西北五省地区民居被动式建筑设计策略模拟

王玉宝

（山西省城乡规划设计研究院工程设计中心，山西 太原 030001）

随着社会的进步与发展，人们的环保理念不断加重，对建筑工程的节能减排要求也越来越高，发展绿色节能型建筑已经成为建筑行业发展的重要方向。西北五省城市地区在发展中对节能设计的应用已非常普遍，但乡村地区中很多住宅都是由居民自行建造，在建筑设计的科学性上存在一定不足，使得住宅的保暖能力和能耗水平较差，下文对该地区中民居被动式建筑设计策略进行模拟，希望能为农村住宅改造提供一定参考。

1 分析软件的选定

要想实现利用建筑设计对室内热环境进行改变并降低能耗的目标，需要在建筑物的设计阶段，以人体热舒适度、当地气候特点、方案设计三个因素作为居住热舒适度的设计因素，制定针对性更强的被动式设计策略。影响建筑物能源的原因较多，其中气象参数的影响较为明显，尤其是水平太阳辐射和气温等能直接影响建筑的采暖能耗。当前用于分析气候特点的常用分析软件有Ecotect Analysis，Cli-mate Consultant和Ladybug&Honeybee三种，以上软件都能结合地区历史气象资料对该区域的地理优劣势进行分析，并将分析结果用图形或图表表示出来，具体分析方式是先利用Energy Plus对地区全年的气象数据进行读取，读取内容包括太阳能、太阳辐射、风速、风向、降水量等，然后将各项数据以图表形式输出，使地区的全年气象数据一目了然。虽然以上三种分析软件的应用原理相同，但Cli-mate Consultant软件除能分析地区气象数据外，还能提供多种被动式建筑策略，与气相分析的目标相符。

2 舒适模型的选择

Cli-mate Consultant软件中列举了4种热舒适分析模型，分别为California Energy Code舒适模型、现行的ASHRAE Standard 55的PMV舒适模型、2005年ASHRAE舒适模型以及ASHRAE Standard 55—2010中的适应性舒适模型。四种舒适模型在功能性方面各有不同，其中California Energy Code对小范围热舒适分析效果较好，多适用于温和地区中应用中央空调进行集中供暖的建筑类型；ASHRAE Standard 55的PMV舒适模型中由于缺少湿度下限，多适用于气候湿润的地区中进行热舒适度分析，而西北五省普遍具有气候干燥的特征，若湿度过低，也会对居住的舒适度产生影响；ASHRAE Standard 55—2010适应性舒适模型对采用自然通风的建筑类型舒适度分析效果较好。综合比较后，对西北五省地区的气候特点进行分析的舒适模型最终选用2005年ASHRAE舒适模型。

3 西北五省地区气候条件分析

西北五省由陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区共同构成，五个省份共占全国陆地面积的31.7%，范围广面积大，按我国建筑气候区划标准来看，西北五省中的大部分地区都属于严寒及寒冷地区。通过统计一个城市非城镇常住人口的数量能侧面反映出该城市周边乡村民居的落成量，为模拟西北五省地区居民被动式建筑设计策略，选用西北五省代表城市在2018年统计年鉴中非城镇常住人口数据作为研究数据，并将非城镇常住人口数量最多的前四个城市作为最终研究对象。

通过Energy plus气象分析软件对各省市气象数据进行分析，并将居住建筑绘制焓湿图，对四个代表城市的被动式建筑策略适用时间用图1表示，统计后适用时间用图2表示。

图1 西北五省四个代表城市适宜的被动策略（焓湿图）

通过分析图2可知，在西北五省中选择的20个代表城市中，有19个城市适用“被动式太阳得热+高蓄热”建筑设计策略，16个城市适用“窗户遮阳”建筑设计策略。该两种被动式建筑设计策略对大部分西北城市来说都具有适用性，因此，最终对该两种居民被动式建筑设计策略进行深入研究和模拟，旨在探索被动式建筑设计策略与能耗之间的关系。

