河西走廊乡村民居能耗优化更新

何京哲，陈敬*，张群，王颖

0 引言

河西走廊地区乡村振兴水平的逐步提高[1]，生态治理、扶贫脱贫、产业整合等工作的推进，带动了乡村民居易地搬迁建设的需求[2]。而当前新建民居囿于快速设计施工，未能充分适应当地气候环境，产生了能源消耗过大的问题。

现有能耗研究在针对气候及建筑类型差异方面取得了较多进展：Dascalaki等[3]调研了分布于欧洲4个气候区域的5类办公建筑，提出了影响办公建筑能耗的各因素，并总结了各因素的节能优化策略；Ivan等[4]依据形态、构造、开窗、日照遮阳系统等构建了英国地区现存办公建筑典型模型，以此开展该类建筑的能耗预测研究；金虹等[5]提取了严寒地区乡村民居的空间设计因素，通过实验得到各因素的最佳组合，用以指导乡村民居的节能设计。然而，现有研究较少针对河西走廊地区的气候特征与民居类型提出可供参考的典型模型，在当地开展乡村民居的节能研究缺乏一定理论基础。

国内对河西走廊民居空间特征的研究已具规模：李鹰[6]梳理了河西走廊地区生土建筑的空间形态，并提出其更新原则；王军[7]提出当地民居类型包括合院、庄廓，并提出各类型的空间布局与营造特点；李钰[8]揭示了河西走廊民居建筑现象的形成与发展脉络。以上成果促进了以能耗为目标的河西走廊乡村民居典型模型的建立[9]。

首先提取河西走廊乡村民居空间因素1）并设计正交实验，通过模拟比较不同因素组合下的民居能耗，总结各空间因素对民居能耗影响的敏感性，结合生产生活需求给出各空间因素优化后的尺度，针对不同家庭结构需求给出优化户型平面，为河西走廊乡村民居的更新建设提供参考。

1 河西走廊地区焓湿图

1 河西走廊气候与乡村民居概述

民居的形态与自然环境息息相关。分析建筑所处地域的气候因素，有助于理解民居的生成原因，从中提取与应对气候相关的空间因素，建立空间因素与能耗之间的关系。

1.1 气候特征

河西走廊属严寒寒冷地区[10]，具有温带大陆性气候特征。分析河西走廊地区焓湿图[11]可知，全年平均气温为8.5 ℃，夏季昼夜温差大，冬季严寒，最热月平均气温22.4 ℃，最冷月平均气温-8.7 ℃。境内全年日照数为3000～3200h，日照辐射资源丰富。境内降雨量少而蒸发量大，气候干燥（图1）。

1.2 乡村民居概述

以合院与庄廓民居为对象，提取当地民居的典型空间特征 （图2）。两类民居形态具有相似性：平面呈矩形，以房间围合内部院落，外墙以夯土或土坯垒筑，内向而封闭。

河西走廊乡村民居通过调整空间形态，达到适应气候、减少能耗的目的[12]：合理尺度的院落由房间围合形成阴影区和日照区，营造相对稳定的半室外环境；房间以合理面宽进深及层高组合，保证冬季保温及夏季散热；厚重的外墙具有优良的热物理性能，且向院落内开窗，隔绝自然环境中的不利因素，维持室内空间的热稳定性。

河西走廊民居各空间因素与尺度范围，随着时间与生活方式的发展不断变化。如，建成时间较晚的民居出现了在外墙上开窗的情况，是因采用了密闭性及热工性能更好的窗户，维持室内热稳定性的同时获得了更多采光日照，是值得借鉴的新手法。

2 河西走廊乡村民居空间特征

2.1 院落形态

院落是当地民居中生产生活的重要组成部分，按其功能可分为生活用前院和生产用后院。其平面均呈矩形，面宽尺度范围为3.8～12m，进深尺度范围为2.8～16.3m，面宽与进深之比为1:3～3.5:1。依院落入口方向，其朝向在南偏东20°至南偏西40°之间，个别案例存在入口向北开的情况。

2.2 单体空间形态

当地民居中单体空间由堂屋2）、卧室、厨房、仓储、卫生间5个部分组成：堂屋与院落入口相对，卧室处于院落南北轴线东西侧厢房位，厨房、仓储及卫生间位于院落4个角落。其中，堂屋与卧室是民居内最主要的使用空间，堂屋面宽、进深与层高的尺度范围为3.8～8.9m、2.7～4.5m及2.9～4.1m，窗墙比范围为3.3%～53.2%。

2.3 各部构造特征

夯土是当地传统的围护结构材料，有多种构造做法，广泛使用于墙体与屋面等结构中，具有热湿稳定性高、保温隔热性能良好的特点。烧结砖、混凝土等制成的围护结构提高了民居的结构稳定性，但建筑热工性能大幅下降，造成了能源浪费（表1）。

