蘇南民居室內物理環(huán)境實測研究

郝石盟 宋曄皓 李珺杰 林正豪 韓冬辰 / HAO Shimeng, SONG Yehao, LI Junjie, LIN Zhenghao, HAN Dongchen

蘇南民居室內物理環(huán)境實測研究

郝石盟 宋曄皓 李珺杰 林正豪 韓冬辰 / HAO Shimeng, SONG Yehao, LI Junjie, LIN Zhenghao, HAN Dongchen

本文基于在江蘇常熟海虞鎮(zhèn)選取的4戶代表性民居進行的建筑信息調研、熱舒適訪談、建筑測繪及物理環(huán)境測試，對其氣候適應性進行了研究，為研究適應當地資源、氣候的生態(tài)農宅提供基礎。調研測試結果顯示，該地民居建設量及建設成本逐年增高、生活能源依賴化石能源和電能、冬季熱舒適問題較夏季突出、室內采光系數低等。在此基礎上提出設計策略，堅持間歇式局部采暖的原則、從建筑設計出發(fā)積極應用被動式策略以及積極尋求可利用的熱源。

熱環(huán)境 光環(huán)境 民居 夏熱冬冷地區(qū)

1　引言

蘇南地區(qū)是我國農村經濟發(fā)展最為迅速的地區(qū)之一，同時也是基于建筑物理性能研究民居可持續(xù)性要求最為迫切的地區(qū)。本文基于2012年2月及2012年8月在江蘇省常熟市海虞鎮(zhèn)開展的民居調研測試，對蘇南地區(qū)典型民居熱環(huán)境、光環(huán)境等建筑物理性能進行評價。調研內容涵蓋建筑測繪、建造信息收集、建筑物理環(huán)境測試、熱舒適訪談等方面。調研選取22戶民居，進行建筑信息訪談及熱舒適問卷調研，具體包括平面布局、審美習慣等。在此基礎上選擇了4戶代表性民居進行建筑測繪及物理環(huán)境測試，測試內容包括民居中各主要功能房間的溫度、濕度、風速等指標、PMV-PPD（PMV，Predicted Mean Vote，預測平均評價；PPD，Predicted Percent Dissatisfied，預測不滿意率）、TSV（Thermal Sensation Vote）值；平面采光系數分布；墻體、屋面等圍護結構紅外熱成像研究等。在此基礎上梳理出蘇南民居現存問題和初步設計策略，為今后在長三角地區(qū)開展綠色建筑研究提供基礎資料。

海虞鎮(zhèn)位于常熟市虞山北郊的長江南岸，地處東經120°48'，北緯31°49'，建筑熱工設計分區(qū)中屬于夏熱冬冷地區(qū)。年均氣溫為15.4℃，極端最低氣溫-12.7℃，極端最高氣溫40.1℃。年總日照數2 130.2h，占可照時數的48%。年均降水量1 055.8mm，集中在4～9月，占全年降水量的71%（圖1）。全年夏季主導風向為東南風，冬季為西北風，春秋季則東南與西北風交替出現①。

圖1　江蘇常熟海虞鎮(zhèn)2012年氣象資料（來源：www.accuweather.com）

2　研究方法

實地調研測試內容包括室內外溫濕度逐時測定、室內照度及采光系數實測、熱舒適調研、建筑測繪、基本信息及能耗調查、行為模式調查，等等。具體調研方法包括：

（1）文獻調研：調研對象包括該地區(qū)的地理、氣候、資源等。

（2）建筑測繪：對當地典型民居各層平面及圍護結構構造進行測繪記錄。

（3）入戶訪談：訪談內容包括居住者基本信息、生活模式、能源消費等基本情況，以及熱舒適主觀評價等。

（4）物理環(huán)境測試：在當地典型民居布置測點，收集冬、夏兩季室內外溫濕度變化逐時數據；測定主要房間工作平面采光系數分布；對主要房間某一時刻風速、輻射溫度、空氣溫度、濕度等環(huán)境指標進行記錄，結合熱舒適訪談得出的平均服裝熱阻，計算PMV值；利用紅外熱成像儀拍攝圍護結構，分析太陽輻射對表面溫度的影響，對熱橋部位進行診斷。

