張家口壩上地區建筑氣候適應性設計研究
——以張北縣為例

(河北建筑工程學院 河北 張家口 075000)

張家口壩上地區建筑氣候適應性設計研究
——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年冬奧會和京津冀一體化的進程的加快，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據為基礎，分析被動式太陽能采暖、圍護結構蓄熱和夜間通過風、直接與間接蒸發降溫、自然通風等氣候適應性設計策略，為進一步提升張家口空氣質量與建筑節能有著重要意義。

張家口壩上地區；氣候適應性；被動式設計；軟件模擬

一、引言

北京攜手張家口成功申辦2022冬奧會和京津冀一體化的大背景下，張家口地區作為北京的“后花園”，與北京的聯系越來越緊密，整個地區呈現出城市發展加快的態勢。隨著人們生活品質的提高，張家口良好的空氣質量和自然環境更是凸顯出其優越的宜居性，而現代建筑中采暖和空調技術的采用在改善室內環境的同時，也帶來了能耗和污染的問題。在建筑設計中，將當地氣候條件的潛能發揮到最大，既可以滿足一定程度下建筑室內舒適環境的要求，也可以有效的降低建筑能耗，進一步提高張家口空氣質量具有重要的社會意義和經濟效益。

二、張家口壩上地區氣候環境特征

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地區。壩上地區包括張家口市沽源、康保、尚義和張北4縣。基本呈現西北高，東南低的趨勢，平均海拔在1400米左右。張家口壩上地區屬于嚴寒地區，氣候劃分區域為ID類氣候區。

張家口壩上地區全年氣溫偏低，晝夜溫差較大；夏季室內環境舒適，冬季寒冷漫長。年日照可達2600～3100h，年太陽輻射總量132～146Kcal/cm2。年均風速為3.6～4.1m/s，屬于太陽能、風能富集地區。

三、張北縣建筑氣候適應性分析

建筑節能受當地氣候條件和人體熱舒適的影響，而對于建筑室內舒適度來說，溫度和相對濕度是首要考慮的因素。本文以張北縣典型氣象年數據(數據來源于《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》)為依據，通過weather tool得出當地建筑氣候的焓濕圖和各種被動式設計方法所能改善室內舒適度的逐時百分比，最終分析張北縣建筑室內熱舒適的氣候適應性設計策略。

表是1張北縣典型氣象年逐月最低溫度和對應相對溫度、最高溫度和對應相對濕度統計，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。春季和秋季相對濕度較低，空氣干燥。但由于張北地區冬季氣候異常寒冷，如何保持室內溫度應是建筑室內舒適度首要考慮的因素。

表1 張北縣每月最低溫度和對應相對溫度、最高溫度和對應相對濕度統計

注：圖表來源《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》數據

圖1 張北縣被動式設計分析

注：室內人的活動狀態設為靜坐，南向開窗率為30%，圍護結構保溫設計為高，被動式太陽能的效益設為平均,室內風速為1m/s。圖片來源Weather Tool得出。

表2 張北縣各月氣候調節策略有效時間比

注：數據來源Weather Tool得出。

1.被動式太陽能采暖

被動式太陽能采暖分為直接獲取太陽能系統和各類型暖房兩種方式。直接獲取太陽能可以通過改變透明圍護結構的面積、類型、位置和朝向等方式來增加室內對于太陽能的吸收和利用。暖房則是通過增加一部分建筑空間，形成一個室內與室外過渡空間，進而改善室內熱環境。此外還有一些綜合性的被動式太陽能采暖方式,如特朗布墻、史蒂夫·貝爾系統和巴拉系統等等。

由圖1和表1、2分析可知，張北縣冬季氣溫低且漫長，采暖期為10月15日—4月15日。11月—3月被動式太陽能采暖主要是對正午時間段的室內溫度略提升，但基本不能滿足全天內室內舒適度的需求，需要采取傳統采暖保證室內的熱舒適度。張北縣春秋氣溫較低，而夏季涼爽適宜。4月—6月和8月—10月被動式太陽能采暖設計提高了16%—38%逐時百分比，32%—44%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態?？梢钥闯?，在采暖期前后室內熱環境較差時，被動式太陽能采暖可以提高室內溫度，保證室內的舒適度。這對于過渡季節改善室內熱環境意義重大。而7月份僅提高7%逐時百分比，32%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。從全年來看，被動式太陽能采暖設計提高了15%逐時百分比，22%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。由以上分析可得，張北縣被動式太陽能采暖設計春季、夏季和秋季增溫意義重大。

2.圍護結構蓄熱與夜間通風

圍護結構蓄熱通過改變建筑材料的蓄熱能力，延緩室外環境對于室內環境的影響。以便讓夜間的室內溫度趨近于白天，白天的室內溫度趨近于夜間。夜間通風主要是通過夏季夜間通風，將室內溫度降低，白天將窗戶關閉，以延緩白天室外高溫對室內環境的影響。

