷地区，夏季主要受太平洋夏威夷低气压带来的湿热季风影响；其西北方向隔大兴安岭紧邻蒙古高原及西伯利亚地区，故冬季风受北方内陆干冷风影响[3]。由于受地理位置与气候条件的双重影响，需同时兼顾夏季隔热通风与冬季保温防风。

图1 山东潍坊改造民居区位及实况

使用气候分析软件Climate Consulan，对潍坊市全年温湿度（图2、3）进行分析。由温度指标可知，气温在20～25℃范围内的，全年不超过5 个月，大部分时间超出了人体舒适度范围；从湿度指标来看，全年有接近一半的时间相对湿度在60%～80%，夏季大部分时间相对湿度则在80%以上。因此，其气候特点为：夏天炎热湿润，冬季寒冷干燥。

图2 潍坊市全年温度分析

2 改造前后数据实测及分析

在不同环境下，人体对于不同气象指标诸如温度、湿度及风速等的敏感性并不相同。基于此次改造的实际情况及外部环境，选择对人体舒适度影响相对较大的温湿度进行记录，并将其作为评价室内环境及舒适度的两项主要指标。

2.1 测点分布及测量方法

对房屋平面连同院落进行分区并布置12 个测量点（图4），覆盖改造建筑的主屋、侧屋以及室外院子的全部区域。测量仪器摆放于窗户和门扇中线上距气候边界1.5 m 位置处，且测点距地面高度统一为1.5 m，以避免室内外不同点之间垂直方向上的细微差别对结果的干扰。在12 个测点中，1～8 号测点位于主屋内，其中，1～4 号测点靠近北立面，5～8号测点靠近南立面；9～11 号测点位于侧屋内，其中，11 号测点所在的旱厕为半室外环境，12 号测点位于院落中央，反映室外环境变化并可作对照。

图3 潍坊市全年湿度分析

图4 测点平面布局示意图

根据潍坊市所处热工分区及气候特点，将测量时间划分为冬夏季和过渡季（春秋两季），分4 次进行数据记录。其中，过渡季测量时间选在春秋两季中间月（4 月和10 月）的中旬，夏季测量时间选最热月（7 月）中旬，冬季测量时间选最冷月（1月）中旬。每次测量均为逐时记录，且每次测量布点时间间隔均为3 个月。

2.2 外部气候环境分析

在各季节测量时间段内，逐时记录室外测点12 每日（按当日14:00至次日14:00 计）的温湿度，并求均值绘制散点图（图5、6）。

由图5 可知，建筑所处环境在过渡季的昼夜温差相对较小（＜5℃），全天超过80%的时间均处于人体舒适度范围(18～25℃)内，整体气候环境较为舒适；而在夏季和冬季，室外温度在很大程度上偏离了人体舒适度范围，必须要有相应的调节措施才能保证室内舒适度。

图5 测点12 的四季温度散点图

由图6 可知，春夏两季均较干燥，多数时间段湿度在30%±5%范围内浮动；而秋冬两季的温湿度指标相对较高，整体上比春夏两季潮湿。

图6 测点12 的四季湿度散点图

2.3 围护结构气密性分析

改造的重点集中于提升房屋围护结构气密性及保温隔热效果，以保证室内环境的舒适性。在改造前，由于外围护结构及屋顶缺少保温隔热构造（图7），气密性较差且保温性能不佳，使得层高接近3.6 m 的主屋在寒冷的冬季毫无居住舒适性可言。

图7 改造前建筑外围护结构及屋顶构造

由于改造民居位于联排式建筑群内，东西立面均与隔壁房屋共用，因此，外围护结构的改造主要集中于南北立面，具体改造内容包括增加外墙保温并更换门窗材料以提升门窗气密性及保温性能。至于屋顶的改造，则通过室内空间的改造间接实现。在室内增加吊顶，将原有高度远超3 m 的室内空间降至3 m 以内。这样，既可以通过新增的吊顶层改善原有坡屋顶气密性不佳的问题；又增加了一层空气层保温，从而提升围护结构保温效果。

（1）由改造前后的温湿度变化（图8、9）可知：改造前，建筑室内外温差较小，气候边界不明显。其中，春季气温变化最大幅度在3℃左右，整体环境相对较为舒适；夏季较为炎热，位于主屋的8 个室内测点温度均值及极值均超过了人体正常的舒适温度范围，室内外温差极值也始终在4℃范围内，建筑外围护结构在调节室内外温度方面的作用微乎其微，无法保证室内环境的舒适度。改造后，建筑外围护结构气密性的提升情况在实测数据上得到了直观反映。以测点8、10 和12 的冬季数据为例，室外温度（测点12）为7.4℃时，侧屋储藏室（测点10）内温度为11℃，而主卧（测点8）室内温度则接近18℃，室内外温度差值将近10℃，相较于改造前有了明显提升。

图8 各测点改造前后四季温度曲线图

（2）从曲线的波动幅度来看，在改造前，无论是春季还是夏季，12个测点相互连接形成曲线的波动性较小，说明“室外—半室外—室内”的边界区分并没有对应到数据的变化规律上，围护结构的界定作用几乎可以忽略不计；但是在改造后，曲线的温湿度分布有了规律性变化，从侧面反映出围护结构对室内环境的影响。

（3）从图9 可以看出，在较为干燥的春夏季，房屋的室内湿度明显高于室外，尤其是位于北面的1～4号测点，相对湿度接近60%；而同一时刻，室外的相对湿度只有30%左右。出现这种现象的原因是室内房间单元的划分不太合理，导致北向房间通风状况不佳（图10）。因此在改造时，需对内部单元的分隔重新布置，使房间内通风效果更佳（图11）。

