西北五省地區民居被動式建筑設計策略模擬

丁育陶 夏博 韓靖 趙敬源

摘?要：在城鎮及鄉村建筑設計之初，氣候經驗與現代化樣式自然成為民居建筑設計的基本依據與遵循標準，西北五省地區也不例外。調研結果顯示，在西北五省地區新建與改建的鄉村民居住宅中，室內居住熱環境與建筑節能效果并不明顯，不太符合環保節能與綠色發展的要求。因此，如何在保證經濟性與熱舒適性的同時，最大限度地降低建筑能耗，便成了鄉村民居被動式設計策略選擇上的一大問題。文中結合當地氣候數據，利用Climate Consultant氣候分析軟件對焓濕圖、當地溫度與太陽輻射量進行分析對比，得出適用于當地建筑的被動式設計策略，并通過Design Builder對其進行模擬驗證。結果表明，合理設置建筑窗墻比與陽光間、外圍護結構傳熱系數參數以及增設南側窗戶遮陽，可有效降低鄉村民居建筑能耗。同時針對不同被動式建筑設計策略與組合式被動式設計策略對降低建筑能耗效果的對比，為當地在改建或新建民居選擇設計方案時提供參考與借鑒。

關鍵詞：西北五省地區;氣候數據;鄉村民居;被動式策略;軟件模擬

中國分類號：TU 11

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）02-0275-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0212開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Simulation of design strategy about passive dwellings

in five Northwesternprovinces

DING Yu-tao，XIA Bo，HAN Jing，ZHAO Jing-yuan

（College of Architecture，Changan University，Xian 710061，China）

Abstract：At the beginning of urban and rural architectural design，climate experience and modern style naturally became the gist and standard of residential architectural design，andfive Northwestern provinces are no exception.The results show that in the new and rebuilt rural residential buildings in the five provinces of Northwest China，the effect of indoor thermal environment and building energy saving is not obvious，which is not in line with the new concept of environmental protection，energy saving and green development.Therefore，it is a major problem in the passive design strategy to ensurethe economy and thermal comfort and minimizeenergy consumption in building.Based on the local climate data，this paper analyzes the enthalpy and humidity diagram，local temperature and solar radiation by using climate consultant climate analysis software，and obtains the passive design strategysuitable for local buildings，which is simulated and verified by Design Builder.The results show that the energy consumption of rural residential buildings can be effectively reduced by reasonably setting the heat transfer coefficient parameters of area ratio of window to wall，sunshine room and heat transfer coefficient of external building envelope，and setting sunshade at south side windows.At the same time，according to the comparison of different passive building design strategies and combined passive design strategies to reduce building energy consumption，the reference about passive design scheme can be provided for local rural residential to build or rebuild.

Key words：five Northwestern provinces;climate data;rural residence;passive strategy;software simulation

0?引?言

在國家倡導低炭環保、綠色發展的大背景下，綠色節能建筑已經成為城鄉建筑設計的趨勢和潮流。節能建筑主要通過對建筑進行合理設計和選材，從而降低建筑物的運行能源消耗，通過科學的方法提高建筑的科技含量，最大限度地為居住者提供一個健康、舒適、生態的居住空間[1]?！?018年中國建筑能耗研究報告》顯示：2016年我國居住建筑運行能耗占到全國建筑總能耗的61.5%，其中城鎮居住建筑和農村居住建筑分別占建筑總能耗的37.7%和23.7%[2]。住房和城鄉建設部在組織開展建筑節能工作時，就地區與建筑類型方面計劃實施的原則是：先北方（嚴寒和寒冷地區），然后中部（夏熱冬冷地區）和南方（夏熱冬暖/溫和地區）;先居住建筑，后公共建筑。2000—2016年間，城鎮居住建筑單位面積能耗趨勢較平穩，但鄉村居住建筑能耗強度卻逐年上升，單位面積能耗由2000年的3.51 kgce/m2上升到2016年的8.86 kgce/m2，增長2.5倍，年均增長5.96%;單位面積電耗增速較快，由2000年的2.62 kWh/m2上升到2016年的15.97 kgce/m2，增長6.1倍，年均增長12.0%[2].因此，降低鄉村居住建筑能耗便成為我國建筑節能實施計劃的重要環節。

