基于软件分析的天水民居气候适应性设计策略

党晓晖，方博闻，贾丽芬

(甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030)

1 概述

气候是大气物理特征的长期平均状态，它具有稳定性。气候的主要要素包括了气温、降水、风力、太阳辐射、空气的湿度等[1]。气候的适应性，可理解为基于对气候要素的分析，从而在建筑设计时做出对应的策略。通过规划布局、设计手法、建造技术来满足不同条件下的气候特征。在确保建筑的功能合理的前提下，统筹考虑建筑自身的气候适应性的能力，从而减少各种设备的使用率，最大限度的降低建筑能耗，创建出一个舒适安全的室内建筑环境[2]。

所谓传统民居的气候适应性，可以理解为乡村聚落在发展与建设过程中，通过简单的建设策略来对应外部气候，以取得与周围环境的协调共生，从而达到良好的气候适应能力。通过对传统民居的气候适应研究，有利于我们在新建、改建民居的过程中，吸取经验，改进不足，创造出能耗低、更绿色的建筑。本文以天水伏羲庙片区的传统民居为研究对象，通过对当地气候的研究，结合软件的分析判断，为甘肃地区新建、改建的民居归纳出相对应的设计策略，见图1。

图1 天水民居改建

2 软件与数据

2．1 分析软件

当地的气候数据是建筑节能设计的一项重要依据，特别是在建筑设计的初步阶段。目前对于气候分析的软件有Climate Consultant 和Weather Tool。Climate Consultant 是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，Weather Tool 由英国Square One 公司开发的建筑生态设计软件。两款软件均可以分析某地域全年8 760 h 的气候数据，进而转换为更易理解的多种图表语汇。其中的焓湿图更能直观的反映出当地适宜的被动式建筑设计策略，如室内通风、太阳能采光、热辐射利用、直接和间接的蒸发降温，以及全年室内的干湿、冷热的状态。为了得到建筑的最佳朝向及当地的太阳辐射参数，可以通过全年日照分析图与日轨分析图。

2．2 气候数据

目前常用的四个主要气候数据为CSWD，CTYW，SWERA，IWEC。本次模拟计算的Climate Consultant 和Weather Tool 数据均来自中国气象局的CSWD(Chinese Standard Weather Data) ，Climate Consultant 的模型选取2005 版ASHRAE 基础舒适模型[3]。

3 天水地区气候分析

天水，北纬34．58°，东经105．75°，位于甘肃省东南部，毗邻关中平原，天水境内地势西北高，东南低，海拔在1 000 m ～2 100 m 之间。天水地区在气候区域划分上属于寒冷地区，属大陆性暖温带半湿润气候。无霜期185 d左右，年平均气温11 ℃，年降水量500 mm ～600 mm，5 月～9 月降水占全年降水的90%，年平均日照小时数2 100 h[4]。

3．1 焓湿图分析

通过Climate Consultant 软件分析出天水地区的气象数据从而得到相应的焓湿图。大部分的点位都落在舒适区的左侧，可以理解为很大一部分的温度位于舒适温度之下，从图表中可以直观的反映出天水地区属于寒冷地区。在策略选择时，可以选择最佳被动式策略的模式选项，为了得到室内环境舒适度的最大化，可以通过选择非传统模式的采暖与制冷模式。从图表中可知天水地区仅有13．8%时间属于舒适时段。除此以外，全年44．4%的时间需要以主动方式采暖，如空调采暖、锅炉采暖、电热板采暖等。其他有效的被动式策略分别为:26．1%的内部得热，11． 4% 的被动式太阳能得热高蓄热，7． 7% 的被动式太阳能得热低蓄热，6．5%的窗户遮阳，归纳总结后可采取被动式策略的各月总结见表1[5]。

