让居住空间深呼吸

摘要：本篇论文是以可持续发展的思想为指导，立足于人类生存环境的生态理念，并从我国特定的大陆性气候出发，分析黄河中下游的气候特性，通过对在大陆性过度气候下内、外界面的资源属性的分析，以及对住宅平面型体与剖面型体和通风环境的分析把握，结合对地下建筑和合院结构的认识，进一步提出适合该地区的应变的住宅观，分析住宅的应变形态。

关键词：气候资源 外界面 内界面 热舒适要素 选择透过性 温度阻尼区

一、黄河中下游的气候特点

地球上最原始、最初级的能源就是气候能源，其他各种形式的能源都是气候能源转化的结果。气候能源包括辐射能、热能、风能等，它无处不在，不产生污染，是洁净可再生的能源，所以开发和利用气候能源，是人类可持续发展能源战略的重要内容。而住宅和气候能源有着特殊的关系，住宅始终处在气候能源场中，对住宅而言开发利用气候能源具有得天独厚的优势。其实住宅是对外界气候的补偿手段，是人们通过人工手段建立起来的，适合人类生活居住的微小环境，也就是大气候下的小气候。

地球上的气候根据其受海洋和陆地影响可以分为大陆性气候和海洋性气候两种，大陆性气候的特征就是冬冷夏热。我国西倚全球最大的陆地板块欧亚大陆，东向、南向濒临最大的海洋太平洋，从全球范围来看，这是生成大陆性气候的最

典型环境，这一特定的地理位置决定了我国气候大陆性强的特点。而河南省位于华中平原，黄河中下游，我国第二阶梯向第三阶梯的过渡地带是大陆性过度气候，大陆性气候特点明显，华中平原气候在总体上有三个特点：

1.冬冷夏热。黄河中下游一月份平均气温普遍低-2～-10℃，而到了夏季，又十分炎热，平均气温25～35℃，最高气温达到了40℃，冬夏持续时间长也是华中平原气候的一个重要特点。年平均气温为12.6～16.5℃，日照时数为2010～2640小时。

2.季风气候。黄河中下游全年的主导风向呈季节性变化，大部分地区夏季盛行

3.东南风，和南风，而冬季盛行西北风，刮风频率大。

4.雨热同季。夏季同时也是雨季，全年的降水主要集中在夏季，年降水量在240～1080毫米之间。雨热同季对人体的舒适感觉有一定的负面影响，湿度是影响人体舒适度的四个主导因素之一，因而大大降低夏季气候的舒适度，这在我国黄河中下游表现的相对比较明显。

5.地质疏松。地质机构多为淤沙，多扬沙天气。

在这种气候下，绝大多数情况的人工小气候的维持必须依靠一定的能源支持来完成，这就是人们常说的建筑能耗，当外界的气候资源不能满足用户所要求的室内热舒适度环境、采光环境和通风环境时就会分别采取人工的方式进行补足，其能耗分别对应空调能耗、照明能耗和通风能耗，这些消耗的能源约占人类总能耗的40%～50%。住宅耗能的多少显然取决于三个方面：自然气候条件、建筑自身品质、室内舒适的标准。黄河中下游冬季干冷，夏季闷热，且气温日较差大。夏季气温高于35℃的酷热天数有15～25天，最热月室内平均自然室温比室外平均气温高1～2℃。根据以上对黄河中下游气候的分析，说明了黄河中下游地区气候的大陆性特征表现的最为明显，导致了黄河中下游相当大的地区的住宅能耗普遍偏高。再一个是建筑自身的品质，就是住宅本身对外界气候资源的利用程度，它是从对不利气候阻隔开始的，在进化过程中逐渐增强其对有益气候要素的透过利用。最后一个就是室内的舒适度的标准，人的体感最佳温度是18～20℃，为了达到这个温度使得居室能耗大大增加。

