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通过分析重庆农村气候特征及热环境现状,对当地农民自建房热环境进行多目标优化设计,因地制宜优化围护结构,采用阳光间、地道风、绿化隔热等适合农村特点的被动技术。优化后测试结果表明,冬季室内平均温度增加约2℃,夏季降低1.2℃,在取得良好运行效果的同时还带来明显环境效益,为重庆广大农村提供了热环境优化的工程示范。
农村住宅室内热环境多目标优化设计
——重庆农村自建房改造实践
Multi-objective Optimization Design of Indoor ThermalEnvironment for the Rural Residential: Reform Practice of the Rural Residentialin Chongqing
撰文 | 杨真静 彭明熙
作者单位 | 重庆大学建筑城规学院,
* 精彩摘录 *
随着农村经济的快速发展和人们生活水平的不断提高,农村居民对居住环境的要求也越来越高,采暖空调设备也逐渐在农村使用,而农村既有建筑多为农民自建,施工技术水平低下,建筑围护结构热工性能较差,导致建筑后期用于改善室内热湿环境的能耗很大。这显然与全球节能减排大趋势背道而驰。因此,探讨如何适应农村经济水平和农民生活习惯,打造低能耗高舒适性的农村建筑是改善农民居住质量、推动可持续发展的重要内容。
重庆不但是夏热冬冷气候区的典型城市,而且是具有“大山大水大雾大火炉”的特殊自然环境,建筑热环境较其他地区有其自身的特点。目前,国内对夏热冬冷气候区的农村住宅热环境的研究还仅仅集中在对现有热环境的调查测量上,虽普遍指出了农村居住建筑热环境存在的较大问题,但对改善具体热环境的优化措施及实用效果很少涉及,本文以重庆农村自建房为优化对象,结合现代建筑设计理论和方法,将建筑空间打造纳入热环境营造的视野,以多目标为导向,探索适宜于重庆山地湿热气候且符合农民生产生活方式的农村建筑。
一 重庆农村地区气候特点及居住建筑热环境现状
1 气候特点
重庆的农村住房多散布于大山沟壑中,山水环境营造出的局地微气候对建筑热环境影响显著。与城市相比,农村气候特点主要体现在以下几个方面。
(1)日平均气温相对较低,日较差大 城市受热岛效应的影响,夏季日平均气温较高,全天昼夜温差较小,而农村建筑相对分散,建筑密度低,下垫面大都为可透水面,夜间降温迅速。我们可以比较一下两者同时段(2015年7月11日—7月30日)室外气温测量结果。江津区龙塘村海拔和重庆主城比较接近,从图中可以看到,城市主城区每日最高温、最低温及日平均温度均高于乡村,尤其体现在连日晴天时段,城乡温差可达2℃以上。在一个降雨周期内,城市气温较乡村上升明显迅速,而降温速度较为缓慢。从一天来看,乡村气温的峰值出现在13:00左右,和太阳辐射较为同步,而城市气温的升温过程更长,峰值出现时间明显滞后,在下午16:00左右,导致一天内降温时间更短,城乡夜间温差更大。而乡村的高温与太阳辐射峰值的同步性则说明遮阳措施对乡村建筑的作用更为直接和显著。
▲ 重庆聚落风貌:重庆合川鱼城村
2 室内热环境现状
农村居住建筑可分为三类,第一类是修建年代较早的传统民居。这类民居采用夯土、条石、木夹壁、竹篾泥墙等当地易取的材料,经过长时间的逐渐演变适应,积累了很多适应当地气候的技术手法,如吊脚、出挑、架空、天井、老虎窗等。虽然围护结构除夯土外,其他距现行的建筑节能标准有较大差距,但在农村气候条件下,依靠环境因素大都能有效解决室内热环境问题。以木板壁民居为例,虽然围护结构轻薄,但借助环境冷量加强自然通风,从APMV指标来看夏季室内舒适性较好。
