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绿色窑居气候界面的形态模型菜单研究_魏秦

设计研究 RESEARCHES IN DESIGNTION

绿色窑居气候界面的形态模型菜单研究

魏秦1 王竹2 张海燕3

作者单位:1 上海大学美术学院建筑系(上海,200444) 2 浙江大学建筑系(杭州,310058)

3 华东建筑设计研究院有限公司(上海,200002)收稿日期:2012-02-14

ABSTRAC T/ Taking construction of green

cave dwelling’s micro-climatic environment as example, it proposes the countermeasures system for passive design to adjust indoor environmental parameters of cave dwellings, and emphatically sets up the forms and model menus of cave dwelling’s climatic interfaces. Furthermore, the appropriate composite formal templates will be provided for construction of human habitation environment on Loess Plateau.

K E Y W O R D S / g r e e n c a v e d w e l l i n g ,

passive design system, climatic interfaces, morphological model menu

原生窑洞生长于黄土高原的生态与人文环境,其生态与文化价值得天独厚。尽管窑居所包含的生态价值在未来仍具有相当的活力,但由于其营建中居住者参与建造的成分较大,缺乏专业人员的科学设计与引导,原生营建体系的生长不仅与现代居住生活的舒适、安全、健康需求相距甚远,居住者对短期需求的关注也难以兼顾环境与经济等整体效益,背离绿色窑居营建体系自我健康持续发展的机制(图1)。黄土高原原生窑居冬暖夏凉,但是由于其自身建构方式的局限与黄土高原极端的气候条件,窑居的空间与界面形态设计上仍面临着保温与自然通风、采光、蓄热、降湿等矛盾。基于地区环境、资源与经济状况,在窑居设计与改造过程中,建议采用被动式设计策略调控窑居的微气候与室内物理环境,在被动式策略的能力以外再节制地采用主动式策略是为最佳选择。被动式设计的体系化对策指提取从窑居单体布局、形体、朝向、围护界面到生活组团,直至聚落选址、群体空间等层级的建筑节能形态对策,来综合调节室内声、光、热及空气品质等环境参数。本文仅对建筑气候界面这一层级的研究进行论述。1 建筑气候界面

建筑界面通常指围护结构各部分,如门窗、屋顶、地面及墙面等,其不仅是围护结构,更应是一个建筑室内外热量交换、光线、声音、气流运动的过滤器与动态调节装置,能够将对气候资源的消极防避转化为主动适应,根据季节变化需要,减少室外气候对室内物理环境作用而产生的热负荷。建筑的气候界

面原理可理解为:1) 选择透过性:在冬季促进太阳辐射进入、抑制传导热损失与对流热损失;夏季抑制太阳辐射进入,促进热量的传导热损失[1]。2)可识别性:建筑界面对太阳辐射、空气流动、光等室外环境因素进行选择,由界面材料的特性决定是阻隔或透过,过滤不利气候因素,渗透可利用的气候因素,适应不同季节与时段的气候需要。3)应变性[2]:类似于生物膜的弹性边界,建筑的气候界面针对外界气候因素的改变也具有一定的变形能力,尤其体现在门窗界面的应变上,如为窗户加保温窗帘、百叶或调整附加遮阳构件的角度、墙面垂直绿化的季节性变化等,都可改变门窗界面的保温隔热、遮阳、及对光线控制、对气流组织等物理性能。4)层次的复合性:界面在不同季节与时段对气候因素的选择渗透差异,决定其构成需由复合材料组成,材料间功能相互补偿、各司其职,完成对不同气候因素的阻隔、渗透与交换等功能。如由结构层、保温层、防水层及种植层构成的建筑屋顶界面,完成安全、保温隔热与防护等功能;带空气间层玻璃加金属镀膜、外置遮阳构件构成的窗界面,兼顾保温与遮阳性能。5)领域的可扩展性:随着建筑界面由单一的围护结构功能转化为具有多重功能的结构构件,范围向空间两侧延展,意义远不止围护功能与热工性能。以门窗界面为例,界面间层的功能可扩展为具有气候缓冲的空间域:当空气间层厚度达到1.5m 时,界面是外侧透明体封闭界定的外廊、交流空间、或绿化种植空间;当门窗界面实体不变而虚体领域延伸时,界面就成为建筑入口门廊、檐廊、阳台等空间;当门窗界

