魯?shù)榈貐^(qū)傳統(tǒng)夯土建筑的節(jié)能與發(fā)展初探

劉崇，張睿，譚良斌

魯?shù)榈貐^(qū)傳統(tǒng)夯土建筑的節(jié)能與發(fā)展初探

劉崇，張睿，譚良斌

本文通過對魯?shù)榈貐^(qū)鄉(xiāng)村傳統(tǒng)夯土建筑與災(zāi)后重建的新建磚墻建筑的比較，從科學(xué)的角度解釋夯土建筑的節(jié)能性，并對現(xiàn)有建筑提出改造意見，提高建筑的熱工性能。首先對魯?shù)榈貐^(qū)海尾巴村現(xiàn)有建筑的現(xiàn)狀進行調(diào)研分析，然后針對原有傳統(tǒng)夯土圍護結(jié)構(gòu)建筑、新建磚墻圍護結(jié)構(gòu)建筑與建筑的窗地比進行節(jié)能計算，簡析傳統(tǒng)夯土建筑節(jié)能性，并提出對傳統(tǒng)夯土建筑的改進手法與建議以及新型夯土技術(shù)研究與發(fā)展的必要性。

夯土建筑，磚混建筑，建筑熱工，窗地比

國家自然科學(xué)基金資助項目（項目批準(zhǔn)號：51178228，51578271）

前言

隨著建筑新材料的不斷出現(xiàn)，農(nóng)村住宅的建設(shè)不再遵循原有建筑的歷史傳承，而過多地使用磚墻結(jié)構(gòu)等新材料來替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與材料，導(dǎo)致原有的傳統(tǒng)建筑文化逐漸流失，這不僅增加了新材料的消耗與浪費，也改變了原有的村落面貌，這些都非常值得我們關(guān)注。

傳統(tǒng)民居是當(dāng)?shù)鼐用裨跇?gòu)建建筑時，充分考慮當(dāng)?shù)貧夂?、采用合理并適應(yīng)當(dāng)?shù)氐慕ㄖY(jié)構(gòu)與材料所建造的符合當(dāng)?shù)貧夂虻木幼】臻g。云南省昭通市魯?shù)榈貐^(qū)的傳統(tǒng)民居以夯土墻做為圍護與支撐結(jié)構(gòu)，主要以粘土夯制而成，墻厚一般為500～700mm，屋頂采用10～20cm厚的茅草頂，保溫性能好，充分適應(yīng)當(dāng)?shù)氐母吆畾夂驐l件。云南省昭通市魯?shù)榈貐^(qū)由于2014年8月3日的地震，大部分房屋倒塌，災(zāi)區(qū)人民自行進行災(zāi)后重建，新建房屋基本是以磚墻為圍護與支撐結(jié)構(gòu)，形象上與原有的村落面貌反差較大，導(dǎo)致村落的肌理受到嚴(yán)重破壞。

如何解決當(dāng)?shù)卮迕衿惹械木幼⌒枨蠛徒ㄖ幕^承與發(fā)展的矛盾，是本文研究的出發(fā)點。

1 海尾巴村村莊建筑現(xiàn)狀

魯?shù)榈貐^(qū)大山包鄉(xiāng)海尾巴村是一個自然村落，海拔3112m，為暖溫帶高原季風(fēng)氣候，冬季寒冷，夏季涼爽，年平均氣溫為6.2℃，1月平均氣溫-1℃，居民冬季使用火爐取暖。

1.1 震前震后建筑數(shù)量對比

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研總結(jié)，魯?shù)榈卣鹎按逯泄灿薪ㄖ?1棟，其中29棟傳統(tǒng)的夯土建筑，3棟新型磚墻結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)夯土建筑占建筑總數(shù)的約90%。受地震影響，16棟夯土建筑完全損毀，其他傳統(tǒng)建筑均輕微受損，震后的25座新建建筑均為磚墻建筑，占建筑總數(shù)的54%（圖1、2）。

