張家口壩上地區(qū)建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究
——以張北縣為例

(河北建筑工程學(xué)院 河北 張家口 075000)

張家口壩上地區(qū)建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究
——以張北縣為例

孫健陸炳燕成帥任志坤

(河北建筑工程學(xué)院河北張家口075000)

隨著北京攜手張家口成功申辦2022年冬奧會(huì)和京津冀一體化的進(jìn)程的加快，張家口已成為京津冀的避暑勝地和世界滑雪中心。本文以張家口典型氣象年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖、圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱和夜間通過(guò)風(fēng)、直接與間接蒸發(fā)降溫、自然通風(fēng)等氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略，為進(jìn)一步提升張家口空氣質(zhì)量與建筑節(jié)能有著重要意義。

張家口壩上地區(qū)；氣候適應(yīng)性；被動(dòng)式設(shè)計(jì)；軟件模擬

一、引言

北京攜手張家口成功申辦2022冬奧會(huì)和京津冀一體化的大背景下，張家口地區(qū)作為北京的“后花園”，與北京的聯(lián)系越來(lái)越緊密，整個(gè)地區(qū)呈現(xiàn)出城市發(fā)展加快的態(tài)勢(shì)。隨著人們生活品質(zhì)的提高，張家口良好的空氣質(zhì)量和自然環(huán)境更是凸顯出其優(yōu)越的宜居性，而現(xiàn)代建筑中采暖和空調(diào)技術(shù)的采用在改善室內(nèi)環(huán)境的同時(shí)，也帶來(lái)了能耗和污染的問(wèn)題。在建筑設(shè)計(jì)中，將當(dāng)?shù)貧夂驐l件的潛能發(fā)揮到最大，既可以滿(mǎn)足一定程度下建筑室內(nèi)舒適環(huán)境的要求，也可以有效的降低建筑能耗，進(jìn)一步提高張家口空氣質(zhì)量具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

二、張家口壩上地區(qū)氣候環(huán)境特征

張家口地形基本上由陰山山脈隔斷劃分為壩上和壩下兩個(gè)地區(qū)。壩上地區(qū)包括張家口市沽源、康保、尚義和張北4縣?；境尸F(xiàn)西北高，東南低的趨勢(shì)，平均海拔在1400米左右。張家口壩上地區(qū)屬于嚴(yán)寒地區(qū)，氣候劃分區(qū)域?yàn)镮D類(lèi)氣候區(qū)。

張家口壩上地區(qū)全年氣溫偏低，晝夜溫差較大；夏季室內(nèi)環(huán)境舒適，冬季寒冷漫長(zhǎng)。年日照可達(dá)2600～3100h，年太陽(yáng)輻射總量132～146Kcal/cm2。年均風(fēng)速為3.6～4.1m/s，屬于太陽(yáng)能、風(fēng)能富集地區(qū)。

三、張北縣建筑氣候適應(yīng)性分析

建筑節(jié)能受當(dāng)?shù)貧夂驐l件和人體熱舒適的影響，而對(duì)于建筑室內(nèi)舒適度來(lái)說(shuō)，溫度和相對(duì)濕度是首要考慮的因素。本文以張北縣典型氣象年數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》)為依據(jù)，通過(guò)weather tool得出當(dāng)?shù)亟ㄖ夂虻撵蕽駡D和各種被動(dòng)式設(shè)計(jì)方法所能改善室內(nèi)舒適度的逐時(shí)百分比，最終分析張北縣建筑室內(nèi)熱舒適的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略。

表是1張北縣典型氣象年逐月最低溫度和對(duì)應(yīng)相對(duì)溫度、最高溫度和對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度統(tǒng)計(jì)，由表1可知，張北縣夏季氣溫舒適宜人，但冬季室外溫度較低。春季和秋季相對(duì)濕度較低，空氣干燥。但由于張北地區(qū)冬季氣候異常寒冷，如何保持室內(nèi)溫度應(yīng)是建筑室內(nèi)舒適度首要考慮的因素。

表1 張北縣每月最低溫度和對(duì)應(yīng)相對(duì)溫度、最高溫度和對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度統(tǒng)計(jì)

注：圖表來(lái)源《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》數(shù)據(jù)

圖1 張北縣被動(dòng)式設(shè)計(jì)分析

注：室內(nèi)人的活動(dòng)狀態(tài)設(shè)為靜坐，南向開(kāi)窗率為30%，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)為高，被動(dòng)式太陽(yáng)能的效益設(shè)為平均,室內(nèi)風(fēng)速為1m/s。圖片來(lái)源Weather Tool得出。