在西北五省地區城市中，大部分居住建筑已執行相關節能設計標準[3]，建筑能耗顯著降低且室內熱環境明顯提升。但在該地區的鄉村，當地人已從30 a前解決有其居、居其定的局面轉變為居其適、居其安的需求，鄉村居民開始對原有居住建筑進行改善與重建。鄉村建筑與城市建筑不同之處在于建筑住戶直接控制建設過程，建筑手法靈活但缺乏科學設計[4]。當地人對民居建筑需求的不斷提升，致使居民在自建房屋時對原有居住建筑提出了更高的要求，有些居民放棄了當地傳統民居建筑，熱衷于追求舒適的現代化樣式的民居建筑，但在使用過程中因建筑自身設計缺陷、熱工性能差等缺乏被動式設計策略導致室內熱環境較差。甚至在冬季，居民不得不采用并長時間使用電器或燃燒煤等主動措施進行采暖[5]，這無疑增加了建筑能耗與資源浪費。目前鄉村民居的被動式設計策略研究已受到眾多學者重視，但也僅限于普適性的設計思路與方法，或是單一的被動式設計策略適應性分析。因此，如何在不影響西北五省地區居民追求更加舒適居住環境的前提下采取多重、適宜、經濟的民居建筑被動式設計策略，以達到節能降耗的目的，便成為能源儲量相對富裕、生態環境卻極其脆弱地區可持續發展的關鍵問題[6]。

文中擬采用Climate Consultant氣候分析軟件對西北五省地區氣候特點進行分析，結合當地實際氣候數據得出相對適用的民居建筑被動式設計策略，以期達到利用建筑設計來改善室內熱環境與減少能耗的目的，同時通過Design Builder能耗模擬軟件對建筑采用單一策略與組合策略進行模擬分析，為當地新建和改造農村居住建筑設計提供重要的參考依據。

1?分析軟件的選定

在建筑方案設計的初期階段，居住的熱舒適度應綜合氣候、人體熱舒適度和方案設計3個方面的因素，提出適宜當地氣候的被動式設計策略[7]。氣象參數是影響建筑物能耗的主要原因，且氣溫與水平太陽輻射等對采暖能耗影響更為顯著[8]。目前常用的氣候分析軟件有Ecotect Analysis，Climate Consultant和Ladybug&Honeybee，三者均可根據氣象資料，如風速、風向、太陽能、太陽輻射、降水量等對所處地區的地理優勢和劣勢進行分析，通過可視化圖形或者圖表進行展示。3款軟件均能通過Energy Plus讀取某地全年8 760 h的氣象數據，而且都能將原始數據轉化為便于理解的圖示語言，在此方面3款軟件功能基本相同[9]。但針對文中所涉及的建筑被動式設計策略研究，Climate Consultant可提供13種被動式建筑策略，可進行大范圍地區、多種策略的統計與分析，因此選用該軟件來分析西北五省地區的氣象數據。

2?舒適模型的選擇

Climate Consultant軟件中列舉了4種熱舒適分析模型，分別為California Energy Code舒適模型、現行的ASHRAE Standard 55的PMV舒適模型、2005年ASHRAE舒適模型以及ASHRAE Standard 55—2010中的適應性舒適模型[10-12]。其中California Energy Code舒適模型由于舒適范圍設定較窄，僅適用于溫和地區和采用集中空調的建筑類型;ASHRAE Standard 55的PMV舒適模型未設置濕度下限，西北五省大部分地處干旱與半干旱區，過低的濕度也會影響人體熱舒適性;ASHRAE Standard 55—2010適應性舒適模型適用于采用自然通風的建筑，僅針對自然通風策略進行分析。因此針對西北五省地區的氣候特點選擇2005年ASHRAE舒適模型對當地鄉村民居進行分析。

