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基于Climate Consultant分析的吐鲁番民居气候适应性设计策略研究

2018-09-26李涛雷振东LITaoLEIZhendong

世界建筑 2018年9期
关键词:吐鲁番地区吐鲁番遮阳

李涛,雷振东/LI Tao, LEI Zhendong

气候是决定建筑设计的重要因素,一个地方的民居建筑往往建立在对当地气候长期适应的基础上,不同地区的气候差异造成了各地民居的地域性特征。然而,现代人工环境使得人类摆脱了自然气候对建筑的影响,极大地提升了建筑室内环境的舒适度,却引发了能源和环境的危机以及建筑地域特征的消失。如何在建筑设计中科学地把握气候因素,建立建筑与气候的良好适应关系,对于建设行业的节能环保以及地域特色传承具有重要意义。然而以往的建筑设计往往依靠模糊的经验进行设计策略的选择,缺乏对气候因素客观全面的分析,容易造成设计结果的偏差。气候分析工具能够收集特定地区的气候信息,通过对大量气候数据的定量分析得出相应的设计策略,为建筑师在设计前期的设计方案提供依据。本文在对比气候分析工具的基础上,采用Climate Consultant对吐鲁番地区的气候特征及民居的气候适应性进行了分析,进一步结合当地传统民居气候适应经验,提出了适用于该地区民居建筑的气候适应性设计策略,以期为当地民居的绿色设计和绿色更新提供指导。

1 气候分析工具及舒适模型的选择

1.1 气候分析工具的比较

气候分析工具建立在对某个地区气象数据收集和分析的基础上,它能够将室外气象条件、人体热舒适要求和建筑设计策略三者联系起来,成为了建筑师在设计前期阶段制定设计策略的有效工具。目前国际上主流的气候分析工具主要有Weather tool 和Climate Consultant两款。Weather tool是由英国square one公司开发的,目前隶属于Autodesk公司。Climate Consultant是由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)建筑与城市设计系开发的。这两款软件都可以读取某个地区全年8760h的气象数据,并将其以可视化的方式表达出来,以帮助建筑师直观地理解某地的气候特征。两款软件最重要的功能是:都提供了一种焓湿图(Psychrometric Chart)的表达方式1)[1],能够将室外的气象因素、人体的热舒适范围以及建筑可采用的气候策略直观地反映在一张图表上。由于Climate Consultant包含了15种气候策略,而Weather tool仅包含了6种,因此选择更加全面的Climate Consultant进行本文研究。

1.2 舒适模型的选择

人体的热舒适和空气温度、辐射温度、空气流速、衣着、活动量等多种综合因素相关[2],在不同标准下会产生不同的舒适范围。舒适模型选择是气候分析的基础,Climate Consultant提供了4种不同的舒适模型作为标准以供选择:(1)California Energy Code舒 适 模 型 2013;(2)ASHRAE Standard 55和当前基础模型手册;(3)ASHRAE基础舒适手册2005;(4)ASHRAE Standard 55-2010的自适应舒适模型。第一个属于静态的舒适模型,舒适范围只有一个且高低温度不随季节而变化,这个软件默认的舒适模型所设定的舒适范围较窄,只能适用于气候温和地区和采用集中空调的建筑类型[3];第四个舒适模型假定使用者可以通过窗户开关、衣着自由调节舒适范围,其热响应部分取决于室外气候,具有最宽的舒适范围,因此适合自然通风建筑[4],但是这个舒适模型仅能分析自然通风一项气候策略;第二个和第三个舒适模型的舒适范围介于前两者之间,都设定了冬季和夏季两个舒适范围,属于动态舒适模型,其中,第二个模型设定了温度的上下限和湿度的上限,却没有设定湿度的下限,即并没有把湿度过低导致的皮肤、眼球、粘膜干燥等生理现象纳入舒适度的考虑[5],因此本文选择第三个考虑比较全面的舒适模型进行吐鲁番地区民居的气候适应性分析。该模型分为冬夏两个舒适范围,冬季设定正常着装,相对湿度50%,有效温度为20~23.3℃,湿球温度上限为17.8℃,温度下限(露点温度)为2.2℃;夏季设定舒适区域的温度范围相对升高2.8℃2)。

