传统冷巷技术在夏热冬冷地区幼儿园建筑中的应用——以2020年“台达杯”国际太阳能建筑设计竞赛获奖作品《竹巷·风生》为例

陈泉任，丁素红

（重庆大学 建筑城规学院，重庆 400045）

0 引言

在全球变暖与城市化的大背景下，一方面，气候变暖和城市高密度发展导致城市的室外热环境出现问题，引发城市的“热岛”“热浪”效应，促使人们对如何提高室内舒适度进行研究[1]。但殊不知，在城市出现“热岛”“热浪”现象的情况下，如果对城市室外环境热舒适度不加以考虑，仅仅只对室内热舒适度进行研究，可能很难取得有效的成果。另一方面，城市化进程让我们不得不面对“传承”与“发展”两大难题，如何延续城市传统空间，如何将传统绿色经验进行现代化转译，又如何在传承的基础上实现新的突破，始终困扰着我们。面对上述问题，学者把研究目光转向传统民居建筑，传统被动节能技术自然而然地走进人们的视野。通过对不同地区的传统民居气候适应性进行持续研究，发现各种传统朴素的营造手段亦能在建筑全生命周期过程中发挥重要的节能作用。

本文依托2020年“台达杯”太阳能建筑设计竞赛的幼儿园建筑设计赛题，试图在幼儿园建筑类型中，尝试性解答如何利用传统节能技术改善室外与室内热环境舒适度的问题。幼儿园建筑的服务对象是正处于身体成长发育期的婴幼儿，其感官的敏感性很强，同时成长环境又不能局限在室内活动空间中，既要有室内活动空间又要有室外活动空间，对室内外活动空间热舒适度都有较高要求。目前，幼儿园类建筑多采用主动式技术调节室内热环境，对于感官敏感的婴幼儿而言，与主动式技术提供的室内热环境相比，被动式技术创造的室内热环境更加舒适、健康与自然。同时，采用被动式技术还可减少能源消耗，减少碳排放量。笔者从福建地区传统民居建筑中提取冷巷技术，以期能够探究出既为婴幼儿提供舒适的室内外热环境，又能减少建筑能耗的设计方法和策略。

1 冷巷技术

1.1 相关研究综述

印度的查尔斯·柯里亚[2]关注印度本地气候对建筑创作的影响，从传统民居建筑中挖掘出能够适应印度本地干热气候的设计策略，倡导开敞空间、管式住宅及棚架屋顶等设计手法，以低技术手段解决建筑遮阳通风的问题，创造出适宜的建筑室内外环境。西班牙的Helena Coch[3]针对地中海地区“双住宅”居住形式进行研究，该民居分别设有冬、夏两个厨房，冬季厨房设置在建筑中间位置，夏季厨房设于建筑外侧，建筑以可变性的空间实现气候适应性目的。马来西亚的杨经文[4]提出“生态气候建筑”设计理念及策略，并将诸如骑楼、通风屋面等传统建筑元素与现代建筑设计相结合，利用冷巷实现建筑自然通风降温，创造出类似自然状态的建筑环境。

国内华南理工大学的汤国华教授[5]针对广州本地的传统民居“西关小屋”进行实测，结果表明，冷巷对改善建筑热环境具有重要的作用，可为新民居建筑提供设计思路。东南大学的陈晓扬教授[6]通过对岭南、闽南、皖南以及江浙等地的传统民居的冷巷空间进行定点温度实测分析，发现冷巷具有明显的降温和热缓冲作用[7]，并通过剖析和总结冷巷的技术原理及要点，论述了其对现代建筑设计的启示。华侨大学的薛佳薇教授[8]对泉州手巾寮夏季热环境进行实测，发现该民居建筑中的天井和廊道对建筑自然通风降温均有明显强化作用，其通风降温效果在夏季最佳。

通过上述中外专家对传统民居建筑的研究可以看出，传统民居建筑中的被动式气候适应性设计策略与技术，具有一定的学术研究价值与应用价值。其中，冷巷技术作为一种低技术、低能耗的节能手段，彰显着古老的生态智慧，在当前能源危机和环境危机的大背景下更应得到充分重视，对其进行研究，可为现代建筑节能设计提供新的设计思路。