3?西北五省地區氣候條件分析

西北五省包括陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆五地，該地區面積大、范圍廣，根據建筑氣候區劃標準，西北五省在我國建筑氣候區劃上大部分屬于嚴寒及寒冷地區[14]。在一座城市中，非城鎮常住人口數量可以直接體現出其鄉村民居的落成量，因此各省代表城市的選定依據各省2018年統計年鑒中各城市非城鎮常住人口數據，選擇非城鎮人口數排名前四的城市作為研究對象。

各省市氣象數據來源于專業氣象分析軟件Energy plus所用的EPW數據格式[15]，選擇居住建筑生成焓濕圖，得到所有被動式建筑策略適用時間（圖1），統計后如圖所示（圖2）。

由統計表（圖2）可看出，在選擇的20個代表城市中，適宜采用“被動式太陽得熱+高蓄熱”設計策略的城市為19個，適宜采用“窗戶遮陽”設計策略的城市為16個。因此就該2種民居被動式建筑設計策略進行分析與模擬，確定其對降低建筑能耗的作用。

4?西北五省地區民居氣候適應性策略分析

在常規的鄉村居住建筑設計上，當地人參照以往經驗與已有建筑形式進行建造，或是在追求現代化居住形式和功能的同時，往往忽略了高效的氣候適應性設計策略組合。

4.1?被動式太陽得熱

根據中國建筑氣候區劃圖，Ⅱ類地區均為寒冷地區，以蘭州為例;Ⅵ類地區中僅ⅥA在西北五省范圍內，嚴寒地區以西寧為例;Ⅶ類地區中ⅦA，ⅦB，ⅦC嚴寒地區以烏魯木齊為例，ⅦD寒冷地區以吐魯番為例。根據軟件分析，寒冷地區兩地冬季最冷月1月的平均最低氣溫低于-10 ℃，嚴寒地區兩地冬季最冷月1月的平均最低氣溫甚至低于-15 ℃（圖3），從上述焓濕圖（圖1）中也能看出，冬季的室內熱環境無法滿足人體熱舒適的要求。

寒冷地區以蘭州與吐魯番為例，兩地全年11%的時間每小時水平面總輻照量在316～474 Wh/m2，18%的時間每小時水平面總輻照量超過474 Wh /m2（夜間時間占全年的50%）。嚴寒地區以西寧與烏魯木齊為例，兩地全年9%～12%的時間每小時水平面總輻照量在316～474 Wh /m2，12%～17%的時間每小時水平面總輻照量超過474 Wh /m2（夜間時間占全年的50%）（圖4）。由于西北地區太陽能資源較為豐富，在居住建筑空間布局上可將居住空間布置在南側，并開大窗以利于采光。同時，在南朝向設置被動式太陽房，可在冬季將陽光引入轉化成熱量，提高室內溫度，減少能耗[16]。

4.2?高蓄熱

西北五省處于內陸高海拔地區，緯度較高，再加上高原、山地地形對濕潤氣流的阻擋，導致晝夜溫差較大。而高蓄熱是將白天多余的熱量儲存在建筑物外圍護結構中，在晚上當室外溫度低于白天時，可利用蓄熱材料中的熱量散發來提高室內溫度。因此，利用外圍護結構蓄熱材料的瞬時儲熱特性，通過冷負荷和熱負荷來調節室內熱環境，使室內空氣的溫度在舒適的區間變動，可減少部分冬季室內得熱和夏季機械系統冷卻降溫所消耗的能耗[17]。

