丁育陶 夏博 韩靖 赵敬源

摘 要：在城鎮及乡村建筑设计之初，气候经验与现代化样式自然成为民居建筑设计的基本依据与遵循标准，西北五省地区也不例外。调研结果显示，在西北五省地区新建与改建的乡村民居住宅中，室内居住热环境与建筑节能效果并不明显，不太符合环保节能与绿色发展的要求。因此，如何在保证经济性与热舒适性的同时，最大限度地降低建筑能耗，便成了乡村民居被动式设计策略选择上的一大问题。文中结合当地气候数据，利用Climate Consultant气候分析软件对焓湿图、当地温度与太阳辐射量进行分析对比，得出适用于当地建筑的被动式设计策略，并通过Design Builder对其进行模拟验证。结果表明，合理设置建筑窗墙比与阳光间、外围护结构传热系数参数以及增设南侧窗户遮阳，可有效降低乡村民居建筑能耗。同时针对不同被动式建筑设计策略与组合式被动式设计策略对降低建筑能耗效果的对比，为当地在改建或新建民居选择设计方案时提供参考与借鉴。

关键词：西北五省地区;气候数据;乡村民居;被动式策略;软件模拟

中国分类号：TU 11

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）02-0275-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0212开放科学（资源服务）标识码（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

在国家倡导低炭环保、绿色发展的大背景下，绿色节能建筑已经成为城乡建筑设计的趋势和潮流。节能建筑主要通过对建筑进行合理设计和选材，从而降低建筑物的运行能源消耗，通过科学的方法提高建筑的科技含量，最大限度地为居住者提供一个健康、舒适、生态的居住空间[1]。《2018年中国建筑能耗研究报告》显示：2016年我国居住建筑运行能耗占到全国建筑总能耗的61.5%，其中城镇居住建筑和农村居住建筑分别占建筑总能耗的37.7%和23.7%[2]。住房和城乡建设部在组织开展建筑节能工作时，就地区与建筑类型方面计划实施的原则是：先北方（严寒和寒冷地区），然后中部（夏热冬冷地区）和南方（夏热冬暖/温和地区）;先居住建筑，后公共建筑。2000—2016年间，城镇居住建筑单位面积能耗趋势较平稳，但乡村居住建筑能耗强度却逐年上升，单位面积能耗由2000年的3.51 kgce/m2上升到2016年的8.86 kgce/m2，增长2.5倍，年均增长5.96%;单位面积电耗增速较快，由2000年的2.62 kWh/m2上升到2016年的15.97 kgce/m2，增长6.1倍，年均增长12.0%[2].因此，降低乡村居住建筑能耗便成为我国建筑节能实施计划的重要环节。

在西北五省地区城市中，大部分居住建筑已执行相关节能设计标准[3]，建筑能耗显著降低且室内热环境明显提升。但在该地区的乡村，当地人已从30 a前解决有其居、居其定的局面转变为居其适、居其安的需求，乡村居民开始对原有居住建筑进行改善与重建。乡村建筑与城市建筑不同之处在于建筑住户直接控制建设过程，建筑手法灵活但缺乏科学设计[4]。当地人对民居建筑需求的不断提升，致使居民在自建房屋时对原有居住建筑提出了更高的要求，有些居民放弃了当地传统民居建筑，热衷于追求舒适的现代化样式的民居建筑，但在使用过程中因建筑自身设计缺陷、热工性能差等缺乏被动式设计策略导致室内热环境较差。甚至在冬季，居民不得不采用并长时间使用电器或燃烧煤等主动措施进行采暖[5]，这无疑增加了建筑能耗与资源浪费。目前乡村民居的被动式设计策略研究已受到众多学者重视，但也仅限于普适性的设计思路与方法，或是单一的被动式设计策略适应性分析。因此，如何在不影响西北五省地区居民追求更加舒适居住环境的前提下采取多重、适宜、经济的民居建筑被动式设计策略，以达到节能降耗的目的，便成为能源储量相对富裕、生态环境却极其脆弱地区可持续发展的关键问题[6]。

文中拟采用Climate Consultant气候分析软件对西北五省地区气候特点进行分析，结合当地实际气候数据得出相对适用的民居建筑被动式设计策略，以期达到利用建筑设计来改善室内热环境与减少能耗的目的，同时通过Design Builder能耗模拟软件对建筑采用单一策略与组合策略进行模拟分析，为当地新建和改造农村居住建筑设计提供重要的参考依据。

