■ 李翔宇 LI Xiangyu 徐友璐 XU Youlu 劉昌睿 LIU Changrui 郭 菂 GUO Di

0 引言

隨著我國(guó)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的快速推進(jìn)與村鎮(zhèn)整體生活水平的逐步提高，村民對(duì)生活品質(zhì)及居住環(huán)境的要求也隨之提升。由于不同氣候區(qū)室外溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及局部氣候上會(huì)存在一定差異，因而不同熱工分區(qū)內(nèi)建筑能耗水平及其重要影響參數(shù)會(huì)有所不同[1]。受地理環(huán)境不同及氣候差異的影響，各地區(qū)建筑熱工環(huán)境設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同；無(wú)論是房屋的肌理、空間還是材料構(gòu)造，都呈現(xiàn)出較大的規(guī)律性差異。因此，基于特定的地區(qū)及氣候條件下，進(jìn)行針對(duì)性改造策略的探討才更有意義。

在環(huán)境問(wèn)題日益突出及國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排綠色發(fā)展的背景下，基數(shù)大且總量多的村鎮(zhèn)民居對(duì)建筑整體耗能的影響不可忽視。目前，我國(guó)村鎮(zhèn)民居多采用空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)[2]；而基于經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性考量，村民往往更加傾向于被動(dòng)式調(diào)節(jié)的方式。因此，為提升居民生活品質(zhì)、緩解村鎮(zhèn)建筑耗能，村鎮(zhèn)民居的低能耗改造尤為必要。本文將結(jié)合實(shí)例，對(duì)村鎮(zhèn)住宅的被動(dòng)式節(jié)能改造進(jìn)行實(shí)效分析。

1 改造民居區(qū)位及氣候分析

改造項(xiàng)目為山東省濰坊市馬司村的一處民居（圖1），位于環(huán)渤海地區(qū)范圍內(nèi)。該區(qū)域在我國(guó)建筑氣候分區(qū)中橫跨嚴(yán)寒地區(qū)及寒冷地區(qū)，夏季主要受太平洋夏威夷低氣壓帶來(lái)的濕熱季風(fēng)影響；其西北方向隔大興安嶺緊鄰蒙古高原及西伯利亞地區(qū)，故冬季風(fēng)受北方內(nèi)陸干冷風(fēng)影響[3]。由于受地理位置與氣候條件的雙重影響，需同時(shí)兼顧夏季隔熱通風(fēng)與冬季保溫防風(fēng)。

圖1 山東濰坊改造民居區(qū)位及實(shí)況

使用氣候分析軟件Climate Consulan，對(duì)濰坊市全年溫濕度（圖2、3）進(jìn)行分析。由溫度指標(biāo)可知，氣溫在20～25℃范圍內(nèi)的，全年不超過(guò)5 個(gè)月，大部分時(shí)間超出了人體舒適度范圍；從濕度指標(biāo)來(lái)看，全年有接近一半的時(shí)間相對(duì)濕度在60%～80%，夏季大部分時(shí)間相對(duì)濕度則在80%以上。因此，其氣候特點(diǎn)為：夏天炎熱濕潤(rùn)，冬季寒冷干燥。

圖2 濰坊市全年溫度分析

2 改造前后數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)及分析

在不同環(huán)境下，人體對(duì)于不同氣象指標(biāo)諸如溫度、濕度及風(fēng)速等的敏感性并不相同?；诖舜胃脑斓膶?shí)際情況及外部環(huán)境，選擇對(duì)人體舒適度影響相對(duì)較大的溫濕度進(jìn)行記錄，并將其作為評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境及舒適度的兩項(xiàng)主要指標(biāo)。

2.1 測(cè)點(diǎn)分布及測(cè)量方法

對(duì)房屋平面連同院落進(jìn)行分區(qū)并布置12 個(gè)測(cè)量點(diǎn)（圖4），覆蓋改造建筑的主屋、側(cè)屋以及室外院子的全部區(qū)域。測(cè)量?jī)x器擺放于窗戶和門扇中線上距氣候邊界1.5 m 位置處，且測(cè)點(diǎn)距地面高度統(tǒng)一為1.5 m，以避免室內(nèi)外不同點(diǎn)之間垂直方向上的細(xì)微差別對(duì)結(jié)果的干擾。在12 個(gè)測(cè)點(diǎn)中，1～8 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于主屋內(nèi)，其中，1～4 號(hào)測(cè)點(diǎn)靠近北立面，5～8號(hào)測(cè)點(diǎn)靠近南立面；9～11 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于側(cè)屋內(nèi)，其中，11 號(hào)測(cè)點(diǎn)所在的旱廁為半室外環(huán)境，12 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于院落中央，反映室外環(huán)境變化并可作對(duì)照。

