木板壁民居對濕熱氣候的適應(yīng)性

楊真靜，徐亞男，彭明熙

(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)教育部重點實驗室，重慶 400045)

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木板壁民居對濕熱氣候的適應(yīng)性

楊真靜，徐亞男，彭明熙

(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)教育部重點實驗室，重慶 400045)

為調(diào)查山地木板壁民居對重慶夏季濕熱氣候的適應(yīng)性，選取當?shù)氐湫湍景灞诿窬幼鳛檠芯繉ο?，在夏季對其室?nèi)熱環(huán)境進行實測。結(jié)合當?shù)亟ㄖ攸c及居民生活習(xí)慣，對實測數(shù)據(jù)進行分析，并利用APMV對室內(nèi)熱環(huán)境進行評價。結(jié)果表明，木板壁民居夏季依靠自然通風(fēng)顯著改善了室內(nèi)熱舒適度，夏季典型日APMV達Ⅱ級以上的約占65%。傳統(tǒng)木夾壁民居在熱環(huán)境營造上響應(yīng)了當?shù)貧夂蛱攸c，具有較好的氣候適應(yīng)性。

木板壁民居；實測；溫濕度；自然通風(fēng)；熱舒適

傳統(tǒng)民居作為前人長期實踐的結(jié)果，具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力，其生態(tài)經(jīng)驗越來越受到關(guān)注。Evola等[1]在研究卡塔尼亞地區(qū)的厚重型傳統(tǒng)民居時，發(fā)現(xiàn)該類民居提高夏季室內(nèi)熱環(huán)境的重要途徑是夜間通風(fēng)。Khalili等[2]通過對伊朗地區(qū)20戶傳統(tǒng)民居的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)建筑的地下室、捕風(fēng)塔等建筑形式及當?shù)厝藗兊男袨槟Ｊ绞菓?yīng)對干熱氣候的有效方式，并努力將這些方式用到現(xiàn)代建筑設(shè)計中。Lechner[3]研究了一些地區(qū)傳統(tǒng)民居適應(yīng)自然條件的措施。陸元鼎等[4]論述了廣東及海南地區(qū)的民居在特殊濕熱環(huán)境下采取的通風(fēng)與防潮、遮陽與隔熱、環(huán)境降溫等方面的策略，將建筑與氣候、地形、自然環(huán)境結(jié)合起來研究，開始了中國傳統(tǒng)民居氣候適應(yīng)性的研究。Zhu等[5]對以西北黃土高原窯洞為代表的傳統(tǒng)民居的生態(tài)經(jīng)驗進行了分析，從建筑技術(shù)的角度對陜西窯洞進行實測和模擬，分析了窯洞室內(nèi)及庭院的熱物理環(huán)境，提出意見并實施改進，效果顯著。中國川渝地區(qū)因其地形復(fù)雜、氣候特殊，傳統(tǒng)民居多種多樣。其中木板壁民居用木板做圍護結(jié)構(gòu)，屬于小木作，很少有人研究，但在川渝地區(qū)特殊氣候下卻廣泛存在[6]。因此，研究其室內(nèi)熱環(huán)境的生態(tài)經(jīng)驗，對提高該類民居室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量及對現(xiàn)代建筑設(shè)計均具有重要的意義。

筆者以重慶山地木板壁民居為研究對象，對夏季室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進行測量、分析，并進行熱濕環(huán)境評價。

1 研究對象和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究對象位于重慶市江津區(qū)白沙古鎮(zhèn)，古鎮(zhèn)背靠大旗山，沿江而建，鎮(zhèn)域狹長，為國家級歷史文化名鎮(zhèn)。由于古鎮(zhèn)用地緊張，建筑群體布局緊湊，主要街道為東西走向，青石路面狹窄悠長(圖1)。鎮(zhèn)內(nèi)傳統(tǒng)木板壁民居多建于清末民初，朝向大體為東南向，平面多為小開間大進深，小青瓦坡屋頂高低錯落，屋檐深遠，外觀樸素?zé)o華，具有濃厚的鄉(xiāng)土氣息[7]。當?shù)啬昶骄鶜鉁?7.9 ℃，無霜期340 d，年平均降雨量1 030 mm，年均日照為1 273 h，屬于典型濕熱氣候區(qū)，主要表現(xiàn)為高溫、高濕、多雨、多霧、靜風(fēng)[8-9]，冬季相對溫和，熱環(huán)境溫度相對不突出。因此，對當?shù)鼐用袢粘Ｉ顏碚f，亟待解決的是通風(fēng)、散熱、除濕。