1.2 传统冷巷特征

1.2.1 定义

冷巷是指在夏热冬冷地区传统聚落中的民居建筑经过一定秩序组合后形成的狭窄巷道或廊道，通常顺着建筑进深方向布置，巷宽较窄，大约在1～3m之间[9]。冷巷两侧山墙较高，能够有效地阻挡太阳辐射直接进入巷子内部，因此，巷内空气温度相对较低、相对湿度较大，容易产生微风，形成风道，产生明显的被动降温效果，在一定程度上可改善场地的微气候环境[10]（图1）。

图1 传统民居中的冷巷

1.2.2 组成

传统冷巷空间主要是由顶部界面、底部界面、两个侧部界面以及前后两个端部界面组成。顶部界面可以是舒展的屋檐，用以遮挡太阳的直接辐射，减少底部的受热；底部界面多与地面接触，可作为良好的蓄冷体；左右两个侧部界面多为高大厚重的蓄冷墙体，用以保证冷巷底部空间的低温效果；前后两个端部界面可作适当的遮阳处理（图2）。

图2 传统冷巷空间结构分析

1.2.3 空间类型

我国的传统聚落民居建筑类型多样，冷巷在传统民居建筑中较为常见，导致冷巷的空间类型各不相同。传统冷巷按照空间形态特点可分为并列式冷巷（图3、图4）、嵌入式冷巷（图5、图6）以及包含式冷巷[10]（图7、图8）。

图3 并列式冷巷简化分析图

图4 并列式——周庄骑楼

图5 嵌入式冷巷简化分析图

图6 嵌入式——苏州陆巷村遂高堂

图7 包含式冷巷简化分析图

图8 包含式——苏州南石子街潘宅

1.3 冷巷技术要点及影响因素

1.3.1 技术要点

（1）遮阳通风的窄通道[6]

遮阳通风的窄巷道是冷巷被动降温技术得以实现的基本条件。冷巷的窄通道通过采用遮阳措施，尽量减小巷道内部的蓄冷体受到太阳直接照射的面积，最大程度减少外部得热。因此，建筑中的廊道、天井、弄堂都可以达到冷巷的效果。

与此同时，冷巷利用自然通风强化室内外空气流通，进行热量交换，改善室内热环境。自然通风有两种方式：一是风压通风，当风通过没有障碍物的冷巷时，空气流速相对室内较快，在冷巷内部就会形成负压区，在气压的作用下实现冷巷与室内空气的对流，产生热量交换（图9）；二是热压通风，利用建筑内部的空气热压差实现室内的空气对流。可在建筑的上部设置出风口，在建筑的底部设置进风口[10]，利用室内外温差将室内浑浊的热空气排出，而室外新鲜的冷空气则从建筑的进风口被吸入室内[11]，进风口和出风口两处的温度差和高度差越大，热压通风效果就越好（图10）。

图9 风压通风示意图

图10 热压通风示意图

（2）蓄冷墙及地面[6]

传统冷巷的地面以及两侧蓄冷墙在被动式降温过程中具有极其重要的作用。地面和蓄冷墙选用的建筑材料一般具有良好的热稳定性、较强的蓄热能力以及较低的导热性。土壤的蓄热系数很高，建筑围护结构与地面相互接触的部分温度相对稳定，变化较小。蓄冷墙体在用材一致的情况下，选用密度大的材料，适度增加蓄冷墙的厚度，可进一步增强蓄冷墙的热稳定性。

（3）夜间通风[6]

在各种影响因素中，夜间通风是实现冷巷被动降温至为关键的一步。蓄冷墙体和地面在白天蓄积了大量的热不易散去，利用昼夜温差，夜间通风可以使蓄冷墙和地面得以冷却，进行重新蓄冷。这样一来，冷巷内的蓄冷体就又能够在白天继续吸收巷内空间的热量，进而达到降温的目的[11]。

1.3.2 影响因素

冷巷受外部因素和内部因素共同作用。外部因素：冷巷空间走向（场地主导风向、建筑最佳朝向）；内部因素：冷巷空间长高宽之比、围护结构材料（底部界面、顶部界面、左右侧部界面、前后端部界面）。

外部因素：根据现有气象数据，通过软件Ecotect模拟得出建筑最佳朝向以及场地主导风向。冷巷走向受主导风向直接影响确定，建筑最佳朝向则对建筑整体布局形式产生影响。冷巷并不是孤立存在的，应与建筑结合在一起，因此冷巷空间设计受到二者共同影响。

