关中地区传统民居气候适应性研究

2023-06-29王思思范小娜朱轶韵

西安理工大学学报 2023年1期

张蕾, 王思思, 范小娜, 朱轶韵

(西安理工大学土木建筑工程学院, 陕西西安 710048)

我国传统民居有着数千年的发展历史,其发展过程与气候和社会环境有着不可分割的关系。在以农业生产方式为主的背景下,经过不断“试错,进化”而来的传统民居[1],其建筑形式、空间布局和围护结构材料有着符合当地气候特点的地域特色,即使没有采暖、空调等设施,也可以满足人们对室内舒适度的一部分需求[2]。但随着气候的变化和社会的发展,民居的部分性能有所下降,已无法满足人们对建筑室内舒适度日益增高的需求。因此对传统民居气候适应性的优势及缺陷做出评价,对其不足之处进行因地制宜地优化,以此来提高室内舒适度,促进传统民居的可持续发展。

建筑气候适应性分析方法近年来被广泛应用于传统民居的优化设计中。何泉等[3]通过气候分析软件,肯定了拉萨传统民居气候适应性方面的优势,并对其不足之处提出了适宜的被动式策略。张涛等[4]以青海庄窠为研究对象,认为其在空间形态和热工性能两方面都具有良好的气候适应性特性。韩胜飞等[5]针对云南沧源佤族传统民居的气候特点,分析得到被动式太阳能利用在当地具有一定的潜力。

近年来多位学者对关中地区民居进行了研究,虞志淳等[6]通过对关中传统民居的热环境测试,发现了其室内热环境差,能耗高的问题,并针对以上问题提出了相应的优化措施。赵文学等[7]对民居冬季室内气象参数进行了测试,分析了室内热环境的形成原因,并提出了改造建议。何梅等[8]针对关中地区农村住宅的调研现状,从室内分区、围护结构、被动式太阳能利用等方面提出了适合该地区的节能策略。现有的研究大多只单独针对冬季或夏季对关中地区民居的优化提出建议,且缺少定量的分析验证。

本研究以关中地区传统民居为研究对象,采用实地调研测试与模拟相结合的方法,得到当地冬夏两季的气候特点,根据该结果分析传统民居在气候适应性方面的优势及存在的不足,进而提出适宜的被动式优化策略,以期为关中地区传统民居的传承及发展提供参考。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

关中地区的冬夏两季较长,独特气候特点使得当地形成了南北狭长的窄院型合院式民居[9]。民居南向房间为厅房,北向房间为门房,东西两侧为厢房,用作卧室、储藏和厨房。厅房的开间约为9～10 m,进深5～6 m,东西向厦房的开间随房间数量变化,进深一般在3 m左右。

1.2 研究方法

1.2.1 Climate Consultant 软件气候分析

气候分析软件可以科学客观地评判不同地区的气候特点,避免了人为的盲目性和主观性。Climate Consultant通过读取和分析某地区的气候数据,进而将其结果转化为直观的图表,如干球温度、太阳辐射强度、焓湿图等[10]。此外,该软件可以在焓湿图的基础上,有针对性地为该地区建筑提供15种气候适应性策略。因此本研究选择Climate Consultant分析关中地区的气候条件,并进一步解析当地传统民居气候适应性策略。

1.2.2 民居热环境实测

采用TESTO175-H型自记式温湿度计对关中地区传统民居进行热环境实地测试。课题组分别于2020年1月10日和2021年7月25日对当地代表性的典型建筑进行室内外温湿度测试,数据采集间隔为1 h。测试民居的平面图及测点布置见图1,民居围护结构的构造见表1。

表1 传统民居构造详情Tab.1 Details of traditional house construction

图1 测试民居平面图Fig.1 Civilian map for the test dwellings

2 关中地区气候分析及热环境测试结果

2.1 关中地区气候分析

关中位于我国陕西省中部,渭河两岸,南依秦岭,北眺北山,有“八百里秦川”之称。该地区在我国建筑气候分区上属于寒冷气候区,同时也属于大陆性半湿润半干旱季风气候区,年平均温度在9～13℃,年降水量为500～800 mm,多发生在夏季6～9月份,占全年总降水量的60%,冬春降水较少,空气相对湿度较小。

