閩南磚木結(jié)構(gòu)官式大厝熱環(huán)境與節(jié)能措施分析
——以廈門市新垵村新垵社為例

何 苗

（廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，福建廈門361024）

閩南磚木結(jié)構(gòu)官式大厝熱環(huán)境與節(jié)能措施分析
——以廈門市新垵村新垵社為例

何 苗

（廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，福建廈門361024）

對廈門市海滄區(qū)新垵村新垵社典型磚木構(gòu)官式大厝民居進行夏季熱環(huán)境實測和調(diào)查，分析閩南官式大厝磚木結(jié)構(gòu)的熱環(huán)境特征.結(jié)果顯示：室外一日內(nèi)的溫度波幅為13.6℃，而室內(nèi)的僅為4.1℃；室外一日內(nèi)的相對濕度波幅為37.6%，而室內(nèi)的僅為17.6%.說明磚木構(gòu)大厝在保溫隔熱、調(diào)節(jié)室內(nèi)外溫度和濕度方面具有良好的熱工性能，但是其窗、屋頂和地面仍有許多的不足，應(yīng)對建筑局部構(gòu)造進行節(jié)電改造，設(shè)置防水屋面，組織建筑采光，利用綠化，改善庭院地面等.

熱環(huán)境；節(jié)能設(shè)計；官式大厝；磚木構(gòu)民居；閩南

具有千年歷史的磚木構(gòu)建筑，是中國傳統(tǒng)民居的代表性建筑形式之一，也是閩南地區(qū)當(dāng)?shù)鼗旌辖Y(jié)構(gòu)建筑的重要組成部分.閩南磚木官式大厝在長期的發(fā)展中，逐漸適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐牡乩須夂蛱攸c，積累了其特有的低技術(shù)與低能耗建造技術(shù).它不僅反映了深厚的閩南人文文化特征，其良好的熱工性能和節(jié)能性，也十分值得現(xiàn)代新建民居借鑒.但是，目前對閩南官式大厝節(jié)能研究僅停留在空間布局、自然通風(fēng)、表皮材料選擇等方面［1］，卻沒有真正從室內(nèi)熱環(huán)境實測數(shù)據(jù)去分析、提取、驗證閩南官式大厝采用磚木結(jié)構(gòu)的建筑技術(shù)優(yōu)勢.本文選取典型的磚木構(gòu)閩南官式大厝——廈門市新垵村新垵社進行溫度和濕度研究，分析其所用材料適合本土環(huán)境方面的優(yōu)勢與不足，并通過自身的功能空間、構(gòu)造措施的劣勢調(diào)整與改進來滿足居住者的需求，以保存和發(fā)展閩南官式大厝，為保留文化遺產(chǎn)和發(fā)展新農(nóng)村建設(shè)提供借鑒.

1 閩南氣候環(huán)境與研究方法

1.1 氣候環(huán)境

閩南地區(qū)占有今福建省泉州市、廈門市、漳州市、龍巖市的部分縣市和廣東省潮汕地區(qū)，大部分處于沿海地區(qū).閩南地區(qū)在我國氣候分區(qū)中位于夏熱冬暖地區(qū)［2］.夏季太陽輻射量大，7月平均氣溫20～39℃，平均相對濕度高達80%，為高溫潮濕多雨的氣候.因此，建筑中的氣候設(shè)計主要針對夏季防熱、通風(fēng)問題.本文以廈門市海滄區(qū)新垵村新垵社為對象，取一年中最熱的時間段進行測試研究.

1.2 研究方法

新垵社位于廈門市海滄區(qū)的西南部，全社總?cè)丝诩s2 120人.村中官式大厝可分為2類：一類為兩進三開間大厝，數(shù)量較少且大多敗落或保護等級不高，沒有修復(fù)與改造的必要；另一類為兩落五開間大厝.由于近代當(dāng)?shù)睾Ｍ鈿w僑較多，經(jīng)濟較好，新垵社以兩落五開間的大厝為主，最具有保護和再利用價值，且所居住居民的保護意識較強，大多保存較好.全村保存較好的兩落五開間官式大厝為30多棟，保存下來的數(shù)量和規(guī)模在閩南地區(qū)較為罕見.村社中100 a以上的磚木大厝構(gòu)建筑5棟，其余在20世紀30年代后期建成.因此，本文以兩落五開間的官式大厝為主，對廈門市海滄區(qū)新垵村新垵社的30間兩落五開間大厝進行調(diào)研，并選取2棟百年以上和2棟20世紀40年代的大厝作為實測對象，進行了詳細建筑測繪和溫度、濕度測試分析.采用問卷調(diào)查方式作為研究的補充材料，對官式大厝的基本現(xiàn)狀、熱舒適度、使用情況、能源消費構(gòu)成等方面進行深入考察.研究共發(fā)放了50份問卷，其中37份為有效問卷.