2.1測試對象

圖2　詳細測試民居

調研小組選取22戶進行了半結構式入戶訪談，選點位置包括鎮(zhèn)區(qū)附近6戶、沿東涇12戶、朱家宅基4戶。在抽樣民居中，最早的一棟民居建于1980年，1980年代之前的農房基本沒有留存，1990年左右及2000年初建房活動較為頻繁，70%以上的房屋為2～3層磚混結構。在此基礎上選取其中4戶具有代表性的民居進行建筑測繪及冬、夏兩季物理環(huán)境測試。選取的4戶民居A、B、C、D分別位于沿東涇53號、朱家宅基10號、朱家宅基13號、朱家宅基14號（圖2）。

根據調研小組2012年2月的調研數據得知（圖3）：民居A建于2000年，為兩層磚混結構，坡屋頂，門窗為單層玻璃鋁合金框，一層布置為輔助用房，二層為主要起居空間，坡屋頂下設有閣樓，作為儲藏間使用；民居B建于1980年代，為一層建筑，坡屋頂，門窗為單層玻璃木框；民居C建于1990年代，為兩層磚混結構，局部坡屋頂，主要起居空間在一層，二層為子女臥室，只在春節(jié)期間使用；民居D建于2000年，西側為兩層磚混結構，局部坡屋頂，子女居住，東側為獨立的一層建筑，老人居住，東西兩側有各有獨立的廚房。

圖3　民居建成年代及結構

2.2物理環(huán)境測試方案

圖4　測試民居平面及測點位置

調研團隊在測試期間采集了4棟民居的室外溫濕度逐時數據、風速、相對濕度、黑球溫度、拍攝圍護結構熱成像圖、測定室內平面采光系數。具體測試方案為：主要房間及活動空間放置溫度自記儀，對測試期內房間的溫度變化進行監(jiān)測，冬季測試時間為2012年2月14日0:00～16日23:40，夏季測試時間為2012年8月31日0:00～9月3日23:40，每隔20min采集一組數據。測點的布置覆蓋居住者日常主要活動空間及各個主要功能用房，兼顧同一房間內不同位置的溫度變化。民居A室內外布置測點6個，民居B布置測點5個，民居C布置測點6個，民居D布置測點6個（圖4）。利用紅外熱成像儀對建筑圍護結構表面溫度分布及冷橋位置進行判斷，紅外熱成像拍照時間為2012年2月14日及2012年8月29日；利用熱舒適度分析儀選取各主要空間測定風速、干球溫度、黑球溫度、輻射溫度等，結合熱舒適的入戶訪談，得出預測平均評價PMV及預測不滿意率PPD，熱舒適指標測定時間為2012年2月14日；采用全數字照度計測定主要房間的平面采光系數，考察自然光條件下室內照度水平是否滿足日?；顒右?，平面采光系數測定時間為2012年2月13日。測試工具有紅外熱成像儀（VarioCAM hr inspect 780/30mm）、溫度自記儀（WZY-1）、溫濕度自記儀（WSZY-1）、熱舒適度分析儀（AM-101 PMV-PPD）、全數字照度計（XYI-Ⅲ Luxmeteru）等（表1）。

3　測試結果及分析

3.1基本信息

在調研選取的民居中，絕大多數民居采用L型布局，面闊三開間，西側伸出部分一般布置廚房。

圖5　住房調研結果

在建筑設計參考依據方面，56%的居民選擇參考他人住房，自己進行設計，35%選擇工匠設計，另有9%選擇參考農村通用圖集。房屋面積基本為200m2左右；家庭規(guī)模一般為1～5人，家庭成員基本在本地就業(yè)，外出務工學習的較少，老人在身體允許的情況下白天也在附近工廠做工，白天家中基本無人。對目前住房滿意度的調研顯示，65%的居民表示滿意，20%表示一般，15%表示不滿意。

在建房成本方面，1980年代建房花費在4～6萬元左右，平均造價約280元/m2，1990年代建房花費8～10萬元，平均造價約700元/m2，2000年以后建房花費15～30萬元，平均造價約1 500元/m2；在建造費用承擔能力方面，41%選擇可以承受，24%選擇一般，35%選擇難以承受（圖5）。

在空調數量方面，絕大多數家庭擁有至少1臺空調，29%的家庭有1臺，37%的家庭有2臺，17%的家庭有3臺。在電費支出方面，平均每戶每月電費支出50元以下占35%，50～100元占23%，100～200元占18%，高于200元占24%（圖6）。