震后磚墻民居大面積出現(xiàn)，主要是因為磚墻民居價格便宜、施工速度快，且能滿足災(zāi)后重建中當(dāng)?shù)鼐用竦幕旧钏琛?/p>

從后期調(diào)研得知，居民住進磚墻民居后，普遍認(rèn)為傳統(tǒng)夯土墻的民居冬暖夏涼，更適合居住1）。

1.2 建筑現(xiàn)狀

海尾巴村位于跳墩河的南岸，整體地勢南高北低，為了適應(yīng)地形，村民在建造房屋時大多采用適應(yīng)地形的手法，建筑多坐南朝北（圖3），由于村莊常年風(fēng)速較大（圖4），在北向的開窗都比較小，而南向地勢比較高，南向開窗較小，震后重建的房屋也基本按照原有傳統(tǒng)住宅的建造模式，但南向開窗面積要比傳統(tǒng)住宅稍大。

下面我們就從建筑熱工性能角度出發(fā)，量化研究傳統(tǒng)夯土建筑與新建磚墻建筑在節(jié)能方面的優(yōu)劣。

2 建筑節(jié)能分析

云南魯?shù)榈貐^(qū)以“明三暗五”的格局[1]為原型，夯土民居與新建民居在此基礎(chǔ)上進行演變，新舊建筑的平面形式與空間組成基本相同，在計算時，選擇較為相近的建筑進行比較，并采用控制變量的方法進行計算（表1）。

1 震前居民數(shù)量比

2 震后居民數(shù)量比

3 建筑朝向

4 風(fēng)向標(biāo)

以海尾巴村村中的7號住宅（調(diào)研編號）與34號住宅為例，進行對比分析。其中7號住宅為傳統(tǒng)夯土民居，在震后保留了下來，其基本結(jié)構(gòu)沒有受到破壞（底層水泥為表面涂刷，為防止牲畜摩擦），能夠正常使用（圖5）；34號住宅則為新建的磚墻民居，為了美觀，在外墻粉刷了一層粘土，進而形成一種夯土建筑的風(fēng)貌（圖6）。

夯土民居與磚墻民居均延續(xù)了傳統(tǒng)的“明三暗五”的基本建筑布局，在此基礎(chǔ)上進行改進，其平面形式如圖7、8。魯?shù)榈貐^(qū)新建的民居基本都遵循了基本布局，新建民居加入了一些新功能，滿足現(xiàn)有的生活需求。

2.1 建筑窗戶熱工性能計算

2.1.1 窗戶的傳熱系數(shù)計算

建筑的圍護結(jié)構(gòu)中窗戶是建筑得熱失熱的關(guān)鍵所在，在魯?shù)榈貐^(qū)均采用單層玻璃，夯土結(jié)構(gòu)采用的是木結(jié)構(gòu)窗戶，而磚墻結(jié)構(gòu)采用的是普通鋁合金窗戶。實驗采用的是控制變量法，計算時將不同材料的氣密性視為一致，探討材料保溫性能[2]，以7號住宅與34號住宅為例：

單框窗的傳熱系數(shù)Kw[3]按下式計算：

Kw=(Ag×Kg+Af×Kf+lg×Ψg) / (Ag+Af)計算可知：

木結(jié)構(gòu)窗戶K1=4.08 W/（m2·K)；

普通鋁合金窗戶K2=6.19 W/（m2·K)。

從上述計算可以看出夯土結(jié)構(gòu)中的木結(jié)構(gòu)窗戶的傳熱系數(shù)小于普通鋁合金窗戶，即原有夯土建筑的窗戶的保溫性能較好，更有利于建筑的節(jié)能與保溫。

2.1.2 窗地比模擬計算

窗墻比[2]是建筑熱工設(shè)計中常用的一個指標(biāo)，窗墻比的大小對建筑能耗和室內(nèi)舒適度有著重要的影響，合適的窗墻比可以有效利用太陽能，增加室內(nèi)采光。

海尾巴傳統(tǒng)民居由于地勢限制，開窗面積比較小，傳統(tǒng)夯土結(jié)構(gòu)為 0.7m×0.8m 的小木窗，室內(nèi)陰暗，獲得的太陽輻射熱少，且室內(nèi)的自然通風(fēng)的效果較差。新建的磚墻結(jié)構(gòu)的開窗尺寸為1.4m×0.75m，開窗面積較原有的夯土結(jié)構(gòu)大，以7號住宅與34號住宅為例，經(jīng)計算可知，夯土結(jié)構(gòu)的窗地比為0.08，磚墻結(jié)構(gòu)的窗地比為0.21，對其窗地比以太陽能加熱的性能進行比較分析。

