秦 迪 高鹏昆 刘喃喃

1长春工程学院（130000） 2 长春市长规城市建筑设计有限责任公司（130000）

20 世纪70 年代，我国的乡村开始了“社会主义新农村建设”，21 世纪伊始，“美丽乡村建设”、“乡村振兴战略”，成为国家农村工作的重点。2019年2 月《住房和城乡建设部办公厅关于开展农村住房建设试点工作的通知》[1]提出，积极推进示范性宜居型农房建设，努力到2035 年完成满足农民新生活方式的宜居型农房建设。

1 研究背景

1.1 严寒地区既有农宅的现状

通过对严寒地区乡村住宅地调研发现，影响农宅居住舒适性问题主要体现在两个方面:一是房屋保温性能差，冬季冷风渗透严重，农民往往通过在南北两侧加塑料薄膜形成热缓冲腔体空间，有一定效果，但是热效率低、易破损，影响村落风貌。二是建筑功能不完整，流线不合理，传统的“三间大瓦房”已经远远不能满足现代农民的使用要求。

1.2 理论基础与概念界定

1.2.1 热缓冲腔体空间的工作原理

“Thermal Buffer Zone”的定义为:在一定地方性气候条件下，通过使用绿色可再生能源，对自然环境要素进行充分利用，减轻室外环境对室内微气候产生负面影响的空间。清华大学宋哗皓教授曾提出了“建筑气候缓冲空间”的概念，他认为：建筑气候缓冲空间介于建筑与外界环境之间，其作用是通过阻隔室内与室外空气的直接接触来降低外界气候对主要空间的不利影响，从而达到在尽量少使用其他能源的前提下保证建筑内部环境的稳定与舒适的目的。即减少不可再生能源的使用，并加强对风能、太阳能和地热等绿色可再生能源的开发与利用。在现有的、代表性的热缓冲空间中，如阳光间，幕墙表皮空腔也均有体现此技术特点[2]。

热缓冲腔体空间与外界气候之间产生热交换的原理如下:①热缓冲空间内部的冷、热媒介将从环境中所获得的能量进行转化；②空间化的围护结构可增加建筑界面与空气的接触面积，从而创造更多的机会对外部气流进行调节。热缓冲空间其实就充当了机械设备中换热器的角色，自然环境中的可再生能源充当了电能的角色，两者相辅相成构成了“自然空调系统”。热交换所需的清洁能源来源于建筑所处的特定自然环境中，像阳光、空气、水、土壤、植物等均可作为能量来源，这些自然能源可对热缓冲空间内部空气进行加热或者降温处理从而形成建筑保护屏障，以此来减少外界环境对主要空间的直接影响，最终达到维持室内热环境稳定与舒适的效果，热缓冲空间的热交换示意[3-4]。

1.2.2 动态热工模拟软件Dest

文章的模拟研究选择的是最新的动态热工模拟软件DeST2.0 版本。该软件由清华大学热能工程系研发，通过设对太阳辐射、建筑内部空间布局、建筑围护结构辐射、室外大气及大地等影响因素的设置，模拟特定区域内的建筑室内空间的全年逐时温度、湿度变化，以及在各种类型空调设备运行下的能源消耗等多方面内容。该软件模拟计算所采用的室外气象数据是基于我国气象局对193 个城市二十年的实测数据模拟计算生成，可以真实反映不同地区不同月份下的气候条件，具有很高的仿真度。可靠性已经通过理论验证以及国际公认。

1.3 研究内容

文章将既有农宅的功能补充与热缓冲腔体空间的加建相结合，通过动态热工模拟软件Dest，检验不同朝向与尺度的热缓冲腔体空间布置对室内热环境的影响，确定最大效益化的热缓冲空间布置方式，满足冬季室内热舒适性，在现有的农村经济发展条件及生活方式下，为解决既有农宅对新的生活方式的适应性改造及居住热舒适性改善提供思路。

2 既有农宅基础模型建立及分析

既有农宅的基础模型是建立在自然室温条件下的，自然室温条件是指当建筑物不设置采暖空调系统和其他采暖措施时，在室外气象条件和室内各种发热量的共同作用下的室内空气温度，能够反映建筑本身性能和各种被动热扰性对建筑物的影响。最冷日单日自然室温曲线能够清晰的表明在最冷日内室内温度的动态波动情况。

2.1 既有农宅建筑基础模型的基本情况

既有农宅建筑基础模型选择朝向为南北向，开间11.7 m，进深8.1 m，建筑高度2.8 m。为避免不同户型对数据分析结果干扰，去除内部隔间布置，根据调研样本数据，设置门窗的位置、数量及尺寸。北向外窗3 扇，宽度1 500 mm，高度1 800 mm；南向外窗共4 扇，其中两扇尺寸1 800 mm×1 800 mm，两扇为900 mm×1 800 mm；南向入户门居中设置，尺寸为900 mm×2 400 mm。

2.2 基础模型的参数设定

2.2.1 材料参数

既有农宅建筑基础模型围护结构参数设定，材料热工属性以《民用建筑热工设计规范》为准，对外墙、内墙、外门、墙体、地面的材料选取代表半数以上农村住宅的现状。外墙为370 mm 砖墙，内外刷20 mm 水泥砂浆；内墙为240 mm 砖墙，内外刷20 mm 水泥砂浆；6 mm 单玻木框外窗，25 mm 厚单层实体木质门，120 mm 砖地面。