1 分析软件的选定

在建筑方案设计的初期阶段，居住的热舒适度应综合气候、人体热舒适度和方案设计3个方面的因素，提出适宜当地气候的被动式设计策略[7]。气象参数是影响建筑物能耗的主要原因，且气温与水平太阳辐射等对采暖能耗影响更为显著[8]。目前常用的气候分析软件有Ecotect Analysis，Climate Consultant和Ladybug&Honeybee，三者均可根据气象资料，如风速、风向、太阳能、太阳辐射、降水量等对所处地区的地理优势和劣势进行分析，通过可视化图形或者图表进行展示。3款软件均能通过Energy Plus读取某地全年8 760 h的气象数据，而且都能将原始数据转化为便于理解的图示语言，在此方面3款软件功能基本相同[9]。但针对文中所涉及的建筑被动式设计策略研究，Climate Consultant可提供13种被动式建筑策略，可进行大范围地区、多种策略的统计与分析，因此选用该软件来分析西北五省地区的气象数据。

2 舒适模型的选择

Climate Consultant软件中列举了4种热舒适分析模型，分别为California Energy Code舒适模型、现行的ASHRAE Standard 55的PMV舒适模型、2005年ASHRAE舒适模型以及ASHRAE Standard 55—2010中的适应性舒适模型[10-12]。其中California Energy Code舒适模型由于舒适范围设定较窄，仅适用于温和地区和采用集中空调的建筑类型;ASHRAE Standard 55的PMV舒适模型未设置湿度下限，西北五省大部分地处干旱与半干旱区，过低的湿度也会影响人体热舒适性;ASHRAE Standard 55—2010适应性舒适模型适用于采用自然通风的建筑，仅针对自然通风策略进行分析。因此针对西北五省地区的气候特点选择2005年ASHRAE舒适模型对当地乡村民居进行分析。

3 西北五省地区气候条件分析

西北五省包括陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆五地，该地区面积大、范围广，根据建筑气候区划标准，西北五省在我国建筑气候区划上大部分属于严寒及寒冷地区[14]。在一座城市中，非城镇常住人口数量可以直接体现出其乡村民居的落成量，因此各省代表城市的选定依据各省2018年統计年鉴中各城市非城镇常住人口数据，选择非城镇人口数排名前四的城市作为研究对象。

各省市气象数据来源于专业气象分析软件Energy plus所用的EPW数据格式[15]，选择居住建筑生成焓湿图，得到所有被动式建筑策略适用时间（图1），统计后如图所示（图2）。

由统计表（图2）可看出，在选择的20个代表城市中，适宜采用“被动式太阳得热+高蓄热”设计策略的城市为19个，适宜采用“窗户遮阳”设计策略的城市为16个。因此就该2种民居被动式建筑设计策略进行分析与模拟，确定其对降低建筑能耗的作用。

4 西北五省地区民居气候适应性策略分析

在常规的乡村居住建筑设计上，当地人参照以往经验与已有建筑形式进行建造，或是在追求现代化居住形式和功能的同时，往往忽略了高效的气候适应性设计策略组合。

4.1 被动式太阳得热

根据中国建筑气候区划图，Ⅱ类地区均为寒冷地区，以兰州为例;Ⅵ类地区中仅ⅥA在西北五省范围内，严寒地区以西宁为例;Ⅶ类地区中ⅦA，ⅦB，ⅦC严寒地区以乌鲁木齐为例，ⅦD寒冷地区以吐鲁番为例。根据软件分析，寒冷地区两地冬季最冷月1月的平均最低气温低于-10 ℃，严寒地区两地冬季最冷月1月的平均最低气温甚至低于-15 ℃（图3），从上述焓湿图（图1）中也能看出，冬季的室内热环境无法满足人体热舒适的要求。

