巴渝地區(qū)夯土民居室內(nèi)熱環(huán)境

巴渝地區(qū)夯土民居室內(nèi)熱環(huán)境

楊真靜，田瀚元

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院,山地城鎮(zhèn)建設(shè)新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

摘要：傳統(tǒng)民居的傳統(tǒng)生態(tài)建造經(jīng)驗(yàn)與價(jià)值已得到廣泛認(rèn)可，巴渝地區(qū)因特殊的地形與氣候，傳統(tǒng)民居在熱環(huán)境的營(yíng)造上有自身的特點(diǎn)。以重慶江津區(qū)龍?zhí)链搴煌撩窬訛檠芯繉?duì)象，以實(shí)地測(cè)量的冬季室內(nèi)熱工參數(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用軟件模擬分析，對(duì)民居全年室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)夯土墻對(duì)改善夏季熱環(huán)境更為有利，夯土民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境遠(yuǎn)比夏季差；民居建筑中閣樓空間在調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境方面作用顯著，具有冬季保溫，夏季隔熱的作用。

關(guān)鍵詞：民居；熱環(huán)境；保溫；隔熱

Received:2015-10-27

Foundation item： National Natural Science Foundation of China (No.51508048); Fundamental and Frontier Science Foundation of Chongqing (No.cstc2014jcyjA90024); Fundamental Research Funds for the Central Universities (No.106112014CDJZR190008)

由于氣候、民族、生活習(xí)慣、文化等不同，帶來(lái)了傳統(tǒng)民居的多樣性，其傳統(tǒng)生態(tài)建造經(jīng)驗(yàn)與價(jià)值已得到了廣泛認(rèn)可與重視[1]。傳統(tǒng)民居熱環(huán)境營(yíng)造技術(shù)也逐漸成為建筑領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，但受到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平、自然條件和生活方式等因素的影響，民居的發(fā)展與更新不可避免動(dòng)態(tài)的過(guò)程。對(duì)于這些富含歷史與文化，且使用傳統(tǒng)材料、傳統(tǒng)工藝的建筑，應(yīng)辯證對(duì)待，保護(hù)傳統(tǒng)和優(yōu)化更新并行。目前,對(duì)傳統(tǒng)民居熱環(huán)境已有一定的研究成果，Martín等[2]在西班牙一農(nóng)村進(jìn)行了研究，對(duì)當(dāng)?shù)夭煌膸追N材料建造的民居進(jìn)行了測(cè)量和分析，發(fā)現(xiàn)用木頭新建造的民居熱工性能遠(yuǎn)不如之前的生土民居和石質(zhì)民居，Ooka[3]對(duì)日本寒冷地區(qū)民居進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)典型民居冬季和夏季的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了土墻和蘆葦屋頂對(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境有很大的影響，而且土墻和生土地面對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的維持有一定的作用。在中國(guó)，對(duì)西北地區(qū)傳統(tǒng)民居研究的成果豐碩[4-6]，華南地區(qū)傳統(tǒng)民居具有強(qiáng)烈的地方特性，研究發(fā)現(xiàn)組織好自然通風(fēng)是濕熱地區(qū)提高室內(nèi)熱舒適性的關(guān)鍵[7-8]；對(duì)夏熱冬冷地區(qū)傳統(tǒng)民居的研究主要集中在江西、浙江等地[9-11]，對(duì)巴渝地區(qū)，因?yàn)闅夂蚺c地形的特殊性，熱環(huán)境相較其他地區(qū)有很大不同，而目前對(duì)該地區(qū)傳統(tǒng)民居熱環(huán)境的研究還較少。

筆者以巴渝地區(qū)常見的夯土民居為研究對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)量，通過(guò)實(shí)測(cè)與模擬分析巴渝地區(qū)夯土民居全年的熱環(huán)境狀況。

1地域氣候特點(diǎn)和研究對(duì)象

重慶地處四川盆地東南，地形以山地丘陵為主，坡地面積比較大，有山城之稱。選擇的研究點(diǎn)位于重慶市江津區(qū)，屬北半球亞熱帶季風(fēng)氣候，全年氣候溫和，四季分明，雨量充沛，日照尚足。江津城區(qū)年平均氣溫18.4 ℃，冬季平均氣溫7.7 ℃，夏季平均氣溫28.5 ℃。年日照時(shí)數(shù)1 273.6 h，年降雨量1 030.7 mm，年濕度81%，太陽(yáng)總輻射量3 050 MJ/m2。全年水蒸發(fā)量小于降雨量，氣候濕潤(rùn)。南部山區(qū)受地形影響，氣候的垂直變化明顯，地勢(shì)越高，氣溫越低，降水越多，冬季有雨雪天氣。