摘要/以绿色窑居微气候的营建为例,提出调节窑居室内环境参数的被动式设计对策体系,并重点建构窑居气候界面的形态与模型菜单,为黄土高原的人居环境营建提供适宜的形态组合模板。

关键词/绿色窑居 被动式设计体系 气候界面 形态模型菜单

教育部人文社科研究基金青年项目资助(09YJC760033)

上海市教育委员会科研创新项目资助(11YS34)

面空气间层向三维空间扩展,界面可变为庭院、带顶的中庭[3];当界面内涵超出建筑单体的范畴,居住组团界面就成为围合组团的住宅单元、绿化、围墙、道路等。

2 绿色窑居气候复合界面形态模型菜单

依据以上建筑被动式设计的对策体系与气候界面的原理,以原生窑洞气候界面为原型(图2),探讨窑居门窗、屋顶、墙面、地面等各界面的被动式设计对策及其形态模型。

2.1 门窗

窑居的最佳朝向为南向,南立面几乎是获取日照与自然通风的唯一途径。在权衡窑居体型系数的基础上,适当增加窑居开间,保证门窗构件的气密性,增大南向开窗的面积,在窗下设置热容量大的厚重蓄热墙体,以利于尽可能多地吸纳阳光及热量进入,同时利用窑洞背部设置竖井诱导热压通风,结合地下埋管通风,以解决窑居室内空气不畅的问题。但为了保持窑居原有的保温隔热蓄热性能,通风的组织需按照季节与时段的实际需要而进行。在满足对新鲜空气需求量的基础上,又要限制气流进入量,减少对流热损失。因而,窑居门窗界面的设计重点应在门窗的保温隔热、对太阳辐射进入的控制、门窗设计与竖井结合共同诱导自然通风。

