敦煌农村民居气候适应策略及优化_何京哲.pdf

Planning Design规划设计80何京哲1张群2*陈敬3（1 西安建筑科技大学建筑学院 博士研究生）（2 西安建筑科技大学建筑学院 博士 教授）（3 西安建筑科技大学建筑学院 博士 副教授）#基金项目：极端气候区绿色建筑动态设计模式和方法（51678466）；国家重点研发项目（2019YFD1100905）摘要 优化农村民居的能源利用技术，是提高其生态性与舒适性的必要途径。以敦煌农村民居为对象，研究农村建筑适应气候、充分利用自然资源的设计策略。利用 Climate Consultant 分析了敦煌地区全年气候，结合软件提供的被动式设计方法，提炼了农村民居适应当地气候的空间特征。结果表明，敦煌民居设计需考虑干旱、冬季严寒和夏季炎热对居住环境的影响。梳理了民居适应上述气候的空间策略，并提出了设计中冬夏季光热利用和保温散热两组矛盾的优化方法，为北方农村建筑适应气候的更新建设提供参考。ABSTRACT:Optimizing the usage of energy for rural dwellings is an important method to enhance their ecology and comfort.Take Dunhuang rural dwellings as the object,to study the design strategies for adapting the climate and making the full use of natural resources.Climate Consultant was used to analyze the climate of Dunhuang for the whole year,then the passive design strategies from the software are combined to extract the space characteristics of the rural dwellings.The study shows Dunhuang dwellings should consider the influences for the drought,the cold in winter and the heat in summer.The strategies to adapt the environment of the dwellings are organized,and the use of lighting and heating together with preservation and dissipation of heat are optimized as two contradictions,provide a reference for the construction of the northern rural dwellings adapting to the local climate.关键词 敦煌民居；被动式设计；气候分析；气候适应性；设计优化KEY WORDS:Dwellings of Dunhuang;Passive Design;Climate Analysis;Climatic Adaptation;Design Optimization敦煌农村民居气候适应策略及优化#Climate Adaptive Design Strategies and Optimization for Rural Dwellings in Dunhuang1 引言2020 年，我国农村建筑用能总量为 3.1亿吨标准煤1，其中燃煤、燃气及电力等商品能源占用能总量的 70%2。农村民居较为落后的能源使用，造成了环境污染，影响了使用品质3，不能满足我国现阶段对建筑生态性与舒适性的需求。探索适宜的清洁能源技术4，充分利用自然资源满足居住的能源需求，是提高农村建筑生态性与舒适性的重要路径。