二、采取的措施手段

2.1外界面的资源属性

居室外部气候资源的利用程度与外界面本身的位置以及品质有着重要的关系，居室通过外界面所获得的有利气候要素越充分则可以视为对外界面资源的利用越充分。建筑通过外界面获得的资源不仅包括气候要素，还包括景观、噪声等等空间质地，其资源性可以归纳为以下几个方面：

1.漫射光源。住宅采光之源，无时间性，程周期性变化，无方向性，无明显热效应。

2.直射光源。住宅日照之源，有方向性，有明显的热效应，有时间限制，因

而住宅获得直射光源的机率比漫反射光源少。

3.自然风源。受大气的影响，大气候风源是小区域内实现有效自然通风的必要条件。

4.热交换。只要界面两侧的温差存在，通过传导和辐射就存在热交换。温差越大热交换越多，在极冷极热的大陆性气候下，这是个不利的因素。

5.声源。外界环境的自然噪音和人为噪音能使用户在潜意识中体会到与外界的联系，消除孤寂感，这对人心理舒适感受是非常重要的。

6.景源。通过外界面能满足居室内部对外部自然和人文景观的精神需求。

由于气候要素在时空上分布的不均匀性，使得上述的外界面资源性在不同外界面之间存在着很大的差异。对居室而言，日照辐射的时空差异是气候要素时空分布差异的根本原因，进而造成外界面资源性的差异：

1.外界面因为空间位置上的差异而资源品质不同，如南向和北向的外界面在获得光照辐射机会上的差异。

2.气候的动态变化导致同一外界面在不同时间获得外界气候资源的差异，包括季节差异和昼夜差异，比如外界面的采光和日照功能在夜间丧失，而通风和采声功能依旧存在。

外界气候资源分布的时间和空间的差别，要求居室外界面资源的利用特别强调因地制宜和因时制异。当外界面资源不能满足空间功能要求时，就会产生以人工方式补足的要求，而当外界面资源利用不当的时候，也会导致住宅能耗的浪费，所以对外界气候资源分布差别的研究有着重要的意义。

对外界面资源的充分利用从来都是考量居室生态性的重要内容。那些成功的生态居室无一不是根据外界气候资源分布的差异性，通过不同外界面的品质差异实现对气候能源的利用最大化和受恶劣气候的不利影响最小化。德国著名建筑师托马斯.赫而左格设计的“玻璃之翼”——雷森斯堡住宅就是典型的生态住宅。空间的功能差异实际上是对空间质地要求的差异，因而不同功能的空间对外界面的选择透过性存在不同的要求，空间与所需求的外界面资源在质和量上存在一定的对应关系：

1.方位：不同功能空间对外界面的空间位置要求的差异。住宅中的起居室与厨房虽然都有采光的要求，但由于两者存在使用频率和时段上的不同，使两者对外界面的位置要求产生不同。

2.数量：不同的功能要求或者使用方式，对外界面资源的量要求也不同。同样尺度的空间，机械通风与自然通风对外界面的需求量是不同的，外界面的过剩是对资源的浪费。

在住宅中，起居室、卧室、卫生间等等对外界面资源的要求存在着差异，起居室对多项气候资源要求都比较高，需要充足的良好的日照以及自然采光和通风来保持环境舒适健康，同时通过景向和采声与外界保持精神上需求上的联系，而相比之下，卫生间一般则仅仅对换气有一定的要求，甚至可以远离外界面而通过设置通风道来达到换气的目的。

