晉南傳統(tǒng)民居的室內(nèi)熱環(huán)境測試及節(jié)能分析——以襄汾丁村民居為例

石謙飛，李少穎

（太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024)

隨著社會的發(fā)展，節(jié)能環(huán)保已成為當(dāng)代建筑設(shè)計中著重考慮的方面。我國傳統(tǒng)民居在當(dāng)時允許的技術(shù)條件范圍內(nèi)，已體現(xiàn)出節(jié)能、生態(tài)、舒適這三方面的考慮。目前，我國北方鄉(xiāng)村住房的建設(shè)活動缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)，建筑質(zhì)量低下，且在建造和使用過程中能耗及污染嚴(yán)重。如多數(shù)農(nóng)宅采用燃煤取暖，建筑保溫性能差，采暖效率低，導(dǎo)致資源浪費，并且加重農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。故本文以丁村傳統(tǒng)民居作為研究對象，結(jié)合晉南地區(qū)氣候特點，取其精華去其糟粕，旨在對今后傳統(tǒng)民居的節(jié)能改造和新建民居的節(jié)能設(shè)計有所啟示。

1 晉南地區(qū)概述

晉南地區(qū)位于山西省南部，包括臨汾市和運城市。本次研究選擇的丁村位于襄汾縣（東經(jīng)111.43°，北緯35.86°)，地處半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，屬溫帶大陸性氣候，四季分明，雨熱同期。氣候的主要特征是冬季寒冷干燥，降雪稀少；春季干旱多風(fēng)；秋季陰雨連綿；夏季酷熱多暴雨，伏天旱雨交錯。年平均溫度12.2℃，最冷月平均氣溫為-4.5℃，最熱月平均氣溫為26℃，年降雨量510mm，無霜期180～210d。

2 丁村新舊民居現(xiàn)狀對比

2.1 傳統(tǒng)民居現(xiàn)狀［2］

本次研究選擇具有代表性的“丁村26號院”，該院落建筑距今約有100年歷史，現(xiàn)為一對中年夫婦和一對老年夫婦居住，在可供調(diào)研的院落中屬于較普遍的一座，平面圖如圖1所示。

圖1 26號院平面圖

2.1.1 平面布局

傳統(tǒng)四合院式布局，三進(jìn)院落，有正方、倒座、東西廂房圍繞中間庭院形成的院落。第一進(jìn)院落狹長，最初是長工居住，現(xiàn)已廢棄。老年夫婦居住第二院落，中年夫婦居住第三院落。

2.1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

墻體。外墻體厚度約700mm，中間是夯實的土坯，外層裱泥草或者用青磚砌筑，外墻體有側(cè)腳。無其它保溫措施。

門窗。門窗框均為木質(zhì)，經(jīng)初步改造將原來紙糊的窗子加上了玻璃。

2.1.3 屋頂及隔層

屋頂為兩坡或高低坡，出挑較遠(yuǎn)。用內(nèi)部利用木板吊頂形成的隔層不但可以儲物，更有隔熱通風(fēng)效果。

2.1.4 采暖方式

主要使用帶風(fēng)箱的爐灶，與火炕相連，利用其余熱加熱炕面。主要為燃料柴火、農(nóng)作物秸稈等，也常使用煤炭。

2.2 自建民居現(xiàn)狀

為了使兩個測試的對象更具有可比性，本次測試選取的對比對象是同村的自建民居（2010年建成)，它與所研究的傳統(tǒng)民居在同一村落，故可作為在同樣環(huán)境和條件下進(jìn)行的對比研究，平面圖如圖2所示。

