基于微气候改善的豫北生态乡村住宅设计策略★

付澳华 石玉凡 卫 瑞 刘鑫雨 马 珂

(河南科技学院园艺园林学院，河南 新乡 453003)

0 引言

近年来，我国工业化发展迅速，城镇化使得建筑增量急剧增加，建筑能耗已成为学界重点研究方向之一。如何通过设施或环境的整理和改变来提升建筑所产生的微气候，结合当代生态建筑技术研究可实施的建筑设计方法并改善乡村住宅的居住质量，是当下提高乡村聚居水平、生态环境水平的重要基础。因此在当下乡村振兴政策深化实施阶段，基于微气候改善乡村住宅研究具有其社会价值。

1 豫北地区微气候特征

豫北地区主要指河南省黄河以北的地区，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，冬冷夏热。年平均气温为14 ℃，7月气温最高，平均27.5 ℃，1月最冷，平均0.1 ℃。整体地势西北为太行山，东南平原较多。全年东北东风最多，次多风向为东北风。夏季雨水较多，雨水量变化较大，年均降雨量为650 mm。

2 乡村住宅建筑微气候改善策略

2.1 建筑形态布局与微气候

2.1.1 建筑南朝向布置

豫北地区，冬冷夏热，在冬季如何保存室内热量、夏季如何隔热是乡土住宅的关键需求。所以采光方面建筑朝向应尽量面向太阳辐射热多的方向以接受冬季的热辐射，利用Weather Too进行建筑气候分析得出：豫北地区最佳朝向为南偏西10°到南偏东15°，因此建筑在布置上朝向以南向为佳，南向建筑在低温的冬季可以获得相对其他朝向更多的太阳辐射热，可以提高建筑室内温度。同时，从建筑通风方面考虑，豫北地区夏季主导风向以南风为主，因此豫北地区建筑南向可进行通风设计，建筑朝向布置可以与夏季主导风向保持相对于其他建筑朝向较小的角度，以利于自然通风。因此，在豫北地区的乡村建筑设计，南向应适当保持一定比例的开窗，以保障夏季通风顺畅和冬季获得充足的热辐射与冬季足够量的热辐射。

2.1.2 建筑的形态与院落设计

通过建筑形体与院落的合理设计，可使建筑内获得有利的通风，也能使建筑的风压降低，同时可以保证各个房间有足够的日照，并且达到降低热损耗的目的。北方地区院落面积较大，冬季太阳辐射面积大，因而会产生更多的辐射热; 而南方地区与之相反，院落形状狭长，有利于夏季降低辐射热，同时可以利用热压作用加强通风。

建筑体型系数定义为“建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值”。其公式为:

S=F0/V0。

式中：S——建筑体型系数；

F0——建筑的外表面积；

V0——建筑体积。

综上所述，建筑体型上应该尽可能减小建筑体型系数, 合理的建筑形态能使建筑更多的立面接受到自然采光，通过对形态的优化，有效的达到节约能源的目的。

2.2 建造技术与微气候

2.2.1 合理的室内室外过渡空间

檐廊作为过渡空间连接了室内、外空间，是合院式传统民居的重要组成部分。它不仅是空间上的多层次变化，同时也是住宅微气候缓冲区[1]。太阳高度角会随着季节的变化而变化，冬季太阳高度角高，夏季太阳高度角低，设计一个合理的室内室外过渡空间譬如说檐廊，可以在需要减少太阳热辐射的夏季起到遮阳的作用，同时也不影响冬季建筑室内通过门窗获得太阳热辐射。同时在提高资源利用率方面檐廊可以防雨、采光，能有效的改善建筑室内的热功能性。科学合理的室内外空间设计，可以更好的作为气流缓冲区，缓冲空间可以降低冷热气流对流造成的能耗增加。

2.2.2 围护结构的墙体、门窗设计

针对豫北地区冬冷夏热的气候特点，墙体可以通过改变建筑材料与组合模式来提高保温、防潮隔热等性能，从而改善建筑微气候。传统墙体保温隔热方式多为增加厚度，此类做法效果较好但是能耗较大。目前改善室内微气候，提高保温性能常使用复合墙体材料，其种类较多，有效的降低建筑的能耗。复合墙体按照复合方法分为内保温、夹心保温和外保温三类。其中外墙内保温技术施工快、操作方便灵活，但由于居民的二次装修容易破坏内保温结构，因此外保温技术使用范围更广泛。

门窗的设计对于建筑内微气候的控制也起着重要作用。传统门窗的热传递系数一般高于墙体，因此豫北地区开窗在保证能有足够日照采光前提下应尽量降低外窗面积。根据豫北地区的日照系数具体来说，通常北朝向外窗面积应不大于总墙体面积的25%，东西朝向外窗面积应不大于总墙体面积的30%，南朝向的外窗面积应不大于总墙体面积的35%。其次开窗位置也对建筑室内微气候产生较大的影响。除了外窗本身的热传导系数以外，开窗位置的不同，还会形成一定的额外能量传导。通常情况下，窗户居中时的额外传热系数最小[2]。此外还能通过墙体构造设计改善通风，以调节室内微气候，目前常见的有“捕风墙”广泛应用在乡土民居中。具体方法是在阳台上开口，然后在开口处外侧两端布置挡风墙板两片，使两片通风墙可以引导气流，将风引入阳台区域，通过控制阳台门的大小，来有效控制室内通风。