研究對(duì)象位于江津區(qū)南部山區(qū)——中山鎮(zhèn)龍?zhí)链澹迩f在中山古鎮(zhèn)老街南面的山上，全鎮(zhèn)面積156 km2，耕地面積20 528畝。龍?zhí)链鍖儆谏降剞r(nóng)村，海拔318.1 m。村莊民宅均沿山等高線排列布置，建筑依山而建，平面布局多“一”字型或“L”型，建筑多為土木結(jié)構(gòu)，是一個(gè)具有典型代表性的以傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)建筑為主，磚、石等其他材料為輔的村落。

2實(shí)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

2.1　實(shí)測(cè)建筑簡(jiǎn)介

在村中選取一戶居住者充分使用、且具有典型代表性的傳統(tǒng)民居作為研究對(duì)象。該建筑有80多年歷史，朝向?yàn)槟掀?5°。據(jù)考證是全村最老的建筑，5開間，坡屋頂，木門窗，夯土墻，保存相對(duì)完好。建筑風(fēng)格質(zhì)樸，屬于典型的巴渝民居，建筑平面功能簡(jiǎn)單，除堂屋外，其他房間均設(shè)有閣樓。建筑平面、剖面以及立面風(fēng)貌見圖1。

圖1　建筑現(xiàn)狀圖Fig.1　The tested building

建筑主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法為：室內(nèi)外墻體均采用350 mm厚夯土墻，墻體為就地取土，加上秸稈段人工夯筑而成，見圖2(a)；地面素土夯實(shí)；屋頂采用傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)屋頂，上覆蓋小青瓦，采用亮瓦頂部采光；見圖2(d)；建筑門窗均為木質(zhì)，窗僅為木格柵洞口。見圖2(b)、(c)。

圖2　建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法Fig.2　Construction of the building

2.2　實(shí)測(cè)方案

重慶屬于濕冷濕熱氣候區(qū)，建筑熱工設(shè)計(jì)不僅僅要滿足夏季防熱，還要兼顧冬季保溫。一直以來(lái)的研究較多關(guān)注夏季室內(nèi)熱環(huán)境，對(duì)于冬季的研究較少，但是該地區(qū)冬季室內(nèi)熱環(huán)境問(wèn)題尤為突出[12-13]。因此，選擇冬季測(cè)量，測(cè)量時(shí)間為2013-12-31—2014-02-09日，共40 d。測(cè)點(diǎn)具體位置見圖1(a)、(b)。測(cè)量參數(shù)為室內(nèi)外溫度，測(cè)量?jī)x器采用HOBO溫度自記儀，量程為-20~70 ℃，溫度精度為±0.21 ℃(0~50 ℃)，儀器每30 min自動(dòng)記錄一次。