表1 传统围护结构构造做法

3 河西走廊民居的能耗模拟

调研发现，河西走廊民居实际建设中存在尺度与构造不合理的情况，造成无法适应自然环境和能源浪费的问题，需要科学指导各空间因素的选择。

2 河西走廊乡村民居类型

3.1 研究方法

为探究河西走廊地区民居各设计因素在交互作用下影响能耗的规律，本文使用正交试验法设计试验。

正交试验法是使用标准正交表格安排试验，通过分析某指标在不同水平下的各因素组合后得到的数据，研究各因素对该指标的影响趋势及它们对该指标影响的主次关系的试验方法。

正交试验法有可减少试验组数，“均匀分散，齐整可比”的特点，是一种经济、高效、快速的试验设计方法[13]。

3.2 模拟工具介绍

选取基于Grasshopper的Honeybee插件进行能耗模拟。Honeybee以EnergyPlus为运算内核，用户可以在Grasshopper的操作界面内完成能耗模型的建模及模拟的整套工作流程（图3）[14]。

该工具可通过Grasshopper的参数化建模逻辑完成建模，方便后期模拟中对模型的调整。本文模拟研究涉及大量参数设置，对比传统能耗模拟软件需对模型逐个建模，选择Honeybee可满足快速、高效、准确的试验需求。

3.3 模型建立

基于实地调研，依据当地民居建立典型模拟模型，以入户门的朝向为各房间命名3）。简化模型，设置屋面为平屋顶，并采用当地民居中新出现的设计手法，在北向房间的外墙上开窗（图4）。以敦煌市气象数据代表河西地区情况（数据来源：CSDW），模拟时间为全年，室温低于15℃时开启供暖系统，高于30℃时开启制冷系统，建筑换气次数为0.5 h-1，内热源散热量为5 W/m2。

分别设计院落、南向房间、北向房间及东西向房间的正交实验：选取面宽、进深、朝向为院落的3个影响因素，分别取5个水平，设计L25（53）实验表；选取面宽、进深、层高、窗墙比、墙体构造、屋面构造为各朝向房间的6个影响因素，分别取3个水平，设计L18（36）实验表。按表依次模拟能耗并统计数据（表2–5）。

表2 院落空间因素及水平取值

3.4 数据处理

通过正交实验的相关分析方法整理实验结果，汇总各空间单元的单因素变化趋势（图5）。

由院落空间因素影响下的能耗结果，各因素对能耗的影响强弱为面宽＞进深＞朝向。可知院落面宽是对能耗影响最大的因素，且单位能耗随着面宽的增大而降低，呈正相关性。进深对能耗影响的程度其次，且进深与单位能耗呈负相关性，进深越大则单位能耗越大。院落朝向在各因素中对能耗影响的程度最小，在南偏东20°时，能耗最大，朝向逐渐偏西则能耗减小，并在南偏西10°时达到最小，随后又逐渐升高。南、北向房间空间因素影响下的能耗结果接近，影响程度均为B（进深）＞F（屋面构造）＞C（层高）＞E（墙体构造）＞A（面宽）＞D（窗墙比）。

表3 南向房间空间因素及水平取值

3 Honeybee运算流程

表4 北向房间空间因素及水平取值

4 模型设置

进深对能耗影响最大且呈正相关，是由于屋面面积随进深增加而增加，提升了冬季接受太阳辐射的面积。屋面构造、层高、墙体构造对能耗的影响依次降低，均呈正相关。面宽的影响更弱，对南向房间而言，能耗在2.5～4m由高至低，又在4～5.5m由低增高，表明适当增大面宽有助于维持南向房间的低能耗性能；对北向房间而言，能耗与面宽呈负相关。窗墙比的影响最弱，当窗墙比为0.2时，房间因过于封闭而拥有较低能耗，增大窗墙比至0.3时能耗随之增加，增加至0.4时房间由于能够有效接受并散发热辐射从而能耗达到最低，考虑夯土墙结构稳定性，窗墙比设置在0.5～0.6间较为合适。

东、西向房间空间因素影响下的能耗计算结果基本一致但略有不同，影响程度排序为F（屋面构造）＞C（层高）＞E（墙体构造）＞A（面宽）＞B（进深）＞D（窗墙比），西向则为F（屋面构造）＞C（层高）＞E（墙体构造）＞A（面宽）＞D（窗墙比）＞B（进深）。