上述太陽能加熱區(qū)域面積的變化情況比較可知，紅色框區(qū)域表示太陽能加熱量，開窗面積的增大有利于建筑對太陽能的利用，提高室內(nèi)溫度。夯土結(jié)構(gòu)雖然有很好的保溫效果，但原有的開窗面積較小，減少了對太陽能的利用。

表1建筑現(xiàn)狀比較

5 傳統(tǒng)夯土民居

6 新建磚混民居

7 7號夯土民居平面

8 34號磚混民居平面

9 7號房窗地比0.08

10 34號房窗地比0.28

2.1.3 窗戶熱工性能總結(jié)

夯土結(jié)構(gòu)中的木結(jié)構(gòu)窗戶的傳熱系數(shù)較小，有利于室內(nèi)的保溫，但由于開窗面積較小，減少了對太陽能的利用。磚墻結(jié)構(gòu)中的普通鋁合金窗戶，雖然有較為合理的窗地比，但由于其材料本身的缺陷，對室內(nèi)保溫不利?？梢允褂媚窘Y(jié)構(gòu)窗并擴大其開窗面積，既能增加對太陽能的利用，又更好地減少室內(nèi)熱量的散失[1]。

2.2 建筑墻體熱工性能計算與測量

2.2.1 墻體的K值計算

經(jīng)查表《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》[2]可知：

傳熱系數(shù)K=1/(1/αi +d/λ+1/αa)[3]；

夯土墻的K1=1.26［W/(m2·K)］；

新建磚墻的K2=2.24［W/(m2·K)］；

將其進行比較可得：K1＜K2；

經(jīng)上述計算可看出，夯土墻的傳熱系數(shù)要小于新建磚墻的傳熱系數(shù)，在海尾巴村這種高寒的氣候下，傳統(tǒng)材料中的夯土墻的保溫效果更理想，而新建磚墻的保溫性能遠不及夯土墻的保溫性能。

2.2.2 墻體溫度的測量

墻體作為建筑的主要圍護結(jié)構(gòu)，在傳遞熱量的過程中對整個建筑起到了保溫、隔熱的作用[4]。墻體表面通常以對流、輻射的方式與周圍環(huán)境進行熱交換，所得到的熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳遞至墻體內(nèi)表面，墻體內(nèi)表面又主要以對流的方式與室內(nèi)空氣進行熱交換，墻體傳熱的整個過程中傳遞的熱量主要與環(huán)境氣候參數(shù)、空氣對流系數(shù)等外因和墻體材料物性參數(shù)、墻體結(jié)構(gòu)等內(nèi)因有關(guān)。

（1）墻體溫度第一次測量

本次實驗測量工具為希瑪便攜式溫濕度計（型號：AR847），測溫范圍-10～50℃（溫度測量誤差±1℃），濕度范圍5%～98%RH（適度測量誤差:±3%（30%～95%）、±5（10%～30%），溫度解析度：0.1℃，濕度解析度：0.1%RH。

在環(huán)境氣候參數(shù)、空氣對流系數(shù)等外因保持一致的情況下，對傳統(tǒng)夯土民居的墻體與新建磚墻民居的墻體進行測量，對7號住宅與34號住宅進行兩次測試，測量點A1、A2、B1、B2，如圖11、12所示。

第一次實驗測量時間為2016年10月31日，魯?shù)榈貐^(qū)海尾巴村的當(dāng)日溫度為3～16℃，日出時間為7:16，測量開始時間為8:00，日落時間為18:22，測量結(jié)束時間為20:00。測量期間天氣變化，8:00-10:55為陰天，10:55-16:20為多云轉(zhuǎn)晴，16:20-19:10為陰天，19:10-20:00為小雨。本次的測量民居在測量期間門窗均為關(guān)閉狀態(tài)。

