嚴寒地區農宅改造中熱緩沖空間設置的性能化分析

秦 迪 高鵬昆 劉喃喃

1長春工程學院（130000） 2 長春市長規城市建筑設計有限責任公司（130000）

20 世紀70 年代，我國的鄉村開始了“社會主義新農村建設”，21 世紀伊始，“美麗鄉村建設”、“鄉村振興戰略”，成為國家農村工作的重點。2019年2 月《住房和城鄉建設部辦公廳關于開展農村住房建設試點工作的通知》[1]提出，積極推進示范性宜居型農房建設，努力到2035 年完成滿足農民新生活方式的宜居型農房建設。

1 研究背景

1.1 嚴寒地區既有農宅的現狀

通過對嚴寒地區鄉村住宅地調研發現，影響農宅居住舒適性問題主要體現在兩個方面:一是房屋保溫性能差，冬季冷風滲透嚴重，農民往往通過在南北兩側加塑料薄膜形成熱緩沖腔體空間，有一定效果，但是熱效率低、易破損，影響村落風貌。二是建筑功能不完整，流線不合理，傳統的“三間大瓦房”已經遠遠不能滿足現代農民的使用要求。

1.2 理論基礎與概念界定

1.2.1 熱緩沖腔體空間的工作原理

“Thermal Buffer Zone”的定義為:在一定地方性氣候條件下，通過使用綠色可再生能源，對自然環境要素進行充分利用，減輕室外環境對室內微氣候產生負面影響的空間。清華大學宋嘩皓教授曾提出了“建筑氣候緩沖空間”的概念，他認為：建筑氣候緩沖空間介于建筑與外界環境之間，其作用是通過阻隔室內與室外空氣的直接接觸來降低外界氣候對主要空間的不利影響，從而達到在盡量少使用其他能源的前提下保證建筑內部環境的穩定與舒適的目的。即減少不可再生能源的使用，并加強對風能、太陽能和地熱等綠色可再生能源的開發與利用。在現有的、代表性的熱緩沖空間中，如陽光間，幕墻表皮空腔也均有體現此技術特點[2]。

熱緩沖腔體空間與外界氣候之間產生熱交換的原理如下:①熱緩沖空間內部的冷、熱媒介將從環境中所獲得的能量進行轉化；②空間化的圍護結構可增加建筑界面與空氣的接觸面積，從而創造更多的機會對外部氣流進行調節。熱緩沖空間其實就充當了機械設備中換熱器的角色，自然環境中的可再生能源充當了電能的角色，兩者相輔相成構成了“自然空調系統”。熱交換所需的清潔能源來源于建筑所處的特定自然環境中，像陽光、空氣、水、土壤、植物等均可作為能量來源，這些自然能源可對熱緩沖空間內部空氣進行加熱或者降溫處理從而形成建筑保護屏障，以此來減少外界環境對主要空間的直接影響，最終達到維持室內熱環境穩定與舒適的效果，熱緩沖空間的熱交換示意[3-4]。

1.2.2 動態熱工模擬軟件Dest

文章的模擬研究選擇的是最新的動態熱工模擬軟件DeST2.0 版本。該軟件由清華大學熱能工程系研發，通過設對太陽輻射、建筑內部空間布局、建筑圍護結構輻射、室外大氣及大地等影響因素的設置，模擬特定區域內的建筑室內空間的全年逐時溫度、濕度變化，以及在各種類型空調設備運行下的能源消耗等多方面內容。該軟件模擬計算所采用的室外氣象數據是基于我國氣象局對193 個城市二十年的實測數據模擬計算生成，可以真實反映不同地區不同月份下的氣候條件，具有很高的仿真度。可靠性已經通過理論驗證以及國際公認。

1.3 研究內容

文章將既有農宅的功能補充與熱緩沖腔體空間的加建相結合，通過動態熱工模擬軟件Dest，檢驗不同朝向與尺度的熱緩沖腔體空間布置對室內熱環境的影響，確定最大效益化的熱緩沖空間布置方式，滿足冬季室內熱舒適性，在現有的農村經濟發展條件及生活方式下，為解決既有農宅對新的生活方式的適應性改造及居住熱舒適性改善提供思路。

2 既有農宅基礎模型建立及分析

既有農宅的基礎模型是建立在自然室溫條件下的，自然室溫條件是指當建筑物不設置采暖空調系統和其他采暖措施時，在室外氣象條件和室內各種發熱量的共同作用下的室內空氣溫度，能夠反映建筑本身性能和各種被動熱擾性對建筑物的影響。最冷日單日自然室溫曲線能夠清晰的表明在最冷日內室內溫度的動態波動情況。

2.1 既有農宅建筑基礎模型的基本情況

既有農宅建筑基礎模型選擇朝向為南北向，開間11.7 m，進深8.1 m，建筑高度2.8 m。為避免不同戶型對數據分析結果干擾，去除內部隔間布置，根據調研樣本數據，設置門窗的位置、數量及尺寸。北向外窗3 扇，寬度1 500 mm，高度1 800 mm；南向外窗共4 扇，其中兩扇尺寸1 800 mm×1 800 mm，兩扇為900 mm×1 800 mm；南向入戶門居中設置，尺寸為900 mm×2 400 mm。

2.2 基礎模型的參數設定

2.2.1 材料參數

既有農宅建筑基礎模型圍護結構參數設定，材料熱工屬性以《民用建筑熱工設計規范》為準，對外墻、內墻、外門、墻體、地面的材料選取代表半數以上農村住宅的現狀。外墻為370 mm 磚墻，內外刷20 mm 水泥砂漿；內墻為240 mm 磚墻，內外刷20 mm 水泥砂漿；6 mm 單玻木框外窗，25 mm 厚單層實體木質門，120 mm 磚地面。