圖2 自建民居平面圖

2.2.1 平面布局

四合院式布置，主要居住房間坐北朝南，樓梯于戶外通向二層，二層閑置。東西廂房及倒座用于存放農(nóng)作物及勞動工具。

2.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

墻體。外墻為360mm厚磚墻，內(nèi)墻為240mm厚磚墻，沒有任何保溫措施。

門窗。門窗構(gòu)造簡單，密封性差。多采用單層平板玻璃，不利于保溫隔熱，鋼、鋁等金屬框材料易形成冷熱橋。

2.2.3 屋頂及隔層

屋頂為兩坡，出挑較淺。混凝土預(yù)制板搭建，起坡較平緩。二層可儲物、住人且兼具隔熱通風(fēng)的效果。

2.2.4 采暖方式

火爐取暖或者自家燒暖氣，主要燃料是煤炭柴火、農(nóng)作物秸稈等。有時候使用空調(diào)或電暖器等調(diào)節(jié)室溫。

2.3 現(xiàn)狀調(diào)查

通過調(diào)查問卷的形式，對二者的使用情況、能源消耗等問題進(jìn)行了解。根據(jù)100份問卷（有效78份傳統(tǒng)民居32份，自建民居46份)統(tǒng)計結(jié)果顯示，傳統(tǒng)民居內(nèi)的村民夏季90%選擇開窗通風(fēng)降溫，75%選擇戶外乘涼，而采用電氣化降溫的比例為9%。在自建民居中這一的比例分別是82%，58%和40%。冬季，傳統(tǒng)民居90%采用農(nóng)作物的秸稈柴火等作為炊事和取暖的能源，60%使用煤炭、蜂窩煤等，6%采用電熱設(shè)備。自建民居中這一比例是80%，90%和56%在調(diào)查中，居民對當(dāng)前室內(nèi)熱環(huán)境的基本滿意程度分別是86%和70%。

3 丁村傳統(tǒng)民居和自建民居的冬季保溫夏季隔熱效果測試

圖3為測量期間襄汾縣冬季某天天氣情況及傳統(tǒng)民居與自建民居室內(nèi)溫度的對比。

圖3 冬季室內(nèi)外溫度

以上測試均在冬季不采暖時進(jìn)行。由圖可知，傳統(tǒng)民居的室內(nèi)平均溫度均高于自建民居，且當(dāng)天最低氣溫-11℃（4：00—6：00)時，傳統(tǒng)民居室內(nèi)溫度為0℃，而自建民居的室內(nèi)溫度僅為-3℃。當(dāng)天最高氣溫4℃（下午4：00)時，傳統(tǒng)民居室內(nèi)溫度為3℃，而新建民居室內(nèi)溫度為1℃。值得指出的是，此次測試是在該傳統(tǒng)民居經(jīng)過初步改造之后進(jìn)行的，即已將本用紙糊的木框加上玻璃，在很大程度上提高了傳統(tǒng)民居的保溫效果。在冬季采暖時進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)民居使用柴火或做飯的余熱加熱火炕，可使得室內(nèi)溫度保持在12～18℃之間，而且炕面溫度達(dá)到30℃以上，室內(nèi)環(huán)境較為舒適［3］。

我們根據(jù)初步的測量結(jié)果，并通過計算對傳統(tǒng)民居和自建民居的冬季能耗（采暖期)進(jìn)行了分析，得出表1所示。

表1 能耗分析

由該表1可以看出，在外界條件基本相同的情況下，傳統(tǒng)民居的耗熱量指標(biāo)略低于自建民居。注：自建民居有時候還會使用電暖設(shè)備取暖，并未計入表中。

圖4為測量期間襄汾縣夏季某天天氣情況及傳統(tǒng)民居與自建民居室內(nèi)溫度的對比：

圖4 夏季室內(nèi)外溫度

由圖4可以看出，在不使用電器降溫措施（電風(fēng)扇和空調(diào))的前提下，多數(shù)時候傳統(tǒng)民居室內(nèi)溫度低于自建民居。在某些時段（13：00-16：00)傳統(tǒng)民居室內(nèi)溫度會略高于自建民居。同時還可發(fā)現(xiàn)，自建民居在8：00—20：00區(qū)間內(nèi)室內(nèi)溫度要低于室外溫度；而傳統(tǒng)民居在6：00—22：00區(qū)間內(nèi)室內(nèi)溫度要低于室外溫度。這說明，傳統(tǒng)民居的圍護(hù)結(jié)構(gòu)能有效阻止太陽熱輻射向室內(nèi)的傳遞，室內(nèi)更涼爽。