现有研究表明，当农村民居以形体与空间适应气候，充分利用自然资源时，能够提高民居的生态性与舒适性58。研究形体与空间适应气候的相关策略，能够解决使用需求与气候间的矛盾9。民居是最具大量性的农村建筑类型。敦煌民居形体厚重封闭，空间内向，具有典型的农村建筑特征10。因此，将以敦煌民居为例，探讨农村建筑的气候适应策略。研究农村民居的气候适应策略，首先需要分析民居所处环境的全年气候特征11。根据现有研究成果，使用 Climate Consultant 分析敦煌地区的气候条件12。其次，分析敦煌农村民居的形态与空间特征，梳理其适应当地气候的设计经验。最后，提出民居适应气候现存矛盾的优化方法。研究提炼了敦煌民居适应当地气候的形态与空间特征，并提出优化，为农村建筑以生态、舒适为目标的更新与建设提供依据。2 工具设置及气候分析2.1 敦煌民居概况敦煌市位于甘肃省西北部，GB50178-93建筑气候区划标准将其划归于 C 类气候区，属严寒寒冷气候13，具有干旱、冬季严寒、夏季炎热等特征。这样的气候条件形成了敦煌农村民居外敝内敞、墙体厚重等空间特征，并通过引入通风、多种遮阳方式、与植物结合等策略适应当地气候（图 1）。2.2 舒适模型设置Climate Consultant 中 的 ASHRAE 2005热舒适模型属于适应性模型，考虑了自然通风下各气象条件及含湿量下限与热感觉的关系1418，符合敦煌农村民居的实际工况，故Planning Design规划设计81选择该模型用于分析。该模型的预设条件为使用者冬季正常着装，室内相对湿度为 50%时的有效温度为 2023.3，湿球温度上限为17.8，露点温度下限为 2.2，含湿量下限为 4.6g/kg，夏季舒适区相对于冬季舒适区温度偏高 2.8。19导入敦煌气象数据文件。由焓湿图可知（图 2），敦煌农村民居室内热环境舒适时段仅占全年总时长的 9.9%，说明当地民居在自然通风情况下需要通过一定措施改善室内热环境。筛选软件提供的设计策略，得到各策略可提供的全年舒适时间（表 1）。3 气候适应策略解析敦煌农村民居面对的主要气候特征为干旱、冬季严寒和夏季炎热。当地民居全年室内热舒适时间集中在 5 月至 10 月，冬季采暖并加湿、夏季遮阳及降温是改善室内舒适度的有效措施。针对当地特征，整理民居的气候适应策略。3.1 干旱气候适应策略敦煌民居循环利用自然降水的做法包括：屋面向院内起坡，坡度为 10%13%，有利于汇集降水，提高庭院及室内湿度；庭院种植植物，利用根系储水和叶片蒸腾的作用调节庭院的湿度；民居靠近地下水资源时，使用者在院中打井，利用蒸发改善环境的湿度水平。民居室内没有加湿设备。居民在冬季以炉子兼做烧水煮饭之用，客观上改善了室内的热湿环境。此外，当地民居的夯土墙体具有良好的保湿性能，能够减少人员活动对室内湿度的影响，在一段时间内将室内湿度维持在稳定范围内（图 3）。3.2 冬季严寒气候适应策略（1）体型设计空间布局会对建筑室内环境产生显著影响，且合理布局的建筑空间有利于住宅节能20。敦煌民居的布局采取简单形体和厚重体量，围合成内向封闭的院落，减少冬季外界环境的影响。其外立面除主入口开洞外少有凹凸变化，以此降低体形系数，减少内外能量交换。某些民居中，除将堂屋修建得十分高大以显得气派外，其他房间的层高均在 3.5m 左右。较低的层高可以将热空气集中，有利于冬季保温（图 4）。（2）平面布局分析敦煌地区太阳角度，当地民居朝向为正南至南偏西 10时可以在冬季最大程度地接受日照辐射。堂屋作为主要使用空间，位于冬季可以最大程度受到阳光照射的位置，并在周围布置储藏、库房、车库等辅助功能作为热缓冲空间，减少热量传导和冷风对流，提高保温性能（图 5）。此外，民居也通过设置边院后院、升高院落墙体、在院内或主入口植树等方式，降低冷风对院落的影响。近年来在檐廊或院落上空增加玻璃罩形成太阳房的做法也逐渐广泛，增强了建筑的保温密封性能，拓展了当地居民冬季的活动范围。