内部因素：首先，冷巷空间长高宽比以5∶3∶1为最佳，此时的降温和通风效果处于最为平衡的一个状态。其次，冷巷空间的各个界面的材料热工性能对冷巷降温效果也会产生影响，应多选择蓄热系数高、热稳定良好的材料[12]。

1.4 冷巷与幼儿园结合探讨

传统冷巷节能技术在现代建筑中的应用具有一定的适应性和矛盾性，并非都能结合在一起。冷巷降温节能技术源自我国东南地区的传统民居，有其自我适应性要求，幼儿园建筑作为现代建筑，也有其独特的功能要求，两者在特定的地域环境中，这种矛盾反而可以得到化解。

1.4.1 建筑肌理的相似性

幼儿园建筑群体布局的建筑肌理与传统民居村落布局的肌理具有一定的相似性，在福建闽北传统民居村落布局模式中，民居建筑是作为一个个独立且重复的个体存在，冷巷将之串联起来，既有一定的交通联系作用，又有通风降温的效果。在幼儿园建筑布局当中，幼儿活动单元用房是建筑的主要使用空间，在功能和形式上具有一定的重复性，若是将活动单元用房之间的空间扩大为冷巷空间，既有交通的功能，又起到通风降温的作用，这便与传统民居村落功能布局达到一定的契合性。

1.4.2 地域气候的一致性

福建闽北地区是夏热冬冷地区，属亚热带季风性气候。当地的传统民居为了适应当地的气候，采用传统冷巷被动节能技术，能很好地解决建筑散热、降温、防潮的问题。南平市位于福建省，同时也是季风性气候，在地域与气候两方面具有一致性。在此条件下，冷巷降温技术与幼儿园建筑设计的结合就具有现实可能性。

2 冷巷技术应用

2.1 项目概况

项目位于福建省南平市建阳区的居住区内，项目场地的东侧和北侧都是居住小区，南侧的城市公共交通枢纽中心与场地隔路相对，西侧则紧邻城市级干道建平大道[13]。该项目在设计方面的要求具体如下：在竞赛用地范围内设计一个全日制幼儿园，规模为12班360人，建筑层数不超过3层，总建筑面积不超过4700㎡，停车位不少于4个。在技术方面，要求以被动式太阳能技术为主，辅以其他节能技术，解决该地幼儿园夏季散热、降温、防潮的热工要求。

2.2 地区技术分析

2.2.1 气候分析

福建省南平市大致位于武夷山脉北段的东南侧，具有以丘陵山地为主的低山区地貌特征。该地区属于亚热带季风气候，年平均气温为19.3℃，七月份最热，月平均气温可达28℃～29℃，一月份最冷，月平均气温处于9℃～10℃之间，无霜期长达268天，年降雨量为1660mm，冬季主导风向为西北季风，夏季主导风向为东南季风。综上所述，该地区常年雨量充沛，气候温湿，夏无酷暑，冬无严寒。因此，夏季通风、散热、降温、防潮是设计首先要考虑的问题，其次要兼顾冬季保温的要求（图11—图14）。

图11 福建省南平市全年温度变化图

图12 福建省南平市焓湿图

图13 福建省南平市冬季风向图

图14 福建省南平市夏季风向图

2.2.2 地区技术启示

经过前期的调研考察以及分析，发现福建南平市属亚热带季风气候区，当地传统民居建筑为适应季风性气候而自发采用被动式低技术生态手法，通过采取自然遮阳、自然通风的措施，能够很好地达到降温、隔热、防潮的目的。当地传统民居建筑布局紧凑、建筑密度大，可以避免阳光直射，通过设置天井、冷巷来强化建筑室内外的空气流通，有利于创造良好的室内外热环境[14]。

2.3 技术设计应用

冷巷作为传统被动节能技术，在建筑通风散热方面有其一定的优势，结合现代幼儿园建筑的功能要求，在建筑总体布局通风和建筑单体通风两个方面采取措施[15]。

2.3.1 建筑总体布局

根据已有的当地气象数据，通过模拟软件Ecotect分析得出基地夏季主导风为东南风，建筑的最佳朝向为南偏东10°。因此，结合主导风向与最佳朝向两大因素，建筑整体布局初步定为南偏东10°左右。冷巷走向应顺着主导风向布置，入口处与主导风向角度在45°以下较好，6°以内模拟效果最佳（图15—图17）。