圖3 濰坊市全年濕度分析

圖4 測(cè)點(diǎn)平面布局示意圖

根據(jù)濰坊市所處熱工分區(qū)及氣候特點(diǎn)，將測(cè)量時(shí)間劃分為冬夏季和過(guò)渡季（春秋兩季），分4 次進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。其中，過(guò)渡季測(cè)量時(shí)間選在春秋兩季中間月（4 月和10 月）的中旬，夏季測(cè)量時(shí)間選最熱月（7 月）中旬，冬季測(cè)量時(shí)間選最冷月（1月）中旬。每次測(cè)量均為逐時(shí)記錄，且每次測(cè)量布點(diǎn)時(shí)間間隔均為3 個(gè)月。

2.2 外部氣候環(huán)境分析

在各季節(jié)測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，逐時(shí)記錄室外測(cè)點(diǎn)12 每日（按當(dāng)日14:00至次日14:00 計(jì)）的溫濕度，并求均值繪制散點(diǎn)圖（圖5、6）。

由圖5 可知，建筑所處環(huán)境在過(guò)渡季的晝夜溫差相對(duì)較?。ǎ?℃），全天超過(guò)80%的時(shí)間均處于人體舒適度范圍(18～25℃)內(nèi)，整體氣候環(huán)境較為舒適；而在夏季和冬季，室外溫度在很大程度上偏離了人體舒適度范圍，必須要有相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施才能保證室內(nèi)舒適度。

圖5 測(cè)點(diǎn)12 的四季溫度散點(diǎn)圖

由圖6 可知，春夏兩季均較干燥，多數(shù)時(shí)間段濕度在30%±5%范圍內(nèi)浮動(dòng)；而秋冬兩季的溫濕度指標(biāo)相對(duì)較高，整體上比春夏兩季潮濕。

圖6 測(cè)點(diǎn)12 的四季濕度散點(diǎn)圖

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性分析

改造的重點(diǎn)集中于提升房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性及保溫隔熱效果，以保證室內(nèi)環(huán)境的舒適性。在改造前，由于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及屋頂缺少保溫隔熱構(gòu)造（圖7），氣密性較差且保溫性能不佳，使得層高接近3.6 m 的主屋在寒冷的冬季毫無(wú)居住舒適性可言。

圖7 改造前建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及屋頂構(gòu)造

由于改造民居位于聯(lián)排式建筑群內(nèi)，東西立面均與隔壁房屋共用，因此，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造主要集中于南北立面，具體改造內(nèi)容包括增加外墻保溫并更換門窗材料以提升門窗氣密性及保溫性能。至于屋頂?shù)母脑?，則通過(guò)室內(nèi)空間的改造間接實(shí)現(xiàn)。在室內(nèi)增加吊頂，將原有高度遠(yuǎn)超3 m 的室內(nèi)空間降至3 m 以內(nèi)。這樣，既可以通過(guò)新增的吊頂層改善原有坡屋頂氣密性不佳的問(wèn)題；又增加了一層空氣層保溫，從而提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫效果。

（1）由改造前后的溫濕度變化（圖8、9）可知：改造前，建筑室內(nèi)外溫差較小，氣候邊界不明顯。其中，春季氣溫變化最大幅度在3℃左右，整體環(huán)境相對(duì)較為舒適；夏季較為炎熱，位于主屋的8 個(gè)室內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度均值及極值均超過(guò)了人體正常的舒適溫度范圍，室內(nèi)外溫差極值也始終在4℃范圍內(nèi)，建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)室內(nèi)外溫度方面的作用微乎其微，無(wú)法保證室內(nèi)環(huán)境的舒適度。改造后，建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性的提升情況在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上得到了直觀反映。以測(cè)點(diǎn)8、10 和12 的冬季數(shù)據(jù)為例，室外溫度（測(cè)點(diǎn)12）為7.4℃時(shí)，側(cè)屋儲(chǔ)藏室（測(cè)點(diǎn)10）內(nèi)溫度為11℃，而主臥（測(cè)點(diǎn)8）室內(nèi)溫度則接近18℃，室內(nèi)外溫度差值將近10℃，相較于改造前有了明顯提升。