2.3　測(cè)試結(jié)果分析

實(shí)測(cè)建筑功能房間類型主要分為堂屋和臥室，各自空間特點(diǎn)為：堂屋空間高，臥室均設(shè)有閣樓。

測(cè)試期間為重慶最冷月份，室外氣溫較低，平均溫度為8.5 ℃(見圖3)，晴天和陰天基本各占一半，最高溫為18.3 ℃，最低溫1.1 ℃。

圖3　測(cè)試期間室外氣候Fig.3　Outdoor meteorological parameter

建筑內(nèi)各部位溫度變化見圖4，可以看出，堂屋和次臥的平均氣溫基本相當(dāng)，為10.5 ℃，高于室外平均溫度2 ℃，閣樓次之，為10 ℃，平均溫度最低的是主臥，比其他房間低1.4 ℃，比室外氣溫高0.6 ℃。比較主次臥室，空間特點(diǎn)一樣，差別在于主臥為端部房間，盡管有西墻，但冬季太陽(yáng)平均輻射較低，散熱明顯。從溫度波動(dòng)范圍來(lái)看，兩臥室基本相當(dāng)，閣樓和堂屋的溫度波動(dòng)明顯大于臥室，尤其是閣樓，平均日較差達(dá)到14 ℃以上，分析堂屋和次臥的空間特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，差別在于有無(wú)閣樓，閣樓成為了室外氣候的緩沖空間，使下部空間溫度更為穩(wěn)定。這一點(diǎn)也反映在閣樓的溫度峰值和室外溫度峰值相近，分析建筑特點(diǎn)可知，輕薄的小青瓦屋面熱阻小，室外氣候透過(guò)瓦直接作用到室內(nèi)，沒(méi)有閣樓的堂屋溫度隨室外波動(dòng)，而臥室因?yàn)殚w樓的緩沖作用,溫度相對(duì)穩(wěn)定。

圖4　室外及各房間室內(nèi)溫度變化Fig.4　Temperature of outdoor and different

為了逐時(shí)分析一天中室內(nèi)氣溫的變化，選擇測(cè)試時(shí)間段中室外平均溫度最低且較穩(wěn)定的1月2日作為典型天進(jìn)行分析，典型天溫度變化見圖5。該天室外日平均氣溫為6.6 ℃，晝夜溫差為2.2 ℃。建筑內(nèi)部空間中，熱環(huán)境最好的是次臥，平均溫度9.7 ℃，其次是與之位置相似的堂屋9.1 ℃，最低是主臥7.7 ℃，閣樓略高于主臥。

圖5　典型天室內(nèi)外空氣溫度變化Fig.5　Temperature of indoor and outdoor in typical day

從全天室內(nèi)溫度變化來(lái)看，因該日為陰天，太陽(yáng)輻射較小，室內(nèi)溫度變化更多受到室內(nèi)人員活動(dòng)的影響，從11：00到21：00，堂屋日間升溫最為明顯，這主要得益于住戶的生活習(xí)慣，在重慶鄉(xiāng)村，即使在冬季，堂屋大門在日間也會(huì)一直大開，且人員活動(dòng)也在堂屋，室外溫度的逐漸上升疊加人員活動(dòng)帶來(lái)了堂屋的升溫，夜間人員轉(zhuǎn)移到了臥室，從圖中可見,在19：00后室外溫度已經(jīng)下行，臥室溫度卻出現(xiàn)了上行穩(wěn)定狀態(tài)，但堂屋溫度卻逐漸下降，這反映出冬季夯土民居室內(nèi)溫度的變化不但受圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，還與住戶的日常生活習(xí)慣和作息規(guī)律緊密相關(guān)，是多因素共同疊加作用的結(jié)果。

閣樓與室外空氣緊密相接，瓦層輕薄，緊隨室外溫度變化而變化，但變化幅度明顯小于堂屋。這主要是因?yàn)榈湫腿諡殛幪?，這也是重慶冬季主要的天氣類型，太陽(yáng)輻射較小，日較差小。另外，堂屋與臥室測(cè)點(diǎn)位置相較于閣樓要低很多，靠近人員的活動(dòng)區(qū)域，其室內(nèi)溫度更多受到內(nèi)熱源的影響。而閣樓遠(yuǎn)離人員活動(dòng)區(qū)域，比較閣樓和下部的主臥室，在日間受室外影響，閣樓溫度高于下部；在夜間，下部溫度上升，閣樓溫度下降，上下空間溫度趨同。

熱惰性方面，閣樓處于外層，瓦層輕薄多縫隙，溫度變化和室外基本同步，基本沒(méi)有峰值延遲，溫度延遲最明顯的是次臥，延遲約2 h，反映出次臥因處于中間位置和閣樓的緩沖具有較好的熱惰性。

3模擬分析

為進(jìn)一步研究夯土民居全年室內(nèi)熱環(huán)境，采用軟件DesignBuilder對(duì)該建筑進(jìn)行模擬研究。

3.1　模型驗(yàn)證

數(shù)值模型按照實(shí)際尺寸建立，各項(xiàng)參數(shù)均按照實(shí)際情況設(shè)置。模型見圖6。

圖6　模型透視圖Fig.6　The building

氣象數(shù)據(jù)采用重慶標(biāo)準(zhǔn)氣象年數(shù)據(jù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法及熱阻值見表1，根據(jù)民居實(shí)際使用情況設(shè)置室內(nèi)相關(guān)熱工：所有機(jī)械設(shè)備全部關(guān)閉，外窗設(shè)置為洞口，室內(nèi)人員設(shè)置2人，堂屋活動(dòng)時(shí)間為8：00—19：00，輕微勞作，臥室為19：00—8：00，燈光按照低照明水平設(shè)置。

