赵钦，刘蓬晨，朱轶韵，桑国臣

(西安理工大学 土木建筑工程学院，陕西 西安 710048)

近年，随着我国经济的高速发展，城镇化进程不断加速，能源消耗总量逐年上升。面对有限的资源承载力，推进建筑节能，实施可持续发展战略势在必行。目前，城市建筑已执行相关节能设计标准[1-3]，使建筑能耗显著降低，并且室内热环境质量明显提高。然而，乡村建筑多为居民自行建造，缺乏科学设计，因此，部分建筑存在着如热工性能差、能耗高、室内热环境不理想等问题。

乡村民居建筑在我国整个住宅建筑中占有较大的比例，民居建筑的热工性能不仅影响建筑运行过程中的能源消耗，而且直接影响到广大乡村居民的人居环境质量。乡村民居的被动式建筑设计策略研究一直被众多学者所重视[4-6]，但已有研究多是普适性的设计思路和方法，因此与建筑的地域属性特征结合并不密切。

本文以陕南乡村民居为研究对象，基于实地调查结果及热舒适焓湿图分析提出适宜性被动式建筑设计策略，以期为陕南及同类地区的乡村民居设计提供参考。

1 陕南民居及热环境现状

课题组于2013年对陕南民居现状进行了实地调研，发现陕南乡村地区现存两大类民居：传统生土民居及简易型砖混民居。图1、图2所示分别为汉中市徐望镇草塘村的传统生土民居及简易型砖混民居。

图1 传统生土民居

图2 简易型砖混民居

目前，村中传统生土民居仅存少数，大部分民居为村民自建的简易型砖混民居。收入水平的提高，使村民向往城市住宅样式，因而纷纷自建砖混民居取代生土民居。但砖混民居在外观与城市住宅接近的同时，却丢弃了传统民居“冬暖夏凉”、“取材生态”等地域适应性优点。

调研发现，自建砖混民居的屋顶未设置保温层，外墙多为240厚实心粘土砖墙，外窗多为面积较小的木窗，围护结构的传热系数较大，建筑热工性能差。夏季室内湿热，平均气温约在28℃左右，相对湿度为70%～85%；冬季室内湿冷，平均气温约在7℃左右，相对湿度为60%～80%。陕南地区属于夏热冬冷地区，调研中发现，由于民居建筑被动式设计的缺失，建筑整体热工性能较差，当地居民只能依赖风扇、火炉等设备以及大量增减衣物，才能维持最基本的热舒适。

2 被动式建筑设计手段对热舒适的影响

自建砖混民居建筑热工性能差、室内热环境质量差，可通过采用被动式建筑设计策略来改善。若根据经验对被动式建筑设计策略进行选择，容易造成对其实际效果把握不够准确，缺乏科学性与系统性。借助Ecotect软件中的气候分析模块Weather Tool[7]，可以结合区域气候条件，分析被动式建筑设计策略对热舒适的影响，从而选择适宜的被动式建筑设计策略。

空气温度、相对湿度、空气流速和环境辐射温度为影响人体热舒适的4个环境因素[8]。Weather Tool中假定平均辐射温度接近空气温度，空气流速在人体舒适范围内，根据空气温度和相对湿度的组合情况，在焓湿图上划定出热舒适区域[9]，通过热舒适区域面积的大小变化可分析出被动式建筑设计策略对热舒适的影响。

2.1 被动式太阳能采暖

被动式太阳能采暖设计是提高冬季室内热舒适的有效措施，其中直接受益式集热设计具有成本低、简单易行等优点，适用于乡村建筑。直接受益式集热设计对室内热舒适度的影响受窗墙比、围护结构保温性能、门窗气密性等多因素影响，其中，南向窗墙比对室内热环境影响最为显著。

图3是南向窗墙比分别为0.2、0.3、0.5时，室内热舒适区域面积的变化情况。从图中可以看出，采用被动式太阳能采暖后热舒适区域面积有所增加，且窗墙比越大热舒适区域面积增大越多，窗墙比为0.5时，热舒适区域面积已有明显增大。

2.2 围护结构热工性能

围护结构的热工性能对房屋室内热环境质量有很大影响。

通过增强屋顶、外墙、窗户等围护结构的保温性及蓄热性，夏季可以抵抗室外热作用，减少热量进入室内，避免室温过高；冬季可以有效减小房间内的热量损失，提高室内温度。增大围护结构传热阻，可使热舒适区域面积明显增加，如图4所示。

图3 南向窗墙比对室内热舒适区域影响示意图

图4 增大传热阻对室内热舒适区域影响示意图

2.3 自然通风

自然通风是一种常见的被动式策略，其最大特点是不用消耗机械功，不需消耗能源，而能达到净化室内空气、降温、除湿的效果[10]。同时空气流动可以加快人体的汗液蒸发及人体与周围空气的对流换热，使人体感觉舒适。根据我国建筑热工分区的划分，陕南属于夏热冬冷地区，需满足夏季防热要求，同时兼顾冬季保温要求。因而需要注重夏季自然通风，以改善夏季室内热环境质量。加强自然通风，可使热舒适区域面积显著增大，如图5所示。

图5 加强自然通风对室内热舒适区域影响示意图

3 适宜性被动式建筑设计策略

考虑陕南地区的地域特点以及当地经济技术条件，结合上述分析，提出如下具体适宜性被动式建筑设计策略。

3.1 被动式集热设计

1)采用合理朝向

太阳辐射为冬季主要自然热源，在很大程度上影响室内温度，选择好的朝向可以使建筑物在冬季获得较多的太阳辐射，提高室内温度，改善室内热环境状况。综合考虑陕南汉中市的气候条件，选择正南方向建造民居为较佳朝向，可充分利用太阳辐射。

