基于微氣候改善的豫北生態(tài)鄉(xiāng)村住宅設計策略★

付澳華 石玉凡 衛(wèi) 瑞 劉鑫雨 馬 珂

(河南科技學院園藝園林學院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

近年來，我國工業(yè)化發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)化使得建筑增量急劇增加，建筑能耗已成為學界重點研究方向之一。如何通過設施或環(huán)境的整理和改變來提升建筑所產(chǎn)生的微氣候，結合當代生態(tài)建筑技術研究可實施的建筑設計方法并改善鄉(xiāng)村住宅的居住質(zhì)量，是當下提高鄉(xiāng)村聚居水平、生態(tài)環(huán)境水平的重要基礎。因此在當下鄉(xiāng)村振興政策深化實施階段，基于微氣候改善鄉(xiāng)村住宅研究具有其社會價值。

1 豫北地區(qū)微氣候特征

豫北地區(qū)主要指河南省黃河以北的地區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬冷夏熱。年平均氣溫為14 ℃，7月氣溫最高，平均27.5 ℃，1月最冷，平均0.1 ℃。整體地勢西北為太行山，東南平原較多。全年東北東風最多，次多風向為東北風。夏季雨水較多，雨水量變化較大，年均降雨量為650 mm。

2 鄉(xiāng)村住宅建筑微氣候改善策略

2.1 建筑形態(tài)布局與微氣候

2.1.1 建筑南朝向布置

豫北地區(qū)，冬冷夏熱，在冬季如何保存室內(nèi)熱量、夏季如何隔熱是鄉(xiāng)土住宅的關鍵需求。所以采光方面建筑朝向應盡量面向太陽輻射熱多的方向以接受冬季的熱輻射，利用Weather Too進行建筑氣候分析得出：豫北地區(qū)最佳朝向為南偏西10°到南偏東15°，因此建筑在布置上朝向以南向為佳，南向建筑在低溫的冬季可以獲得相對其他朝向更多的太陽輻射熱，可以提高建筑室內(nèi)溫度。同時，從建筑通風方面考慮，豫北地區(qū)夏季主導風向以南風為主，因此豫北地區(qū)建筑南向可進行通風設計，建筑朝向布置可以與夏季主導風向保持相對于其他建筑朝向較小的角度，以利于自然通風。因此，在豫北地區(qū)的鄉(xiāng)村建筑設計，南向應適當保持一定比例的開窗，以保障夏季通風順暢和冬季獲得充足的熱輻射與冬季足夠量的熱輻射。

2.1.2 建筑的形態(tài)與院落設計

通過建筑形體與院落的合理設計，可使建筑內(nèi)獲得有利的通風，也能使建筑的風壓降低，同時可以保證各個房間有足夠的日照，并且達到降低熱損耗的目的。北方地區(qū)院落面積較大，冬季太陽輻射面積大，因而會產(chǎn)生更多的輻射熱; 而南方地區(qū)與之相反，院落形狀狹長，有利于夏季降低輻射熱，同時可以利用熱壓作用加強通風。

建筑體型系數(shù)定義為“建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積的比值”。其公式為:

S=F0/V0。

式中：S——建筑體型系數(shù)；

F0——建筑的外表面積；

V0——建筑體積。

綜上所述，建筑體型上應該盡可能減小建筑體型系數(shù), 合理的建筑形態(tài)能使建筑更多的立面接受到自然采光，通過對形態(tài)的優(yōu)化，有效的達到節(jié)約能源的目的。