图2 西北五省地区各城市适宜的被动策略统计表

4 西北五省地区居民气候适应性策略分析

4.1 被动式太阳得热

根据我国建筑气候区划标准来看，西北五省中的大部分地区都属于严寒及寒冷地区，建筑气候区划图中Ⅱ类地区代表寒冷地区，代表城市选择兰州；Ⅵ类地区代表严寒地区，西北五省中只占其中的ⅥA，代表城市选择西宁；Ⅶ类地区代表中ⅦA，ⅦB，ⅦC选择乌鲁木齐为代表城市，ⅦD选择吐鲁番为代表城市。通过软件分析可知，寒冷地区在全年最冷月份1月的平均最低气温低于-10℃，严寒地区在全年最冷月份1月的平均最低气温低于-15℃，四个代表城市全年的温度范围用图3表示。若建筑物在进行设计时全依靠被动式太阳得热方式进行采暖，在冬季无法充分满足住户对热舒适度的要求。

图3 兰州、吐鲁番、西宁、乌鲁木齐的全年温度范围

西北城市普遍具有较为丰富的太阳能资源，如寒冷地区中的代表城市兰州和吐鲁番，两个城市在全年约有11%的时间每小时水平面总辐照量为316～474Wh/m2，18%的时间每小时水平面总辐照量超过474 Wh/m2（夜间时间占全年的50%）。基于这一特点，可在设计建筑空间布局时，使居住空间尽量朝向南方，同时扩大窗户面积，以获得更好的采光效果。另外，在建筑的朝南一侧设置被动式太阳房，更便于建筑在冬季获得更多热量，提高室内温度，减少能耗。

4.2 高蓄热

西北五省各城市普遍具有昼夜温差大的气候特点，高蓄热是利用建筑的外围护结构储存白天建筑吸收的热能，当夜晚室外温度逐渐降低后，外围护结构中的蓄热材料会逐渐散发热量保持室内温度的稳定。所以，在西北五省地区中设计居民被动式建筑时，可充分应用蓄热材料做建筑外围护材料，减少室内温度受外界温度的影响，还能有效减少建筑能耗。

4.3 窗户遮阳

由于西北城市普遍具有日照强烈的气候特点，很多城市需要在5～10月日照强烈的时间进行窗户遮阳，如西北城市中的寒冷地区需要窗户遮阳的时间占全年总时间的7.6%～13.3%，西北城市中的严寒地区需要窗户遮阳的时间占全年总时间的4.5%～16.7%。为提高建筑被动式太阳采暖能力会适当扩大南向窗户面积，为调节冬季得热和夏季避暑的矛盾，可利用可调节水平遮阳板或太阳能板进行遮挡。

5 策略验证——以宁夏、新疆地区为例

本文以宁夏和新疆乡村民居为例，对被动式建筑设计策略进行验证，对建筑的维护结构、户型优化和太阳能利用等进行节能设计。将具有代表性的常规建筑基准平面图和优化后的建筑基准平面图用图4表示。

图4 寒冷地区和严寒地区乡村居民基平面图

5.1 围护结构

通过调研发现，很多新建住宅并未对不同朝向的开窗标准进行统一，窗户面积的大小也主要根据建筑的采光需求确定，在对被动式建筑设计策略进行验证时，将未优化建筑不同朝阳的窗墙比初始值设为0.25，优化后，将朝南一侧窗墙比扩大为0.35，东西两侧窗墙比减小到0.1，朝北一侧不设开窗。此种优化方式不仅不会对室内采光产生影响，也不会使热量在空气南北向对流的过程大量散失，既能节省建筑造价成本，也能提高建筑在冬季的室内温度，减少能耗。

5.2 高蓄热

太阳能蓄热技术是目前较为成熟且造价较低的蓄热技术。对西北地区来说，由于昼夜温差大，提高建筑蓄热能力，减缓室内热量流失能有效减少建筑能耗。另外，也可科学选择建筑围护结构的材料，利用围护结构有效储存白天的自然热量，并在夜晚逐步散发热量，能有效减缓建筑内温度的下降速度。目前在乡村民居中常用的维护结构材料热物性如表1所示。

表1 常见蓄热级别建筑材料热物性

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当地乡村民居多采用300㎜厚烧结黏土砖作为建筑外墙围护结构，屋顶采用120㎜后预制钢筋混凝土空心楼板，不设保温层。建筑设计策略模拟过程中将外墙材料改为370㎜后钢筋混凝土作为外墙围护结构，屋顶改为200㎜厚钢筋混凝土。通过Design Builder模拟建筑能耗在蓄热材料变化前后的对比如表2所示。

表2 高蓄热策略前后能耗对比

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6 结语

本文通过Climate Consultant气候分析软件对西北五省地区居民建筑的设计策略进行模拟，希望能以此为参考，为西北地区民居改造提供一定思路，提高居民居住舒适度的同时，减少建筑在使用过程中的能耗。