图9 各测点改造前后四季湿度曲线图

图10 改造前室内环境检测

图11 马司村被动式低能耗改造方案平面图

2.4 房屋热工性能分析

取室外测点12 及室内测点8(主卧)、测点7(客厅)、测点4（主卧储藏室)各季整点数据，绘制柱状图（图12、13）。

（1）由图12 可知，房屋改造前，春秋两季温度虽处于舒适范围内，但冬夏两季环境温度超过了体感上限与下限，且房屋无被动式调节设计，因而测点4、7、8 的温度均偏离了人体舒适区；改造后，由于房屋整体热工性能的变化，夏季室内温度下降，冬季室内温度上升，尤其是冬季室内温度相比改造前平均提升了6℃左右。

图12 改造前后测点4、7、8、12 温度分析

（2）由图13 可知，改造前，由于室内通风状况不佳，室内空气相对湿度常年处于55%以上，秋冬季甚至达到80%以上；改造后，主要活动房间基本实现了全年处于相对舒适的湿度范围内，原本夏季干燥、冬季潮湿且常年密闭不通风的状况得到了有效改善。

图13 改造前后测点4、7、8、12 湿度分析

通过以建筑外围护结构改造为主、室内空间再设计为辅的被动式改造设计，该房屋实现了不同季节房屋进行被动式调节的实际效果，尤其是增强了房屋夏季防热与冬季保温的热工性能，从而提升了房屋的居住品质与舒适度，并减少对调节设备的依赖性，降低能耗。

3 室内舒适度评价

气候舒适度是指在气温、湿度、风速和日照等气象因子的综合影响下，人体冷热感觉的舒适状态与适宜程度。对于改造前后室内舒适度的评价，不仅需要有客观评价的模型及标准，还需要制定合理的体感分级标准，并与对量化指标的计算结果相对应，使其与人体的冷热经验产生直接关联，从而实现室内舒适度的综合评价。

3.1 舒适度评价模型

结合此次改造实践的数据记录，选取经验模型中具有代表性且与温湿度两项气候指标直接相关联的温湿指数（Temperature Humidity Index，THI）作为此次舒适度计算及评价的基础模型。常用的温湿指数计算公式为：

式中，ITH表示温湿指数；t表示气温；RH表示相对湿度。

基于THI 计算模型，可以直接通过所测得的温湿度数据计算得出ITH值，并通过季节锚点法[4]与人体的主观感知相对应，为客观气候指标与人体主观感受两者之间建立一个较为合理的比较分析方法，用于室内舒适度的综合评价。

3.2 改造前后舒适度评价

选取改造前后12 个测点在过渡季及冬夏季12:00 的温湿度实测数据（表1、2），通过THI 计算模型得到相关数值后，与人体的主观感受建立科学合理的联系。基于“季节锚点法”体感分级的相关理论，按不同时期人们对于冷热感受的描述，将其划分为“暑—热—暖—温—凉—冷—寒” 7 级体感。实际应用中，不同体感划分之间的6 个THI 模型分界值如表3 所示，对应参考温度是指在每种体感等级对应下，只考虑温度时，相对应的参考范围。

表1 改造前全年温湿度实测及ITH 计算

表2 改造后全年温湿度实测及ITH 计算

表3 季节锚点法所得体感等级表 单位：℃

由于不同温度范围内的湿度波动对人体热感觉与水盐代谢的影响并不相同，可以通过相同湿度下的温度及温湿指数的计算结果，建立与体感分级之间的联系并相互参照，确保结论的合理性。

在改造前后，根据上述7 级体感划分，对两位老年住户的主观感受进行问卷调研，并与ITH值相比较（表4、5）。结果显示，老人对改造前后各季节同时期的主观感受均产生了变化，尤以夏、秋、冬三季感受明显。

表4 改造前户主体感调研与ITH 值对照分析

（1）夏季：改造前，老人对其中6 个主要房间的体感为“暑”；改造后，室内测点1～8 所处房间的体感均在“暖”“热”范围内。这一结果与ITH 基本相符。

（2）秋季：改造前，老人对12个测点的体感均为“温”“凉”；改造后，除室外体感为“温”外，其他11 个测点的体感均为“暖”，改造效果明显，与ITH 基本相符。

（3）冬季：改造前，老人对北面及西面所有测点房间体感均为“凉”，室外院落（测点12）为“寒”，仅朝南的卧室（测点6、8）与客厅（测点7）体感为“温”；改造后，测点12 体感不变，北面及西面其他测点房间体感基本变为“温”，测点6～8 的体感变为“暖”，室内保温效果明显改善。对应ITH值来看，改造后，室内ITH最小值为13.7℃（卫生间除外）、最大值为19.1℃，室外ITH值为6.4℃，与老人的实际感受存在细微差别，但基本契合。

由此可见，通过对建筑南北立面增设保温设计，在室内增加吊顶及屋顶保温层，以及改变室内隔墙位置等被动式改造措施，可有效改善室内环境，提升室内居住舒适度。

表5 改造后户主体感调研与ITH 值对照分析

4 结语

随着我国乡村振兴战略的不断推进，人们的生活水平逐步提升，对居住品质的要求也越来越高——在改善居住质量的同时，亦需遵循低碳环保的原则。然而，大部分乡村民居尤其是村民自建房往往会忽视此方面的设计及投入，造成额外成本及建筑耗能的增加。

在本案例中，通过被动式低能耗改造，其房屋外围护结构的热工性能尤其是冬季保温的实际效果明显增强，整体居住舒适度提升，对同类型民居的改造具有借鉴意义。