民居“過渡空間”調節模式及其優化策略
——以新疆吐魯番極端干熱氣候為例

陳 潔

楊 柳

羅智星

傳統民居豐富的空間模式蘊含了不同地域所代表的氣候與文化特征，是當地建筑材料、建造方法與技藝的體現，反映出建筑巧妙順應氣候與季節變化的生存智慧，然而隨著現代化城鎮建設的發展，大量照搬城鎮經驗建造所謂“現代民居”，越來越多的建筑空間趨于一致，在逐漸喪失地域文化的同時帶來了巨大的能源消耗問題，隨著城鎮化的逐步推進，2017年農村住宅的商品能耗為2.43億tce，占建筑總能耗的25%[1]。面對以上問題，許多學者提出了民居建筑環境適應的理論方法，針對民居建設的建筑實踐也越來越多[2-5]，然而針對新建農宅建造方式過于簡單、缺乏建筑地域氣候分析、民居空間適用性的根本機制探討等問題仍有待系統研究。

吐魯番處于塔里木沙漠邊緣，屬于暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，以火洲著稱[6-7]。夏季極端高溫達到46.8℃，年日照時數在3000小時以上。晝夜溫差懸殊，夏季雨量極少，炎熱時間長，空調度日數CDD26達到579（℃·d）[8]，制冷能耗需求除海島地區以外為我國內陸第一，因此民用建筑熱工規范要求該地區建筑圍護結構應同時兼具保溫與隔熱的性能，然而圍護結構熱工性能的高要求代表建筑經濟成本的相應提高，這對于經濟欠發達地區的農村居住建筑來說仍然是難以快速解決的難題。本文擬對吐魯番傳統民居的空間模式進行解構與分析，通過空間環境的形成機理探求其環境適用性的本質，以被動式設計方法提升民居熱環境為出發點，探討極端氣候下以過渡空間為研究對象的多種空間模式在居住者使用方式主動調控下的熱環境差異，并根據建筑近地面鋪裝材質，對庭院微環境調節效果的差異，探討具有實際可操作性的民居優化策略，通過多次對比模擬實驗研究，得到建筑空間設計與熱舒適相對應的變化規律，所得數據可供實際工程參考，為極端氣候區民居建設發展提供借鑒。

1 傳統民居的環境適應性

1.1 吐魯番民居空間特征

吐魯番傳統民居的空間營建受到極端氣候的制約，體現在既最大程度地提高建筑構件的保溫隔熱性能，又充分利用功能對于空間形式的靈活性，發展出以院落式為主體的居住形式，在其平面布局方式上呈現出室外空間、過渡空間和室內空間三個空間層次，形成以棚蓋、高架棚為主的獨特的過渡空間特征。相對于室內采用保溫蓄熱性能較好的生土材料圍合而成的封閉空間，過渡空間則是采用實體結構圍合并且半開敞于室外環境的半室外空間，以庭院布置圍合方式程度不同，可分為全圍合，半圍合和單面圍合（圖1）。過渡空間的熱環境營建，一方面受到圍合構件熱性能的影響，如棚蓋、門廊和下墊面材質與建構空間差異等；另一方面半室外空間直接受到太陽輻射、夜空輻射和通風降雨等室外氣候影響，相對于室內熱環境對圍護結構的絕對依賴，微氣候環境在綜合了室外氣溫、太陽直接輻射、地面與周圍建筑環境的反射輻射和長波輻射，以及周邊環境中植物、水體的蒸發潛熱等復雜的作用環境，因此在研究吐魯番民居空間系統的形成機理時，有必要以熱環境狀況為參考指標，評價多層次空間使用模式的合理性和有效范圍，對過渡空間在民居環境適用性中所起的調節作用展開分析。

1.2 居住空間使用模式調研

新疆民居受到多種民族文化影響，自古以來就有室外生活的習慣[9]，在過渡空間的使用模式上具有以下特征：①采用庭院空間作為休憩、用餐、節日慶典等多種功能的綜合利用場所；②將屋頂空間與部分外廊作為第二庭院，進行葡萄晾曬、柴草儲存、炊事等手工作業，同時在極端炎熱的夏季時段，利用室外溫差及長波輻射降溫選用屋頂空間作為夜晚休息場所；③具體功能的空間使用時間非固定，隨著季節變化，過渡空間在不同時段交替使用。為了探究各類空間的使用規律，通過現場問卷方式，調研了英買里村32戶居民的過渡空間使用頻率及使用時間，獲得了30份有效問卷，對吐魯番地區當地居民建筑的實際使用規律進行分析（圖2～3）。

如圖2所示，在冬季和過渡季節中過渡空間的使用頻率分別為25%和31.25%，夏季使用頻率明顯增加，達到43.75%，也就是說在夏季當地居民近一半的時間是在半室外空間度過的，綜合考慮當地夏季嚴酷的室外氣候環境，說明過渡空間具有一定的氣候調節能力。從全天使用時間頻率來看（圖3），過渡空間的使用模式具有明顯的時間節點，8：00—12：00使用頻率最高，達到50%以上，當下午受太陽輻射影響庭院溫度增加時使用頻率逐漸降低，直至傍晚18：00使用頻率恢復高值，通過與當地居民的訪談了解到，過渡空間的使用時間節點規律與功能無關，很大程度上是因為隨著室外晝夜溫度改變造成在上午和傍晚時段室內環境較差，甚至遠低于半室外空間造成的。綜上所述，過渡空間具有氣候緩沖作用，使得空間舒適性在夏季極端炎熱狀況下仍然能夠達到居民生活使用要求；另一方面，單一的室內空間不足以實現居民的基本熱舒適要求，體現出吐魯番民居建筑中，綜合利用多種空間的主動式使用模式，以響應極端氣候變化的顯著特征。