利用Climate Consultant读取关中地区代表城市之一西安的典型气象年数据,经分析计算得到适宜该地区最佳组合设计策略和焓湿图,见图2。

图2 西安市焓湿图Fig.2 Enthalpy-humidity diagram of Xi’an

由图2可知,当地全年仅有12.1%的时间处于舒适时间,41.6%的时间需要采取主动采暖的方式,8.4%的时间需要使用空调进行制冷。除主动措施外,在各项被动式策略中,有效时间比从高到低排列依次为内部得热(21.1%)、遮阳(10%)、被动式采暖+高蓄热(5.8%)、自然通风(5.7%)。虽然软件分析内部得热的有效时间占全年总时间的21.1%,但经调研发现,民居内部电器、照明数量有限,通过此方法获得热量的可能性较少,这一策略并不适合关中地区。

在不考虑主动式策略的前提下得到各月及全年的适宜性被动式策略组合方式,见图3。分析可得,当地春秋过渡季舒适时间较长,采取遮阳和通风措施在夏季对于提高舒适度有较大潜力;冬季室内热舒适度较低,可以利用被动式采暖和高蓄热墙体材料来改善冬季室内热环境。

图3 各气候适应性策略各月有效时间比Fig.3 Effective time ratio of climate adaptation strategy

2.2 民居热环境测试结果

2.2.1 夏季室内外空气温湿度

民居夏季室内外温湿度变化情况见图4和图5。由图4可知,测试期间室外平均温度为30.2℃,最高温度为33℃。由图5可知,测试当天民居厅房和主卧的平均温度分别为26.4℃和26.6℃,波动范围分别为24.9℃～27.7℃和25.9℃～27.1℃,处于夏季室内舒适温度区间内[11];相对湿度波动范围分别为72.2%～76.4%和70.2%～76.5%,已超出《中国建筑节能年度发展研究报告》[12]中规定的舒适度范围。

图5 夏季测试期间室内空气温湿度Fig.5 Indoor air temperature and humidity during summer test

2.2.2 冬季室内外空气温湿度

图6和图7为民居冬季室内外温湿度测试结果。由图6可知,当地冬季气候寒冷,室外最高温度为6℃,最低温度为-1.3℃,平均温度为2.5℃。由图7可知,民居厅房和主卧的平均温度分别为6.8℃和5.3℃,温度波动范围分别为5.4℃～8.9℃和3.8℃～7.6℃,无法满足人体热舒适需求[13]。因此,采用被动式太阳能采暖技术提升室内温度,改善室内热环境是十分有必要的。

图6 冬季测试期间室外空气温湿度Fig.6 Outdoor air temperature and humidity during winter test

图7 冬季测试期间室内空气温湿度Fig.7 Indoor air temperature and humidity during winter test

3 传统民居气候适应性分析

根据Climate Consultant软件对关中地区的气候分析给出的被动式策略组合和当地民居热环境实测结果,本研究主要针对传统民居的遮阳、自然通风、墙体的热工性能和被动式太阳能采暖等方面进行分析及优化。

3.1 遮阳

根据气候分析可知,关中地区4～8月份宜采用遮阳的策略来提高室内舒适度。当地传统民居庭院空间狭长,东西厢房只向内院开窗,一定程度上减少了太阳辐射对窗户的直射。其次,民居的屋顶形式多为坡屋顶,附有1.2 m左右宽的挑檐,夏季太阳高度角较大,挑檐阻挡了部分太阳辐射进入室内,降低了室内温度。

为定量分析挑檐对房间的遮阳效果,本文采用Ecotect读取西安地区的气象参数,以南向厅房为例建立模型,分别对有无挑檐两种工况进行模拟,得到厅房各月受到的太阳辐射总量及被遮挡百分比,结果见图8。由图8可知,在夏季,挑檐的存在大幅减少了各方向入射太阳辐射量,1.2 m宽的的挑檐使得太阳辐射遮挡比高达92%。在冬季,由于太阳高度角变小,挑檐对入射太阳辐射的影响较小。

图8 厅房各月总计太阳辐射入射量及遮挡比Fig.8 Monthly total solar radiation incident and occlusion ratio of the hall room