圖1 白沙古鎮(zhèn)的布局

當?shù)厥a(chǎn)木材，民居大多就地取材，墻體為木板壁。具體做法是用木板橫著或豎著安裝在枋框上(圖2)，板厚約2.5 cm，寬約25 cm，墻體中部及上半段常常安窗，有條件的會在木板表面涂桐油以防墻體受潮或蟲蛀[6]。在現(xiàn)代，部分建筑為了美觀，會在墻表面涂抹白灰。

圖2 木板壁構(gòu)造示意圖

1.2 研究對象簡介

在古鎮(zhèn)內(nèi)選取一典型戶進行研究，具體位置見圖1。該戶為一中間戶，具有典型代表性，圍護結(jié)構(gòu)保存比較完整，且長期有人居住。其朝向為南偏東19°，南面是寬約3.5 m的街道，北面為下沉院壩，院壩臨江，東西鄰戶均為木板壁住宅。建筑平面為縱向“一”字型，面寬4.5 m，進深14.4 m。平面布置簡單，南側(cè)臨街為堂屋，臨街面為門和窗，中部和北側(cè)為兩間臥室(簡稱中臥、北臥)，下方下吊一層為儲物間(圖3)。

該建筑為吊腳樓形式，具備典型山地木板壁民居特點：建筑依山就勢，南高北低，南側(cè)臨街，北側(cè)下吊。屋面為小青瓦坡屋頂，墻體和門均為厚2.5 cm左右的木板，窗為木格鏤空窗。堂屋層高較高且沒有吊頂，地面為水泥地面。中臥和北臥有普通塑料布作簡易吊頂，主要作用為防灰，地面為木樓板。下吊層儲物間墻體為青磚，地面為三合土。

1.3 測試方案

夏季有效測量時間為2015-07-31日15:00—2015-08-14日12:00。主要測量內(nèi)容：室外及室內(nèi)各房間溫度、相對濕度、堂屋地面溫度、北臥風(fēng)速(距地面約1.1 m)[10]。儀器參數(shù)及數(shù)據(jù)采集情況見表1，具體儀器布點見圖3。

圖3 典型戶平剖面及儀器布點圖

表1 測量內(nèi)容及儀器參數(shù)

2 測量結(jié)果

2.1 室外氣象參數(shù)

夏季測量期間室外天氣變化明顯，7月31日到8月4日連晴，4日晚上開始降溫，此后連續(xù)陰天或小雨，直至12日開始轉(zhuǎn)晴，溫度逐漸上升。測試期間室外溫度、太陽輻射見圖4，平均溫度為27.0 ℃，最高溫度34.4 ℃，最低為23.1 ℃，一日內(nèi)最大溫度波幅為8.7 ℃。測試期間平均太陽輻射量為172 W/m2，晴天最高達750 W/m2，陰天時約100 W/m2。因夏季主要研究室外高溫情況下木板壁民居室內(nèi)熱環(huán)境，故選取連晴高溫且溫度穩(wěn)定時段的中間一天即8月2日為典型日進行分析。

圖4 測量期間室外氣象參數(shù)

2.2 室內(nèi)熱濕環(huán)境

典型日室內(nèi)外溫度見圖5。室外平均溫度29.0 ℃，最高溫度33.6 ℃，最低溫度25.5 ℃。除09:00—17:00堂屋溫度略低于室外，室內(nèi)各點溫度均比室外還略高，從熱延遲方面看，各房間熱延遲時間只有1～2 h，可見輕薄的木板壁民居整體防熱性能不好，熱惰性較差。

