《西安建筑科技大学学报(自然科学版)》

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建筑是满足人类社会生活需要的物质空间环境,建筑的气候适应归根结底,是通过空间和实体应对气候,最大限度地降低矿物质能源依赖和实现满足人体需求的物理环境.吐鲁番居民的核心生活场所,包括作为“冬房”“夏房”的建筑内室和高架棚、檐廊等半室外空间,因此当地乡土建筑气候适应原型的核心,是营建满足需求的三类核心场所环境.

针对典型样本的实测结果显示,极端气候条件下,室外、半室外、外室等多样的热调节空间将被调节空间层层包裹,形成对极端气候的逐级衰减,为被调节空间营建舒适环境,见图6.

夏季极端高温向被调节空间“夏房”热传递的过程中,经历了“室外庭院→半室外→地上(外室+内室)→地下(外室+内室)”四层空间的逐级衰减,环境温度呈现显著的梯度下降特征见图6(a).其中,室外庭院承载蒸发降温和增湿策略,调节院落微气候; 半室外空间承载遮阳和通风策略,白天削弱太阳辐射影响以降低环境最高温度,夜间引入室外低温空气降低环境最低温度; 建筑外室承载围护结构蓄热策略,主要贡献于削峰填谷以减小温度波幅; 地下窑洞承载无限厚土壤的高质蓄热策略,提取地冷能源以降低平均温度.

冬季被调节空间“冬房”位于地下和地上的建筑内室A和B,为火炉、火炕取暖工况,极端气候向“冬房”渗透寒冷的过程中,经历了“室外+半室外→外室(地上+地下)→内室(地上)→内室(地下)”四层空间的逐级衰减,环境温度呈现显著的梯度提升特征见图6(b).

图6 极端气候随空间逐级衰减
Fig.6 Gradual attenuation of extreme climate with space

其中,建筑外室承载高热质蓄热策略和“门斗”保温策略,提升环境平均温度,减小温度波幅,兼顾减少冷风渗透; 建筑内室承载内部得热和高热质蓄热策略,提升环境平均温度,同时减少热能损失.

不难发现,吐鲁番乡土建筑空间成为气候适应策略的载体,从开敞通透的室外庭院,到顶部界面限定的半室外,到六面围合的外室,再到内向封闭的内室,空间序列层次分明、循序渐进,气候适应策略也随空间有序排布.

将“冬房”“夏房”“半室外”人体热舒适区间与气候适应策略绘制到焓湿图中,得到各类气候适应策略的环境调节范围见图7(b),与气候软件分析结果相比,吐鲁番乡土建筑对夏季强太阳辐射和干旱气候的适应性能更强,但对冬季寒冷气候的适应性能较弱,如图7所示.

图7 吐鲁番乡土建筑的气候适应性能
Fig.7 Climate adaptation performance of Turpan vernacular architecture

(1)图7(a)显示了Climate Consultant软件所得各项气候适应策略的环境调节潜力,由于建筑核心场所多为室内空间,因而气候策略调节范围均在室内舒适区基础上拓展.其中窗户遮阳、高热质蓄热、自然通风、夜间通风、蒸发降温、增湿等气候适应策略,可有效缓解夏季干热环境,内部得热、被动式太阳能集热与蓄热策略可一定程度的调节冬季寒冷环境[22].但仍有7.1%的时间需要主动设备制冷,另有38.7%的时间需要主动设备采暖.

(2)“冬房”作为吐鲁番居民冬季的核心生活城所,承载着内部得热策略,由于炊事、照明及人体散热较大,沿用气候软件分析结果,有效时长近似1 259 h,占全年时长的14.4%.此外“冬房”常布置在地上的内室空间,厚墙、小窗的特点导致被动式太阳能采暖利用不足,因而冬季采暖时长达3 390 h,占比42.9%.

(3)“夏房”承载高质蓄热、风扇通风和遮阳策略.由于常布置在地下内室,生土围护结构和地下土壤蓄热性能好,半室外、外室等热调节空间将其层层包裹,遮阳良好,但室内通风不畅,难以实现夜间通风降温,且依赖风扇设施增加人体对流散热,因而遮阳策略的有效时长等同图7(a)中的区间2(1 286 h,14.7%),高质蓄热的有效时长等同图7(a)中的区间3(278 h,占比3.2%),风扇通风则等同图7(a)中的区间8(639 h,占比7.3%).

(4)自然通风、蒸发降温等策略不再由室内空间承载,而是布置在半室外和室外空间中,相应的气候调节范围在半室外舒适区基础上拓展.由上文可知,在自然通风工况下,人体室外舒适温度范围为19.7～34.7 ℃,因而自然通风策略调节范围即为半室外舒适区,有效时长2 650 h,占比26.8%; 又由于人体在室外空间中的环境需求,突破了在室内静风情况下的湿度限制,即最大水蒸气分压力14 mmHg和最大湿球温度21.9 ℃[23],因而通过合理种植果树、布局蓄水浇灌,蒸发降温策略的有效时长可提升至1 680 h.

网址：《西安建筑科技大学学报(自然科学版)》 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/187238

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