表1　圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法

選擇室外溫度與選取的典型天氣象參數(shù)最為接近的一天進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖7。從模擬結(jié)果可以看出，各建筑部位溫度模擬與實(shí)測(cè)的平均值誤差在2%以內(nèi)，最大誤差也不超過(guò)5%，曲線走勢(shì)也基本相同，模擬的結(jié)果比較滿意，可以證明模型比較接近真實(shí)情況。

圖7　各功能房間實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig.7　The comparison of simulated and measured

3.2　模擬結(jié)果分析

利用驗(yàn)證的模型，選取典型氣象年中夏季典型氣象日進(jìn)行模擬，堂屋、主臥、次臥、室外溫度變化見圖8。

結(jié)果顯示：室外平均溫度為31.1 ℃，堂屋平均溫度較室外降低了1.2 ℃，與堂屋空間位置類似的次臥則降低了2.5 ℃，出現(xiàn)1.3 ℃差值的主要原因是次臥在結(jié)構(gòu)上比堂屋多了閣樓。而位于端頭位置的主臥室內(nèi)平均溫度則比室外降低了1.5 ℃，雖然有西曬的不利影響，但是,因?yàn)楹煌翂嶙璐蠛烷w樓的作用，使其室內(nèi)熱環(huán)境仍然可接受。分析3條曲線可以發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)外溫度走勢(shì)相近，但是因?yàn)楹煌翂π顭嵯禂?shù)較大，3個(gè)房間基本都有1~2 h的峰值延遲。從波動(dòng)范圍來(lái)看，堂屋的波動(dòng)最大，主臥次之，次臥最小，主要還是與作為緩沖空間的閣樓和熱穩(wěn)定性好的夯土墻有關(guān)。在川渝地區(qū)，夯土民居臥室習(xí)慣設(shè)置閣樓，結(jié)合冬夏兩季來(lái)看，不僅僅有儲(chǔ)物的作用，還有隔熱保溫的作用。

圖8　典型天夏季室內(nèi)外溫度變化Fig.8　Temperature of indoor and outdoor in typical day in

3.3　室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)

選擇2012年頒布的《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》[15]對(duì)夯土民居進(jìn)行評(píng)價(jià)，標(biāo)準(zhǔn)中將室內(nèi)熱環(huán)境分為3級(jí)：Ⅰ級(jí)為90%人可以接受的熱環(huán)境，Ⅱ級(jí)為75%的人可以接受，Ⅲ級(jí)為少于75%的人可以接受，顯然Ⅱ級(jí)作為達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)才有意義。其中,對(duì)于沒(méi)有人工冷熱源的民居，根據(jù)圖表法室內(nèi)溫度達(dá)到Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)給出的范圍是16～30 ℃，從曲線整體看，夏季夯土民居室內(nèi)3個(gè)主要房間除下午超過(guò)30 ℃，其他時(shí)段均滿足要求。平均溫度都達(dá)到Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算當(dāng)日超過(guò)30 ℃的小時(shí)數(shù)，次臥為5 h，主臥、堂屋均為8 h，基本都處于下午室外溫度最高的時(shí)段。而冬季差距較大，任何時(shí)段都達(dá)不到這個(gè)最低要求。

對(duì)于居住者主觀感受而言，用標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算法的適應(yīng)性平均熱感覺指標(biāo) ( Adaptive Predicted Mean Vote，APMV)對(duì)其室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)較為合理。APMV是在非人工冷熱源熱濕環(huán)境中，考慮了人們心理、 生理以及行為適應(yīng)性等因素后的熱感覺投票預(yù)計(jì)值。當(dāng)APMV在±0.5以內(nèi)為Ⅰ級(jí)，在±1和±0.5之間為Ⅱ級(jí)，超出±1為Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

APMV是在PMV基礎(chǔ)上用自適應(yīng)系數(shù)修正后得到的適應(yīng)性指標(biāo)，用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

APMV=PMV/(1+λ·PMV)

(1)