2 基于Climate Consultant的吐鲁番气候条件分析

吐鲁番地区位于我国新疆东部,属于典型的大陆性干旱气候,具有太阳辐射强烈,夏季极端干旱炎热,冬季寒冷,降雨稀少,昼夜温差大,风砂天多的气候特征,素以“火洲”著称。在这种极端特殊的气候条件下,形成了吐鲁番民居逐水而居、密集居住、街巷狭窄、内向封闭、外墙厚重、开窗狭小、注重通风、高棚架、半开敞空间、半地下室、冬室和夏室等一系列典型的地域性特征(图1),反映出当地传统民居应对极端气候的传统营建智慧[6-7]。

采用Climate Consultant软件读取吐鲁番地区的气象数据(Chinese Standard Weather Data,CSWD)3)[8],选择居住建筑生成焓湿图。选取软件中被动策略的最佳组合,自动去除矛盾和多余的选项,即得到最适合当地的7项被动策略(图2)。从焓湿图中可以看出:吐鲁番当地气候条件恶劣,全年仅有11.9%的时间属于舒适时段(约1045h),38.9%的时间需要采暖和加湿,4.0%的时间需要制冷和除湿。适用的被动策略按照有效时间长短依次排序为:(1)采暖且必要时需要加湿(38.9%);(2)间接蒸发降温(25.3%);(3)窗户遮阳(14.7%);(4)室内加热(14.4%);(5)被动太阳能采暖+高蓄热材料(9.0%);(6)单纯加湿(4.0%);(7)制冷且必要时需要除湿(4.0%)。考虑到吐鲁番当地民居建筑的内部使用电器较少,缺少室内用电热源,因此去掉不符合当地实际情况的室内加热选项,采暖策略的有效时间比例上升为48.3%。

各项被动策略各月的有效时间比例如表1所示,可以看出:吐鲁番地区热舒适时间段主要分布在春秋两季,冬季的热舒适情况最差;采暖措施对于冬季尤其是1月和12月有明显的改善效果;间接蒸发降温、窗户遮阳和空调制冷对夏季有较理想的效果;被动式太阳能采暖结合高蓄热材料、加湿主要对春秋两季热环境改善明显。

3 基于Climate Consultant分析的吐鲁番民居气候适应性设计策略

常规的设计往往依靠建筑师实践中的个人经验,缺少量化的评价机制,难以形成高效的气候适应性设计策略组合。采用Climate Consultant不但能够对特定地区的气候数据进行准确的分析,生成适用当地的被动策略组合和各项策略的适用时间范围,还能够给出了可供选择的具体设计策略及其重要程度排序,提高设计应对气候的有效性和准确性。根据经验判断,吐鲁番地区居住环境面对的主要问题是干热气候,而通过软件的分析发现:冬季的寒冷气候、全年和昼夜的巨大温差是该地区同样重要的问题,因此在做好夏季防热设计的同时也需要注意冬季的防寒设计。使用Climate Consultant对吐鲁番地区居住建筑进行分析,形成16条具体的设计策略,序号表达了各策略的优先使用程度排序(表2)。将这些设计策略按吐鲁番当地民居的技术经济性进行分析,去掉一些不适宜当地的设计策略,最终将这些设计策略划分为:应对干热气候、应对寒冷气候和应对温度变化3类。

3.1 应对干热气候的设计策略

根据软件分析,吐鲁番全年日太阳辐射总量平均值约为4500Wh/m2,6、7月份平均值最高,日太阳辐射总量在7000Wh/m2以上(图3),6-8月的平均最高温度在38℃以上(图4),然而年平均降水总量却仅有16.6mm[8],属于典型的干热气候。蒸发降温、遮阳和自然通风是应对干热气候需重点考虑的设计策略。

3.1.1 蒸发降温

当地传统民居选址尽可能靠近河流和植物茂盛的环境中(图1-1、1-2)。在民居附近和庭院中常常种植花草树木和设置葡萄架(图1-7),通过植物的蒸腾作用为空气加湿和降温。在建筑的外部空间通常设有涝坝,在提供取水的同时形成蒸发降温。此外还可以借鉴国外相似气候区的蒸发降温技术,中东等干热地区常常在捕风窗口附近设置水罐[9],从窗外进入的空气经过蒸发水体的加湿和冷却之后进入建筑内部,对室内空气降温(图5),这种低造价的适宜技术经过优化后可在吐鲁番民居中推广使用。