測量數(shù)據(jù)整理如圖13、14：

由兩個表格的溫度變化趨勢可以看出，總體的室內(nèi)溫度變化與室外變化趨勢基本成正相關(guān)的，但兩者相對比而言，夯土民居的室內(nèi)溫度變化趨勢受室外溫度變化的影響較小，在自然條件下8:00-20:00的12個小時中，在室外日溫差13.6℃時，夯土民居室內(nèi)日溫差為6.5℃，能保持室內(nèi)在一個穩(wěn)定溫度范圍內(nèi)；而磚墻民居的室內(nèi)溫度則受室外溫度影響較大，室內(nèi)溫度的變化趨勢與室外溫度的變化趨勢基本一致，在自然條件下8:00-20:00的12個小時中，室外日溫差13.6℃時，磚墻民居室內(nèi)日溫差為8.5℃。由于磚墻民居的開窗較大，接受的太陽輻射熱較夯土民居多，室內(nèi)溫度提升快，由于外界溫度的回落，當(dāng)沒有太陽輻射熱進入時，室內(nèi)溫度下降的也比較快。

值得注意的是北側(cè)墻體室內(nèi)外溫度的變化，由于沒有太陽直射的影響，北側(cè)室外溫度較低，北側(cè)墻體室內(nèi)外溫度變化能更好地體現(xiàn)墻體的保溫性能。夯土民居北側(cè)墻體室內(nèi)外墻體溫度變化差異較大，在自然條件下8:00-20:00的12個小時中，墻體兩側(cè)的溫度差值在2.7～7.9℃之間，夯土墻體有效地保持了室內(nèi)溫度的穩(wěn)定；而磚墻民居北側(cè)墻體的室內(nèi)外墻體溫度變化在相同的自然條件下，墻體兩側(cè)的溫度差值在1.3～2.4℃之間，所以磚墻的導(dǎo)熱系數(shù)相對于夯土墻而言較大。

將室外溫度與夯土民居室內(nèi)溫度、磚墻民居室內(nèi)溫度進行對比（圖15），可以明顯地看出磚墻民居的溫度變化與室外溫度的變化趨勢更為相近，而夯土民居雖然與室外溫度呈正相關(guān)，但并沒有完全受室外溫度影響。

（2）墻體溫度第二次測量

進入冬季以后，居民開始在堂屋采用火爐進行取暖，白天的火爐僅用于做飯，晚上火爐用于取暖。為確保測量變量的一致性，在測量的12小時中，保證堂屋火爐的用煤量相同（用戶的火爐是相同的，保證對室內(nèi)產(chǎn)生的熱量相同），在早上8:00以后火爐處于封閉狀態(tài)，18:00以后開始正常使用火爐。

第二次實驗測量時間為2016年11月31日，魯?shù)榈貐^(qū)海尾巴村的當(dāng)日溫度為-2～5℃，日出時間為7:43，測量開始時間為8:00，日落時間為18:13，測量結(jié)束時間為20:00。測量期間天氣變化，8:00-9:55為雨夾雪，9:55-20:00為陰天。本次的測量民居在測量期間門窗均為關(guān)閉狀態(tài)。

測量數(shù)據(jù)整理如圖16：

由表格的溫度變化趨勢可以看出，總體的室內(nèi)溫度總體呈下降趨勢，但兩者相對比而言，夯土民居的室內(nèi)溫度下降得更小。在自然條件下8:00-20:00的12個小時中，室外日溫差5℃時。在8:00封閉火爐時，夯土民居的室內(nèi)溫度為16.3℃，磚混民居的室內(nèi)溫度較高一些為17.3℃，在相同自然的情況下，兩個民居的溫度都呈下降趨勢，但由溫度折線圖看出，夯土民居溫度下降的較為緩慢，而磚混民居的溫度下降的較快，在8:00-18:00沒有進行火爐取暖期間，夯土民居的室內(nèi)溫度的降低了5.3℃，明顯小于磚墻民居降低的8.9℃。

夯土民居更好地維持室內(nèi)溫度的變化，減少室內(nèi)熱量的散失，而磚混民居在冬季寒冷的條件下，不利于室內(nèi)溫度的穩(wěn)定，并導(dǎo)致大量的散失。夯土民居的圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能較好一些。