圖6　空調數量及電費調研結果

表1　儀器型號及參數

表2　生活用能結構

在用能結構方面（表2），83%的家庭使用電能采暖，主要方式包括空調、電熱扇、電褥子等，17%的家庭沒有采暖措施；炊事用能方面78%的家庭使用液化氣，57%的家庭使用電能，26%的家庭使用秸稈薪柴；洗澡用能方面以太陽能為主，占83%，電能和液化氣均占11%，還有17%的家庭使用柴灶燒熱水洗澡。

3.2室內熱環(huán)境

圖7　冬季測試期間各民居室內外溫度　

圖8　夏季測試期間各民居室內外溫度

2012年2月測試期間的天氣狀況為14、15日雨，16日晴（圖7）。室外空氣溫度最高值7.8℃，最低值1.8℃，平均值4.75℃；空氣相對濕度最大值89.2%，最小值52%，平均值78.3%。4棟民居的室內平均溫度差異不大，平均值為5～7℃，日波動幅度為0.5～2℃，最低溫度4℃；室內濕度大于室外，平均約為80%；二層溫度略低于一層，但差異不顯著；炊事活動對提高室內空氣溫度有一定作用，炊事活動期間廚房溫度升高1～4℃。根據文獻調研（劉紅 等，2011）②，若將該地區(qū)冬季80%可接受溫度下限值定為14.3℃，除了一間使用空調的房間外，其他房間溫度均在可接受范圍之外。冬季在室內仍需穿厚衣物，即便如此仍感覺寒冷。冬季以間歇式局部采暖為主，取暖方式包括熱水袋、電褥子、電熱扇；由于長期的生活習慣和經濟能力有限等原因，中老年人很少使用空調取暖，年輕人或經濟能力較好的家庭偶爾使用空調；在白天太陽輻射條件較好的情況下，老人在戶外通過曬太陽改善熱舒適度。由于生活習慣及提升室內空氣品質的需求，在白天室內有人的情況下，堂屋和廚房長時間開窗開門進行通風。

2012年8月測試期間均為晴天（圖8），室外空氣溫度最高值36.4℃，最低值23.8℃，平均值28.4℃；相對濕度最大值87.0%，最小值43.8%，平均值75.2%。室內平均溫度在28～30℃左右，日波動幅度約1.5～6℃，溫度最高值達到35.1℃，二層溫度高于一層1～2℃；室內平均濕度70%左右，在夜間高于室外。參考已有文獻成果，若以29.6℃作為溫度可接受上限值，一層70%左右的室內測點在可接受范圍內，二層只有40%左右。夜間不能有效降溫且室外相對濕度大，室內相對濕度一直較大。

表3　民居B主要房間PMV指標

表4　民居C主要房間PMV指標

民居C二層南側連廊有大面積玻璃窗，相當于設置了陽光房（曲線C-2F living room）。在冬季白天陽光房作用明顯，在室內溫度最高時，陽光房溫度比其他房間高3℃左右，但在夜間比其他房間低0.5～2℃；在夏季白天，陽光房最高溫度同樣高于其他房間3℃左右。而且該空間并未作為主要活動空間，只做晾曬衣物之用，對其他相鄰房間溫度沒有明顯的調節(jié)作用。

熱舒適方面，測試小組于2012年2月14日上午8:30至下午15:30期間每隔1h對民居B（一層）和民居C（二層）各主要房間的濕度、風速、平均輻射溫度等環(huán)境指標進行測定，并根據熱舒適問卷計算當地居民冬季普遍穿著的服裝熱阻及新陳代謝水平，根據公式計算得出PMV值（表3、4）。結果顯示在絕大部分時間，各主要房間的PMV值低于-2（介于“比較冷”和“冷”之間），只有民居B的廚房和堂屋的PMV值在午后略高于-2。熱感覺投票TSVs（Thermal Sensation Vote）和熱舒適投票TCVs（Thermal Comfort Vote）值分別為-1.9（接近“比較冷”）和2（“不舒適”）（圖9）。在室內外均穿著較厚重衣物的情況下，58%的居民選擇“適中”，17%選擇“有點冷”，13%選擇“比較冷”，12%選擇“冷”；54%選擇“舒適”，21%選擇“稍不舒適”，4%選擇“不舒適”，21%選擇“很不舒適”，其中選擇“很不舒適”的多數為60歲以上年齡組女性。