2)采用合理窗墙比

根据上文分析，同时考虑《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》以及《砌体结构设计规范》的要求，采用0.4～0.45的窗墙比，形成南向太阳能直接受益窗。这样，冬季时阳光通过玻璃照射到室内，墙面和地面吸收大部分太阳能并转换成热量，使室内温度升高。

3.2 改善围护结构的热工性能

1)采用节能外墙

常见的保温外墙构造做法中，外保温外墙、内保温外墙、夹芯保温外墙，属于复合节能墙体，墙体由承重材料和保温材料共同构成[11]。而自保温外墙属于单一材料节能外墙，墙体由既充当承重材料又充当保温材料的单一节能材料构成。自保温外墙与复合节能外墙相比，做法相对简单，砌筑方便，造价较低，适宜在经济相对落后的乡村地区推广使用。自保温外墙可选用加气混凝土、泡沫混凝土、多孔砖、蒸压粉煤灰砖等作为墙体材料，其中蒸压粉煤灰砖既可利用粉煤灰工业废料资源，又具有较高的墙体强度和良好的保温性能，故选用蒸压粉煤灰砖作为外墙材料用来改善外墙的热工性能。

2)采用节能窗

外窗是围护结构中热工性能最薄弱的部位，外窗的能耗约占建筑围护结构总能耗的40%～50%，改善外窗的热工性能十分必要。夏季外窗的能耗主要源于太阳辐射得热；冬季外窗的能耗主要包括玻璃和窗框的传热、窗缝的冷风渗透[12]。采用节能外窗可有效降低外窗能耗，改善室内热环境质量。节能外窗常用的玻璃材料有普通中空玻璃、热反射玻璃及镀膜玻璃等，常用的窗框材料有木框、塑料框及复合框等。综合考虑陕南乡村地区的经济条件以及地域特点，选用木框双层中空玻璃形式的节能外窗较为合适。但双层中空玻璃的遮阳系数较大，而陕南地区外窗的选择需要兼顾遮阳和保温，故可在窗户内侧增设可调节百叶窗，以防夏季过晒。

3)设置保温屋面

陕南乡村民居的屋面形式为坡屋顶，在构造层次上基本均未设置保温层，仅在木屋架上直接挂瓦作为防水层，其传热系数很大。为加强屋面的保温性能，应该设置保温层。常用的保温材料有EPS板、挤塑聚苯板、膨胀珍珠岩等。针对当地的气候条件，从生态节能角度出发，在木屋架体系以及单层挂瓦屋面这两个构造层不变的前提下，采用黄泥构造的保温层做法，加入一定厚度的现代城镇建筑材料挤塑聚苯板，调整屋面的构造层次。更新后的屋面传热系数较小，屋顶的热工性能得到改善。

3.3 注重自然通风

自然通风的主要形式包括贯流式通风(穿堂风)、单面通风以及中庭通风等。

窗户的开启方式、位置和面积都对自然通风的效果产生影响。对于陕南乡村地区，应选择平开窗，同时增大南向窗户面积，注意窗户的开启角度随风向而变化；在热负荷较大的北向，开小面积高窗。这样，夏季时可以在室内形成穿堂风，获得良好的自然通风效果，同时不会对冬季室内采暖热负荷造成太大影响。

4 被动式建筑设计策略有效性验证

为验证上述被动式建筑设计策略的有效性，采用Ecotect软件对陕南汉中市徐望镇草塘村原民居及运用被动式建筑设计策略的改进民居的室内温度进行模拟。

4.1 模型建立

以图2所示的当地典型砖混民居为例，采用Revit-Architecture[13]软件建立三维建筑信息模型，该民居包括主卧、次卧、客厅、杂物间等四个区域，如图6、图7所示。

图6 典型砖混民居建筑信息模型

图7 模型平面图

4.2 室温模拟对比分析

将Revit-Architecture所建模型导入Ecotect中，加载汉中标准气象数据[14]，按照表1所示的不同民居建筑构造来修改模型参数，分别对原民居和改进民居的室内温度进行模拟。

表1 原民居与改进民居建筑构造

图8为两民居主卧区域全年典型日的室内逐时温度对比图。图8(a)为最热日不同民居的室内逐时温度对比图，从图中可以看出，改进民居全天室内温度波动较小，热稳定性较好，且下午最热时段内(13：00～18：00)改进民居的室内温度低于原民居的室内温度；图8(b)为最冷日不同民居的室内逐时温度对比图，从图中可以看出，改进民居全天的室内平均温度高于原民居，且温度波动小，热稳定性较好。整体上，相比于原民居，在不额外增加能耗的情况下，改进民居的室内热环境质量得到了提高。

图8 原民居与改进民居典型日室内外逐时温度对比图

5 结 论

被动式建筑设计可以在不使用机械设备、不消耗能源的情况下，使建筑充分适应地域气候条件，营造出舒适健康的室内热环境，对于推动人居环境可持续发展具有重要作用。本文着眼于占全国住宅建筑比例较大的乡村民居，以陕南地区为研究对象，针对陕南汉中乡村典型砖混民居实地调查出的建筑热工性能差、能耗高及室内热环境差等问题，从利用太阳能采暖、改善围护结构热工性能、加强自然通风三个角度出发，因地制宜，在不造成居民过高经济负担的基础上，提出合理建筑朝向、窗墙比、窗位置、节能外墙、节能窗、保温屋面等一系列被动式建筑设计策略，并通过模拟分析证明所提策略可以有效提高陕南乡村民居的室内热环境质量，对于改善陕南居民的人居环境质量，促进陕南民居建设的可持续发展具有重要意义。

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