2.2 建造技術與微氣候

2.2.1 合理的室內(nèi)室外過渡空間

檐廊作為過渡空間連接了室內(nèi)、外空間，是合院式傳統(tǒng)民居的重要組成部分。它不僅是空間上的多層次變化，同時也是住宅微氣候緩沖區(qū)[1]。太陽高度角會隨著季節(jié)的變化而變化，冬季太陽高度角高，夏季太陽高度角低，設計一個合理的室內(nèi)室外過渡空間譬如說檐廊，可以在需要減少太陽熱輻射的夏季起到遮陽的作用，同時也不影響冬季建筑室內(nèi)通過門窗獲得太陽熱輻射。同時在提高資源利用率方面檐廊可以防雨、采光，能有效的改善建筑室內(nèi)的熱功能性?？茖W合理的室內(nèi)外空間設計，可以更好的作為氣流緩沖區(qū)，緩沖空間可以降低冷熱氣流對流造成的能耗增加。

2.2.2 圍護結構的墻體、門窗設計

針對豫北地區(qū)冬冷夏熱的氣候特點，墻體可以通過改變建筑材料與組合模式來提高保溫、防潮隔熱等性能，從而改善建筑微氣候。傳統(tǒng)墻體保溫隔熱方式多為增加厚度，此類做法效果較好但是能耗較大。目前改善室內(nèi)微氣候，提高保溫性能常使用復合墻體材料，其種類較多，有效的降低建筑的能耗。復合墻體按照復合方法分為內(nèi)保溫、夾心保溫和外保溫三類。其中外墻內(nèi)保溫技術施工快、操作方便靈活，但由于居民的二次裝修容易破壞內(nèi)保溫結構，因此外保溫技術使用范圍更廣泛。

門窗的設計對于建筑內(nèi)微氣候的控制也起著重要作用。傳統(tǒng)門窗的熱傳遞系數(shù)一般高于墻體，因此豫北地區(qū)開窗在保證能有足夠日照采光前提下應盡量降低外窗面積。根據(jù)豫北地區(qū)的日照系數(shù)具體來說，通常北朝向外窗面積應不大于總墻體面積的25%，東西朝向外窗面積應不大于總墻體面積的30%，南朝向的外窗面積應不大于總墻體面積的35%。其次開窗位置也對建筑室內(nèi)微氣候產(chǎn)生較大的影響。除了外窗本身的熱傳導系數(shù)以外，開窗位置的不同，還會形成一定的額外能量傳導。通常情況下，窗戶居中時的額外傳熱系數(shù)最小[2]。此外還能通過墻體構造設計改善通風，以調(diào)節(jié)室內(nèi)微氣候，目前常見的有“捕風墻”廣泛應用在鄉(xiāng)土民居中。具體方法是在陽臺上開口，然后在開口處外側兩端布置擋風墻板兩片，使兩片通風墻可以引導氣流，將風引入陽臺區(qū)域，通過控制陽臺門的大小，來有效控制室內(nèi)通風。

3 綠化設施與微氣候改善策略

綠化設施具有遮陽防曬、調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度與濕度、增強通風、降噪等多重功能，對于建筑周圍與建筑室內(nèi)微氣候的形成有著非常大的影響，因此綠化設施對于微氣候改善起著重要作用。改善建筑微氣候的綠化設施一般包含場地綠化、建筑物立體綠化與室內(nèi)綠化。

3.1 場地綠化設施

建筑的制冷能耗會因植物蔽陰而降低，因此建筑周邊的環(huán)境綠化對微氣候改善格外重要。針對豫北地區(qū)這樣冬寒夏熱的地區(qū)而言，一般可將高大的常綠喬木種植在建筑物北側，這樣可減少建筑物在冬季所受來自北方的冷風，降低建筑物的供暖能耗；將高大的落葉喬木種植在建筑物南側，可以利用落葉喬木的年生長周期，在夏季枝葉茂盛時遮擋部分太陽輻射而降低建筑物制冷能耗，而在冬季葉落時則可使太陽光投射入室內(nèi)以降低供暖能耗。

3.2 建筑物立體綠化設施

建筑物立體綠化設施根據(jù)綠化位置不同可分為垂直綠化和屋頂綠化，垂直綠化設施根據(jù)建造方式和維護方式可以分為綠色立面(Green Facade)和活墻垂直綠化(Living Wall)，均能夠對建筑環(huán)境微氣候產(chǎn)生重要的影響[3]。