2.2住宅内界面

居室的外界面通过对自然气候的选择透过性创造了人工舒适气候，而内界面处于舒适气候之中，通俗的说就是为了划分室内空间功能而形成的装饰隔断以及家具、设备等等，它们的目的主要是分隔热舒适要素以外的空间质地，包括光线、视线、声音、气味、氛围，等等。内界面的选择透过属性是居室内部功能的一部分，室内空间功能要求的不同从根本上讲是对空间质地的要求不同，进而也就对空间周遍的内外界面的选择透过性有着不同的要求。住宅中一提到主卧室，就会同“安静、私密、采光日照景向良好”等等联系起来，而这些在本质上都是对空间周遍界面的选择透过性的要求。为了获得气候能源利用的最大化，截面必须确保在阻隔某些目标质地的同时，促使其他空间质地特别是气候要素的最大程度透过。内界面忽视了气候要素，就必然会导致对外界气候资源的浪费。由于对内界面的目的分析认识不足，或者可共选择的界面材料本身性能的限制，使得内界面对气候资源的浪费现象十分普遍，具体表现在为对没有必要隔离的空间质地隔离过多，特别表现在室内实体化的盲界面过多。在开封的很多居室装饰中，内界面只考虑了人出入的过道——门，而除此之外的内界面一律以盲界面隔断，有些直接自然采光的厨房与远离外界面但可以通过厨房间接采光的餐厅之间，为了阻隔烟气就设置封闭的墙体，盲界面隔断了每天只在短时间内出现的烟气，却也隔断了可以全天利用外界光照和通风，结果就不得不输入能量以电力照明和机械通风的方式予以补足，这是严重的资源浪费。处理好内界面的选择透过作用，提高外界面资源的利用效率，在过度性大陆气候条件下的黄河中下游对降低居室的热工能耗是非常有利的。

合理的实现内界面的选择透过作用要通过以下三个方面：

1.深入分析内界面选择透过性要求，明确其阻隔目的，恰当的选用界面材料，对阻隔的目标质地以外的气候能源实现最大程度的透过。

2.赋予内界面动态的可调节性能，满足动态气候下的不同选择透过性要求。

3.尽可能减少不必要的内界面，特别减少盲界面。

2.3应变住宅形态

2.3.1型体的分析

在大陆性气候条件下，小的体型面积能将暴露于外界气候中的界面尽可能控制到最少，这无论对于减少冬季失热还是减少夏季得热都是有利的。在常见的平面形式中，圆形平面可以拥有最小的外表面积，其次是方形。 （图1）从平面形状来看，凹多边形平面与相对应的凸多边形平面相比都会导致较大的体型面积，所以，开敞天井和和内天井对体型控制都是不利的。不论是开敞天井或内天井，起主要目的无非是为了加强自然采光和自然通风，然而同时又不可避免的导致外界面增加，体型表面积扩大，此时通过建立可应变的玻璃界面调节体型可以在极端气候下封闭天井，对建筑体型进行“完型”，这样在满足自然采光的同时隔绝热交换，可以降低热工能耗。

在黄河中下游大部分地区日照充足，居室的南向空间即可以在冬季获得良好的日照，又可以在夏季通过某些应变的措施来实现遮阳。由于人们对不同功能空间的热舒适要求不同，在居室设计中应按照对热舒适的不同需要而合理分区，将对热舒适质量要求较低的空间，如把厨房、卫生间、储藏室、走道置于自然温度

相对较低的北向区域内，而把起居室、卧室尽量布置在朝向好、自然舒适度较高的南向区域，从而使非均质分布的外界气候资源得到充分的利用。

通过增加层级，也可以减弱冲突，这具有普遍的适用意义。为了保证主要空间的室内热舒适环境，可以在舒适度要求较高的空间与恶劣的外界气候之间，结合具体情况使用设置过度空间区域，又可说成“温度阻尼区”。对于位居平面核心部位的空间而言，温度阻尼区可以视作外界面向室内的纵深扩展，由于温度阻尼区与外界面的温差要小于热舒适度高的中心部位空间与外界的温差，即外界面的内外温差减小，所以，可使室内的传导和辐射热损失显著减少，这对于冬季采暖和夏季使用空调都是有利的。南向的温度阻尼区在白天还可作为附加阳光间使用，是改善冬季室内热舒适环境的一个有效措施，当然，夏季也可以打开门窗进行自然通风，使之成为一个可调节、可应变的缓冲空间。