4 晉南傳統(tǒng)民居的節(jié)能優(yōu)劣勢分析及借鑒

4.1 選址布局

4.1.1 院落

晉南地區(qū)屬于寒冷ⅡB區(qū)［1］，為了增強(qiáng)建筑的保溫，圍合的院落具有良好的封閉性，擋住冬季北方的寒流，且庭院較開敞，以求獲得更多的太陽輻射能量。春夏季院內(nèi)或者墻壁上綠色植物郁郁蔥蔥，既美化了環(huán)境了又達(dá)到遮陽效果，還有調(diào)節(jié)院落小氣候的功能。

4.1.2 體形系數(shù)

體形系數(shù)的物理意義是單位建筑體積占外表面（散熱面)的多少，是影響建筑能耗的重要因素。由于通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量與傳熱面積成正比，顯然，體形系數(shù)越大，說明單位建筑空間的熱散失面積越大，能耗就越高［4］。經(jīng)計算，本次研究的傳統(tǒng)民居的體形系數(shù)為0.64，而自建民居依然沒有明顯的改善為0.58，大大超過成熟的多層住宅。所以，建議當(dāng)?shù)卣薪M織有規(guī)劃地進(jìn)行新農(nóng)村建設(shè)，盡可能采用兩戶或者多戶聯(lián)立式布置，適當(dāng)增加房間進(jìn)深和層數(shù)，規(guī)矩建筑平面，以降低體形系數(shù)，不能任其自建，如本次調(diào)研的自建民居。

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

4.2.1 窗墻比和大屋檐

各朝向的開窗方式不同，南向開窗面積大（窗墻比0.34)以收集更多的太陽熱量，北向及東西山墻為了減少冬季熱損失，不開窗。冬至日太陽入射角為30°左右庭院開敞，南窗上沿距地面2.7m。經(jīng)計算，太陽光射入屋內(nèi)最遠(yuǎn)可達(dá)4m以上，冬季正午室內(nèi)陽光充沛。夏季太陽入射角高，由于大屋檐的遮擋作用，陽光不易射入室內(nèi)。

4.2.2 雙層門窗

傳統(tǒng)民居的木雕門窗氣密性不好，是冬季熱量流失的主要途徑。為了解決這個問題，前人在木框門窗內(nèi)又設(shè)置一層實木板，形成雙層門和雙層窗，這樣既保溫又具有防御功能，但其缺點是影響室內(nèi)的采光。在新建民居中，建議采用雙層塑鋼門窗并使用夾膠玻璃。若使用木框門窗，門窗縫隙處采用企口對接。有研究比較了圍護(hù)結(jié)構(gòu)對節(jié)能的影響，其中外窗占60%，外墻占32%，屋面占8%，外窗的總能耗（傳熱、輻射和滲透)比例占57%～63%［5］，所以外窗的節(jié)能改造是整個傳統(tǒng)民居節(jié)能改造的重中之重。

4.2.3 墻體

土坯墻有很好的保溫隔熱性能，能很好地適應(yīng)冬季寒冷的氣候和早晚溫差變化對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。但其缺點是占用過多的面積，如本次測量的傳統(tǒng)民居，建筑面積為48.2m2，室內(nèi)使用面積僅不到30m2。所以在新建民居中建議使用復(fù)合保溫墻體，提高建筑使用面積的同時增強(qiáng)了維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。晉南地區(qū)地下水位高且水的鹽堿度高，所以在墻面與地面的交界處注意防水、防潮的處理。