3.2 庭院通风

夏季的自然通风可以带走过多的湿气,是提升民居夏季室内舒适度的有效策略,而建筑的空间布局形式是影响其自然通风状况一大因素。为探究当地传统民居独特的窄院空间的自然通风性能,利用斯维尔Vent软件对其庭院空间的通风进行模拟定量分析。传统民居的庭院宽长比通常在1∶3～1∶4,厅房与厢房之间有1～3 m宽的走廊[14],本研究设置以下四种工况(见表2)来进行模拟分析,结果见图9。

表2 庭院尺寸比例变化的四种工况Tab.2 Four working conditions of courtyard size ratio change

图9 不同庭院尺寸的风速云图Fig.9 Wind speed nephogram for different courtyard sizes

由图9可知,当庭院面宽与进深之比为1∶3时,庭院中心无风区面积较大,各房间门前风速达到0.7 m/s;当面宽与进深之比为1∶4时,庭院中央无风区面积缩小,各房间门前风速达到0.8 m/s。这是因为进深增大,庭院的“狭管效应”增强,故当地独有的窄院形式在一定程度上有利于促进夏季通风。

3.3 墙体热工性能

外墙体是建筑抵御不利气候的重要屏障,其材料的热工性能是影响室内热量和温度的波动主要因素。当地传统民居外墙的主要材料是天然环保的生土,为评价生土墙的热工性能,将其与现代民居普遍使用的实心砖墙和空心砖墙对比,在Ecotect和Design Builder中建立厅房的简易模型,分别模拟在不同墙体构造下该房间最冷日围护结构得失热量和室内逐时温度。模型设置中屋面、门窗构造与实测民居构造保持一致,三种不同墙体材料参数及热工指标见表3,模拟结果见图10和图11。

表3 不同墙体构造及热工指标Tab.3 Different wall constructions

图11 最冷日室内逐时温度Fig.11 Hourly indoor temperature on the coldest day

图10为最冷日围护结构结构各时间段内得失热状况,三种墙体构造均在12:00至17:00时间段内热损失量逐渐减少。经计算得到在最冷日全天累计得失热中,生土墙体热损失量最少,为77 848 Wh,实心砖墙和空心砖墙的热损失量较大,分别为116 202 Wh和116 264 Wh。通过对比可以得出在寒冷的气候条件下,相较于现代砖混民居的墙体构造,生土墙体高热阻的特性可以减少室内外热量传递,有利于维持室内热环境的稳定。此外,采用生土墙作为外围护结构时,最冷日室内平均温度为5.2℃,日温差为1.5℃。实心砖墙和空心砖墙作为围护结构时,室内平均温度分别为3.4℃和3.2℃,温差分别为1.6℃和1.7℃。可见传统生土民居的室内温度相较现代普通砖混民居高2℃左右,其围护结构材料体现出了良好的气候适应性。

3.4 被动式太阳能采暖

被动式太阳能采暖是指在不借助机械外力等主动措施的前提下,通过建筑的朝向、空间布局方式等[15]手段使得室内热环境达到冬季热舒适区间。在调研测试过程中发现当地传统民居并无被动式采暖的措施,考虑到其普遍带有1.2 m左右宽的檐廊,可以将南向厅房的檐廊封闭形成简易的附加阳光间。为定量分析阳光间对室内温度的提升效果,利用Design Builder建立南向厅房的模型,对比有无阳光间两种情况下冬至日室内温度,结果见图12和图13。

图12 有无阳光间厅房室内温度对比Fig.12 Comparison of indoor temperature between rooms with and without sunroom

图13 室外及阳光间内温度Fig.13 Outdoor and sunroom temperature

由图12和13可知,冬至日室外最低温度为-6.9℃,无阳光间的情况下,南向厅房室内平均温度为5.2℃,日温差为1.5℃。将其南向檐廊设为简易阳光间后,阳光房内最高温度为15℃,厅房室内平均温度为6.5℃,日温差为0.8℃。相较于无阳光间的情况,室内平均温度提高了约1.3℃,且在夜间温度降低缓慢,波动幅度减小。因此,附加阳光间式的被动式采暖技术对于改善当地民居热环境有着一定的作用。