圖8 各測(cè)點(diǎn)改造前后四季溫度曲線圖

（2）從曲線的波動(dòng)幅度來(lái)看，在改造前，無(wú)論是春季還是夏季，12個(gè)測(cè)點(diǎn)相互連接形成曲線的波動(dòng)性較小，說(shuō)明“室外—半室外—室內(nèi)”的邊界區(qū)分并沒有對(duì)應(yīng)到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的界定作用幾乎可以忽略不計(jì)；但是在改造后，曲線的溫濕度分布有了規(guī)律性變化，從側(cè)面反映出圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。

（3）從圖9 可以看出，在較為干燥的春夏季，房屋的室內(nèi)濕度明顯高于室外，尤其是位于北面的1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)，相對(duì)濕度接近60%；而同一時(shí)刻，室外的相對(duì)濕度只有30%左右。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是室內(nèi)房間單元的劃分不太合理，導(dǎo)致北向房間通風(fēng)狀況不佳（圖10）。因此在改造時(shí)，需對(duì)內(nèi)部單元的分隔重新布置，使房間內(nèi)通風(fēng)效果更佳（圖11）。

圖9 各測(cè)點(diǎn)改造前后四季濕度曲線圖

圖10 改造前室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)

圖11 馬司村被動(dòng)式低能耗改造方案平面圖

2.4 房屋熱工性能分析

取室外測(cè)點(diǎn)12 及室內(nèi)測(cè)點(diǎn)8(主臥)、測(cè)點(diǎn)7(客廳)、測(cè)點(diǎn)4（主臥儲(chǔ)藏室)各季整點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制柱狀圖（圖12、13）。

（1）由圖12 可知，房屋改造前，春秋兩季溫度雖處于舒適范圍內(nèi)，但冬夏兩季環(huán)境溫度超過(guò)了體感上限與下限，且房屋無(wú)被動(dòng)式調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，因而測(cè)點(diǎn)4、7、8 的溫度均偏離了人體舒適區(qū)；改造后，由于房屋整體熱工性能的變化，夏季室內(nèi)溫度下降，冬季室內(nèi)溫度上升，尤其是冬季室內(nèi)溫度相比改造前平均提升了6℃左右。

圖12 改造前后測(cè)點(diǎn)4、7、8、12 溫度分析

（2）由圖13 可知，改造前，由于室內(nèi)通風(fēng)狀況不佳，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度常年處于55%以上，秋冬季甚至達(dá)到80%以上；改造后，主要活動(dòng)房間基本實(shí)現(xiàn)了全年處于相對(duì)舒適的濕度范圍內(nèi)，原本夏季干燥、冬季潮濕且常年密閉不通風(fēng)的狀況得到了有效改善。

圖13 改造前后測(cè)點(diǎn)4、7、8、12 濕度分析

通過(guò)以建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造為主、室內(nèi)空間再設(shè)計(jì)為輔的被動(dòng)式改造設(shè)計(jì)，該房屋實(shí)現(xiàn)了不同季節(jié)房屋進(jìn)行被動(dòng)式調(diào)節(jié)的實(shí)際效果，尤其是增強(qiáng)了房屋夏季防熱與冬季保溫的熱工性能，從而提升了房屋的居住品質(zhì)與舒適度，并減少對(duì)調(diào)節(jié)設(shè)備的依賴性，降低能耗。

3 室內(nèi)舒適度評(píng)價(jià)

氣候舒適度是指在氣溫、濕度、風(fēng)速和日照等氣象因子的綜合影響下，人體冷熱感覺的舒適狀態(tài)與適宜程度。對(duì)于改造前后室內(nèi)舒適度的評(píng)價(jià)，不僅需要有客觀評(píng)價(jià)的模型及標(biāo)準(zhǔn)，還需要制定合理的體感分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并與對(duì)量化指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果相對(duì)應(yīng)，使其與人體的冷熱經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生直接關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)舒適度的綜合評(píng)價(jià)。

3.1 舒適度評(píng)價(jià)模型

結(jié)合此次改造實(shí)踐的數(shù)據(jù)記錄，選取經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭芯哂写硇郧遗c溫濕度兩項(xiàng)氣候指標(biāo)直接相關(guān)聯(lián)的溫濕指數(shù)（Temperature Humidity Index，THI）作為此次舒適度計(jì)算及評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)模型。常用的溫濕指數(shù)計(jì)算公式為：

式中，ITH表示溫濕指數(shù)；t表示氣溫；RH表示相對(duì)濕度。

基于THI 計(jì)算模型，可以直接通過(guò)所測(cè)得的溫濕度數(shù)據(jù)計(jì)算得出ITH值，并通過(guò)季節(jié)錨點(diǎn)法[4]與人體的主觀感知相對(duì)應(yīng)，為客觀氣候指標(biāo)與人體主觀感受兩者之間建立一個(gè)較為合理的比較分析方法，用于室內(nèi)舒適度的綜合評(píng)價(jià)。