3.3室內光環(huán)境

室內采光系數主要由窗墻比、玻璃透射率、潔凈度、室內界面反射比、房間進深等因素決定。調研民居中，窗戶多使用彩色玻璃窗，玻璃潔凈度較差，且由于私密性的要求，臥室在白天也關閉窗簾，這些因素造成了該地民居室內照度普遍偏低。2012年2月13日下午測試小組對民居C主要房間操作面平面采光系數進行了測試結果顯示，除靠近窗口、門口位置及二層陽光房外，絕大部分室內空間的采光系數低于《建筑采光設計標準》（GB50033-2013）中規(guī)定的臥室、廚房采光系數的最低限值，沿房間進深方向照度的衰減較大（圖10）。此外，為滿足在家中從事生產活動的需要，很多民居在一層加建了生產用房，直接遮擋了一層的光照，且該地區(qū)宅基地較為緊湊，民居之間的相互遮擋也使室內照度進一步降低。

圖9　常熟2月熱感覺投票TSVs與熱舒適投票TCVs

圖10　民居C主要房間平面采光系數分布（左為一層平面，右為二層平面）

圖11　紅外熱成像（a～d拍攝于2012年2月，e～h拍攝于2012年8月）

3.4紅外熱成像

測試小組于2012年2月14日14:30及2012年8月29日18:00，通過紅外熱成像儀對測試民居圍護結構表面溫度進行測定（圖11）。在冬季陰天情況下，各民居立面表面溫度差別不大，約為7～8℃，民居B略高于其他3棟，這是由于民居B沒有采用陶瓷飾面以及其院落較為開放造成的，冷橋主要集中在門窗周圍及墻基處。在夏季晴天狀態(tài)下，經過一天的太陽輻射影響，熱量主要蓄積在檐口下方，比其他地方高3～5℃。檐廊起到了明顯的降低立面溫度的作用，檐廊遮擋下的墻面溫度比無遮擋的墻面低3～4℃。

3.5結論

基于對調研測試數據的分析，蘇南地區(qū)的民居建設及物理性能呈以下特點：

（1）民居建設量、建設成本增加：由于該地經濟較為活躍，民居更新較快，1990年左右及2000年初建房活動較為頻繁，1980年代之前的民居基本無留存；建造規(guī)模、建造材料和平面布局較為類似；建房成本逐年增加，從1980年代至2000年，建房成本增加了4倍多，1/3的居民表示對建房費用難以承受。

（2）生活能源較依賴化石能源和電能：83%的家庭擁有至少1臺空調，采暖降溫以電能為主；炊事活動主要使用液化氣；洗澡用能以太陽能為主；由于該地區(qū)較少從事農業(yè)，生物質能源用量較小。

（3）夏季室內高溫高濕，冬季低溫高濕，冬季室內熱舒適問題更加突出：室內平均空氣溫度冬季為5～7℃，最低達4℃；夏季為28～30℃，最高達35.1℃，冬夏季室內濕度均較大。冬季二層溫度略低于一層；夏季二層溫度高于一層1～2℃，分別以14.3℃和29.6℃為80%可接受下限和上限。在不使用空調的情況下，冬季所有房間溫度在可接受范圍之外，夏季40%～70%的房間在可接受范圍。在冬季白天主要居室內測定的PMV值大多低于-2，熱感覺投票和熱舒適投票值分別為-1.9和2，女性和老年人對低溫的耐受度更差。

（4）室內光舒適度差：絕大多數房間室內工作面采光系數低于《建筑采光設計標準》（GB50033-2013）規(guī)定的最低限值，房間內照度較低且沿進深方向衰減較大。