2.2.2 气候参数

下面以重庆万州500 kV长江大跨越工程为例，对比分析计算了6种大跨越导线方案，结果表明高强度耐热铝合金导线方案具有明显优势，为今后低海拔地区500 kV大跨越工程提供参考。

使用吉林省长春市的CSWD 气候参数数据。模型设置为自然通风，即将整个建筑物作为一个系统，其中每个房间为一个区域，在同一区域内部，假设空气充分混合，其空气参数一致，各节点之间通过各种门、窗、缝隙等空气流通路径相连，从而形成流体网络以便于分析敷设热缓冲腔体空间对建筑的影响。

2.2.3 采暖设置

文章以自然室温为主要评价指标，排除严寒地区复杂多样的采暖方式的影响，将热缓冲空间同样设置为非制冷或采暖的能耗空间，更关注单纯附设热缓冲空间时，室内气温的变化，已确定热缓冲空间布置的适宜朝向。

2.3 既有农宅基础模型模拟分析

按照以上基本参数与设值要求，使用动态热工模拟软件Dest 进行对既有农宅建筑基础模型进行分析，观察随着时间变化，农宅室温的状况。选择在冬季最冷日即大寒日，进行24 h 自然室温检测。通过数据整理发现，最高温度为-7.89 ℃，出现在下午16 点，从16 点开始温度逐步下降，最低温度为-11.88 ℃，在早上8 点出现，早上8 点之后温度逐步上升（如图1 所示）。

图1 既有农宅基础模型的dest 模拟分析

3 基于功能需求的热缓冲空间设置

3.1 热缓冲空间的布置模式分类

以农宅的基础模型为依据，在农宅的东南西北不同方位设置热缓冲空间，西向空间定义为A、南向空间定义为B、东向空间定义为C、北向空间定义为D。按照单面式、双面式半、半包围式、全包围式，在农宅周边设置热缓冲空间，并拓展15 种附属空间组合排布模式（如图2 所示）。

图2 热缓冲空间的布置模式分类

3.2 热缓冲空间设置的功能性需求

现有严寒地区农宅在功能分区与流线设计上不能满足居民生活品质提升需求。设置热缓冲空间，可以对原有农宅在功能上进行优化。以传统三开间为例，当于南北两侧布置热缓冲空间后，原有住房的厨房、餐厅、会客等功能混杂布局情况会得以改善。南侧热缓冲空间可以成为阳光房，作为家庭起居空间，在冬季增加蓄热；北侧热缓冲空间东向可以设计为餐厅与厨房，西北向可以增设储藏空间、室内卫生间，通过过度空间缓解冬季冷风渗透问题，东西两侧布置热缓冲空间，可设置室内车库，解决村民家用轿车、农用车辆停车的需求，也可以作为农业储藏空间、经营性空间有利于农宅内部提升生活的需求。如上所述，热缓冲空间的设置在建筑功能上为农宅的宜居性建设提供了可能。

3.3 热缓冲空间设置方式的性能化分析

通过Dest 软件对热缓冲空间15 种布置方式的进行比较，对比基础农宅的24 h 温度数据，分析不同布置方式对室内温度的影响情况，寻找最佳的热缓冲空间布置方案。可以按照性能化的高低划分为以下三种模式。

高效性模式可以总结为温度对比原始模式提升10～15 ℃。ABCD 布置模式属于高效性模式，在热缓冲空间全包围布置的情况下，房屋内部温度对比基础模型室内最冷日自然室温平均温度提升10℃以上，温度提升效果明显，自然室温波动明显平缓，热稳定性提高，证明农宅外围设置热缓冲空间措施有效可行（如图3 所示）。

图3 全包围模式热缓冲空间设置模拟分析比较

虽然此种模式温度提升明显，但并不是农房升级的首选。主要是前期投入是比较多的，增设的热缓冲空间并不一定完全利用。房屋内部温度仍不能达到舒适温度的要求，必须借助辅助热源或其他改进措施。

3.3.2 改善型模式

改善型性模式可以总结为温度对比原始模式提升5～10 ℃。改善型热缓冲空间布置主要包括两种模式。一是南北侧同时排布，如BD 的双面布置模式，二是在BD 模式基础上增加东厢或西厢的ABD或者CBD 半包围模式。在南北向门窗位置设置热缓冲空间，热缓冲空间在北向布置能后形成“温度阻尼区”，和南侧空间共同作用，有效防止冷空气入侵及热量流失。

3.3.3 低效性模式

低效性模式可以总结为温度对比原始模式提升0～5 ℃。低效性热缓冲空间布置分主要包括三种模式。一是A、B、C、D 单面式布局，其中南厢B 模式、北厢D 模式中温度变化对比其他模式波动减小，对室内温度波动有一定的改善效果，形成“温度波动缓冲区”，A、C 模式温度提升不明显。二是AC、AD、DC 双面布局模式，三是ADC、BCD、ABC 半包围布局模式，通过数据分析发现，严寒地区农宅南北两侧外墙面的热量损失最大，当有一面外墙直接暴露在室外时，就不能有效提升自然室温。

4 结语

综上，通过模拟发现，农宅中热缓冲空间的布置对自然室温的提升及改善具有正面效果。可以通过增设热缓冲空间，一方面提升优化原有农房的使用功能，另一方面改善热环境，降低采暖能耗，提高居住的舒适度，是在严寒地区乡村振兴既有农村住宅改造中可以推行的技术手段。