图15 “竹巷·风生”鸟瞰图

图17 福建省南平市建筑最佳朝向

沿平行场地的主导风向布置冷巷，夏季的主导风便可畅通无阻深入到建筑内部，冷巷的纵向通风得以实现。冷巷内的空气流速远高于室内空气流速，因此产生负压区。冷巷两侧的幼儿活动单元用房内的空气在气压的作用下进入冷巷，形成一定程度的横向通风，实现建筑内外空气的热交换。整个幼儿园建筑布局在风压通风的情况下没有阻碍，满足冷巷降温技术要求（图18—图20）。

图18 风压通风分析

2.3.2 幼儿单元活动用房

设计过程中充分考虑了外部因素和内部因素对冷巷空间设计的综合影响 （图20—图21）。

图19 热压通风分析

图20 冷巷技术分析

图21 活动单元平面

（1）外部因素

幼儿活动单元的设置必须要满足一定的日照时长和采光要求。在方案设计初期可根据现已知道的建筑最佳朝向，将幼儿活动单元用房的主立面朝向设为南偏东10°左右，可使幼儿活动单元用房的采光及日照达到最佳的效果。

幼儿活动单元用房设计应与冷巷空间设计紧密结合，室内空间与冷巷空间通过设置部分可开启的门窗，在视觉方面打破室内外界限，贯通内外空间；在通风方面更方便室内外空气产生流通，强化冷巷的风压通风效果。

幼儿活动单元卫生间与活动室之间可加设太阳能拔风烟囱。整个建筑的高处设置出风口，每层适宜部位设置进风口，进风口和出风口两侧就会产生温度差和高度差，起到热压通风作用。在此基础上，可将太阳能拔风烟囱适当拔高，或者在拔风烟囱的高处使用相变材料砌筑墙体，增大进风口与出风口两侧的温度差和高度差，进一步强化单元活动用房的热压通风作用。

（2）内部因素

冷巷的长高宽比要满足一定的要求。理想状态下，冷巷空间的长高宽之比为5∶3∶1[12]，将冷巷的宽度定为2.6m，建筑高度8m，进深12m，长高宽之比为15:10:3。冷巷的降温作用和通风作用在这种理想比例模式下表现效果最佳。

蓄冷墙体和地面材料方面，首先，要考虑尽量增加冷巷廊道与地面的接触面积；其次，考虑提高冷巷两侧墙体的蓄冷能力，比如可选用蓄热系数较高的建筑材料砌筑蓄冷墙，还可以适度增加冷巷两侧蓄冷墙的厚度。通过适宜的构造作法以及选用正确的建筑材料，可进一步提升整个冷巷通风降温的性能（表1）。

表1 材料热工系数

冷巷巷道顶部位置，在设计过程中，可选择能够根据太阳高度角变化而自动旋转角度的遮阳百叶（图16），随太阳高度角的变化，能够时刻将太阳辐射遮挡在巷外，减小太阳对冷巷的影响。冬季，亦可将百叶自动关闭，太阳光可直接照入巷道内部，使巷道在冬季又具有阳光间的性能，成为建筑的热源[14]。

图16 “竹巷·风生”总平面图

2.4 模拟验证

2.4.1 冷巷通风模拟

以南平市的室外综合温度和室外风速为设计参考，由图22可知，与冷巷相邻开窗区域的冷却效果明显优于其余区域，可验证在本设计方案中，冷巷能明显提高风速、提升建筑靠近冷巷两侧壁面的降温效果。

图22 冷巷通风效果模拟

2.4.2 太阳能烟囱通风模拟

以室内太阳能烟囱拔风性能以及室内孩童热舒适的评测高度为基准，由图23可知，靠近烟囱部分的室内空气流速明显提高，验证烟囱拔风效果显著，结合冷巷降温效果，可缓解室内过热的不适感。

图23 太阳能拔风烟囱通风效果模拟

通过上述两次的模拟分析，可以充分验证冷巷技术在该设计方案中应用的合理性。

3 结语

设计方案从当地地域气候特点出发，系统分析了传统被动节能技术冷巷的特点，结合2020年“台达杯”太阳能建筑设计竞赛获奖方案《竹巷·风生》，探究了传统冷巷节能技术在夏热冬冷地区幼儿园建筑中的应用，以期有效改善幼儿园建筑中的室内外热环境现状。并通过模拟验证传统冷巷被动节能技术在该建筑应用中的可行性，为被动式节能技术在该地区低层小型公共建筑设计中的应用提供了参考。