4.3窗戶遮陽

通過圖1中各城市的焓濕圖中可看出，寒冷地區（除青海?。┯?.6%～13.3%的時間需要進行窗戶遮陽，而嚴寒地區有4.5%～16.7%的時間需要進行窗戶遮陽，時間主要集中在5至10月。因此在被動式太陽能采暖的過程中，南向窗戶采用開大窗的方式為冬季提供熱量，為消除夏季防熱與冬季得熱的矛盾，可設置可控的水平遮陽板。

5?策略驗證——以寧夏、新疆地區為例

對Climate Consultant得出的適宜當地氣候的被動式設計策略進行驗證，因西北五省地區夏熱冬冷范圍較小，該地區經濟水平相對嚴寒和寒冷地區較高。且在對西北五省地區現階段民居住宅使用和建造情況的調研過程中發現，因地域與文化差異的因素，各地鄉村民居的平面形式也相差較大。

王霞與張群等學者分別對寧夏寒冷地區與新疆嚴寒地區的鄉村民居建筑平面進行了研究，并從戶型優化、太陽能利用與圍護結構等方面進行節能設計[18-19]。因此，選擇上述文獻中的建筑平面作為基準平面，如圖1所示，對其采用被動式設計策略前后的建筑能耗使用Design Builder進行模擬分析，對比使用前后的能耗差異。

氣象參數分別采用銀川與烏魯木齊的氣象數據，作為寒冷地區與嚴寒地區室內模擬計算的依據。在設置參數時，僅對圍護結構（窗墻比、陽光間）、外墻傳熱系數（高蓄熱性）、南側有無可控遮陽進行調整，其余參數保持不變。

5.1?圍護結構（窗墻比、陽光間）

調研中發現，改建或新建的住宅中東南西北向的開窗比并沒有統一的標準，各向開窗的大小完全取決于該朝向是否存在居住空間或是否需要采光，因此典型模型中各朝向窗墻比初始值設為0.25.在進行被動式設計策略驗證參數設置時，南側窗墻比設為0.35，北側不開窗，東西側窗墻比設為0.1，可形成南向開敞、三面幾乎封閉的建筑形式，有利于防止室內熱量散失。增設陽光間在造價增加不多的前提下，提高了冬季室內溫度，同時擴大了生活使用空間，易被當地人所接受[20]。所以在南朝向設置陽光間，寬度為1.5 m，可有效滿足冬季太陽能采暖的要求，并在夏季一定程度上遮蔽太陽輻射[21]。

利用Design Builder模擬原典型模型與調整上述參數的窗墻比和增設陽光間的模型并進行全年建筑能耗對比，見表1.

5.2?高蓄熱

結合技術條件與成本造價限制，利用太陽能蓄熱技術應主要以房屋圍護結構自身來完成集熱、貯熱和放熱功能[22]。針對西北鄉村民居而言，建筑外墻與屋頂蓄熱性能的優劣對室內熱環境的影響是較大的[23]。當地鄉村民居中，寒冷地區傳統圍護結構外墻大部分采用300 mm厚燒結粘土磚墻（嚴寒地區大部分采用400 mm厚燒結粘土磚墻），內外各為20 mm厚水泥砂漿，屋頂大部分采用120 mm厚預制鋼筋混凝土空心樓板+110 mm厚爐渣、找坡層+20 mm厚砂漿結合層+防水，無保溫層結構。目前可應用于建筑圍護結構的材料主要有空心磚、粘土磚、夯實土、鋼筋混凝土等，其熱物性見表2.

因此本次模擬選擇采用潛熱蓄熱性能優良的鋼筋混凝土作為建筑外墻與屋頂的主要材料。同時，根據《既有居住建筑節能改造指南》相關規定中第20條的說明，外保溫系統宜優先采用聚苯板（EPS）薄抹灰系統[24]。因此，本次模擬擬定在寒冷地區的外墻中采用370 mm鋼筋混凝土（嚴寒地區采用400 mm鋼筋混凝土）+120 mm厚膨脹聚苯板（嚴寒地區采用140 mm厚膨脹聚苯板）+內外20 mm厚水泥砂漿，而屋頂統一擬定采用200 mm鋼筋混凝土+80 mm聚苯板。

利用Design Builder模擬原典型模型與調整上述外傳熱系數的模型并進行全年建筑能耗對比，見表3.

