湘潭市窯灣傳統(tǒng)民居夏季室內(nèi)熱舒適度研究★

張清喜 楊健 唐湘杰 王巧

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭 411201; 2.湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖南湘潭 411201)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于住房的要求不再是滿足于遮風(fēng)避雨，而是對(duì)其舒適度和節(jié)能提出了更高的要求，因此可持續(xù)性建筑(Sustainable Buildings Ecological Building)成為國(guó)際建筑界探討的熱門話題［1］。我國(guó)作為世界四大文明古國(guó)之一，傳統(tǒng)建筑的設(shè)計(jì)也在世界上有著舉足輕重的地位;湘潭市作為冬冷夏熱地區(qū)的典型代表之一，其傳統(tǒng)建筑在節(jié)能設(shè)計(jì)方面的手法對(duì)建筑節(jié)能和熱舒適度的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

窯灣位于湘潭市郊區(qū)，毗鄰湘江，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，本項(xiàng)目擬對(duì)窯灣傳統(tǒng)民居進(jìn)行熱舒適度研究，將對(duì)冬冷夏熱地區(qū)傳統(tǒng)民居改造具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究方案

1.1 測(cè)試儀器與參數(shù)

測(cè)試儀器包括:1)JT-IAQ室內(nèi)熱環(huán)境舒適度測(cè)試儀(北京世紀(jì)建通科技開(kāi)發(fā)有限公司)，其風(fēng)速的測(cè)試范圍為0.05m/s～5m/s，測(cè)試精度為±(0.03m/s+2%讀數(shù))，濕度傳感器的測(cè)試范圍為0%RH～100%RH，測(cè)試精度為±1.5%RH，濕球溫度測(cè)試范圍為20℃～85℃，測(cè)試精度為±0.3℃，濕球溫度的測(cè)試范圍為5℃～40℃，測(cè)試精度為±0.5℃，空氣溫度測(cè)試范圍5℃～60℃，測(cè)試精度為±0.5℃;2)S500深圳市華圖測(cè)控系統(tǒng)有限公司記錄儀分析與記錄儀S500(深圳市華圖測(cè)控系統(tǒng)有限公司)，記錄儀采樣間隔，默認(rèn)10s，記錄間隔為600s。

1.2 測(cè)試方案

為使測(cè)試對(duì)象具有更好的可比性，選取的測(cè)試用房與對(duì)比房的朝向和周邊的遮擋情況相似，根據(jù)實(shí)地考察，為了更好地了解窯灣傳統(tǒng)民居的熱舒適效果共選取兩處傳統(tǒng)民居和一處現(xiàn)代民居進(jìn)行測(cè)試，分別為李宅、肖宅和楊宅。三處住宅均位于湘江西側(cè)，其中測(cè)試房李宅已建成200年左右，為窯灣現(xiàn)存時(shí)間最長(zhǎng)的在用磚木結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)民居，墻體為400mm厚青磚;肖宅為已建成30年的磚木結(jié)構(gòu)住宅，墻體厚度為180mm，對(duì)比用房楊宅為新建的磚混結(jié)構(gòu)，已建成約10年，墻體厚度為240mm，三處住宅均無(wú)保溫構(gòu)造措施。

堂屋是窯灣居民使用頻率最高的房間，所以在室內(nèi)測(cè)試點(diǎn)的布置上主要選擇在堂屋測(cè)試，其中李宅共設(shè)置兩處測(cè)試點(diǎn)，一處位于堂屋入口偏中央位置，另一處為后院天井旁的臥室中央;肖宅和楊宅各設(shè)置一處測(cè)試點(diǎn)均位于堂屋入口偏中央處。

測(cè)試時(shí)間選擇在2012年8月2日～8日，該時(shí)間已過(guò)農(nóng)歷大暑，為該地區(qū)最熱季節(jié)，因此能夠更好地反映當(dāng)?shù)氐臍夂颍總€(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試時(shí)間為24 h，在整個(gè)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)除有1日下雨停止測(cè)試外其余測(cè)試段內(nèi)天氣晴好。測(cè)試期間居室內(nèi)人員日間處于靜坐休息狀態(tài)，新陳代謝率設(shè)置為1.0 met，著裝為T恤衫、短外衣，熱阻設(shè)置為0.3 clo［3］，儀器設(shè)置在距地面垂直高度 1.1 m 處(人體靜坐頭頸部的高度)。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 空氣溫度