圖5 典型日室內(nèi)外溫度

室內(nèi)溫度的分布晝夜分化明顯，白天北臥溫度最高，堂屋溫度最低，夜間則反之，分析住戶一天的活動軌跡，住戶白天在堂屋活動，夜間在北臥休息，顯然，室內(nèi)環(huán)境狀況與環(huán)境需求較為一致。其形成原因在于兩房間的朝向和地面情況。堂屋南側(cè)街道屋檐出挑較大，長時間處于陰影之下，使朝向街道的堂屋白天受太陽輻射影響較小。且堂屋地面平均溫度為27.5 ℃，全天穩(wěn)定，波幅僅0.8 ℃。白天地面溫度顯著低于室外空氣溫度，幫助室內(nèi)降溫；夜間地面溫度略高于室外空氣溫度，導(dǎo)致堂屋全天溫度波幅較小。而北臥地面為架空樓板，房間暴露在大氣中的面積更大，室內(nèi)溫度緊隨室外溫度而變化，從房間的晝夜溫差進一步可以看到，堂屋晝夜溫差為6.5 ℃，但北臥的晝夜溫差達9.2 ℃，比室外溫度的日較差還大1.1 ℃，這也說明北臥的夜間散熱效果最好，輕薄的木板壁在日間防熱不佳,但在夜間發(fā)揮了積極的散熱作用，導(dǎo)致北臥溫度白天最高、夜間最低。此外，該建筑朝向為南偏東19°，使北臥受西曬影響較大，這也是北臥白天溫度最高的重要原因。

典型日室內(nèi)外相對濕度見圖6。室外平均相對濕度為74%，最高達94%，最低也達到55%。室內(nèi)平均相對濕度為71%，與室外相差不大。相對濕度在60%以上的時間占80%。反映了重慶夏季濕熱的氣候特征。

圖6 典型日室內(nèi)外濕度

2.3 室內(nèi)風(fēng)速

測量期間室內(nèi)風(fēng)速見圖7，平均風(fēng)速為0.37 m/s，最高達到0.85 m/s，最低也達到0.18 m/s。據(jù)統(tǒng)計，在有效測量期間風(fēng)速大于0.3 m/s的時間約占總時間的60%。其中8月9日到13日期間，室內(nèi)風(fēng)速非常規(guī)律，夜間約0.25 m/s，白天基本在0.3 m/s以上，有時甚至達到0.7 m/s。8月1—8日期間，雖然風(fēng)速曲線變化不如后期規(guī)律，但依然可以看出室內(nèi)風(fēng)速夜間減小、白天增大的規(guī)律，主要原因是夜間房屋大門被關(guān)閉，阻斷了空氣流動。

圖7 測試期間室內(nèi)風(fēng)速

3 熱濕環(huán)境評價

選用《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境標準》中非人工冷熱源計算法對木板壁民居進行熱環(huán)境評價，預(yù)計適用性平均熱感覺指標APMV計算公式為

APMV=PMV/(1+λ·PMV)

(1)

式中：PMV為預(yù)計平均熱感覺指標。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[11]。計算PMV所需變量取值見表2。

表2 PMV計算參數(shù)取值

通過計算得到APMV結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 夏季典型日室內(nèi)APMV值

圖9 夏季典型日APMV值比例

從圖8中可以看到夏季典型日APMV值在±1之間即達到Ⅱ級以上的情況約占65%，超出±1即Ⅲ級的情況約占35%(圖9)，因此，夏季大部分時間內(nèi)堂屋的舒適度達到Ⅱ級標準。

4 討 論

4.1 圍護結(jié)構(gòu)熱工性能

從夏季測量結(jié)果可見室內(nèi)溫度較高，分析其圍護結(jié)構(gòu)熱工性能，木夾壁民居墻體為厚2.5 cm松木板，熱阻為0.18 (m2·K)/W，熱惰性為0.69，與普通240 mm的磚墻熱阻0.44 (m2·K)/W、熱惰性1.88相比很小[11]，熱阻不到磚墻的1/2，小青瓦冷攤屋面僅為一層10 mm厚瓦片，瓦重疊間有2～3 mm厚空氣間層，熱阻為0.1 (m2·K)/W，熱惰性為0.28[12]，與鋼筋混凝土屋面相比，熱阻僅為1/2[13]，熱惰性僅達到1/6，可見，木板壁的隔熱性和熱穩(wěn)定性均較差。