2.2.3 圍護結(jié)構(gòu)得熱失熱模擬計算

圍護結(jié)構(gòu)得熱失熱是指周期熱作用下，圍護結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的熱量。圍護結(jié)構(gòu)得熱失熱能力是影響其熱穩(wěn)定性的主要因素。

以海尾巴村中的7號住宅與34號住宅為例，進行對比分析。

計算傳統(tǒng)生土墻民居與新建磚墻民居在相同的環(huán)境下圍護結(jié)構(gòu)得熱失熱的情況如下(藍色到黃色為由失熱到得熱的過程，失熱越多，藍色范圍越大、越深，反之亦然）：

由圖17、18可以看出磚墻圍護結(jié)構(gòu)的失熱面積（藍色區(qū)域）遠多于夯土圍護結(jié)構(gòu)，即冬季夯土結(jié)構(gòu)失熱較少，但磚墻圍護結(jié)構(gòu)的黃色區(qū)域要多于夯土圍護結(jié)構(gòu)，即夏季磚墻結(jié)構(gòu)得熱多于夯土結(jié)構(gòu),總體來看夯土圍護結(jié)構(gòu)的得熱失熱較為穩(wěn)定（圖19）。

具體得熱失熱數(shù)據(jù)如下：

建筑在夏季通過圍護結(jié)構(gòu)得到的熱量越少、冬季通過圍護結(jié)構(gòu)失去的熱量越少，越有利于室內(nèi)溫度的穩(wěn)定，經(jīng)過上面的模擬計算可知，傳統(tǒng)夯土圍護結(jié)構(gòu)與磚墻圍護結(jié)構(gòu)在相同的環(huán)境下其圍護結(jié)構(gòu)在10月至次年3月間處于失熱狀態(tài)，但各月的失熱量卻又很大的差別，魯?shù)榈貐^(qū)最冷月為12月份，這時夯土民居通過圍護結(jié)構(gòu)的失熱量是磚墻民居圍護結(jié)構(gòu)失熱量的1/2；最熱月為7月份，此時夯土民居通過圍護結(jié)構(gòu)的得熱量是磚墻民居圍護結(jié)構(gòu)的7/10。從總體數(shù)據(jù)分析，夯土圍護結(jié)構(gòu)較磚墻圍護結(jié)構(gòu)而言，在冬季能更好地保證室內(nèi)熱量的散失，而在夏季又可以減少室外熱量的進入，相同月份夯土圍護結(jié)構(gòu)比磚墻圍護結(jié)構(gòu)冬季更加保溫，夏季更加隔熱。

11 測試點位置圖A

12 測試點位置圖B

13 夯土民居溫度變化圖

14 磚混民居溫度變化圖

2.3 建筑朝向模擬分析與改造建議

最佳建筑朝向就是考慮過冷時期內(nèi)得到的太陽輻射較多，而在過熱的時期內(nèi)得到的太陽輻射較少，二者權(quán)衡折中后所得到的一個朝向。利用 Ecotect中的 Weather Tool工具分析發(fā)現(xiàn)（圖20） ，在魯?shù)榈貐^(qū)選擇南偏西7.5°即 187.5°的方向進行建造災(zāi)后民居重建最佳，在冬季可獲得較多的太陽輻射，有利于室內(nèi)溫度的提高。

2.4 總結(jié)

海尾巴村當(dāng)?shù)鼐用穸觳捎脿t子來取暖，在冬季夯土墻更能有效地減少室內(nèi)熱量的散失，相對于新建磚墻民居能更有效減少煤炭的消耗量，進而減少因燃燒煤炭而產(chǎn)生的大氣污染物。