3.2 改造前后舒適度評(píng)價(jià)

選取改造前后12 個(gè)測(cè)點(diǎn)在過(guò)渡季及冬夏季12:00 的溫濕度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（表1、2），通過(guò)THI 計(jì)算模型得到相關(guān)數(shù)值后，與人體的主觀感受建立科學(xué)合理的聯(lián)系?；凇凹竟?jié)錨點(diǎn)法”體感分級(jí)的相關(guān)理論，按不同時(shí)期人們對(duì)于冷熱感受的描述，將其劃分為“暑—熱—暖—溫—涼—冷—寒” 7 級(jí)體感。實(shí)際應(yīng)用中，不同體感劃分之間的6 個(gè)THI 模型分界值如表3 所示，對(duì)應(yīng)參考溫度是指在每種體感等級(jí)對(duì)應(yīng)下，只考慮溫度時(shí)，相對(duì)應(yīng)的參考范圍。

表1 改造前全年溫濕度實(shí)測(cè)及ITH 計(jì)算

表2 改造后全年溫濕度實(shí)測(cè)及ITH 計(jì)算

表3 季節(jié)錨點(diǎn)法所得體感等級(jí)表 單位：℃

由于不同溫度范圍內(nèi)的濕度波動(dòng)對(duì)人體熱感覺與水鹽代謝的影響并不相同，可以通過(guò)相同濕度下的溫度及溫濕指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，建立與體感分級(jí)之間的聯(lián)系并相互參照，確保結(jié)論的合理性。

在改造前后，根據(jù)上述7 級(jí)體感劃分，對(duì)兩位老年住戶的主觀感受進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)研，并與ITH值相比較（表4、5）。結(jié)果顯示，老人對(duì)改造前后各季節(jié)同時(shí)期的主觀感受均產(chǎn)生了變化，尤以夏、秋、冬三季感受明顯。

表4 改造前戶主體感調(diào)研與ITH 值對(duì)照分析

（1）夏季：改造前，老人對(duì)其中6 個(gè)主要房間的體感為“暑”；改造后，室內(nèi)測(cè)點(diǎn)1～8 所處房間的體感均在“暖”“熱”范圍內(nèi)。這一結(jié)果與ITH 基本相符。

（2）秋季：改造前，老人對(duì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)的體感均為“溫”“涼”；改造后，除室外體感為“溫”外，其他11 個(gè)測(cè)點(diǎn)的體感均為“暖”，改造效果明顯，與ITH 基本相符。

（3）冬季：改造前，老人對(duì)北面及西面所有測(cè)點(diǎn)房間體感均為“涼”，室外院落（測(cè)點(diǎn)12）為“寒”，僅朝南的臥室（測(cè)點(diǎn)6、8）與客廳（測(cè)點(diǎn)7）體感為“溫”；改造后，測(cè)點(diǎn)12 體感不變，北面及西面其他測(cè)點(diǎn)房間體感基本變?yōu)椤皽亍?，測(cè)點(diǎn)6～8 的體感變?yōu)椤芭?，室?nèi)保溫效果明顯改善。對(duì)應(yīng)ITH值來(lái)看，改造后，室內(nèi)ITH最小值為13.7℃（衛(wèi)生間除外）、最大值為19.1℃，室外ITH值為6.4℃，與老人的實(shí)際感受存在細(xì)微差別，但基本契合。

由此可見，通過(guò)對(duì)建筑南北立面增設(shè)保溫設(shè)計(jì)，在室內(nèi)增加吊頂及屋頂保溫層，以及改變室內(nèi)隔墻位置等被動(dòng)式改造措施，可有效改善室內(nèi)環(huán)境，提升室內(nèi)居住舒適度。

表5 改造后戶主體感調(diào)研與ITH 值對(duì)照分析

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，人們的生活水平逐步提升，對(duì)居住品質(zhì)的要求也越來(lái)越高——在改善居住質(zhì)量的同時(shí)，亦需遵循低碳環(huán)保的原則。然而，大部分鄉(xiāng)村民居尤其是村民自建房往往會(huì)忽視此方面的設(shè)計(jì)及投入，造成額外成本及建筑耗能的增加。

在本案例中，通過(guò)被動(dòng)式低能耗改造，其房屋外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能尤其是冬季保溫的實(shí)際效果明顯增強(qiáng)，整體居住舒適度提升，對(duì)同類型民居的改造具有借鑒意義。