寒冷地区以兰州与吐鲁番为例，两地全年11%的时间每小时水平面总辐照量在316～474 Wh/m2，18%的时间每小时水平面总辐照量超过474 Wh /m2（夜间时间占全年的50%）。严寒地区以西宁与乌鲁木齐为例，两地全年9%～12%的时间每小时水平面总辐照量在316～474 Wh /m2，12%～17%的时间每小时水平面总辐照量超过474 Wh /m2（夜间时间占全年的50%）（图4）。由于西北地区太阳能资源较为丰富，在居住建筑空间布局上可将居住空间布置在南侧，并开大窗以利于采光。同时，在南朝向设置被动式太阳房，可在冬季将阳光引入转化成热量，提高室内温度，减少能耗[16]。

4.2 高蓄热

西北五省处于内陆高海拔地区，纬度较高，再加上高原、山地地形对湿润气流的阻挡，导致昼夜温差较大。而高蓄热是将白天多余的热量储存在建筑物外围护结构中，在晚上当室外温度低于白天时，可利用蓄热材料中的热量散发来提高室内温度。因此，利用外围护结构蓄热材料的瞬时储热特性，通过冷负荷和热负荷来调节室内热环境，使室内空气的温度在舒适的区间变动，可减少部分冬季室内得热和夏季机械系统冷却降温所消耗的能耗[17]。

4.3窗户遮阳

通过图1中各城市的焓湿图中可看出，寒冷地区（除青海省）有7.6%～13.3%的时间需要进行窗户遮阳，而严寒地区有4.5%～16.7%的时间需要进行窗户遮阳，时间主要集中在5至10月。因此在被动式太阳能采暖的过程中，南向窗户采用开大窗的方式为冬季提供热量，为消除夏季防热与冬季得热的矛盾，可设置可控的水平遮阳板。

5 策略验证——以宁夏、新疆地区为例

对Climate Consultant得出的适宜当地气候的被动式设计策略进行验证，因西北五省地区夏热冬冷范围较小，该地区经济水平相对严寒和寒冷地区较高。且在对西北五省地区现阶段民居住宅使用和建造情况的调研过程中发现，因地域与文化差异的因素，各地乡村民居的平面形式也相差较大。

王霞与张群等学者分别对宁夏寒冷地区与新疆严寒地区的乡村民居建筑平面进行了研究，并从户型优化、太阳能利用与围护结构等方面进行节能设计[18-19]。因此，选择上述文献中的建筑平面作为基准平面，如图1所示，对其采用被动式设计策略前后的建筑能耗使用Design Builder进行模拟分析，对比使用前后的能耗差异。

气象参数分别采用银川与乌鲁木齐的气象数据，作为寒冷地区与严寒地区室内模拟计算的依据。在设置参数时，仅对围护结构（窗墙比、阳光间）、外墙传热系数（高蓄热性）、南侧有无可控遮阳进行调整，其余参数保持不变。

5.1 围护结构（窗墙比、阳光间）

调研中发现，改建或新建的住宅中东南西北向的开窗比并没有统一的标准，各向开窗的大小完全取决于该朝向是否存在居住空间或是否需要采光，因此典型模型中各朝向窗墙比初始值设为0.25.在进行被动式设计策略验证参数设置时，南侧窗墙比设为0.35，北侧不开窗，东西侧窗墙比设为0.1，可形成南向开敞、三面几乎封闭的建筑形式，有利于防止室内热量散失。增设阳光间在造价增加不多的前提下，提高了冬季室内温度，同时扩大了生活使用空间，易被当地人所接受[20]。所以在南朝向设置阳光间，宽度为1.5 m，可有效满足冬季太阳能采暖的要求，并在夏季一定程度上遮蔽太阳辐射[21]。

利用Design Builder模拟原典型模型与调整上述参数的窗墙比和增设阳光间的模型并进行全年建筑能耗对比，见表1.

5.2 高蓄热

结合技术条件与成本造价限制，利用太阳能蓄热技术应主要以房屋围护结构自身来完成集热、贮热和放热功能[22]。针对西北乡村民居而言，建筑外墙与屋顶蓄热性能的优劣对室内热环境的影响是较大的[23]。当地乡村民居中，寒冷地区传统围护结构外墙大部分采用300 mm厚烧结粘土砖墙（严寒地区大部分采用400 mm厚烧结粘土砖墙），内外各为20 mm厚水泥砂浆，屋顶大部分采用120 mm厚预制钢筋混凝土空心楼板+110 mm厚炉渣、找坡层+20 mm厚砂浆结合层+防水，无保温层结构。目前可应用于建筑围护结构的材料主要有空心砖、粘土砖、夯实土、钢筋混凝土等，其热物性见表2.