4.3 屋頂及隔層

室內(nèi)利用木板吊頂形成隔層，具有通風(fēng)隔熱和儲藏的功能。架空屋頂?shù)淖龇ㄓ行У卣趽趿颂枌幼】臻g的輻射，極大地改善了室內(nèi)熱環(huán)境。圖5表示屋頂傳熱的過程，當(dāng)室外綜合溫度將熱量傳給間層的上層板面時，上層將所接受的熱量Q0向下傳遞，在間層中借助于空氣的流動帶走部分熱量Qa，其余部分Qi傳入下層。這種利用空氣隔層來降低室溫的效果不但與屋頂材質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)更與間層的氣流速度、氣進(jìn)口溫度和間層高度有密切關(guān)系［6］。建議在新建民居中增加隔熱層，間層高度高于250mm后隔熱效果的增長已不明顯，所以隔熱層控制在250mm以內(nèi)就能滿足通風(fēng)隔熱需求。

圖5 屋頂熱傳遞

4.4 取暖方式

火炕是北方傳統(tǒng)民居冬季的普遍采暖設(shè)施，利用做飯的余熱加熱炕面，從而提高室溫。經(jīng)測試，在室外溫度-10℃的夜里，室內(nèi)炕面溫度可達(dá)30℃以上。土炕的構(gòu)成如圖6所示，內(nèi)部一排一排的磚砌隔斷支撐草泥板炕面，炕連接火爐與煙囪，灶火產(chǎn)生的高溫?zé)熈鹘?jīng)炕下的煙道，與煙道壁進(jìn)行熱量交換進(jìn)而加熱炕面，達(dá)到采暖的目的［7］。同時，粘土具有蓄熱量大散熱均勻的特點，對人體的健康有利。但是土炕在現(xiàn)代的使用中并不廣泛由于其體積龐大、不易挪動等缺點正日益被淘汰。但是我們可以將這一原理與現(xiàn)代的地暖相結(jié)合，即將煙道布置在地板下，達(dá)到節(jié)能兼舒適的目的。

圖6 火炕剖視圖

4.5 充分利用可再生資源

1)雨水。利用雨水收集系統(tǒng)一方面可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，使室內(nèi)冬暖夏涼，另一方面可以灌溉和沖廁。

2)太陽能。房屋南部設(shè)置太陽能集熱器，用來加熱水或輔助室內(nèi)采暖，入口處設(shè)置陽光間。

3)沼氣。合理利用沼氣系統(tǒng)、動物糞便和人的排泄物經(jīng)過發(fā)酵后通過導(dǎo)氣管進(jìn)入廚房的沼氣燃具、燈具，可供平時做飯或照明。

4)當(dāng)?shù)夭牧稀Ｐ←?、玉米、水稻是?dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物，而農(nóng)作物秸稈是很好的生態(tài)建材［8］，可制作成草磚廣泛運用于建筑的非承重結(jié)構(gòu)，具有很好的保溫性能。

5 結(jié)語

隨著人們生活水平的不斷提高，對室內(nèi)聲、光、熱環(huán)境要求越來越高，傳統(tǒng)民居已經(jīng)無法滿足要求。在今后的鄉(xiāng)村住宅更新建設(shè)中，應(yīng)從選址布局、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、屋頂隔層、取暖方式、新能源利用等方面對新建民居提出節(jié)能改進(jìn)措施。除此之外，亦應(yīng)延續(xù)當(dāng)?shù)孛窬拥奈幕卣骱屯庥^特征，達(dá)到既能保留傳統(tǒng)民居形態(tài)，又能提高居住舒適性的目的。

［1］GB50178-1993.建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國計劃出版社，1994.

［2］李秋香.丁村［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［3］趙西平，劉元，劉加平.秦嶺山地傳統(tǒng)民居冬季熱工性能分析［J］.太原理工大學(xué)學(xué)，2006，9：565-571.

［4］趙華，金虹.北方寒冷地區(qū)鄉(xiāng)村住宅本土生態(tài)技術(shù)研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，2：235-237.

［5］閆海仙，杜震宇.寒冷地區(qū)民居的自主節(jié)能改造［J］.晉中學(xué)院學(xué)報，2011，3：94-96.

［6］柳孝圖 建筑物理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［7］李世芬，張小崗，宋盟官.華北平原民居適宜性建造策略與方法探討［J］.華中建筑，2008，7：165-169.

［8］佚名.輕質(zhì)建材——稻草板［J］.技術(shù)與市場，2005，12A：19-20.