屋面是影响能耗最大的因素，传热系数升高则能耗增加，与一般认知一致。层高对能耗的影响稍次，呈负相关。其次是墙面。进深对能耗的影响随后，亦因增大了屋面面积更利于接受散失热辐射。面宽、窗墙比二因素对东、西向房间能耗的影响程度不同，东向房间能耗受面宽影响较多而受窗墙比影响较少；西向房间受窗墙比影响更多而受面宽影响更少，能耗与面宽呈负相关而与窗墙比呈正相关。因此，为降低能耗，应在保持使用需求的前提下尽可能增加东西向房间的面宽，减少窗墙比。

4 能耗优化下的设计指导

分析得到各因素对能耗的影响趋势，应结合实际需要用以指导设计。当设计中存在矛盾时，应按照各因素的影响程度加以取舍（表6）。

表6 各朝向房间优化

4.1 院落

根据对影响能耗的院落空间因素的分析，应保证增加院落面宽而减少进深，并考虑朝向对民居能耗的影响[15]。新建民居聚落时，考虑节约用地、维持院落空间尺度感及方便生产生活等因素的影响，首先保证民居整体朝向为南偏西10°左右。其次结合用地，将院落设计为面宽进深均在6～10m的近正方形，以此尺度为一组院落单元，在南北轴线上叠加以保证生产生活的分区需要。

4.2 南、北向房间

进深、屋面构造、层高及墙面构造是对南北向房间能耗影响最显著的前4个因素。南向房间功能常用于祭祖或会客，尺度较大，能耗较高，考虑以隔断、壁龛和闷顶等分隔提高保温隔热性能。结合《农村居住建筑节能设计标准》[16]，控制主要使用部分为面宽4.4m、进深3m、层高3m左右，满足其空间主导地位与功能、节能的合理尺度。北向房间目前通常用作厨房兼起居或储藏间，功能分区混乱，整洁度差。应充分利用外墙开窗增加采光及辐射交换，使用隔断控制使用单元在面宽3.2m、进深2.5m、层高3m左右。利用新技术满足结构稳定性和门窗节能性的前提下，可加大南向窗墙比在45%～50%，以提升室内氛围，增加室内外辐射交换，可用于起居室或书房。重视传统夯土材料的围护结构热工价值，结合混凝土、钢等新型结构，保持房间的结构稳定性与热稳定性。

4.3 东、西向房间

屋面构造、层高、墙面构造、进深是对东西向房间能耗影响最大的4个因素。东西向房间通常用作卧室，尺度较小，可控制为面宽3m、进深2.4m、层高2.7m左右的单元，结合需求并列设置。东西向房间窗墙比越大能耗越高，如选用热性能较好的门窗，则可在规范基础上提升窗墙比至40%以满足采光需求。围护结构需求与南北向房间相同。

表5 东西向房间空间因素及水平取值

5 能耗单因素变化趋势

结合以上优化指导可组合满足不同家庭结构需求的整体平面（表7）。

表7 整体平面优化

5 结论

河西走廊地区社会经济的发展带来了生产生活方式的改变，传统民居已无法满足使用者的需求。而新建民居未能充分适应当地气候环境，能耗突出，不满足使用者的经济水平与用能习惯。

首先，本文研究分析了乡村民居空间形态并提取典型模型，整理了不同空间因素及其尺度范围；其次，建立正交实验表，利用能耗模拟探究了各空间因素对房间能耗的影响趋势与主次规律；最后，应用分析结果结合生产生活需求，对民居的优化设计提出建议：

（1）院落朝向取南偏西10°左右，以面宽进深为6～10m为一个院落单元在南北轴线上叠加；（2）南向房间以面宽4.4m、进深3m、层高3m为基本单元，北向房间以面宽3.2m、进深2.5m、层高3m为基本单元。单元外以隔断、壁龛等分隔附加空间，南向窗墙比设为50%～60%；（3）东西向房间宜以面宽3m、进深2.4m、层高2.7m为基本单元，窗墙比设为30%～40%提高采光，并使用具有优良热性能的门窗。各房间均宜以钢或混凝土结构结合传统夯土材料，兼顾结构稳定性与空间节能性。

根据以上结论提出了适合不同家庭结构的户型平面，为河西走廊乡村民居的节能优化提供了参考。为进一步优化民居的节能性，可在以下方面推进：（1）深入讨论空间因素影响冬季能耗的规律；（2）探讨河西走廊内不同地域节能措施的差异；（3）结合河西走廊地区太阳能富集的特征，探究民居光热性能提升下的节能设计。□

注释

1） 空间因素指构成使用空间及其物理环境的面宽、进深、层高、朝向、窗墙比、围护结构构造等。

2） 堂屋是河西走廊乡村民居的主要使用空间，用于会客、祭祖、举行仪式。随着社会结构与生活习惯的改变，其传统功能逐渐失去主导地位。

3） 各朝向房间，即堂屋、倒座、东西厢房。本文剥离房间的功能属性，仅以各房间入户门的朝向为其命名。