康巴藏區(qū)傳統(tǒng)民居冬季熱環(huán)境

劉大龍，張習(xí)龍，楊 柳，何 泉

（ 1. 西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安 71055；2. 陜西省西部綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 西安 710055 ）

1 測(cè)試對(duì)象及設(shè)備

藏東、川西同屬特提斯地質(zhì)構(gòu)造，都屬于康巴藏區(qū)[4]．在建筑熱工分區(qū)中，該地區(qū)屬于寒冷地區(qū)，建筑以防寒保溫設(shè)計(jì)為主[5]．課題組于2013年1月在藏東昌都、2013年12月在川西甘孜分別選擇當(dāng)?shù)氐湫蛡鹘y(tǒng)民居開(kāi)展室外氣候條件和建筑熱工測(cè)試．測(cè)試內(nèi)容包括室外空氣溫濕度、太陽(yáng)輻射量、民居內(nèi)各房間的室內(nèi)的溫濕度以及平均輻射溫度．測(cè)試項(xiàng)目和儀器見(jiàn)表1．

位于青藏高原腹地和川藏高原西北部的康巴藏區(qū)是中國(guó)3大藏族聚居區(qū)之一，在中國(guó)西南邊疆具有重要的戰(zhàn)略地位．康巴藏區(qū)地處高原高寒地區(qū)，氣候嚴(yán)酷，當(dāng)?shù)厝嗣裨趥鹘y(tǒng)的宗教觀和審美觀意識(shí)的影響下，因山就勢(shì)，順應(yīng)自然建造出了被稱為“凝固在川藏大地上的建筑符號(hào)”傳統(tǒng)民居[1]．康巴民居以較為原始的技術(shù)、就地取材滿足了雪域高原嚴(yán)酷氣候條件下人們基本的生存需要．隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民對(duì)舒適居住環(huán)境需求的提高，我國(guó)高原地區(qū)民居普通存在在室內(nèi)熱環(huán)境差，用能缺乏規(guī)劃、節(jié)能發(fā)展落后等問(wèn)題[2-3]，康巴民居也存在上述問(wèn)題，急需得到改善，這也是保護(hù)康巴民居現(xiàn)實(shí)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要．

表1 室內(nèi)外熱環(huán)境各分項(xiàng)測(cè)試設(shè)備Tab.1 Measuring instrument for indoor/outdoor thermal environment

圖1 藏東昌都民居一層平面圖Fig.1 Location of first floor of folk house in Changdu of east Tibet

藏東昌都被測(cè)民居位于西藏昌都縣齊齒街社區(qū)184-1#．一層平面如圖1所示，主要包括客廳兼廚房、出租房間和儲(chǔ)藏；二層為臥室、經(jīng)堂和儲(chǔ)藏，局部用木板加蓋了出租房．一層外墻為石塊砌筑，厚度550 mm，內(nèi)墻為土坯，二層為混凝土空心砌塊，厚度 200 mm．屋頂為覆土構(gòu)造，厚度約 500 mm．一層房間 8設(shè)有簡(jiǎn)易采暖設(shè)施，此外其他房間均無(wú)采暖設(shè)施．

川西甘孜被測(cè)民居位于四川省甘孜州康定縣雅拉鄉(xiāng)中谷村，該建筑南偏西40°，共兩層，一層為牲畜圈，二層為住宅，西南部設(shè)置透明的陽(yáng)光棚，墻體為片石泥漿砌筑而成，墻體厚400～500 mm．屋頂為覆土構(gòu)造，厚度約500 mm．窗戶為塑鋼單層玻璃窗，二層平面圖見(jiàn)圖2．各房間均無(wú)采暖設(shè)施．

圖2 川西甘孜民居二層平面圖Fig.2 Location of first floor of folk house in Ganzi of west Sichuan

2 康巴藏區(qū)民居熱環(huán)境現(xiàn)狀分析

2.1 室外輻射條件

圖3～4分別為昌都和甘孜的室外輻射強(qiáng)度分布圖．兩地冬季輻射以直射輻射為主，水平面總輻射最高值均出現(xiàn)在北京時(shí)間中午13點(diǎn)，昌都輻射最大值為735 W/m2，甘孜為687 W/m2．昌都日總輻射強(qiáng)度為3 366.2 W/m2，甘孜為3 296.0 W/m2，昌都地區(qū)輻射強(qiáng)度略高于康定地區(qū)．有效輻射時(shí)間為9:30～17:00時(shí)之間．輻射數(shù)據(jù)分析表明：兩地冬季輻射中直射比例高、輻射強(qiáng)度高、輻射資源豐富，適于開(kāi)展被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖設(shè)計(jì)．