研究的測試數(shù)據(jù)由RHLOG智能型溫濕度自動記錄儀測得，儀器的測量精度為 ±0.3%，分辨率為±0.1%；測量時溫度以攝氏度為單位，用符號 “℃”表示，濕度為相對濕度，用符號%表示.空氣溫度的連續(xù)實測點包括邊房 （測點1）、大房 （測點2）、正廳（測點3）、護厝 （測點4）、櫸頭 （測點5）、主天井下（測點6）、前埕即室外 （測點7） （1.2 m高度），具體見圖1.測試時間段為2013年7月14日5：00至16日5：00，周期2 d，測量期間廈門市海滄區(qū)的天氣情況見表1，1.5 h自動記錄一次.

圖1 邱得魏故居慶壽堂平面圖Fig.1 The pIan of the former residence named Qingshoutang of Qiu Dewei

表1 測量期間廈門市海滄區(qū)天氣情況TabIe 1 The weather of the Haicang District，Xiamen during the instrument for measuring

2 閩南官式大厝的現(xiàn)狀與構(gòu)造特點

新垵社的官式大厝整個平面呈四合院布局.平面多為兩邊對稱的五開間二進合院式民居，面積大多在1 200 m2左右.在主體建筑兩側(cè)圍以縱向，左右護厝；主厝之前為石砌前埕.主要建筑中軸線上由南至北依次為前廳、石砌天井、正廳和后軒，如圖1所示.

2.1 承重結(jié)構(gòu)

插梁式木構(gòu)架與砌體墻結(jié)合的垂直承重結(jié)構(gòu)成為建筑主要承重結(jié)構(gòu).柱體由200～300 mm的筆直圓木構(gòu)成，而橫向承重結(jié)構(gòu)則由寬 20～30 mm、高200～300 mm的圓木構(gòu)成 （見圖2）.主要建筑部分 （即前落與后落）由六路架、五架座梁支撐大屋頂，大部分承重柱保存完好.

圖2 屋架圖［5］Fig.2 The roof structure profiIe

2.2 圍護結(jié)構(gòu)

隔墻與壁柱、角柱為紅磚實砌方式砌筑，墻體寬度為370 mm以上；輔助材料為殼灰.承重墻和鏡面墻為紅磚空斗砌方式砌筑，墻體寬度為400 mm左右，輔助材料為殼灰、夯土與礫石.頂廳與下落廳面向中庭方向完全開敞，而房間使用對開木質(zhì)內(nèi)平開窗扇 （見圖3）.

圖3 木質(zhì)平開窗Fig.3 Wooden casement window

2.3 屋頂結(jié)構(gòu)

建筑采用三川脊坡屋頂 （見圖4）的形式，其檐口出挑較遠，具有良好的防曬防雨功能.前落與后落的屋面暗厝和脊端暗厝，以及房間室內(nèi)閣樓與屋頂之間，由木框架構(gòu)建形成的空氣間層，產(chǎn)生了良好的通風(fēng)隔熱效果.

圖4 三川脊與前埕Fig.4 Sanchuan ridge and the front of the house

2.4 地面

室內(nèi)地面多由六邊形紅磚拼接而成，具有一定的防潮作用，室外地面大多以長條形白石鋪面.

3 閩南官式大厝的夏季隔熱效果測試

3.1 夏季室內(nèi)外溫度比較

根據(jù)實測繪制室內(nèi)外溫度范圍表和測試點1～7的濕度變化表，如表2與圖5所示.室外一日內(nèi)測定的最大溫度差即波幅為13.6℃，而大房、邊房、櫸頭等室內(nèi)平均最大波幅僅為4.1℃，比室外低了9.5℃，室內(nèi)波幅明顯大大減小.這是因為室外熱傳遞經(jīng)過圍護結(jié)構(gòu)的衰減，變得相對穩(wěn)定，這也說明了磚木結(jié)構(gòu)建筑夏季防熱性能非常好.

正廳 （測點3）與櫸頭測得的平均溫度分別為26.3，26.5℃，比一般的房間平均溫度分別低0.7，0.5℃；其最高溫度均為27.8℃，比一般的房間平均溫度低0.9℃.說明主天井的熱緩沖和熱壓通風(fēng)起到了很好的被動降溫作用，尤其是夜間的降溫效果尤為突出.

室內(nèi)外最低溫度幅度均在1.6℃之內(nèi)，沒有很大的差別.說明建筑維護結(jié)構(gòu)的保溫性能低.這是由于當(dāng)?shù)靥幱谙臒岫貐^(qū)，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居官式大厝主要依賴被動式而非空調(diào)設(shè)備放熱降溫，所以建筑保溫反而會阻礙建筑散熱.

表2 室內(nèi)外溫度范圍表TabIe 2 Indoor and outdoor temperature range tabIe℃

圖5 測試時間溫度變化Fig.5 The temperature change during the test time

3.2 夏季室內(nèi)外濕度比較

根據(jù)實測繪制室內(nèi)外濕度范圍表和測試點1～7的濕度變化表，如表3與圖6所示.室外濕度一日最大波幅為37.6%，室內(nèi)一日最大波幅為17.6%，比室外波幅小20%，且室外在白天7：00至17：30之間的濕度較低，且濕度波幅變化為16%，而室內(nèi)為16.7%，說明室內(nèi)具有一定的濕度穩(wěn)定性.除了東西向的護厝 （測試點4）和櫸頭 （測試點5）的濕度在凌晨1點到早上10點之間超過65%以外，正廳、大房和邊房 （測試點1～3）主要居住點的濕度均在最適宜人類生活的45%～65%.相對于夏季高濕度的海滄區(qū)而言，這已經(jīng)說明了建筑整體調(diào)節(jié)濕度功能較好.