1)双层窗:其组合由外到内构成为:外层玻璃—空气间层—可调节活动百叶—内层玻璃,这种结构可通过简单的人为控制,在不同季节与早晚不同时

段采用不同的组合模式辅助保温隔热

与遮阳。为了减少北向卧室窗户热损

失,面向竖井的北向窗户采用双层玻

璃、单层窗挂保温窗帘或单层窗加活

动保温板等方式。

2)门窗与被动式太阳房:黄土高原

太阳辐射资源丰厚,被动式太阳房通过

建筑自身的构造形态设计,不需要额外

的设备与动力支持,就能满足冬季获得

太阳辐射采暖,提高围护结构保温隔热

性能。考虑到经济实用与集热效率,可

将直接受益式、特朗伯墙式和附加阳光

间式3种被动式太阳房[4]与门窗界面合

理组合,兼顾窑居冷季保温隔热与热季

遮阳降温的问题(图3)。

3)窗户与遮阳构件:窑居除南向门

窗外,其余各面均封闭,建筑遮阳处理

的重点部位在偏南向。水平遮阳能够有

效遮挡高度角较大的阳光,适合用于南

向附近的窗口,而且利用冬夏季太阳高

度角的差异,可满足不同季节控制太阳

辐射进入室内,有效阻挡夏季日光而不

阻挡冬季阳光入室。为了提升遮阳板的

能效,可采用遮阳板与门窗上部墙体悬

离、或做成格栅式的非实体构件,减少

构件自身的储热量,使通风顺畅。此外,

对于遮阳构件的材料,一般宜采用浅色且

蓄热系数小的轻质材料或金属板[4]。窑居

遮阳也可以是随不同季节与时段对阳光

控制的应变遮阳,如外置可调格栅、或

可灵活调节的内置式百叶、帘幕等,还

可利用植物或建筑自身原有的部分遮

阳,如阳台、外廊等(图4)。

4)窗与绿化:利用周围植物控制太

阳辐射、组织通风及抵挡冷风,在建筑

南向种植落叶性植物,夏季可遮挡阳光,

高大树木下层开敞利于凉风的引入,经

过树木遮阴进入的热空气可被降温,对

促进窑居室内形成热压通风很有效。在

1 窑居自主营建的随意性

2 窑居生物气候界面原型

3 窑居门窗与被动式太阳房组合形态剖面示意

设计研究 RESEARCHES IN DESIGNTION

9 绿色窑居地面复合界面剖面形态示意

5 绿色窑居门窗复合界面形态剖面示意

6 绿色窑居屋顶复合界面形态剖面示意

8 绿色窑居墙体复合界面形态剖面示意

7 绿色窑居自然空调系统在冬夏两季的工作示意

冬季主导风向位置种植浓密的常青树作为挡风墙,可抵挡冷风侵袭(图5)。2.2 屋顶

原生窑居是利用黄土、砖石等热容量大的材料作为覆土屋顶结构,在白天收集储存热量而夜晚释放,这种黄土材

双层窗内置百叶门窗界面原型双层窗与门斗门窗与特朗伯墙门窗与阳光间Tromb 墙门窗与附加太阳房门窗与非实体遮阳构件门窗与遮阳构件

门窗与绿化

料的散热时滞原理恰恰弥补了黄土高原日夜温差较大的气候特征,维持了室内热环境的稳定性。在维持其结构优势的基础上,可进行以下几方面改造。

1)覆土百叶屋顶:为了保证窑居围护结构良好的蓄热性能,又不增加屋顶

结构自重,可在其屋顶覆土1.5m,并在覆土屋顶的上部架设可调节的活动盖板1) [3],以调控不同季节与时段的热辐射方向。冬季白天将盖板翻起,夜晚再盖上,以减少热量向外部的热辐射。夏季白天,只要拆掉架设盖板的部分支撑板,就形成了双层架空屋面,即反射太阳辐射,又利于屋顶的通风散热;反之夜晚再打开盖板,以利于热量向外辐射冷却室内。盖板的调节控制可结合室内

的简单装置完成。

2)覆土绿化屋顶:窑居屋顶可种植耐旱的草种,对所需维护的人力与灌溉都要求不高,可结合庭院经济种植低杆作物,如花椒、枸杞草等。利用植被根系加固表层黄土,而且屋顶绿化的蒸腾作用与种植土壤的蓄热性能无疑又为屋顶多了一道气候缓冲的屏障(图6)。2.3 墙面

墙体材料的保温隔热性能主要依赖材料的蓄热性与热阻值。对窑居墙界面的设计,可从较大热阻与蓄热性能的材料合理组合、并结合一定的空间设计,阻隔热量在围护结构的传递途径。具体对策如下:1)墙体外保温:可在厚重结构层外侧布置保温层,增加其热阻与热容量。2)双层墙体:在窑居围护结构设置双层墙体,在太阳辐射作用下墙体的空气间层内产生对流循环,通过传热导使集热墙体吸热储热,向室内进行热辐射,增加室温。3)墙体与竖井的结合:在不破坏窑居原有的保温隔热性能的基础上,在窑居后部设置高于屋面的竖井,可以综合性地改善室内隔热、采光、自然通风降湿。其优势在于:竖井在窑背部形成其后部气候缓冲空间;窑居南面的门窗位置与竖井顶窗的高度差,有利于诱导热压通风,只要调控竖井顶窗的开敞程度,就可加强室内的通风效果;有序的通风气流组织可保持夏季窑居室内均匀的温度场分布,被动通风降湿;利用竖井光线反射还可解决一部分窑居后部采光不足的问题(图7)。4)墙面与绿化:墙面垂直绿化可以有效减少夏季