5.3?南側可控遮陽

合理布置外遮陽可以起到在不影響室內光環境的前提下，有效降低建筑制冷能耗，提高節能率的作用[25]。實際在西北城鎮及鄉村地區，因其使用成本與復雜程度的原因，可控的遮陽方式僅限于可拆卸的簡易式遮陽，多采用鋼架支撐的彩鋼板或簡易捆綁支撐彩條布，這種低廉、易拆卸、易更換維修的遮陽方式在一定程度上也能起到夏季遮陽冬季被動采暖的作用。但在Design Builder軟件模擬參數設置中遮陽方式只提供4種：遮陽百葉、布簾等漫反射遮陽百葉、透明隔熱材料、由光電自動控制的遮陽裝置，因此為滿足模擬要求，采用選取由光電自動控制的遮陽裝置來代替上述被動式太陽能采暖策略。同時，位置參數選擇“Switchable（可變的外遮陽）”，控制類型選擇“根據太陽光線情況變化”。

利用Design Builder模擬原典型模型與增設上述可控遮陽的模型并進行全年建筑能耗對比，該策略對采暖能耗無較大影響，對制冷能耗有約8%與2%的下降，見表4.

5.4?多策略組合驗證

在驗證單一被動式設計策略后，在一定程度上降低了建筑能耗。因此將上述策略進行組合，具體參數設置見表5.

屋頂構造120 mm厚預制鋼筋混凝土空心樓板+110 mm厚爐渣、找坡層+20 mm厚砂漿結合層+防水增加60 mm厚膨脹聚苯板，其它不變120 mm厚預制鋼筋混凝土空心樓板+110 mm厚爐渣、找坡層+20 mm厚砂漿結合層+防水增加60 mm厚膨脹聚苯板，其它不變窗墻比東、南、西、北均0.25南0.35，北0.1，東、西0東、南、西、北均0.25南0.35，北0.1，東、西0陽光間無有無有遮陽無可控遮陽無可控遮陽將Design Builder模擬優化前后的全年建筑能耗情況進行對比，采用所推薦被動式設計組合策略的采暖能耗與制冷能耗見表6.寒冷地區采暖能耗與制冷能耗下降幅度均在25%以上，嚴寒地區采暖能耗與制冷能耗下降幅度均在15%以上。由此可以看來，采用Climate Consultant分析軟件給出的被動式設計策略可在一定程度上減少建筑的能耗，且組合使用效果更為明顯。

6?結?論

模擬數據能夠說明Climate Consultant氣候分析軟件推薦采用的被動式設計策略的有效性。

1）通過采用Climate Consultant氣候分析軟件，結合當地氣候數據分析出適用于當地民居建筑的設計策略，可在最大限度地滿足人們生存基本需求的同時，減少建筑使用過程中能源的消耗。

2）在文中涉及的地區中，鄉村民居建筑圍護結構蓄熱性的優良以及南側遮陽的有無都對降低建筑能源消耗量起著不小的作用，并且相對于其它被動式設計策略成本較低、技術簡單、易于推廣和普及[26]。

3）鄉村地區建設缺乏專業的施工隊伍與相關的科學技術支持，并且在建造過程中對成本控制的要求較高。因此，可針對不同氣候地區采用文中類似方法進行分析，根據自身經濟水平尋找最優被動式建筑設計策略的組合，比如在采用“被動式太陽得熱+高蓄熱”與“窗戶遮陽”策略的基礎上再采用其它被動式設計策略，可更大限度地降低建筑建成后的使用能耗。

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