由于窯灣地處冬冷夏熱地區(qū)，夏季最高溫度可超過(guò)36℃，這對(duì)人體的熱舒適度和健康造成很大影響，因此夏季對(duì)房屋的隔熱功能要求更高。由于各測(cè)試點(diǎn)測(cè)試的時(shí)間不同，在溫度對(duì)比方面依據(jù)室內(nèi)外溫度的總體情況計(jì)算出其平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值以及正態(tài)分布圖的波動(dòng)程度來(lái)進(jìn)行橫向比較。

由圖1～圖3可知在李宅的室外最高溫度是35℃，最低溫度是26℃;肖宅的室外最高溫度是32℃，最低溫度是26℃;楊宅的室外最高溫度是32℃，最低溫度是25℃。

圖1 李宅臥室溫度對(duì)比圖

圖2 肖宅溫度對(duì)比圖

圖3 楊宅溫度對(duì)比圖

李宅的氣亭處的平均溫度為29.38℃(見(jiàn)圖4)，與其他測(cè)試點(diǎn)的平均值相比要低1℃～2℃，主要原因在于以下幾個(gè)方面:1)該建筑采用的是清朝的400 mm厚青磚建成，青磚是粘土燒制，透氣性極強(qiáng)、吸水性好，在保溫隔熱方面效果較好，其他建筑采用的紅磚，其隔熱性能較青磚有一定差距，同時(shí)墻體的厚度上肖宅和楊宅也較李宅要薄很多，這使得李宅隔熱性能要優(yōu)于其他建筑;2)李宅堂室的開(kāi)間為7 m，進(jìn)深為4 m，正門和后門幾乎在同一條直線上，同時(shí)堂室有氣亭存在(見(jiàn)圖5)，后院有天井存在，這使得該建筑在通風(fēng)方面不僅獲得了穿堂風(fēng)而且還有氣亭風(fēng)的經(jīng)過(guò)，據(jù)監(jiān)測(cè)，該堂室在通風(fēng)方面風(fēng)速最高達(dá)到0.4 m/s，如圖6所示，良好的通風(fēng)不僅可以將房間中的熱空氣帶走，而且足夠快的氣流速度，還可以增加居住者皮膚上的水分蒸發(fā)率，從而給居住者帶來(lái)涼爽的感覺(jué)［4］;3)李宅二層為木結(jié)構(gòu)，而木材本身導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)較紅磚要低很多，使得木結(jié)構(gòu)的散熱能力較強(qiáng)，由于二樓現(xiàn)在不住人，使得二層類似頂層架空，使到達(dá)首層屋頂?shù)奶?yáng)輻射強(qiáng)度大大降低，這為該建筑的降溫起到了很大的作用。

2.2 空氣流速

在自然通風(fēng)條件下，適度的空氣流速會(huì)增加人體與周圍空氣的對(duì)流熱換量和人體的汗液蒸發(fā)量，從而提高人體在熱環(huán)境下的熱舒適度。人體的蒸發(fā)散熱率取決于空氣流速和空氣的水蒸氣壓力的大小。同時(shí)通過(guò)自然通風(fēng)獲得的舒適度的程度取決于在通風(fēng)情況下人們能夠接受的最高溫度和最大氣流速度。在測(cè)試期間內(nèi)，根據(jù)氣象部門監(jiān)測(cè)，該時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速相差不大，可大致認(rèn)為室外風(fēng)速相同，室內(nèi)風(fēng)速測(cè)試情況如圖6～圖9所示，測(cè)試結(jié)果顯示李宅的氣流速度較大，全天風(fēng)速較為均勻，最大風(fēng)速可達(dá)到0.4 m/s，這對(duì)促進(jìn)對(duì)流換熱和人體汗液的蒸發(fā)起到很大作用，而該點(diǎn)測(cè)試所得的PMV平均值為1.8，PPD平均值為48.34%，在所有測(cè)試點(diǎn)中為最低，這說(shuō)明良好的通風(fēng)是提高熱舒適度的必要條件。