圖3 昌都太陽(yáng)輻射強(qiáng)度Fig.3 Solar radiation in Changdu

圖4 甘孜太陽(yáng)輻射強(qiáng)度Fig.4 Solar radiation in Ganzi

圖3～4分別為昌都和甘孜的室外輻射強(qiáng)度分布圖．兩地冬季輻射以直射輻射為主，水平面總輻射最高值均出現(xiàn)在北京時(shí)間中午13點(diǎn)，昌都輻射最大值為735 W/m2，甘孜為687 W/m2．昌都日總輻射強(qiáng)度為3 366.2 W/m2，甘孜為3 296.0 W/m2，昌都地區(qū)輻射強(qiáng)度略高于康定地區(qū)．有效輻射時(shí)間為9:30～17:00時(shí)之間．輻射數(shù)據(jù)分析表明：兩地冬季輻射中直射比例高、輻射強(qiáng)度高、輻射資源豐富，適于開(kāi)展被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖設(shè)計(jì)．

3.2 室內(nèi)熱環(huán)境要素

圖5 昌都民居室內(nèi)外溫度Fig.5 Air temperature of indoor/outdoor folk house in Changdu

圖6 甘孜民居室內(nèi)外溫度Fig.6 Air temperature in indoor/outdoor folk house in Ganzi

圖5-6分別為昌都和康定民居室內(nèi)外氣溫曲線．測(cè)試當(dāng)日，昌都室外平均溫度為0 ℃；房間8為主要使用房間，室內(nèi)有熱源，平均溫度為11.6 ℃；房間2無(wú)熱源，平均溫度為4.3 ℃．甘孜室外平均溫度為－4.4 ℃；房間1為附加陽(yáng)光間，平均溫度為1.6 ℃；房間2緊鄰陽(yáng)光間偏南、平均溫度為2.4 ℃；房間3與陽(yáng)光間相隔一走廊，平均溫度為1.6 ℃；房間4偏北，平均溫度為－0.9 ℃；室內(nèi)均無(wú)熱源．

圖7 昌都民居MRT與室溫Fig.7 MRT vs air temperature of Changdu

圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面與人體間產(chǎn)生的輻射熱交換對(duì)人體冷熱感具有重要影響，MRT是室內(nèi)輻射換熱量的標(biāo)志，是影響室內(nèi)熱舒適性的重要因素[6-7]．在室內(nèi)微氣候中，氣溫與MRT溫差很大時(shí)，熱輻射的影響就非常大，產(chǎn)生平均輻射溫度問(wèn)題[8]．因此在分析MRT對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境影響時(shí)必須與室內(nèi)空氣溫度綜合考慮．圖7為昌都民居房間的MRT與室內(nèi)氣溫曲線，圖8為康定民居房間的MRT與室內(nèi)氣溫曲線．昌都民居平均MRT為5.5 ℃，比平均室溫高1.2 ℃；甘孜民居平均MRT為2.7 ℃，比平均室溫高0.3 ℃．

測(cè)試當(dāng)日，昌都室外平均相對(duì)濕度為40%，室內(nèi)平均相對(duì)濕度為16%；康定室外平均相對(duì)濕度為64%，室內(nèi)平均相對(duì)濕度為58%，其中陽(yáng)光間平均濕度相對(duì)較低為43%，主要是受太陽(yáng)輻射影響，濕度降低．

圖8 甘孜民居MRT與室溫Fig.8 MRT vs air temperature of Ganzi

3 康巴藏區(qū)民居熱環(huán)境及改善分析

3.1 兩地民居室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)比分析

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：昌都、甘孜兩地民居地處高原地區(qū)，冬季室外寒冷而輻射資源富足．在無(wú)熱源情況下，兩地民居室內(nèi)平均氣溫與MRT均低于10 ℃，明顯偏低；在有間歇性簡(jiǎn)易采暖設(shè)施條件下，室內(nèi)氣溫也偏低，遠(yuǎn)離舒適溫度[9]．從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱性能分析，兩地民居外墻都為石材砌筑，昌都民居為石塊，平均傳熱系數(shù)為1.27 W/(m2·K)，甘孜民居外墻為片石泥漿砌筑，平均傳熱系數(shù)為1.39 W/(m2·K)．兩地民居建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)遠(yuǎn)低于寒冷地區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，墻體保溫性差，室內(nèi)熱舒適度嚴(yán)重不足．因此兩地民居熱工性能偏低，且對(duì)太陽(yáng)輻射利用不足．