2.2.2 氣候參數

下面以重慶萬州500 kV長江大跨越工程為例，對比分析計算了6種大跨越導線方案，結果表明高強度耐熱鋁合金導線方案具有明顯優勢，為今后低海拔地區500 kV大跨越工程提供參考。

使用吉林省長春市的CSWD 氣候參數數據。模型設置為自然通風，即將整個建筑物作為一個系統，其中每個房間為一個區域，在同一區域內部，假設空氣充分混合，其空氣參數一致，各節點之間通過各種門、窗、縫隙等空氣流通路徑相連，從而形成流體網絡以便于分析敷設熱緩沖腔體空間對建筑的影響。

2.2.3 采暖設置

文章以自然室溫為主要評價指標，排除嚴寒地區復雜多樣的采暖方式的影響，將熱緩沖空間同樣設置為非制冷或采暖的能耗空間，更關注單純附設熱緩沖空間時，室內氣溫的變化，已確定熱緩沖空間布置的適宜朝向。

2.3 既有農宅基礎模型模擬分析

按照以上基本參數與設值要求，使用動態熱工模擬軟件Dest 進行對既有農宅建筑基礎模型進行分析，觀察隨著時間變化，農宅室溫的狀況。選擇在冬季最冷日即大寒日，進行24 h 自然室溫檢測。通過數據整理發現，最高溫度為-7.89 ℃，出現在下午16 點，從16 點開始溫度逐步下降，最低溫度為-11.88 ℃，在早上8 點出現，早上8 點之后溫度逐步上升（如圖1 所示）。

圖1 既有農宅基礎模型的dest 模擬分析

3 基于功能需求的熱緩沖空間設置

3.1 熱緩沖空間的布置模式分類

以農宅的基礎模型為依據，在農宅的東南西北不同方位設置熱緩沖空間，西向空間定義為A、南向空間定義為B、東向空間定義為C、北向空間定義為D。按照單面式、雙面式半、半包圍式、全包圍式，在農宅周邊設置熱緩沖空間，并拓展15 種附屬空間組合排布模式（如圖2 所示）。

圖2 熱緩沖空間的布置模式分類

3.2 熱緩沖空間設置的功能性需求

現有嚴寒地區農宅在功能分區與流線設計上不能滿足居民生活品質提升需求。設置熱緩沖空間，可以對原有農宅在功能上進行優化。以傳統三開間為例，當于南北兩側布置熱緩沖空間后，原有住房的廚房、餐廳、會客等功能混雜布局情況會得以改善。南側熱緩沖空間可以成為陽光房，作為家庭起居空間，在冬季增加蓄熱；北側熱緩沖空間東向可以設計為餐廳與廚房，西北向可以增設儲藏空間、室內衛生間，通過過度空間緩解冬季冷風滲透問題，東西兩側布置熱緩沖空間，可設置室內車庫，解決村民家用轎車、農用車輛停車的需求，也可以作為農業儲藏空間、經營性空間有利于農宅內部提升生活的需求。如上所述，熱緩沖空間的設置在建筑功能上為農宅的宜居性建設提供了可能。

3.3 熱緩沖空間設置方式的性能化分析

通過Dest 軟件對熱緩沖空間15 種布置方式的進行比較，對比基礎農宅的24 h 溫度數據，分析不同布置方式對室內溫度的影響情況，尋找最佳的熱緩沖空間布置方案。可以按照性能化的高低劃分為以下三種模式。

高效性模式可以總結為溫度對比原始模式提升10～15 ℃。ABCD 布置模式屬于高效性模式，在熱緩沖空間全包圍布置的情況下，房屋內部溫度對比基礎模型室內最冷日自然室溫平均溫度提升10℃以上，溫度提升效果明顯，自然室溫波動明顯平緩，熱穩定性提高，證明農宅外圍設置熱緩沖空間措施有效可行（如圖3 所示）。

圖3 全包圍模式熱緩沖空間設置模擬分析比較

雖然此種模式溫度提升明顯，但并不是農房升級的首選。主要是前期投入是比較多的，增設的熱緩沖空間并不一定完全利用。房屋內部溫度仍不能達到舒適溫度的要求，必須借助輔助熱源或其他改進措施。

3.3.2 改善型模式

改善型性模式可以總結為溫度對比原始模式提升5～10 ℃。改善型熱緩沖空間布置主要包括兩種模式。一是南北側同時排布，如BD 的雙面布置模式，二是在BD 模式基礎上增加東廂或西廂的ABD或者CBD 半包圍模式。在南北向門窗位置設置熱緩沖空間，熱緩沖空間在北向布置能后形成“溫度阻尼區”，和南側空間共同作用，有效防止冷空氣入侵及熱量流失。

3.3.3 低效性模式

低效性模式可以總結為溫度對比原始模式提升0～5 ℃。低效性熱緩沖空間布置分主要包括三種模式。一是A、B、C、D 單面式布局，其中南廂B 模式、北廂D 模式中溫度變化對比其他模式波動減小，對室內溫度波動有一定的改善效果，形成“溫度波動緩沖區”，A、C 模式溫度提升不明顯。二是AC、AD、DC 雙面布局模式，三是ADC、BCD、ABC 半包圍布局模式，通過數據分析發現，嚴寒地區農宅南北兩側外墻面的熱量損失最大，當有一面外墻直接暴露在室外時，就不能有效提升自然室溫。

4 結語

綜上，通過模擬發現，農宅中熱緩沖空間的布置對自然室溫的提升及改善具有正面效果。可以通過增設熱緩沖空間，一方面提升優化原有農房的使用功能，另一方面改善熱環境，降低采暖能耗，提高居住的舒適度，是在嚴寒地區鄉村振興既有農村住宅改造中可以推行的技術手段。