表1 窑居生物气候界面设计的被动式对策

构成设计原则设计对策调节原理改善室内环境参数

屋顶界面覆土百叶屋顶屋顶覆土1.5m,上覆可调节盖板

围护结构的蓄热性

√保温采暖

□太阳辐射

√相对湿度

√自然通风

□自然采光覆土绿化屋顶屋顶种植经济作物及砂层阻水防渗

覆土蓄水屋顶封闭的储热水箱及收集雨水

门窗界面双层窗与门斗

合理的窗墙比,增大南向窗面积,门窗

良好气密性

促进太阳辐射进入

√保温采暖

√太阳辐射

√相对湿度

√自然通风

√自然采光双层窗内置可调节双面活动百叶,北向

窗挂保温窗帘与活动保温板

对太阳辐射的控制

抑制传导热损失

围护结构的蓄热性

门窗+被动式

太阳房

门窗+蓄热墙采暖对太阳辐射的控制

抑制传导热损失

围护结构的蓄热性

自然通风

利用太阳能

门窗+阳光间采暖

门窗+阳光间+直接受益型采暖

门窗+阳光间+蓄热墙式采暖

门窗+遮阳构

水平遮阳构件、非实体遮阳构件

抑制太阳辐射进入

可调节的百叶或帘幕

遮阳材料采用浅色且蓄热系数小的轻质

材料或金属板

门窗+绿化

南向种植落叶树,下层开放种植;冬季

主导风向种常青树

对太阳辐射的控制

形成季节性的遮阳与风屏蔽

自然通风

墙体界面墙面外保温厚重结构外侧设置保温层围护结构的蓄热性

√保温采暖

√太阳辐射

√相对湿度

√自然通风

√自然采光双层墙体

砖石蓄热墙外设置封闭玻璃,内置空气

间层

围护结构的蓄热性

促进太阳辐射进入

墙体+竖井

高过屋面的竖井,出风口可调节自然通风与诱导通风

竖井内置反射板,墙体刷白自然采光

出风口设置挡风板或植物作遮蔽自然通风与诱导通风

墙体+绿化墙面垂直绿化抑制太阳辐射进入

墙体+肌理石墙耙纹肌理围护结构的蓄热性

地面界面蓄热地面石材地砖 围护结构的蓄热性

√保温采暖

√太阳辐射

√相对湿度

√自然通风

□自然采光

吊炕高效预制组装吊炕

围护结构的蓄热性

促进太阳辐射进入

地沟埋深1.5m地沟,出风口设置吸湿装置

围护结构的蓄热性

自然通风与诱导通风

架空地板层内置空气间层围护结构的蓄热性

降湿装置。4)架空地板层:窑居地面上

可架设架空地板层,不仅可以起到防潮

的效果,其地板层间的空气间层可作为

地面温度的缓冲空间(图9)。

将以上绿色窑居的气候复合界面设

计的被动式对策汇集(表1),其与窑居

屋顶、门窗、地面及墙面各界面的形态

模式变化图,共同构成绿色窑居气候界

面的形态模型菜单。

3 结语

以上窑居气候界面的被动式设计对

策体系提供了环境控制的定性分析,在

具体设计决策阶段,设计对策的选择离

不开科学的评价方法,确定改善建筑室

内物理环境的主要矛盾与次要矛盾,且

以定量化的评价依据将调节作用因素的

各种有利对策适用于建筑的形态组合之

中,以获取室内环境控制的最佳综合效

益。本文提出调节窑居室内环境参数的

被动式设计对策体系与窑居生态气候

界面的形态模型菜单,这种模型菜单

的可视化形式,为专业人员指导设计

与结合居住者参与营建过程,提供设

计、营建、改造阶段的形态组合参照

模版,有利于黄土高原窑居营建体系

的自组织良性生长。■

注释

1) 活动盖板:由于盖板需调控不同季节与时段

热辐射的方向,因而盖板宜采用两面颜色深浅

不同的轻质板材。冬季夜晚,将深色面置于上面,

以减少土层的热辐射散失;夏季白天,将浅色

面置于上面,以反射太阳辐射。

参考文献

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中国建筑工业出版社,1987:114.

[6] 汝军红. 辽东满族民居建筑地域性营造技术

调查[J].华中建筑,2007(1):73-76.

优化改良。采用预制混凝土板作为炕体

材料,将落地火炕架空距地面20cm 左

右,形成高效预制组装吊炕[6]。预制吊

炕增加了有效的散热面积与热舒适均匀

度,有利于室内的热稳定。3)地沟:深

厚的土层是室内温度波动的调节器,加

之热量散失的时滞现象,可以减少室内

温度波动,这为冬季利用地热,夏季利

用地冷提供了条件。地沟通风即利用这

一原理在冬季升温,夏季降温降湿。简

易的地沟设备由一条地下埋管和卵石床

构成,埋管深度在1.5m以下,长度不

小于8m。地沟进风口设于室外遮阴处,

风口设风扇,出风口位于室内,并备有

的辐射得热。5)墙面与肌理:材料的孔隙率、密实度和硬软度也影响对太阳辐射热的吸收。窑居南向墙体材料多外贴石材,石材表面质地的耙纹处理,也有利于墙体表面对热量的充分吸收(图8)。

2.4 地面

为了保持地面较好的蓄热能力,可采用以下对策: 1)蓄热地面材料:可选取石材地砖,白天尽量让阳光进入室内,使地面吸收部分太阳辐射热,而散热的时滞效应使热量在夜晚释放,作为室内稳定热环境的“调节器”。2)吊炕:基于对炕体本身的节能优势与尊重传统生活习俗的考虑,可对传统炕进行节能与