（3）围护结构设计围护结构是建筑室内环境的重要影响因图 1：敦煌民居现状图 3：植物与水井蒸发增湿图 4：体型设计减少热损失图 2：敦煌市全年焓湿图表 1 敦煌民居气候应对策略及各月有效时间占比（%）设计策略1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月10 月11 月12 月全年舒适8.726.9 35.5 29.4 17.10.39.9窗户遮阳6.122.7 31.3 33.1 33.2 20.10.412.3间接蒸发降温3.525.0 37.1 32.4 33.6 16.80.912.5被动式太阳能得热+高蓄热材料1.69.714.3 26.3 16.9 17.7 22.6 22.119.05.60.113.1室外防风1.51.20.10.40.3仅加湿13.3 21.05.81.20.313.14.24.9制冷，必要时除湿0.11.01.70.10.3采暖，必要时加湿10098.4 90.3 72.1 30.5 17.8 13.2 14.5 41.376.694.499.962.2Planning Design规划设计82素。敦煌民居的围护结构以生土夯筑，室温随外界温度变化的波动小。当室内使用主动采暖措施时，外界对室温的影响可以忽略。建设初期，居民会在墙体预置空腔与炕或灶台连接，利用烟气余温加热墙体。当地民居亦在满足结构稳定的前提下于院落内墙开窗，在最大限度获得太阳辐射和减少通过透明维护结构散热二者间寻找平衡点，使冬季的室内热环境质量得到保证（图 6）。（4）局部供暖为节约燃料，当地居民于冬季将起居、饮食、待客等活动集中在一个房间内，使用炕、煤炉、火墙燃烧秸秆、木柴和煤取暖。一些民居中，炕连接于厨房的土灶，一火二用提高了燃料利用率（图 7）。3.3 夏季炎热气候适应策略（1）蒸发降温合理设计的蒸发冷却系统可以使住宅内平均温度降低 2.5左右21。敦煌民居院落中的水井在提供用水的同时能够通过蒸发达到降温的效果。此外，当地居民常在院落内外种植枣树或支搭葡萄架营造室外环境，植物的蒸腾作用在维持湿度的同时达到降温的效果。院落内没有植物时，居民会给地面洒水促进蒸发降温（图 8）。（2）遮阳太阳辐射是影响建筑室内热环境的主要因素之一，为避免夏季过量太阳辐射导致室内温度升高，遮阳是必要的措施22。遮阳策略分为形体自遮阳和附属物遮阳。形体自遮阳是利用建筑自身随太阳高度角变化的阴影，使院落及房间免受过量太阳辐射。此外民居屋面常出挑于墙面 1.11.2m，夏季将檐下空间覆盖于阴影中（图 9a）。附属物遮阳是在院落或室内增加附属构件以达到遮阳目的。院落中的植物枝叶在夏季产生阴影，能够遮挡太阳辐射。为规避屋面出挑对建造的额外要求，近年建设的民居普遍在屋面支搭木条形成简易遮阳棚。此做法构造简单却不易拆卸，能够在夏季产生更多阴影，但一定程度上影响了冬季的采光日照需求（图 9b）。年代久远的民居中，窗户以美观的窗棂装饰并覆窗户纸或纱布，可以在夏季提供充分遮阳，但会遮挡冬季采光。（3）自然通风自然通风能够加快空气对流，促进水分蒸发，是被动式降温的重要手段之一，其原理包括热压通风和风压通风。民居院落在日照处形成高温区，阴影处形成低温区，两区图 6：围护结构减少热损失图 7：局部空间集中供暖图 8：蒸发降温图 5：平面布局减少热损失图 9：建筑遮阳的两种形式图 10：建筑内自然通风(a)屋檐遮阳(b)遮阳棚遮阳Planning Design规划设计83表 2 敦煌民居适应气候的形体空间特征设计策略干旱植物蒸腾井水增湿生土墙保湿煮水增湿冬季严寒围合院落减少凹凸降低层高增高院墙有利朝向主要空间辅助空间阳光间生土墙保温墙体空腔向阳面开窗局部供暖炕炉取暖集中活动夏季炎热井水降温植物降温形体遮阳屋檐遮阳遮阳棚遮阳植物遮阳院落通风窗棂遮阳生土墙隔热高窗通风门窗通风增加层高存在温差，产生空气流动；堂屋中，高挑的层高使得热空气易于集中在空间上部，促进室内的空气循环；年代久远的民居会在房屋山墙面较高的位置开通风圆窗，进一步促进室内自然通风（图 10）。（4）应对昼夜温差敦煌夏季气温日较差为 20，当地民居采用生土夯筑的墙体能够较好地应对温度变化。生土材料蓄热能力强且具有良好的热稳定性，在日间可以吸收大量太阳辐射，使室内不会迅速升高至过热状态，在夜间又可将白天储存的热量缓慢地释放出来。