2.3.2通风环境

与其他技术相对复杂、设备相对昂贵的生态技术措施相比，自然通风完全依赖引导自然力来实现。住宅中的自然通风，包括以下三种不同的目的：

1.通过空气交换带走房间的热量，降低室温，满足热舒适需要。

2.供给新鲜空气，更新室内空气的组成成分，改善卫生环境。

3.当外界的气温比室内的气温还高时，外界气流并不能降低室内温度，但气流能加速人体表面的汗液蒸发，使人在感觉上产生降温的舒适效果。

当然自然通风也有一些缺点：

1.外界气温不适宜时，自然通风会导致热工能耗有所增长，所以，居室在采暖和空调期间要对自然通风量加以限制。

2.实现自然的穿越通风，要求外界的风速、风向以及居室周围的条件满足一定的要求。在静风率高的地区仅仅依赖自然通风降温很难满足舒适的要求。

3.难以控制空气的洁净，屏蔽空气中的气味、尘埃等有时会涉及复杂的设备，在大多数住宅中是难以实现的。因而自然通风要根据住宅外围的环境条件以及内部的要求，视具体情况适时做出必要的调整。

自然通风的动力是风压差与热压差。风压差是因自然风力的作用而产生的，气流从压力高处流向压力低处；而热压差则是因不同温度的空气导致密度差异而产生的。这两种因素有时单独存在，有时同时存在，当风压差很小时，热压差对自然通风起着主导作用。风压差引起的自然通风是以气流的的水平方向运动的穿越式通风为主。为了加强静风期的通风效果就需要提高居室内部或内外之间的热压差，可以采取以下的措施：

1.制造高温区。在夏季利用玻璃的温室效应来制造局部高温，加剧室内温度场的不平衡，提高热压差，促进通风。

2.扩大气流出入口的高差来提高热压差。可以设置落地窗能够减弱室内空气的盆地层积效应，促进气流运动。还可以设置垂直贯穿的竖向空间，在顶部设置可以开启的多层共享中庭，强化“烟囱效应”

此外，当夏季室内外温差不大时，通风降温的效果归因于气流能促使人体汗液的蒸发，直接带走人体产生的热量，而不是简单的降低室内气温。因此，尽可能的使气流经过人体就显得尤为重要。在以往的许多住宅设计中，窗台的高度通常是以摆放家具（如桌子的高度）的要求以及安全的要求来确定的，而不是从气候及通风角度来考虑的。这是在室内热舒适要求不高、忽视对气候要素利用的低级状态下产生的，往往会导致住宅的气候性能缺陷。从对气流的分析可以知道，窗台过高造成的“盆地效应”会在室内形成过多的风影区，比窗比台低的床，在夜间就常常处于窗台的风影区内，大大影响自然通风的空间范围和效率。近几年，住宅的窗子的尺寸日渐加大，特别是窗台的高度不断降低，甚至是大面积的落地窗，原先封闭的实体化的阳台栏板也变成了镂空栏杆，这能有效的提高住宅的气流可穿越能力。所以提高整个住宅外界面的通透性或可变性，能最大限度的减弱空气层积效应的不利影响，对促进风压通风和热压通风都有十分有利的。

在居室剖面中，应变的要素除了墙体等垂直方向的分隔界面之外，还包括水平的横向分隔界面，如楼板、屋面、天窗，等等。通过对住宅剖面的改变包括调节内、外界面，能够有效的对住宅内部的热压差气流进行控制引导，促进自然通风。