▲重庆地区传统民居类型及室内热环境:夯土建筑
二 改造案例简介
改造案例位于渝西经济走廊的江津区柏林镇兴农村,如前所述属于重庆太阳能资源较为丰富的地区,为2010年农户自建房。该村海拔320-750 m,相对高差达430 m,属于典型山地农村,拟改造农宅海拔720 m,紧邻通往国家5A级景区四面山的343县道。
▲ 重庆江津地区柏林镇新农村自建房:区位
三 自建房热环境问题
由于是农民自建,因此建筑没有任何保温隔热措施,建筑承重和非承重墙分别为24和18砖墙,屋盖仅为椽子上10 mm厚机制平瓦,单玻塑料窗框,铝合金外门。选择西晒明显的二层西侧卧室为最不利房间进行夏日气温测试。从表中可以看到,室内温度平均值和最大值都在30℃以上,用APMV来评价,一天内70%的时段都属于不达标时段。
另外,该农宅同重庆大量农村自建房一样,堂屋热环境问题突出,重庆农村存在的普遍现象是堂屋只设门不设窗。堂屋是一家的活动和精神中心,过去一直是供奉祖先的位置,现在也是祭祀兼劳作的空间。因为没有外窗,农户须将大门敞开才能满足室内采光和换气的要求,而且农户间交往频繁,很多的功能空间在院坝内,因此堂屋大门在日间一直处于开敞状态,这就带来了堂屋热环境问题,尤其在冬季,随着早上开启大门堂屋室温陡降,下降幅度达3.2℃,且随着室外温度变化而波动明显。
四 改造思路及适宜技术措施
1 改造思路
农村与城市建筑改造相比有较大差异,受经济与技术水平的限制,农宅改造在选用技术方面会受到一定限制,因而对技术的适宜性会有更高的要求。要以多目标为导向,体现因地制宜、就地取材、经济便捷的特点,且在运行过程中少管理少维护,在追求良好运行效果的同时改善农户居住环境。突出的思路主要体现在以下三点。
第一,充分利用农村资源,农村土地宽敞、太阳辐射丰富、环境容量大,需采取针对性措施; 阳光间技术一直以来被认为不适合南方地区,因为会导致夏季室内过热,为解决这一问题,我们利用本草类植物的季节特性来满足冬夏的不同需求。在阳光间两侧设置种植槽和藤架,结合庭院种植,农户可以种丝瓜、葫芦、葡萄等藤蔓农作物,夏季农作物生长茂盛,阳光间顶部藤蔓繁茂的枝叶可有效的遮阳,且顶部高侧窗可以开启通风,从靠山侧的冷空气进入室内,加热后上升从顶部高侧窗排出,将阳光间营造成好似凉棚下的舒适空间,冬季藤蔓植物枯萎,阳光间可充分利用太阳辐射来加热堂屋和卧室,且成为室内外热环境缓冲空间,有效解决了堂屋过冷和波动太大的问题,生态阳光间反映出冬夏季不同的运行工况。
▲ 重庆江津地区柏林镇新农村自建房:剖面
二层阳台封闭成阳光间,并在与两侧卧室相邻的墙上上下分别安装风机,日间不断将卧室内冷空气与阳光间内热空气进行有效循环,逐渐提高卧室温度。
五 结论
建筑的生命力在于人的使用。农村居住建筑改造不应局限于表皮、风貌的保护,而应该真真切切地提高农民的居住质量,只有让农民得到实惠,改造才是可持续且有生命力的。重庆农村住宅的热环境优化设计,实现了多重目标,既提高了室内舒适性又满足了农户的生产生活需求,还优化了农村住宅庭院景观,在取得良好的运行效果的同时兼具环境效益,为重庆广大农村提供了低能耗高舒适农村建筑热环境改造的工程示范。
详情请查阅《新建筑》2016年第6期(总第169期)。
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微信编辑:桂杰