3.1.2 遮阳

为了应对强烈的太阳辐射,吐鲁番民居中普遍采用了多种形式的遮阳在建筑内外空间中营造了大面积的阴影空间。比如,结合当地居民喜欢室外活动的生活习惯,在庭院和生活空间顶部加上高棚架(图1-4、1-5),将大部分活动空间遮蔽在阴影之下,形成了“不露天的露台”以及“无阳光的阳台”(图6、7)。然而调研发现吐鲁番当地民居中缺少窗帘、百叶等室内遮阳设施,在新民居的设计中应结合使用需求在建筑内设置窗帘、百叶等遮阳设施,与建筑外空间的遮阳形式相结合,共同营造舒适的热环境。

1-1密集居住1-4 高棚架1-7 开敞空间1-2逐水而居1-5 无阳光的阳台1-8 通风墙1-3厚重墙体1-6 葡萄晾房1-9 花格窗

表1 吐鲁番地区适宜的被动策略及各月有效时间比(作者根据Climate Consultant 6.0数据整理分析绘制)

表2 对软件生成设计策略的分析(作者根据Climate Consultant 6.0数据整理分析绘制)

3 吐鲁番的全年日太阳辐射总量

4 吐鲁番的全年温度范围(3.4 图片来源:作者采用Climate Consultant 6.0绘制)

5 水罐蒸发降温技术原理(图片来源:作者在参考文献[10]底图上分析绘制)

6“不露天的露台”遮阳和通风原理

7“无阳光的阳台”遮阳和通风原理(6.7 图片来源:作者在参考文献[7]底图上分析绘制)

8“葡萄晾房”遮阳和通风原理

3.1.3 自然通风

自然通风是应对干热气候中的重要手段,在吐鲁番当地民居中随处可见对自然通风基本原理的使用。比如,在民居建筑中常常利用门洞形成通风路径,为交往空间创造舒适的风环境;建筑的围护结构大量采用镂空的砖墙(图1-8)和花格窗(图1-9)等形式促进室内外空气流通;在屋顶上设置的葡萄晾房,避免了阳光直射屋顶,同时利用自然通风带走屋顶上的热量,保持居室空间的凉爽(图8);民居中将窗户设置在墙面中较高的位置,增加进风口和出风口的高度差,利用热压通风的原理促进自然通风。

3.2 应对寒冷气候的设计策略

根据软件分析,吐鲁番地区冬季最冷月1月的平均最低温度低于-10oC(图4),从焓湿图中可以看出,绝大多数时间点位于冬季舒适范围的左端(图1),远远不能到达满足人体热舒适的正常范围。间歇式局部空间采暖、被动式太阳能采暖、利用热缓冲空间是应对寒冷气候需重点考虑的设计策略。

3.2.1 间歇式局部空间采暖

由于缺少木材,常规能源比较缺乏,吐鲁番民居的采暖燃料很少,不可能在每间房子设置热源。通常的做法是:仅在主要的卧室中设置火炕,炕的一边设置锅灶,冬季一火两用。因此主要房间既做厨房也做卧室使用,并且仅在需要时点燃。这种间歇式局部空间的采暖方式,在应对现实条件的基础上,有效地节约了资源,改善了室内的热环境。在民居更新中应当鼓励采用这种局部空间和局部时间的采暖方式,并使用新的高效率采暖设施,以提高能效、减少污染。

3.2.2 被动式太阳能采暖

吐鲁番地区属太阳能资源较丰富地区[11],采用被动式太阳能采暖改善冬季热环境具有很大优势。在当地民居中非常重视建筑的朝向,主要的居住空间朝南,以利于接受阳光。然而调研发现当地民居南向开窗面积较小,对太阳能的利用并不充分。分析认为其主要原因是增加南向开窗面积会导致夏季过多的太阳辐射进入室内,在夏季防热和冬季得热之间产生矛盾。因此在吐鲁番地区应结合使用空间合理进行被动式太阳能采暖设计,同时在被动太阳能采暖设计中充分兼顾夏季的防热处理,在南向太阳房的窗外根据太阳高度角度计算设置遮阳,使冬季日照能够穿透而阻挡夏季日照(图9)。