4.2 通風(fēng)狀況

圖10 自然通風(fēng)分析

為進一步驗證室內(nèi)通風(fēng)狀況，利用PHOENICS軟件對室內(nèi)風(fēng)速進行模擬，模型建構(gòu)按實際設(shè)置，入口風(fēng)速按實測值，外窗一直開啟，堂屋大門夜間關(guān)閉，計算達到收斂后室內(nèi)距地面1.1 m處風(fēng)速分布情況見圖11，從模擬結(jié)果可見，白天堂屋大門開啟，空氣流動通暢，風(fēng)速較大，一天內(nèi)總通風(fēng)量為 18 332.4 m3/h；堂屋風(fēng)速在0.2～0.6 m/s之間，且分布較均勻，中臥由于隔墻的阻擋，室內(nèi)風(fēng)速較小分布略不均勻，北臥通風(fēng)最好，在夜間，堂屋僅有木格鏤空窗通風(fēng)，出風(fēng)口變小，總通風(fēng)量為6 874.8 m3/h，各房間出現(xiàn)渦旋區(qū)，各房間與白天相比風(fēng)速減小。

圖11 室內(nèi)風(fēng)速模擬結(jié)果

根據(jù)風(fēng)力資源分布情況可知，重慶市風(fēng)資源匱乏，全年無風(fēng)情況占到21.8 %，風(fēng)速在0～1 m/s的情況占了近1/4，1～3 m/s的情況占了近1/2[14]，在許多自然通風(fēng)建筑中風(fēng)速大于0.2 m/s且低于0.8 m/s是有利的[15]，該民居室內(nèi)風(fēng)速幾乎都在該范圍內(nèi)，尤其是北臥，通風(fēng)良好，把不利的圍護結(jié)構(gòu)變?yōu)橛欣纳針?gòu)件，顯著提高了室內(nèi)熱舒適，體現(xiàn)出傳統(tǒng)民居顯著的氣候適應(yīng)性。

5 結(jié) 論

通過對重慶山地木板壁民居實測結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

1)木板壁民居夏季白天堂屋溫度較低，而夜間臥室溫度較低，這與居民的生活習(xí)慣及不同時段住戶對環(huán)境的需求較一致，體現(xiàn)出傳統(tǒng)民居熱環(huán)境營造的生態(tài)智慧。

2)木板壁民居圍護結(jié)構(gòu)熱阻小、熱惰性差，夏季室內(nèi)溫度高于室外，但借助環(huán)境冷量，加強自然通風(fēng)，顯著改善室內(nèi)熱舒適，使夏季典型日達到Ⅱ級標準的時段為65%。

3)木板壁民居營造技術(shù)是對重慶地區(qū)氣候特點的積極響應(yīng)，重點解決了夏季的通風(fēng)、散熱，反映出傳統(tǒng)民居具有顯著的氣候適應(yīng)性。

[1] EVOLA G, MARLETTA L, COSTANZO V, et al. Different strategies for improving summer thermal comfort in heavyweight traditional buildings [J]. Energy Procedia，2015,78: 3228-3233.

[2] KHALILI M, AMINDELDAR S. Traditional solutions in low energy buildings of hot-aird region of Iran [J]. Sustainable Cities and Society, 2014,13: 171-181.

[3] LECHNER N. Heating, cooling, lighting: Design methods for architects [M]. John Wiley & Sons Inc，2008.

[4] 陸元鼎,馬秀之,鄧其生. 廣東民居[J]. 傳統(tǒng)建筑研究,1981(9):29-36.

LU Y D, MA X Z, DENG Q S. Guangdong residence [J]. Research on Traditional Architecture, 1981(9): 29-36.(in Chinese)

[5] ZHU X R, LIU J P, YANG L, et al. Energy performance of a new yaodong dwelling, in the Loess Plateau of China [J]. Energy and Buildings, 2014, 70: 159-166.