式中：PMV為預(yù)計(jì)平均熱感覺指標(biāo)；APMV為預(yù)計(jì)適應(yīng)性熱感覺指標(biāo)；λ為自適應(yīng)系數(shù)，根據(jù)不同建筑類型和PMV的值確定取值，居住建筑夏季取0.21，冬季取-0.49。根據(jù)調(diào)研的實(shí)際著裝和生活習(xí)慣參考《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行PMV的取值，夏季：服裝熱阻0.3 clo，室內(nèi)風(fēng)速0.2 m/s，代謝率取1.2 met；冬季：服裝熱阻1.5 clo，室內(nèi)風(fēng)速0.1 m/s，代謝率1.2 met。

選擇最能代表重慶夏季的7、8兩月計(jì)算室內(nèi)主要房間的APMV，各功能房間達(dá)到不同等級(jí)的比例見圖9。

圖9　夏季室內(nèi)APMV統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.9　Estatistical results of APMV in

從圖9可以發(fā)現(xiàn)，夯土建筑夏季室內(nèi)熱舒適性較好，85%~90%時(shí)間段能達(dá)到Ⅱ級(jí)以上，且60%～75%時(shí)段達(dá)到Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。分析各房間冬季熱舒適性，選擇12、1月進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)研究時(shí)間段內(nèi)冬季室內(nèi)3個(gè)房間APMV均處于-1~-0.5之間，即達(dá)到Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),而沒(méi)有達(dá)到Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間段。

由此看來(lái)，人們對(duì)夯土民居夏季的熱環(huán)境滿意度更高，結(jié)合劉晶等[13]對(duì)重慶地區(qū)農(nóng)村做的問(wèn)卷調(diào)研可以確定，夯土民居與其他農(nóng)村建筑剛好相反[16]，夏季室內(nèi)熱環(huán)境較好，而冬季欠佳。這一結(jié)論與應(yīng)丹華[11]的結(jié)論類似，即浙南山區(qū)的夯土民居冬季室內(nèi)缺乏熱源，同時(shí),夯土墻在日照不強(qiáng)的氣象條件下升溫較慢，導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境不好。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)龍?zhí)链搴煌撩窬拥亩膬杉镜氖覂?nèi)熱環(huán)境研究，可以得到以下結(jié)論：

1)對(duì)于夯土民居，冬季的室內(nèi)熱環(huán)境遠(yuǎn)比夏季差，冬季室內(nèi)溫度較低亟待改善，夯土墻的熱惰性對(duì)于冬季提高室內(nèi)溫度不利。

2)民居室內(nèi)熱環(huán)境不但受圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，還與住戶的日常生活習(xí)慣和作息規(guī)律緊密相關(guān)，是多因素共同疊加作用的結(jié)果。

3)夯土民居建筑中閣樓在調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境方面作用顯著，具有冬季保溫，夏季隔熱的作用。

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(編輯胡英奎)

Author brief：Yang Zhenjing (1975-)，PhD, associate professor, main research interests: building thermal environment and energy efficiency, (E-mail)young30331@163.com.

Analysis of indoor thermal environment of traditional earth dwellings in Bayu region

Yang Zhenjing, Tian Hanyuan

(College of Architecture and Urban Planning; Key Laboratory of New Technology for Construction of

Cities in Mountain Area, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China)

Abstract:Ecological construction experience of traditional dwellings has been widely recognized. The construction technology of traditional houses on thermal environment has unique characteristics in Bayu region because of its special topography and climate. A rural earth building in Jiangjin district, Chongqing was used as the research object. Field measurement was carried out to record the residential indoor thermal environment throughout the year. and the data was adopted in numerical simulation analysis to evaluate indoor thermal conditions The results showed that the earth wall was more effective to for improve thermal environment in summer and indoor thermal environment in winter was far worse than that in summer. The attic space in earth building had significantly positive affect on indoor thermal environment because of its heat preservation in winter and heat insulation in summer.

Key words:dwellings; thermal environment; heat preservation; heat insulation

作者簡(jiǎn)介：楊真靜(1975-)，女，博士，副教授，主要從事建筑熱工與節(jié)能研究，(E-mail)young30331@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51508048)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃(cstc2014jcyjA90024)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(106112014CDJZR190008)。

收稿日期：2015-10-27

中圖分類號(hào)：TU111.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764(2015)06-0141-06

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.019