表1 天水地区各月被动策略

根据软件分析得出的图表可知，天水地区利用太阳能热辐射采暖在3 月、4 月、10 月、11 月比不采用太阳能热辐射采暖有明显的提升。在利用高热容材料方面，与之前相比较，4 月～10 月能发挥最大的作用。利用夜间通风效果最明显的月份为4 月～10 月。在自然通风方面，5 月～9 月降温明显。与其他被动式策略相比较，直接蒸发降温效果一般，但是在5 月、6 月也具有一定的降温能力。4 月～9 月的间接蒸发降温能力较好，特别是在7 月效果最为明显，见图2。

图2 天水地区焓湿图

3．2 日轨分析

根据Weather Tool 软件分析出天水地区的太阳热辐射量，通过改变标尺的对应量，可以计算出不同角度的热辐射量。由图示可知在太阳角度为5 月1 日中午12 点整时，正北方向太阳的热辐射量。其中黄色的区域为过冷区域时间段，蓝色的区域为过热区域时间段，白色区域为舒适区域时间段。较粗的曲线为该方向上太阳辐射的平均值。根据分析结果可了解到，6 月～8 月为天水地区的最热时间段，1 月、2 月、12 月为天水地区的最冷时间段，太阳辐射量在500 kW·h/m2～1 500 kW·h/m2上下波动，因此可提出不同的设计技术措施来应对不同时间不同朝向上的建筑，见图3[6]。

图3 天水地区全年热辐射量

根据Weather Tool 软件分析出天水地区的最佳朝向，为了满足最佳朝向的需求，应该在方案设计阶段就将建筑布置于南偏东20°，避免北偏东70°的朝向布置，获得最优的采光与日照。充分利用太阳的最佳朝向，不仅可以为冬天采暖提供更多的热辐射能量，而且还可以有效的避免炎热的夏季过多的辐射量进入室内空间，如图4 所示。

图4 天水地区最佳朝向

3．3 风玫瑰分析

为了获得天水地区的全年主导风向、风速、风频等数据，可以通过将天水地区的气象数据导入Weather Tool软件，从而得到天水地区的逐月的相关数据，从而制定科学合理的通风策略，见图5。

根据图5 可知圆圈的深浅程度，代表了风频。颜色较浅，可以理解为风频较低，与之相对，颜色深则表示较高的风频。图5 的纵坐标表示风速，圆坐标则表示风向。通过对天水地区风玫瑰的分析，可以知道天水地区3 月、8 月的风速较大，其他月份的风速较为平均，见图6。

图5 天水地区全年风玫瑰图

图6 3 月、8 月风玫瑰图

4 天水传统民居的气候适应性设计策略

4．1 利用太阳能热辐射

鉴于天水地区的太阳能辐射较强，见图7。全年约10%的时间每小时水平面总辐射量超474 kW·h/m2，16%的时间每小时水平面总辐射量在316 kW·h/m2～474 kW·h/m2，夜间的水平面总辐射量约占全年总量的49%，因此该地区较为适合采用太阳能热辐射的设计策略[7]。

天水传统民居多选择院落式的布局，坐北朝南，有利于最佳太阳热辐射的获取，建筑与建筑之间的庭院也增加建筑的间距，利于获得更多的有效采光与日照。南向的厅堂与居室均开有较大的窗户，窗墙比一般在0．4 ～0．55 之间，窗台高度约为900 mm，但天水的传统民居往往多为单坡或双坡屋面，并伴有较大的出挑，留出宽廊，这样的布局不利于冬季自然光线的射入。近些年来新建成的民居，部分已经弱化了宽廊的设计，并扩大了窗墙比，以利于冬季更多的阳光进入室内，见图8[8]。

图8 民居实拍

4．2 减少热量损失

天水地区的冬季时间较长，室内外温差较大，且需要主动采暖的时间较长，因此，减少热量的损失就成为了重要的问题。在建筑布局上，天水民居属四合院形制，院落呈南北长而东西窄的纵长方形，南向多有开窗，东西向山墙面开小窗或者不开窗，北向基本不开窗。这样单侧围护结构开敞的形式，有利于减少室内的热量损失。