生土材料良好的热工性能与自然通风结合，使室内气温全天均维持在平稳宜人的水平。4 适应气候的设计策略总结4.1 策略总结综上，针对干旱、冬季严寒和夏季炎热等气候条件，结合 Climate Consultant 提供的适应气候的设计策略，汇总敦煌农村民居的形体与空间特征（表 2）。4.2 气候适应策略中的矛盾（1）光热利用矛盾敦煌丰富的太阳辐射资源在冬季会使室内温度宜人，而在夏季会使室内温度过高，冬季采光与夏季遮阳成为敦煌民居建设中需解决的一组矛盾。目前民居开窗位置、大小和构造仅凭使用者个人喜好和施工团队的经验，缺乏科学的指导造成遮阳构件在冬季遮挡有效日照、夏季不能提供有效遮挡。（2）保温散热矛盾保温密封和自然通风，是敦煌民居适应冬季严寒和夏季炎热的两个彼此矛盾但同等重要的性能。层高是构成建筑体形系数的重要参数，对建筑保温性能的影响显著23，较矮的层高便于聚集热空气进行冬季保温，较高的层高有利于热空气上升进行夏季降温。良好的门窗气密性可以降低热量渗透以优化冬季热环境，但敦煌民居使用炕、煤炉等设图 11：敦煌新建民居设计（a）外观（c）冬夏季闷顶（d）不影响人员活动的开窗（e）阳光间（b）冬夏季遮阳棚Planning Design规划设计84备采暖的过程中会产生灰尘、一氧化碳等降低室内空气质量，且需要综合考虑可促进夏季通风的门窗布置。4.3 敦煌民居气候适应策略优化为探究适应气候的策略在敦煌农村民居设计中的应用并解决上述矛盾，结合相关优化一处民居（图 11a）。设计中考虑以下方面，为实际建设提供思路：（1）为使民居在冬季充分利用日照，在夏季又可以有效遮挡阳光，根据民居院落尺度、建筑朝向、开窗位置等确定开窗及遮阳构件的形式与尺度，兼顾冬季日照和夏季遮阳的需求。设计方便伸缩折叠的遮阳构件，便于居民自由调节遮阳情况（图 11b）；（2）为使室内空间达到冬季保温和夏季促进热流上升的效果，将层高设置为 4.55m，在 3.5m 以上用隔热性能良好的材料设置闷顶，在隔板设方便启合的通风口，并在隔板以上的墙体开通风窗。冬季关闭通风口与通风窗，空间呈层高较低的状态，便于保温；夏季开启通风口与通风窗，空间与闷顶连通促进热空气对流降低室温（图 11c）；（3）民居设计应兼顾减少冬季热量渗透和增加夏季通风。当地目前在冬季仍使用炕或煤炉取暖，需关注门窗对空气质量的影响。设计时应考虑门窗对室内空气场分布的影响24，避免冬季换气冷风对使用者产生不良影响的同时促进夏季通风（图 11d）。（4）阳光间能够使民居在冬季更有效利用当地充沛的太阳能资源。在民居主要使用空间外附加阳光间，提高其冬季室内温度（图11e）。5 结论发展适应气候的民居设计方法研究，是当前农村民居提高生态与舒适水平的重要途径。本文从敦煌地区气候的干旱、冬季严寒及夏季炎热出发，梳理了敦煌农村民居的空间特点。适应干旱的策略包括：（1）通过种植草木、（2）开凿水井增加院落空气湿度、（3）利用夯土墙维持室内湿度水平。适应冬季严寒的策略包括：（1）减少体形系数、（2）优化平面布局、（3）选用具有优良蓄热性能的围护结构以增加太阳辐射利用率并减少热损失、（4）集中加热局部使用空间。适应夏季炎热的策略包括：（1）通过植物与水井蒸发降温、（2）形体自遮阳降温、（3）热压通风降温、（4）围护结构隔热。通过以上策略，可以分别改善院落与室内热环境的生态与舒适水平。同时，提出了民居存在冬夏季光热利用、保温散热两组矛盾，利用相应策略提供了优化设计方法。敦煌农村民居蕴含丰富的适应气候的经验，对发展满足生态性与舒适性的农村民居具有重要参考价值。通过系统解析，归纳了敦煌农村民居适应气候的空间特征，为深化农村民居设计方法提供了思路，并为民居建设提供参考。图表来源文中图表均为作者自摄、自绘参考文献1 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告 M.北京：中国建筑工业出版社,2020：39-42.2 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