[6] 劉致平. 四川住宅建筑[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.

LIU Z P. Dwellings in Sichuan [M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2000.(in Chinese)

[7] 廖佳偉. 重慶地區(qū)傳統(tǒng)民居通風(fēng)優(yōu)化策略研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2014.

LIAO J W. Study of optimization strategy of traditional residential ventilation in Chongqing area [D]. Chongqing: Chongqing University, 2014. (in Chinese)

[8] 楊真靜,田瀚元. 巴渝地區(qū)夯土民居室內(nèi)熱環(huán)境[J]. 土木建筑與環(huán)境工程,2015, 37(6): 141-146.

YANG Z J, TIAN H Y. Analysis of indoor thermal environment of traditional earth dwellings in Bayu region [J]. Journal of Civil, Architectural and Environmental Engineering, 2015, 37(6): 141-146.(in Chinese)

[9] 民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范: GB 50176(2015年報批稿)[S].2015.

[10] 建筑熱環(huán)境測試方法標準:JGJ/T 347—2014 [S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015.

Standard of test methods for thermal environment of building: JGJ/T 347-2014 [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2015.(in Chinese)

[11] 民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準:GB/T 50785—2012 [S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

Evaluation standard for indoor thermal environment in civil buildings: GB/T 50785-2012 [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012.(in Chinese)

[12] 張濤.國內(nèi)典型傳統(tǒng)民居外圍護結(jié)構(gòu)的氣候適應(yīng)性研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2013.

ZHANG T. Study on climate adaptability of typical traditional dwellings envelope [D]. Xi′an：Xi′an University of Architecture & Technology，2013.(in Chinese)

[13] 楊真靜, 熊珂, 唐鳴放.室內(nèi)氣溫對綠化屋頂當量熱阻的影響[J]. 土木建筑與環(huán)境工程,2015,37(4):109-114.

YANG Z J, XIONG K，TANG M F. Influence of indoor temperature on equivalent thermal resistance of green roof [J]. Journal of Civil, Architectural and Environmental Engineering, 2015, 37(4): 109-114. (in Chinese)

[14] 李楠,李百戰(zhàn),沈艷,等. 住宅建筑室內(nèi)通風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報, 2009, 32(7): 736-742

LI N，LI B Z, SHEN Y，et al. Impacts of natural ventilation on indoor thermal environment for residential housing [J]. Journal of Chongqing University, 2009, 32(7):736-742.(in Chinese)

[15] 郭春梅,張于峰,李勝英. 自然通風(fēng)環(huán)境熱舒適性評價與分析[J]. 暖通空調(diào),2010,40(10):76-80.

GUO C M, ZHANG Y F, LI S Y. Thermal comfort evaluation and analysis of natural ventilation environment [J]. Heating, Ventilation and Air Conditioning, 2010, 40(10): 76-80. (in Chinese)

(編輯 胡英奎)

Climate adaption of wooden-plank wall dwellings in hot humid climate region

Yang Zhenjing, Xu Yanan, Peng Mingxi

(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)

A typical house in Chongqing was measured during summer to investigate the condition of indoor thermal comfort and climate adaption of wooden-plank wall dwellings in Chongqing. According to the characteristics of the local buildings and the particularity of local residents’ living habit, the data of the field measurement was analyzed and the thermal environment was evaluated with APMV. The results showed that the indoor thermal comfort of wooden-plank wall dwellings in summer was improved mainly by natural ventilation and 65 percent of the typical day belong to categoryⅡ. In terms of the creation of thermal environment, traditional wooden-plank wall dwellings worked in concert with the local regional climate, and had a good adaption.

wooden-plank wall dwellings; field measurement; temperature and relative humility; natural ventilation; thermal comfort

2016-03-09

重慶市建設(shè)科技計劃(2007075)

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。

Foundation item：Chongqing Construction Science & Technology Program(No.2007075)

TU111.3

A

1674-4764(2016)04-0001-06

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.04.001

Received:2016-03-09

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