3 建筑的發(fā)展與展望

3.1 新型夯土建筑的發(fā)展

15 民居室內(nèi)外溫度變化圖

16 民居室內(nèi)溫度變化圖

17 夯土圍護結(jié)構(gòu)得熱失熱模擬計算圖

18 磚墻圍護結(jié)構(gòu)得熱失熱模擬計算圖

19 圍護結(jié)構(gòu)各月模擬計算值比較圖

20 建筑朝向模擬計算圖

21 夯土示范房建造過程

魯?shù)榈貐^(qū)災(zāi)后重建中的光明村實驗住宅[5]是一座新型的夯土建筑，該住宅由香港中文大學(xué)和昆明理工大學(xué)聯(lián)合建造，其建筑面積150m2左右。在技術(shù)層面，分別針對坡屋頂構(gòu)造，平屋頂構(gòu)造，新型抗震夯土技術(shù)體系進行了專項研究和示范，有效縮短夯筑墻體的時間，熟練團隊夯土量最高可達10～13m3/天（約28～37m2墻面），較之傳統(tǒng)的夯土技術(shù)工作效率可提高70%，有效縮短工期。

新型夯土技術(shù)的研發(fā)不僅有效地解決原有夯土建筑施工周期長，抗震效果差的現(xiàn)狀，也有效地繼承和發(fā)揚了傳統(tǒng)材料的優(yōu)勢，對傳統(tǒng)建筑的發(fā)展有了有力的推動。

3.2 展望

海尾巴村為適應(yīng)魯?shù)榈貐^(qū)的高原氣候而建造的傳統(tǒng)夯土民居，是千百年來當(dāng)?shù)鼐用癫粩嗵剿鞲倪M的智慧結(jié)晶。夯土圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)比較低、蓄熱性能高，有效減少室內(nèi)熱量的散失，且有效保證室內(nèi)溫度相對穩(wěn)定。新型建筑材料雖然在建筑初期投入較少，但后期會消耗更多的能源和資源，帶來更多的環(huán)境隱患。新材料的使用也意味著傳統(tǒng)建筑的減少與傳統(tǒng)建筑文化消退。

海尾巴村傳統(tǒng)建筑流失的現(xiàn)象在魯?shù)榈卣馂?zāi)區(qū)災(zāi)后重建中僅是冰山一角，而魯?shù)榈貐^(qū)災(zāi)后重建又是中國傳統(tǒng)建筑流失的冰山一角，人們在追求“新建筑”的同時也遺棄了傳統(tǒng)文化與內(nèi)涵，違背了綠色建筑節(jié)能的原則。

傳統(tǒng)建筑的維修與保護不僅需要當(dāng)?shù)鼐用竦姆e極與努力，也需要技術(shù)與研發(fā)人員的參與，更需要政府部門大力支持與發(fā)展?！?/p>

注釋

1）2015年3月以問答的形式對當(dāng)?shù)鼐用襁M行25份調(diào)查問卷。

[1] 中國建筑科學(xué)研究院．高寒地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[s]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010: 4-8.

[2] 中華人民共和國建設(shè)部.民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范GB50176-9377. 中國計劃出版社，1993.09.

[3] 劉孝圖. 建筑物理[D]. 第三版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.07.

[4] 劉加平，譚良斌.建筑創(chuàng)作中的節(jié)能設(shè)計. 西安建筑科技大學(xué)，2009.

[5] 柏文峰.云南民居結(jié)構(gòu)更新與天然建材可持續(xù)利用[A]. 清華大學(xué). 2009.03

Preliminary Study on Ludian Area Traditional Rammed Earth Construction Energy-Saving and Development

LIU Chong, ZHANG Rui, TAN Liangbin

This thesis, from scientific perspective, demonstrates the superiority and energy-saving efficiency of traditional buildings by comparing traditional rammed earth construction with the newly-built clay brick one in Ludian's regions. Firstly, doing some research and analyse about its local buildings, moreover, it can make energy-saving computation referring to the traditional rammed earth construction and newly-built clay brick buildings of the same plane form, which can also give a brief analysis concerning energy-saving performance and area ratio of window to floor of traditional earth construction. Meanwhile, the paper also puts forward the improvements, suggestions of buildings and the necessity of the research and advancement about the new technology of rammed earth construction.

rammed earth building, brick building, building thermal, area ratio of window to floor.

劉崇，張睿，青島理工大學(xué)建筑學(xué)院譚良斌，昆明理工大學(xué)建筑學(xué)院

2016-07-01