表2 張北縣各月氣候調(diào)節(jié)策略有效時(shí)間比

注：數(shù)據(jù)來(lái)源Weather Tool得出。

1.被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖

被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖分為直接獲取太陽(yáng)能系統(tǒng)和各類(lèi)型暖房?jī)煞N方式。直接獲取太陽(yáng)能可以通過(guò)改變透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積、類(lèi)型、位置和朝向等方式來(lái)增加室內(nèi)對(duì)于太陽(yáng)能的吸收和利用。暖房則是通過(guò)增加一部分建筑空間，形成一個(gè)室內(nèi)與室外過(guò)渡空間，進(jìn)而改善室內(nèi)熱環(huán)境。此外還有一些綜合性的被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖方式,如特朗布?jí)?、史蒂夫·貝爾系統(tǒng)和巴拉系統(tǒng)等等。

由圖1和表1、2分析可知，張北縣冬季氣溫低且漫長(zhǎng)，采暖期為10月15日—4月15日。11月—3月被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖主要是對(duì)正午時(shí)間段的室內(nèi)溫度略提升，但基本不能滿(mǎn)足全天內(nèi)室內(nèi)舒適度的需求，需要采取傳統(tǒng)采暖保證室內(nèi)的熱舒適度。張北縣春秋氣溫較低，而夏季涼爽適宜。4月—6月和8月—10月被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖設(shè)計(jì)提高了16%—38%逐時(shí)百分比，32%—44%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。可以看出，在采暖期前后室內(nèi)熱環(huán)境較差時(shí)，被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖可以提高室內(nèi)溫度，保證室內(nèi)的舒適度。這對(duì)于過(guò)渡季節(jié)改善室內(nèi)熱環(huán)境意義重大。而7月份僅提高7%逐時(shí)百分比，32%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。從全年來(lái)看，被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖設(shè)計(jì)提高了15%逐時(shí)百分比，22%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。由以上分析可得，張北縣被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖設(shè)計(jì)春季、夏季和秋季增溫意義重大。

2.圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱通過(guò)改變建筑材料的蓄熱能力，延緩室外環(huán)境對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的影響。以便讓夜間的室內(nèi)溫度趨近于白天，白天的室內(nèi)溫度趨近于夜間。夜間通風(fēng)主要是通過(guò)夏季夜間通風(fēng)，將室內(nèi)溫度降低，白天將窗戶(hù)關(guān)閉，以延緩白天室外高溫對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。

由于張北縣8月的氣溫相對(duì)其他月份較高，且晝夜溫差較大。這段時(shí)間內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱略高于夜間通風(fēng)的逐時(shí)百分比之外，而全年其他時(shí)間基本相同。就兩者總體而言，由圖1和表1、2分析可知，由于張北縣冬季氣溫較低，11月—3月期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)于室內(nèi)舒適度的改善微乎其微。4和10月僅提高6%和5%逐時(shí)百分比，5月和9月改善了22%—26%逐時(shí)百分比，28%—34%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。在過(guò)渡季節(jié)中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)設(shè)計(jì)可以改善室內(nèi)部分時(shí)間的熱化境，以減少在采暖期前后室內(nèi)氣溫較低的時(shí)間。而6月—8月效果明顯，改善了43%—53%逐時(shí)百分比，64%—77%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)設(shè)計(jì)可以延緩夏季室外溫度對(duì)室內(nèi)溫度的影響，保證室內(nèi)熱環(huán)境白天更加涼爽，且夜晚相對(duì)溫暖。從全年來(lái)看，圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)設(shè)計(jì)可以改善16%逐時(shí)百分比，23%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。由以上分析可得，張北縣圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)設(shè)計(jì)在夏季和春秋較熱的時(shí)間段內(nèi)可以起到有效改善室內(nèi)舒適度的作用。

3.直接與間接蒸發(fā)降溫

直接蒸發(fā)降溫是通過(guò)通過(guò)蒸發(fā)作用產(chǎn)生冷氣流來(lái)給建筑的室內(nèi)環(huán)境降溫。如坎寧安和湯普森冷卻塔。間接蒸發(fā)降溫則是不將水蒸氣引入室內(nèi)，通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)冷卻作用來(lái)降低室內(nèi)熱環(huán)境的方式，如屋頂水池。