圖1 傳統民居過渡空間類型

圖2 不同季節過渡空間使用頻率

圖3 不同季節過渡空間使用逐時頻率

圖4 物理環境實測建筑

圖5 夏季典型日室內外溫度逐時值

圖6 吐魯番英買里村自建房

圖7 英買里村安居富民示范項目

圖8 過渡空間層次分析

圖9 數值模擬計算物理模型

1.3 夏季熱環境分析

為揭示使用模式與熱環境變化的相關性，選取夏季最熱時段對吐魯番典型傳統民居進行物理環境實測，對比了夏季典型室內、半室外空間空氣溫度逐時值（圖4～5）。

如圖5所示，室內空氣溫度波動幅度較小，平均空氣溫度為33.7℃，最高溫度為36℃，最低溫度為31℃，庭院與檐廊溫度接近，平均溫度分別為32.3℃、32.5℃，最高溫度分別為37.1℃、36.8℃，最低溫度為27.1℃和27.7℃，半室外空間溫度波幅明顯大于室內空間，在16：00至21：00時間段室內溫度低于半室外3℃左右，在絕大部分時間中室內溫度較高，并且與半室外溫度出現延遲現象，證明了建筑圍護結構對室內熱環境調節所具有的局限性與半室外空間良好的調節性能，通過主動調控，合理規劃不同空間的使用時間，可以有效避開室內過熱時段，從而提高居住總舒適度時長。

2 新民居調節模式應用與實踐

2.1 組合空間調節模式

建筑作為人體應對氣候變化的緩沖區域，以全空間、全時間進行調節往往意味著較高的能耗與經濟代價，通過以上分析可以看出傳統民居中“化整為零”的環境適應建造智慧。因此，將民居建筑空間拆解為核心空間與附屬空間的組合模式，在核心空間局部有效保溫隔熱的前提下，過渡空間可以提供適應室外氣候變化的多種附屬空間，作為核心空間熱環境調控失效時段的補充，通過被動式技術手段對半室外微環境進一步提升，提供了一種有效提高建筑整體舒適度、減少建筑能耗，同時豐富建筑空間的設計方法。

2.2 安居富民示范建筑

西安建筑科技大學綠色建筑研究中心開展了民居環境適應性研究，針對當地自建民居空間品質與與室內熱環境較差的問題（圖6），提出過渡空間調控方法設計建造了吐魯番英買里村安居富民示范建筑（圖7）。建筑過渡空間建筑比例占到總建筑面積的42%（圖8），采用庭院高架棚、屋頂第二庭院與室內核心空間共用的方式最大化實現了維吾爾民族文化生活的傳承，在整體框架結構改善建筑安全性能的基礎上采用生土夯筑的傳統建造方法對圍護結構進行填充，在不增加建設成本的前提下實現傳統空間使用，通過對建成后建筑實際性能的長期監測[10]，證明了該調控方法在提升居住舒適性能方面的有效性。

3 過渡空間優化策略分析

為進一步探究室外微環境優化作用機理，以擴大可接受熱環境區間范圍，采用IES模擬軟件對庭院地表鋪裝影響人體舒適性進行比較研究，以瀝青、磚塊、草體與水體為下墊面材質分別進行模擬[11]，依據示范房主體結構進行物理模型建模（圖9），為研究建筑自然狀態基礎室溫未設置主動制冷設備，對四種工況下夏季典型日室內不滿意率[12-13]進行計算，模型設置參看表1，實驗結果參看表2。

通過表2可見，自然通風工況下室內不滿意率變化范圍在82.40%～86.23%區間，隨著地面反射率的降低，室內熱環境逐漸改善，當選取瀝青為下墊面鋪裝材質時，不滿意率相比于草體與水體分別下降1.48%、2.44%，與鋪設紅磚工況差異最大，滿意率下降3.82%，室內平均溫度相差1.01℃。證明了對于民居被動式設計方法而言，過渡空間優化策略的可行性。值得注意的是，通過地面反射作用于建筑受熱的過程中，建筑高度在一定程度上會對受熱程度產生影響[15]，對于吐魯番地區多層建筑而言，下墊面材質熱工性能對微環境的影響是顯著的，當微環境調節措施的目標對象為多層小體量建筑，并且建筑環境與模擬工況一致時，計算結果具有相應的工程參考性，吐魯番地區民居庭院優先選取低反射率材質更有利于建筑熱環境營建。

結語

傳統民居是傳承千年的智慧累積與經驗總結，通過分析新疆吐魯番傳統民居應對極端氣候條件的熱環境調節機理，實地調研出居住者為提高居住質量而發展出的交替使用不同空間的居住習慣特性，在室內外熱環境測試的基礎上分析主動調節模式下各類空間的夏季熱環境狀況，證明在極端氣候條件下，單一封閉空間溫度調節的局限性，提出建筑主體局部保溫隔熱附加過渡空間的調節模式，并且通過數值模擬實驗對室外空間優化分析，發現小體量建筑近地面鋪裝對建筑熱環境影響顯著，吐魯番地區應降低下墊面表面材質反射率的微環境優化策略。通過民居環境適應本質進行分析與實踐，發揮人對氣候的主動適應力，發展適宜的優化技術措施，探求適用于極端氣候地區具有可操作性的民居建筑模式，使其對當地建筑設計方法與單體建構提供指導，讓地域建筑設計在民居升級改造的道路上得到更合理的發展。

表1 圍護結構性能參數

表2 下墊面參數設置[14]及模擬結果

資料來源：

文中圖表均為作者自繪自攝。