3 绿化设施与微气候改善策略

绿化设施具有遮阳防晒、调节室内温度与湿度、增强通风、降噪等多重功能，对于建筑周围与建筑室内微气候的形成有着非常大的影响，因此绿化设施对于微气候改善起着重要作用。改善建筑微气候的绿化设施一般包含场地绿化、建筑物立体绿化与室内绿化。

3.1 场地绿化设施

建筑的制冷能耗会因植物蔽阴而降低，因此建筑周边的环境绿化对微气候改善格外重要。针对豫北地区这样冬寒夏热的地区而言，一般可将高大的常绿乔木种植在建筑物北侧，这样可减少建筑物在冬季所受来自北方的冷风，降低建筑物的供暖能耗；将高大的落叶乔木种植在建筑物南侧，可以利用落叶乔木的年生长周期，在夏季枝叶茂盛时遮挡部分太阳辐射而降低建筑物制冷能耗，而在冬季叶落时则可使太阳光投射入室内以降低供暖能耗。

3.2 建筑物立体绿化设施

建筑物立体绿化设施根据绿化位置不同可分为垂直绿化和屋顶绿化，垂直绿化设施根据建造方式和维护方式可以分为绿色立面(Green Facade)和活墙垂直绿化(Living Wall)，均能够对建筑环境微气候产生重要的影响[3]。

绿色立面分为直接立面绿化和间接立面绿化。直接立面绿化系统中，植物在建筑物墙面上进行依附生长，墙体作为直接支撑也称为附壁式，附壁式绿化需要粗糙的建筑表面为其提供附着点，在此种环境下即可种植附壁式攀缘植物。一些自行攀缘生长类植物都可以应用此种观赏形式，如地棉及爬山虎等。间接立面绿化是指在植物层和外墙表面具有一定的空隙，譬如在阳台及窗口等带有悬挂性质的空间人工建造种植槽，选用重量较轻且造景效果显著的植物，如花卉及观叶植物等。通过其他的结构作为支撑，如钢丝、钢网、钢架或人工种植槽等，植物可以直接种植在地面、屋顶或者阳台及窗台。与绿色立面相比，活墙垂直绿化的构造更为复杂，包括支撑结构、种植基质、滴灌系统以及更为丰富多种的植物。

“绿色屋顶是指以土壤(生长介质)和植被层为最外表面的屋顶。生长介质和屋顶结构之间的构造各不相同，但通常包括排水层、根屏障和防水膜”[4]典型的屋顶绿化构造从上到下主要包括：植被层、种植基质层、过滤层、排水或蓄水层、耐根穿刺防水层。屋顶绿化的降温节能机制主要分为植物层的蒸散作用、植物冠层的遮阳作用，以及基质层和植物层的保温隔热作用。屋顶绿化和垂直绿化可以在建筑立面与绿色墙壁之间的空气间层形成微气候，从而起到降温节能的作用，通过调节环境空气温度和风速来减少建筑外围护结构的热通量。根据相关研究发现，设置20 cm空气间层的垂直绿化墙体与不设置空气间层的垂直绿化墙体相比，建筑表皮最高温度降低了1 ℃左右[5]。

3.3 室内绿化设施

室内热舒适度主要受室内湿度直接影响,一般通过控制室内湿度来改善建筑室内微气候，提高居民居住舒适度。豫北地区室内多干燥，而室内绿化既可以营造良好环境，也可利用植物自身的呼吸作用, 释放水汽增加室内湿度，从而影响室内微气候。但不同植物以及不同环境条件下室内植物景观对空气增湿的能力有所不同。另外，绿化系统中除植物自身呼吸作用释放水气以外，栽培基质也可以通过水分蒸发改善室内湿度。以室内植物墙为例，植物墙通过蒸腾作用和培基质中水分的蒸发可以降低室内环境温度,有效增加室内空气湿度。室内绿化还能够调节室内氧气与二氧化碳的平衡、吸收有害气体、吸收悬浮颗粒物、降低噪声以及起到杀菌的作用。

4 结语

通过微气候改善被动式乡村住宅的研究，有助于乡村振兴方面的乡村住宅建筑节能、美观、舒适方面的发展，满足可持续发展的需求。在我国脱贫攻坚战取得全民的胜利，脱贫攻坚战略与乡村振兴交接之时，绿色乡村住宅建筑的研究便显得尤为关键。本文将对乡村住宅的绿色发展与建设起到一定的影响作用。