2.3.3结合对地下建筑和合院结构的认识，分析住宅的应变形态

地下住宅的特点是有相当部分的围护结构为自然实体（泥土、岩石等等），接触外界空气面积少，既体型系数小，因而隔热性好而热容量大，使之能在严酷多变的气候条件下保持相对稳定的室内气候，这种特性非常适合黄河中下游多变的大陆性气候的需要，可以大大降低住宅的采暖和制冷能耗。有关测试表明，由于延迟效应的影响，在地表以下6m深处的温度年波动恰好与室外空气的年波动呈现大约180°的相位差，即室外气温最冷月份（1～2月）时该地层温度却处于最高峰处，而室外最热月份（7～8月）时该地层温度却处于最低峰处。而地层越深，低温波动的幅度就越小，在地表以下2m时，还有10℃左右的年平均温差，但当深入地面以下8m深处时，在一年的周期里地层温度能基本保持不变。（图2）针对黄河中下游的特定气候，地下建筑是用料最少、能耗最低、建造最简的方案。土壤覆盖是地下建筑最直观的特点，这一点可以借鉴为地上住宅的屋顶覆土绿化，以此能改善住宅顶界面的隔热性能。一般情况屋顶界面大约平均占地上住宅外界面的20%左右，而且绝大部分是只具有热工消极意义的盲界面。此外植物随气候的季节变化对住宅顶界面的热工性能起到应变调节作用，就如同动物的毛发。

分析了地下建筑，再来分析一下合院结构。合院民居是在我国特定的自然社会结构关系下各种外力综合作用下的产物。在开封也存在这相当数量的合院，它是我国传统民居的一大特色。合院是盛载气候要素的容器，通过建筑对自然的包容和调节，能够对恶劣气候以及气候的变化有较好的适应和应变能力，它地朝天，敞口于上，通风纳气，承接阳光雨露日月精华，是住宅对气候资源的引入。尽管合院中的空气通过合院上口与大气连通，但其运动状态又有别于自然大气。由于合院周边的垂直界面对空气水平运动的限制，合院内空气的层积效应导致气温出现竖向梯度，即冬季合院内的气温自上而下逐渐升高，而夏季刚好相反。这样，合院也就成为整个建筑的气候缓冲器和阻尼区，丰富了住宅的总体气候梯度，

从而创造了在恶劣气候条件下各季节都比较舒适的室内空间。合院内的空气的层积，可以减弱外部气流对室内舒适环境的不利影响，保持合院内的温度环境和风环境相对稳定，有利于冬季保温防寒；同时利用合院内的空气热压差形成的“烟囱效应”，可以在夏季通过启闭周遍的门窗来控制和调节室内的通风降温。

尽管合院通过调整周边界面的启闭，能够通风纳凉，保暖防寒，但其效果显然十分有限，可以在传统的合院结构的基础上在住宅中央设计一个“应变核心”——一个周边被房间包围的应变的内院。内院与房间之间的界面以及内院直接向外开敞的界面都有灵活变动的可能，设置面积较大的可以开启的门或窗，从此来控制内部气候。在寒冷的冬季，内院周边的所有界面都关闭，内院实际上成为室内空间的一个部分，或者视作为原有空间的“热缓冲层”，此时住宅的体型减少了凸、凹，外界面变的光滑完整，减少了失热的面积。内院的加入也丰富了住宅的气候梯度，弥补了冬季室外活动场所不足的缺憾。到了夏天，院内周边的外界面尽可能全都打开，此时的院内是半开放空间，无论是热压差作用还是风压差作用，通过内院都可以促进周边房间的自然通风。这样，通过“应变核心”的界面应变，分别利用温室效应、烟囱效应、热缓冲层等被动技术策略在不同季节均可促进室内环境的舒适。

三、结束语

上述通过对在大陆性过度气候下内、外界面的资源属性的分析以及对住宅界面的应变措施的阐述，我认为在某种意义上住宅和生命一样，已经演化成一个不断与环境进行物质、能量和信息交换的新陈代谢系统。住宅已经呈现出一种类生命特征，拥有生物一样的自然本性。住宅的应变是高效的，也是生态的。它是对人工气候与自然气候之间动态物流和能量流的调节控制过程，最终的目的是以最高的气候利用效率和最低的环境负荷来实现健康舒适的住宅空间。适应气候，合理利用气候的有意要素本就是生态住宅的核心理念之一。

参考文献

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