分析圖3-8綜合對(duì)比昌都、甘孜兩民居熱工性能．從測(cè)試日室外氣候條件看，昌都地區(qū)的輻射略微強(qiáng)于甘孜地區(qū)，平均氣溫比甘孜高4.4 ℃，因此昌都地區(qū)室外熱環(huán)境略優(yōu)于甘孜地區(qū)．以北向無(wú)熱源房間對(duì)比（昌都房間2與甘孜房間4），昌都民居室內(nèi)氣溫明顯高于甘孜民居，這是室外氣候條件造成的差異．甘孜民居引入了“陽(yáng)光間”的設(shè)計(jì)，在房間外側(cè)搭建了“附加陽(yáng)光間”，使得相鄰“陽(yáng)光間”房間室溫顯著高于北向，發(fā)揮了太陽(yáng)輻射的熱作用．但是，該民居處于山谷中受制于地形限制，建筑朝向不利于充分利用太陽(yáng)輻射熱．從圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)看，甘孜民居傳熱系數(shù)略微優(yōu)于昌都民居，但是甘孜民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性較差，室內(nèi)外相對(duì)濕度很接近，且室內(nèi)濕度顯著高于昌都民居，使得室內(nèi)升溫比昌都民居更困難．

3.2 康巴藏區(qū)民居熱環(huán)境改善分析

兩地民居熱工性能差是造成室內(nèi)熱環(huán)境差的主要原因．昌都現(xiàn)有民居其傳熱系數(shù)與該地節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)限值相差甚遠(yuǎn)，建筑保溫性差．本文以昌都民居為例，對(duì)其進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能改善研究．

在寒冷地區(qū)提高建筑保溫性是改善室內(nèi)熱環(huán)境、提高節(jié)能性的有效措施．將昌都民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)直接提高到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求較為困難，民居所用建材與城市建筑建材熱工特性相差甚遠(yuǎn)，同時(shí)也不建議完全將城市建材用于民居．因此可將昌都民居現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，從而探尋適宜的改造方案．

圖9為采用EnergyPlus模擬的外墻傳熱系數(shù)變化與室內(nèi)氣溫的關(guān)系曲線，建筑模型為調(diào)研的昌都民居建筑，外墻傳熱系數(shù)以1.27 W/(m2·K)為原始K值，依次降低10%．從圖中可見(jiàn)，在不改變室外氣溫及不增加室內(nèi)熱源情況下，降低傳熱系數(shù)室內(nèi)氣溫顯著增加．在K值減少30%以內(nèi)，室內(nèi)氣溫隨K值減小線性增加．當(dāng)傳熱系數(shù)降低30%，即約為0.9 W/(m2·K)時(shí)，再降低傳熱系數(shù)，室內(nèi)氣溫升高減緩．考慮成本及改造難度，建議昌都地區(qū)現(xiàn)有民居將其外墻傳熱系數(shù)降低30%．圖10為墻體傳熱系數(shù)降低30%情況下，降低屋頂傳熱系數(shù)對(duì)應(yīng)的室內(nèi)氣溫曲線．該曲線表明，減小屋頂傳熱系數(shù)可以有效減少室內(nèi)熱損失．當(dāng)屋頂傳熱系數(shù)減小30%以上時(shí)，室溫升溫增強(qiáng)．但改變屋頂傳熱系數(shù)對(duì)室溫影響小于墻體傳熱系數(shù)減小的影響．綜合分析，通過(guò)提高墻體保溫性能可有效改善室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量．

圖9 昌都民居外墻傳熱系數(shù)與室內(nèi)氣溫Fig.9 K-value of exterior wall vs air temperature of folk house in Changdu

圖10 昌都民居屋頂傳熱系數(shù)與室內(nèi)氣溫Fig.10 K-value of roof vs air temperature of folk house in Changdu

4 結(jié)論

(1) 對(duì)康巴藏區(qū)的昌都和甘孜傳統(tǒng)民居進(jìn)行冬季室內(nèi)外熱環(huán)境測(cè)試發(fā)現(xiàn)，兩地室外氣候寒冷，民居室內(nèi)熱環(huán)境遠(yuǎn)離舒適要求；

(2) 昌都、甘孜兩地民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性差，這是導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量差的主要原因；

(3) 模擬分析表明，考慮室內(nèi)氣溫兼顧實(shí)踐性，建議將現(xiàn)有昌都地區(qū)民居外墻傳熱系數(shù)減小30%，屋頂傳熱系數(shù)減小50%以上，通過(guò)提高外墻保溫性能來(lái)改善室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量．

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