3.2.3 热缓冲空间

吐鲁番民居以“沙拉依”作为最基本的居住单元,这种居住单元由一明两暗的3间房构成,中间小两边大,两边的“米玛哈那”和“阿西哈那”是主要的生活起居空间,而中间的小房间“代立兹”作为一个独立性空间,形成了一个从室外向室内过渡时的热缓冲空间,能够有效避免了冷风的渗透(图10),而居室的两侧也常常利用储藏室等辅助空间作为外侧的热缓冲区,增加主要居室的热稳定性(图11)。

3.3 应对温度变化的设计策略

根据软件分析,吐鲁番全年最热月平均最高温度和最冷月平均最低温度相差50oC以上(图4),一天内昼夜温差也在20oC以上(图12)。为了适应温度的波动变化,高热容材料结合夜间通风、利用地下空间和设置冬夏转移式的居住空间是应对全年和昼夜温度变化的设计策略。

3.3.1 高热容材料结合夜间通风

昼夜温差在20oC以上的地区非常适合高热容的围护结构材料与夜间通风相结合的策略[12]。吐鲁番当地民居多采用厚重的生土材料建造,生土材料具有很高的蓄热性能,白天吸收强烈的太阳辐射能量储藏起来,在夜间温度低的时候通过建筑顶部的小窗带走蓄热材料的热量,使其又能够在新的一天吸收热量,形成了天然的“空调系统”。

3.3.2 地下空间

地下空间具有良好的热稳定性。根据软件分析,吐鲁番地下2m和地表0.5m的温度相差将近5oC(图13)。当地民居中广泛地利用地下空间应对温度变化。在吐鲁番形成了一种半地下室的窑洞式居住空间,建筑露出地面1.5m左右,开高窗,即利用了地下空间的恒温性,也解决了采光和通风问题(图14)。

3.3.3 转移式居住空间

由于温度变化的影响,当地居民形成了一种随季节和昼夜而变化的转移式居住方式,这种生活习惯也反映在民居空间当中:吐鲁番的居室分为夏居室和冬居室,冬居室相对封闭,通常位于建筑中靠中间的位置,需要穿越几个房间才能到达,具有较好的热稳定性,临近室内的热源;夏居室相对开敞,一般布置在北向,避免太阳辐射,房间高大,侧墙开高窗,利用自然通风降温,室内不设置热源(图15)。

4 结语

在以往的民居建设和更新中对气候的考虑往往依靠建筑师模糊的经验判断,常常造成挂一漏万和不够准确的弊端,采用气候分析工具作为民居建设和更新的辅助手段,能够客观、全面和准确地制定适宜当地的设计策略,提升民居建设的科学性。但是当前气候分析工具中的基本条件设置和软件自动生成的设计策略均建立在西方国家舒适标准和经济水平的基础上,不完全适用我国,需要建筑师结合当地实际情况进行选择和修正,以保证设计的经济合理。本文采用Climate Consultant分析了吐鲁番的气候数据,得出了适宜吐鲁番民居的被动策略组合及各项策略适用的时间范围;并进一步结合对当地传统民居的分析,从应对夏季干热、冬季寒冷、温度变化三个方面提出了适宜吐鲁番民居的气候适应性设计策略,为吐鲁番地区的民居建设与更新提供指导和帮助。□

9 适宜吐鲁番太阳房的两种遮阳形式(8.9 绘制:李涛)

10“代立兹”作为热缓冲空间

11 储藏和客房作为热缓冲空间(6.7.10.11图片来源:作者在参考文献[7]底图上分析绘制)

12 吐鲁番地区的各月昼夜温度三维分析

13 吐鲁番的月平均地温(12.13图片来源:作者采用Climate Consultant 6.0绘制)

14 半地下室

15 夏居室和冬居室

注释

1)焓湿图建立在维克多·奥尔基亚(Victor Olgyay)和巴克鲁·吉沃尼(Baruch Givoni)生物-气候分析图(Bio-climatic Chart)研究的基础上。

2)参见Climate Consultant 6.0帮助文件。

3)本文所使用的吐鲁番的气象数据为典型气象年数据,格式为CSWD,来源于中国气象信息中心与清华大学建筑技术科学系共同开发的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》,收录了1971-2003年之间全国270个地面气象站的实测气象数据。

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