由于張北縣8月的氣溫相對其他月份較高，且晝夜溫差較大。這段時間內圍護結構蓄熱略高于夜間通風的逐時百分比之外，而全年其他時間基本相同。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月期間圍護結構蓄熱與夜間通風設計對于室內舒適度的改善微乎其微。4和10月僅提高6%和5%逐時百分比，5月和9月改善了22%—26%逐時百分比，28%—34%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。在過渡季節中，圍護結構蓄熱與夜間通風設計可以改善室內部分時間的熱化境，以減少在采暖期前后室內氣溫較低的時間。而6月—8月效果明顯，改善了43%—53%逐時百分比，64%—77%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。圍護結構蓄熱與夜間通風設計可以延緩夏季室外溫度對室內溫度的影響，保證室內熱環境白天更加涼爽，且夜晚相對溫暖。從全年來看，圍護結構蓄熱與夜間通風設計可以改善16%逐時百分比，23%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。由以上分析可得，張北縣圍護結構蓄熱與夜間通風設計在夏季和春秋較熱的時間段內可以起到有效改善室內舒適度的作用。

3.直接與間接蒸發降溫

直接蒸發降溫是通過通過蒸發作用產生冷氣流來給建筑的室內環境降溫。如坎寧安和湯普森冷卻塔。間接蒸發降溫則是不將水蒸氣引入室內，通過外圍護結構的蒸發冷卻作用來降低室內熱環境的方式，如屋頂水池。

一年之中，張北縣直接蒸發降溫基本和間接蒸發降溫效果相同，只有在7月份的時候有較大差異，直接蒸發降溫基本比間接蒸發降溫設計低14%逐時百分比。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月直接與間接蒸發降溫設計對于室內舒適度的基本沒有影響。除9月提高了5%，對于室內舒適度影響較小外。5月—8月直接與間接蒸發降溫設計提高了13%—40%逐時百分比，21%—65%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。可以有效的緩解這段時間內白天室內溫度略高的情況。從全年來看，直接與間接蒸發降溫設計提高了9%逐時百分比，16%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。由以上分析可得，張北縣直接與間接蒸發降溫設計在夏季對于改善室內的舒適度有著很大作用。

4.自然通風

自然通風可以置換室內污濁的空氣，保持室內空氣質量。在溫暖的環境下，較高的風速可以增加人體對流換熱，并且消除皮膚因出汗而感到的不適，從而改善人對于室內舒適度的感覺。

由圖1和表1、2分析可知，由于張北縣冬季寒冷，9月—4月期間自然通風對于室內舒適度基本沒有影響。而過渡季節由于張北縣氣溫仍然較低，所以自然通風效果并不明顯。5月和9月自然通風可以提高4%—8%逐時百分比，16%—27%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。夏季自然通風對于室內舒適度的影響較大，提高了12%—35%逐時百分比，33%—60%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態?；究梢詽M足白天通過自然通風就可以達到室內降溫的需求。從全年來看，自然通風可以提高8%逐時百分比，15%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。由以上分析可得，張北縣自然通風設計對于夏季和過渡季節溫度較高時節的室內舒適度有著明顯的改善。

綜合考慮各種被動式設計對張北縣室內熱環境的影響，4月—10月室內舒適度的改善有著顯著的作用。11月—2月被動式設計對于室內的舒適度影響微乎其微，這段時期主要需要依靠傳統采暖的方式來改善室內舒適度。4月—10月被動式設計提高了23%—55%逐時百分比，34%—83%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。尤其是6月—8月平均提高了52%—56%逐時百分比，78%—83%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。就全年而言，被動式設計提高了25%逐時百分比，36%逐時百分比的室內熱環境是舒適狀態。

四、結語

在建筑方案階段，通過相應的采用適用于張北地區氣候條件的被動式設計手段可以顯著的改善室內環境。被動式太陽能采暖、圍護結構蓄熱與夜間通風對于室內舒適度的改善最為顯著，而自然通風和蒸發降溫也有很好的效果。張北地區10月—3月需要被動式太能能采暖與傳統采暖相結合的設計思路來解決室內舒適度的需求。4月—9月，被動式設計策略可以很好的利用當地氣候條件，改善室內熱環境。其中6月—8月效果最為明顯，通過各種被動式設計方法的綜合利用，基本可以達到不用主動式設備(空調、電扇等)就能滿足室內舒適的需求。

[1]巴魯克·吉沃尼(美).建筑設計和城市設計中的氣候因素[M].第一版.北京：中國建筑工業出版社.2011年

[2]柳孝圖.建筑物理[M].第三版.北京：中國建筑工業出版社.2010年

[3]楊柳.建筑氣候學[M].第一版，北京：中國建筑工業出版社.2010年

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