（5）進行炊事活動時室內溫度略有提高；陽光房在冬季白天對室內溫度有一定的提升作用，但在夏季導致室內溫度過高；檐廊對降低立面輻射溫度的作用明顯。

4　改善蘇南民居室內物理環(huán)境的設計策略

如前文所述，該地區(qū)民居冬季室內舒適問題更加突出。由于對熱工指標的限定是建立在封閉系統(tǒng)、房間采暖和穩(wěn)定熱源基礎上的，因而單一改善圍護結構的策略在該地區(qū)收效不佳。首先，當地居民冬季開門開窗的生活習慣以及日常生產生活中對半室外空間的高利用率，使得該地區(qū)建筑應該被視為開放系統(tǒng)；其次，“間歇式局部采暖”的方式是對人采暖而非房間采暖；第三，要同時解決夏熱和冬冷兩個問題，對墻體性能的要求是矛盾的。因此，改善該地區(qū)民居室內物理環(huán)境的關鍵在于：一是研究適合當地生活方式的采暖模式，二是尋找恰當的熱源，在此基礎上圍繞熱源和生活模式組織建筑布局，三是解決冬夏矛盾的問題。

綜上所述，改善蘇南民居室內物理環(huán)境的設計策略包括：

（1）堅持間歇式局部采暖的原則。這種“局部空間，局部時間”的采暖原則符合現有的生活模式且有利于將采暖能耗保持在較低水平。建筑設計應密切結合行為學調查及熱舒適調查，細化各主要房間采暖時段和采暖需求，制定適度的熱舒適指標。

（2）從建筑設計出發(fā)，積極應用被動式策略。測試證明設置陽光房和檐廊在該地區(qū)是較為有效的被動式策略，但應通過可變性設計解決冬夏季矛盾的問題。在總平面布局上考慮建筑間互相遮擋的問題，通過平面布局解決私密性的要求，而非以懸掛窗簾或使用有色玻璃的方式實現，提高室內照度。在盡量減少能源消耗的前提下提高室內舒適程度。

（3）積極尋求可利用的熱源。通過調整主要房間朝向、開窗、房間布局，采用直接受益式太陽能采暖；提高現有采暖方式效率；炊事余熱存在利用的可能性，在布置廚房位置時應兼顧這一點。

注釋

① 氣象數據摘自常熟市海虞鎮(zhèn)總體規(guī)劃（2010-2030）基礎資料匯編。

② 本文中引用的可接受溫度上下限數據源自劉紅、李百戰(zhàn)、馬曉磊所著文章《夏熱冬冷地區(qū)非采暖空調室內可接受溫度范圍》中對南京城市住宅的研究數據，且文章中的數值為新有效溫度（ET*），本文將其粗略作為空氣溫度上下限值。

[1] 劉紅，李百戰(zhàn)，馬曉磊. 夏熱冬冷地區(qū)非采暖空調室內可接受溫度范圍[J].土木建筑與環(huán)境工程，2011（04）.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50033-201建筑采光設計標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 朱穎心.建筑環(huán)境學[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] 宋曄皓，郝石盟. 基于建筑物理性能的夏熱冬冷地區(qū)農房可持續(xù)設計的問題與對策初探.建筑我們和諧的家園[C]//2012年中國建筑學會年會論文集(上冊).北京：中國建筑學年會，2012.

[5] ASHRAE.55-2010.ANSI/ASHRAE Standard[S]. Atlanta: American Society of Heating Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Inc, 2010.

本文由國家自然科學基金“基于建筑物理性能的夏熱冬冷地區(qū)綠色農宅建筑設計策略研究”（編號：51278262）及華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室開放課題“蘇南民居可持續(xù)性能及綠色設計策略研究”（編號：2011KA06）資助。

郝石盟，清華大學建筑學院，華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室

宋曄皓，清華大學建筑學院教授

李珺杰，清華大學建筑學院

林正豪，清華大學建筑學院

韓冬辰，清華大學建筑學院

2015-02-09

FIELD ASSESSMENT OF INDOOR PHYSICAL ENVIRONMENT OF VERNACULAR HOUSES IN SOUTHERN JIANGSU

Based on seasonal field measurements and investigations on indoor physical environment of four representative vernacular houses in southern Jiangsu, including building information, thermal comfort, building surveying and mapping, indoor physical environment, this paper is proposed to make a comparative study on indoor environment quality of these houses, for a better understanding of climate responsive design strategies in this area. The results reveal the increasing amounts and costs of construction, and the dependence of fossil fuels in recent years. Indoor thermal and lighting environment is far from satisfactory especially in winter. Several design strategies are proposed, which emphasize on the traditional "interval and spot heating" principle, a proper room layout and indoor heat sources.

Thermal Environment, Lighting Environment, Vernacular House, Hot Summer and Cold Winter Climate Zone