一年之中，張北縣直接蒸發(fā)降溫基本和間接蒸發(fā)降溫效果相同，只有在7月份的時(shí)候有較大差異，直接蒸發(fā)降溫基本比間接蒸發(fā)降溫設(shè)計(jì)低14%逐時(shí)百分比。就兩者總體而言，由圖1和表1、2分析可知，由于張北縣冬季寒冷，10月—4月直接與間接蒸發(fā)降溫設(shè)計(jì)對(duì)于室內(nèi)舒適度的基本沒(méi)有影響。除9月提高了5%，對(duì)于室內(nèi)舒適度影響較小外。5月—8月直接與間接蒸發(fā)降溫設(shè)計(jì)提高了13%—40%逐時(shí)百分比，21%—65%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)?？梢杂行У木徑膺@段時(shí)間內(nèi)白天室內(nèi)溫度略高的情況。從全年來(lái)看，直接與間接蒸發(fā)降溫設(shè)計(jì)提高了9%逐時(shí)百分比，16%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。由以上分析可得，張北縣直接與間接蒸發(fā)降溫設(shè)計(jì)在夏季對(duì)于改善室內(nèi)的舒適度有著很大作用。

4.自然通風(fēng)

自然通風(fēng)可以置換室內(nèi)污濁的空氣，保持室內(nèi)空氣質(zhì)量。在溫暖的環(huán)境下，較高的風(fēng)速可以增加人體對(duì)流換熱，并且消除皮膚因出汗而感到的不適，從而改善人對(duì)于室內(nèi)舒適度的感覺(jué)。

由圖1和表1、2分析可知，由于張北縣冬季寒冷，9月—4月期間自然通風(fēng)對(duì)于室內(nèi)舒適度基本沒(méi)有影響。而過(guò)渡季節(jié)由于張北縣氣溫仍然較低，所以自然通風(fēng)效果并不明顯。5月和9月自然通風(fēng)可以提高4%—8%逐時(shí)百分比，16%—27%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。夏季自然通風(fēng)對(duì)于室內(nèi)舒適度的影響較大，提高了12%—35%逐時(shí)百分比，33%—60%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。基本可以滿(mǎn)足白天通過(guò)自然通風(fēng)就可以達(dá)到室內(nèi)降溫的需求。從全年來(lái)看，自然通風(fēng)可以提高8%逐時(shí)百分比，15%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。由以上分析可得，張北縣自然通風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)于夏季和過(guò)渡季節(jié)溫度較高時(shí)節(jié)的室內(nèi)舒適度有著明顯的改善。

綜合考慮各種被動(dòng)式設(shè)計(jì)對(duì)張北縣室內(nèi)熱環(huán)境的影響，4月—10月室內(nèi)舒適度的改善有著顯著的作用。11月—2月被動(dòng)式設(shè)計(jì)對(duì)于室內(nèi)的舒適度影響微乎其微，這段時(shí)期主要需要依靠傳統(tǒng)采暖的方式來(lái)改善室內(nèi)舒適度。4月—10月被動(dòng)式設(shè)計(jì)提高了23%—55%逐時(shí)百分比，34%—83%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。尤其是6月—8月平均提高了52%—56%逐時(shí)百分比，78%—83%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。就全年而言，被動(dòng)式設(shè)計(jì)提高了25%逐時(shí)百分比，36%逐時(shí)百分比的室內(nèi)熱環(huán)境是舒適狀態(tài)。

四、結(jié)語(yǔ)

在建筑方案階段，通過(guò)相應(yīng)的采用適用于張北地區(qū)氣候條件的被動(dòng)式設(shè)計(jì)手段可以顯著的改善室內(nèi)環(huán)境。被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖、圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱與夜間通風(fēng)對(duì)于室內(nèi)舒適度的改善最為顯著，而自然通風(fēng)和蒸發(fā)降溫也有很好的效果。張北地區(qū)10月—3月需要被動(dòng)式太能能采暖與傳統(tǒng)采暖相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路來(lái)解決室內(nèi)舒適度的需求。4月—9月，被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略可以很好的利用當(dāng)?shù)貧夂驐l件，改善室內(nèi)熱環(huán)境。其中6月—8月效果最為明顯，通過(guò)各種被動(dòng)式設(shè)計(jì)方法的綜合利用，基本可以達(dá)到不用主動(dòng)式設(shè)備(空調(diào)、電扇等)就能滿(mǎn)足室內(nèi)舒適的需求。

[1]巴魯克·吉沃尼(美).建筑設(shè)計(jì)和城市設(shè)計(jì)中的氣候因素[M].第一版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2011年

[2]柳孝圖.建筑物理[M].第三版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2010年

[3]楊柳.建筑氣候?qū)W[M].第一版，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2010年

孫健(1990.01-)，男，漢族，石家莊市，在讀碩士，寒冷地區(qū)綠色建筑方向。