另外，从建筑材料可知，天水民居多为土木结构，木头的导热系数较小，利于保温。且传统的民居多为夯土墙体，厚度约在500 mm。传统的夯土墙材料，不仅具有良好的蓄热性能，同时也有着突出的隔热性能，仅需要少量的能源消耗便可获得稳定而舒适的室内环境，见图9。

图9 民居山墙实拍

4．3 减少昼夜温差

天水地区的年温差值较为稳定，四季分明，但每天昼夜温差较大，天水地区的日温差可达14 ℃～18 ℃。对于这样的气候特征，传统的民居一般通过加厚墙体的方式来增加围护结构的蓄热能力，通常传统夯土墙体的厚度约在500 mm。这样的墙体设计可以确保在室外温度波动较大的时候，室内的温度能够相对稳定与舒适。与此同时，许多传统民居在更新设计时都增加了阳光房的设计，阳光房的设计不仅充分利用太阳热辐射改善室内的温度，而且还是空间上的延伸，以提供更加舒适的室内环境。但在阳光房的设计上，应注意通风隔热的处理，避免一些不利的影响。

4．4 夏季热遮阳策略

通过焓湿图可知天水地区在夏季无明显高温，需要遮阳的时间仅6．7%，主要集中在5 月～8 月。夏季，传统民居的挑檐设计就为室内提供了有效的遮阳措施。传统的单坡或者双坡屋面，在屋顶开有小的气窗，有利于夏季的通风换气，在降低室内温度的同时，也能改善室内的空气质量。与此同时，天水的传统民居，常在院子内种植树木，这些树木也成为了纳凉休憩的好地方。

4．5 解决光热矛盾

要充分利用太阳能热辐射采暖，需要增加窗户面积，减少遮阳措施，但是，夏季需要在室内活动时，为了避免过强的太阳光与眩光，居民需要一定的遮阳措施，这样反过来又影响太阳能采暖的效率。因此，既要提高太阳能采暖的效率，又需要确保室内舒适的光环境，可采取借助主动式设备的策略。首先，在屋面上设计太阳能集热板，通过太阳能集热板的转换，将太阳能转换为屋内的热能，以提供室内的采暖。其次，可以在窗户上加设遮阳措施，如百叶拉帘、遮阳窗帘等。这样做不仅可以有效控制室内的眩光，营造舒适的室内光环境，而且提高采暖效率，这种主动式策略虽然有一定的建造成本，但是效果稳定且明显(见表2) 。

表2 热工环境设计策略

5 结语

通过软件分析当地气象数据，不仅可以合理地提出相关的技术措施与设计策略，而且有利于建筑师、工程师精准把握当地气候的特征。对于建筑设计的初步阶段，可以明确提出相应的方案构思，另外，对于既有建筑的改造与更新，可以提出更加明确的技术应用措施，以满足室内环境舒适性的要求。目前，我们应用的软件多为国外开发性，与我国的气候及建筑类别有出入，针对我国生土建筑并不是完全合适。这就需要在选择策略的时候，有所取舍与判断，在获取基础数据后，能够深入分析与对比出适合我国国情和现状的策略。

天水地区属于我国的寒冷地区，自然环境较为舒适。通过对自然环境的变更不断做出调整与适应，以相对合理与科学的形式因地制宜的发展，提炼出具有自身特色的建筑布局、空间形式、建筑材料等。通过厚实的夯土外墙、出挑的宽廊、居室的火炕等措施来适应天水地区寒冷、昼夜温差大、太阳能资源丰富的气候特征。这些被动式的生土建造方式，虽然不能完全到达现代化的居住舒适的要求，但是在相对传统与技术落后的民居更新与改造上是非常实用与科学的。因此，这种传统的生土建筑以低技术、低成本的方式减少了能耗，节约了能源，也是天水传统民居被动式设计的主要设计策略与技术措施。