圖4 李宅氣亭溫度對(duì)比圖

圖5 李宅氣亭實(shí)地圖

圖6 李宅氣亭風(fēng)速圖

2.3 相對(duì)濕度

從圖10可以看出，四個(gè)測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)濕度都在60%以上，肖宅的相對(duì)濕度達(dá)到90%以上，李宅兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的濕度始終保持在80%以下，在四個(gè)測(cè)試點(diǎn)中保持著相對(duì)較低的濕度值，這說(shuō)明在這四個(gè)測(cè)試點(diǎn)中磚木結(jié)構(gòu)具有較好的除濕能力，肖宅相對(duì)濕度最大的原因是因?yàn)樵撜瑝w厚度僅為楊宅的3/4，為李宅的1/4，在李宅的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)中，氣亭處的相對(duì)濕度更低，這表明在結(jié)構(gòu)類型和材料相同的情況下，良好的通風(fēng)對(duì)除濕起到更大的作用。但無(wú)論是李宅、肖宅和楊宅，濕度都超過(guò)了30%～60%的舒適區(qū)域，這對(duì)人們的居住效果和身體健康都造成了很大的影響，應(yīng)進(jìn)行除濕處理，以獲得更好的室內(nèi)熱舒適度，同時(shí)要采取措施消除傳統(tǒng)民居中的返潮和墻面生霉的現(xiàn)象［4］。

圖7 李宅臥室風(fēng)速圖

圖8 肖宅風(fēng)速圖

圖9 楊宅風(fēng)速圖

圖10 相對(duì)濕度對(duì)比圖

2.4 PMV 和 PPD

目前，在熱舒適度測(cè)試方面，ISO 7730是很多國(guó)家普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)，各測(cè)試點(diǎn)PMV的測(cè)試情況如圖11，圖12所示，從圖中我們可以看到，PMV值隨室外空氣溫度、濕度、空氣流通速度的變化而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，在下午15:00～16:00期間出現(xiàn)最高值，19:00之后開(kāi)始走向峰谷。在四個(gè)測(cè)試點(diǎn)中，李宅臥室盡管位于天井旁，但由于天井較小、通風(fēng)閉塞、太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，日間該處的PMV值最高為2.75，PPD為95%，是四個(gè)測(cè)試點(diǎn)的最高值，表示大部分人都無(wú)法接受該測(cè)試點(diǎn)的室內(nèi)熱環(huán)境，氣亭處PMV最高值為2，同臥室相比要優(yōu)越很多，這間接證明了良好的通風(fēng)是創(chuàng)造舒適的室內(nèi)熱環(huán)境的必要條件。

圖11 PMV對(duì)比圖

圖12 PPD對(duì)比圖

3 結(jié)論和建議

窯灣地區(qū)建筑首層的濕度較大，都在80%以上，室內(nèi)溫度也較高，這對(duì)于人們身體健康和熱舒適度都有很大的影響，為了改進(jìn)室內(nèi)熱舒適度，可以采取以下措施:1)在堂室的設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮采用李宅所用的氣亭，它在通風(fēng)散熱、除潮防濕方面具有舉足輕重的作用，應(yīng)大力推廣;2)可以考慮加大磚混結(jié)構(gòu)墻體的厚度，以此來(lái)增強(qiáng)墻體的保溫隔熱和防潮能力;3)可以考慮首層用做堂室廚房等，將二層改為臥室，這樣臥室有了將近3 m的架空防潮層，這對(duì)于隔熱和防潮起到很大的作用;4)楊宅在頂層做了一個(gè)頂層架空層，這對(duì)于二層的隔熱也起到很大的作用，在以后的住宅建設(shè)中可以考慮進(jìn)行應(yīng)用;5)由于窯灣地區(qū)在夏季自然通風(fēng)條件下室內(nèi)溫度仍然較高，這些數(shù)據(jù)充分說(shuō)明了窯灣地區(qū)夏季室內(nèi)熱環(huán)境非常惡劣，為了達(dá)到理想的熱舒適度指標(biāo)，可以采用空調(diào)、風(fēng)扇等降溫設(shè)施。本次測(cè)試中在李宅氣亭處風(fēng)速較大，測(cè)試人員實(shí)地感覺(jué)非常舒適，但得到的數(shù)據(jù)結(jié)果并沒(méi)有達(dá)到預(yù)想的結(jié)果，風(fēng)速在熱舒適度中起到的作用值得進(jìn)一步進(jìn)行理論研究。

［1］鄭元良，賴榮平，江哲銘，等.不同構(gòu)造類型歷史建筑之室內(nèi)熱環(huán)境研究——以宜闌地區(qū)歷史建筑為例［J］.臺(tái)北:建筑學(xué)報(bào)，2006(6):38-39.

［2］袁 濤，李劍東.長(zhǎng)沙地區(qū)公共建筑熱濕現(xiàn)狀與熱舒適性研究［J］.建筑科學(xué)，2010(4):51-52.

［3］楊 柳.建筑氣候?qū)W［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］唐方偉，唐冗冗，劉加平，等.四川傳統(tǒng)民居夏季室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量測(cè)試分析［J］.建筑科學(xué)，2011(6):19-20.