綠色立面分為直接立面綠化和間接立面綠化。直接立面綠化系統(tǒng)中，植物在建筑物墻面上進行依附生長，墻體作為直接支撐也稱為附壁式，附壁式綠化需要粗糙的建筑表面為其提供附著點，在此種環(huán)境下即可種植附壁式攀緣植物。一些自行攀緣生長類植物都可以應用此種觀賞形式，如地棉及爬山虎等。間接立面綠化是指在植物層和外墻表面具有一定的空隙，譬如在陽臺及窗口等帶有懸掛性質(zhì)的空間人工建造種植槽，選用重量較輕且造景效果顯著的植物，如花卉及觀葉植物等。通過其他的結構作為支撐，如鋼絲、鋼網(wǎng)、鋼架或人工種植槽等，植物可以直接種植在地面、屋頂或者陽臺及窗臺。與綠色立面相比，活墻垂直綠化的構造更為復雜，包括支撐結構、種植基質(zhì)、滴灌系統(tǒng)以及更為豐富多種的植物。

“綠色屋頂是指以土壤(生長介質(zhì))和植被層為最外表面的屋頂。生長介質(zhì)和屋頂結構之間的構造各不相同，但通常包括排水層、根屏障和防水膜”[4]典型的屋頂綠化構造從上到下主要包括：植被層、種植基質(zhì)層、過濾層、排水或蓄水層、耐根穿刺防水層。屋頂綠化的降溫節(jié)能機制主要分為植物層的蒸散作用、植物冠層的遮陽作用，以及基質(zhì)層和植物層的保溫隔熱作用。屋頂綠化和垂直綠化可以在建筑立面與綠色墻壁之間的空氣間層形成微氣候，從而起到降溫節(jié)能的作用，通過調(diào)節(jié)環(huán)境空氣溫度和風速來減少建筑外圍護結構的熱通量。根據(jù)相關研究發(fā)現(xiàn)，設置20 cm空氣間層的垂直綠化墻體與不設置空氣間層的垂直綠化墻體相比，建筑表皮最高溫度降低了1 ℃左右[5]。

3.3 室內(nèi)綠化設施

室內(nèi)熱舒適度主要受室內(nèi)濕度直接影響,一般通過控制室內(nèi)濕度來改善建筑室內(nèi)微氣候，提高居民居住舒適度。豫北地區(qū)室內(nèi)多干燥，而室內(nèi)綠化既可以營造良好環(huán)境，也可利用植物自身的呼吸作用, 釋放水汽增加室內(nèi)濕度，從而影響室內(nèi)微氣候。但不同植物以及不同環(huán)境條件下室內(nèi)植物景觀對空氣增濕的能力有所不同。另外，綠化系統(tǒng)中除植物自身呼吸作用釋放水氣以外，栽培基質(zhì)也可以通過水分蒸發(fā)改善室內(nèi)濕度。以室內(nèi)植物墻為例，植物墻通過蒸騰作用和培基質(zhì)中水分的蒸發(fā)可以降低室內(nèi)環(huán)境溫度,有效增加室內(nèi)空氣濕度。室內(nèi)綠化還能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)氧氣與二氧化碳的平衡、吸收有害氣體、吸收懸浮顆粒物、降低噪聲以及起到殺菌的作用。

4 結語

通過微氣候改善被動式鄉(xiāng)村住宅的研究，有助于鄉(xiāng)村振興方面的鄉(xiāng)村住宅建筑節(jié)能、美觀、舒適方面的發(fā)展，滿足可持續(xù)發(fā)展的需求。在我國脫貧攻堅戰(zhàn)取得全民的勝利，脫貧攻堅戰(zhàn)略與鄉(xiāng)村振興交接之時，綠色鄉(xiāng)村住宅建筑的研究便顯得尤為關鍵。本文將對鄉(xiāng)村住宅的綠色發(fā)展與建設起到一定的影響作用。