因此本次模拟选择采用潜热蓄热性能优良的钢筋混凝土作为建筑外墙与屋顶的主要材料。同时，根据《既有居住建筑節能改造指南》相关规定中第20条的说明，外保温系统宜优先采用聚苯板（EPS）薄抹灰系统[24]。因此，本次模拟拟定在寒冷地区的外墙中采用370 mm钢筋混凝土（严寒地区采用400 mm钢筋混凝土）+120 mm厚膨胀聚苯板（严寒地区采用140 mm厚膨胀聚苯板）+内外20 mm厚水泥砂浆，而屋顶统一拟定采用200 mm钢筋混凝土+80 mm聚苯板。

利用Design Builder模拟原典型模型与调整上述外传热系数的模型并进行全年建筑能耗对比，见表3.

5.3 南侧可控遮阳

合理布置外遮阳可以起到在不影响室内光环境的前提下，有效降低建筑制冷能耗，提高节能率的作用[25]。实际在西北城镇及乡村地区，因其使用成本与复杂程度的原因，可控的遮阳方式仅限于可拆卸的简易式遮阳，多采用钢架支撑的彩钢板或简易捆绑支撑彩条布，这种低廉、易拆卸、易更换维修的遮阳方式在一定程度上也能起到夏季遮陽冬季被动采暖的作用。但在Design Builder软件模拟参数设置中遮阳方式只提供4种：遮阳百叶、布帘等漫反射遮阳百叶、透明隔热材料、由光电自动控制的遮阳装置，因此为满足模拟要求，采用选取由光电自动控制的遮阳装置来代替上述被动式太阳能采暖策略。同时，位置参数选择“Switchable（可变的外遮阳）”，控制类型选择“根据太阳光线情况变化”。

利用Design Builder模拟原典型模型与增设上述可控遮阳的模型并进行全年建筑能耗对比，该策略对采暖能耗无较大影响，对制冷能耗有约8%与2%的下降，见表4.

5.4 多策略组合验证

在验证单一被动式设计策略后，在一定程度上降低了建筑能耗。因此将上述策略进行组合，具体参数设置见表5.

屋顶构造120 mm厚预制钢筋混凝土空心楼板+110 mm厚炉渣、找坡层+20 mm厚砂浆结合层+防水增加60 mm厚膨胀聚苯板，其它不变120 mm厚预制钢筋混凝土空心楼板+110 mm厚炉渣、找坡层+20 mm厚砂浆结合层+防水增加60 mm厚膨胀聚苯板，其它不变窗墙比东、南、西、北均0.25南0.35，北0.1，东、西0东、南、西、北均0.25南0.35，北0.1，东、西0阳光间无有无有遮阳无可控遮阳无可控遮阳将Design Builder模拟优化前后的全年建筑能耗情况进行对比，采用所推荐被动式设计组合策略的采暖能耗与制冷能耗见表6.寒冷地区采暖能耗与制冷能耗下降幅度均在25%以上，严寒地区采暖能耗与制冷能耗下降幅度均在15%以上。由此可以看来，采用Climate Consultant分析软件给出的被动式设计策略可在一定程度上减少建筑的能耗，且组合使用效果更为明显。

6 结 论

模拟数据能够说明Climate Consultant气候分析软件推荐采用的被动式设计策略的有效性。

1）通过采用Climate Consultant气候分析软件，结合当地气候数据分析出适用于当地民居建筑的设计策略，可在最大限度地满足人们生存基本需求的同时，减少建筑使用过程中能源的消耗。

2）在文中涉及的地区中，乡村民居建筑围护结构蓄热性的优良以及南侧遮阳的有无都对降低建筑能源消耗量起着不小的作用，并且相对于其它被动式设计策略成本较低、技术简单、易于推广和普及[26]。

3）乡村地区建设缺乏专业的施工队伍与相关的科学技术支持，并且在建造过程中对成本控制的要求较高。因此，可针对不同气候地区采用文中类似方法进行分析，根据自身经济水平寻找最优被动式建筑设计策略的组合，比如在采用“被动式太阳得热+高蓄热”与“窗户遮阳”策略的基础上再采用其它被动式设计策略，可更大限度地降低建筑建成后的使用能耗。

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