表3 室內(nèi)外濕度范圍表TabIe 3 Indoor and outdoor humidity range tabIe %

圖6 測試時間濕度變化Fig.6 The humidity change tabIe during the test time

大房、邊房與護厝均僅開一窗，且開窗面積小而昏暗，整個房間內(nèi)的窗地比不到0.04，造成室內(nèi)采光和房間中部的通風(fēng)效果較差，相對于開敞的正廳與櫸頭應(yīng)較為潮濕，但實測結(jié)果卻正好相反.邊房、大房、護厝的平均濕度分別為58.4%，62.4%，62.7%，比正廳分別低7%，3%，2.3%，這是由于房間的比表值比正廳大.而房間窗地比較小的狀況，需改善室內(nèi)采光和通風(fēng)效果.

4 閩南官式大厝的節(jié)能優(yōu)勢及不足

4.1 閩南官式大厝的節(jié)能優(yōu)勢

4.1.1 木材節(jié)能性 由測試數(shù)據(jù)可見，閩南官式大厝的室內(nèi)溫度控制在25.1～29.2℃ （見表2），這是由于其坡屋頂形成的通風(fēng)隔熱間層阻隔了室外熱傳遞并帶走部分熱量.木材獨特的蜂窩結(jié)構(gòu)使其具有出色的隔熱性能［3-4］.研究表明，若達到同樣的保溫效果，木材需要的厚度是混凝土的1/15、鋼材的1/400.木材的低傳熱系數(shù)在單層結(jié)構(gòu)的情況下就能為圍護結(jié)構(gòu)提供較好的保溫隔熱性能，而通過復(fù)合和多層化設(shè)計將會有更大的提升空間［5］.

4.2.2 磚的節(jié)能性 大厝紅磚是閩南獨有的煙炙磚，其蓄熱系數(shù)小，起到了很好的降溫作用.相對于現(xiàn)在民居的水泥磚砌墻，官式大厝運用煙炙紅磚效果比水泥磚要好，因為紅磚的主要材料是粘性土［6］，決定了導(dǎo)熱系數(shù)要比水泥類材料小.再加上紅磚的吸水性強，具有呼吸特性，能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)外濕度，凈化空氣.

4.2 閩南官式大厝的不足

4.2.1 窗 為了避免太陽輻射過多進入室內(nèi)，傳統(tǒng)大厝中房間窗地比均不大于0.2，以致房間采光及通風(fēng)效果較差.對于夏季高溫度高濕度的閩南地區(qū)，室內(nèi)就會時常處于陰暗悶熱的狀態(tài)，且容易導(dǎo)致霉菌滋生，腐蝕木材，人的身體健康也會受到影響.房間窗戶均為內(nèi)雙開木板門窗，其密實性較差，成為夏季空調(diào)能耗的薄弱點，也影響了夏季防蟲和冬季御寒能力.

4.2.2 屋頂 屋頂材料為瓦片且以石灰粘合嵌縫，日久風(fēng)化易滲水進入梁架結(jié)構(gòu).梁架木材結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)過一些防腐防火處理，木頭常年經(jīng)過滲水腐蝕易腐爛，從而導(dǎo)致屋頂結(jié)構(gòu)沉降變形，所以現(xiàn)有屋頂需要定期翻新屋面.

4.2.3 地面 原先為了滿足曬谷等需要，室外石埕鋪地采用泉州白石，但夏季在太陽的照射下反射強烈.同時當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致室外石砌前埕曬谷功能弱化，加上宅邸與宅邸之間道路開拓放寬，部分圍墻與石埕變成宅間道路的一部分，部分石埕毀壞.

5 磚木構(gòu)民居節(jié)能改進建議

以綠色建筑評價標準為依據(jù)，針對閩南地區(qū)磚木構(gòu)官式大厝的不足，以被動式構(gòu)造設(shè)計手段為主，提出優(yōu)化改造新農(nóng)村磚木構(gòu)建筑的設(shè)計建議.

5.1 屋頂

部分大厝屋頂材料年久失修，面臨翻新改造的問題.為了不改變原有大厝屋頂?shù)男问剑聲r保留原有骨架，然后增加防水油氈，達到防水性以保證木架結(jié)構(gòu)干爽，再覆以板瓦和筒瓦或望板.

由于海滄地區(qū)居民經(jīng)濟水平較高，且閩南地區(qū)太陽光熱能充足，建議可在坡屋面放置平板太陽能熱水系統(tǒng)與薄膜式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一體化裝置（見圖7）.走訪調(diào)查中發(fā)現(xiàn)：太陽能熱水器在部分大厝住戶中已有安裝，但是由于使用年限及產(chǎn)品質(zhì)量等問題，使得實際使用效率并不理想.建議對于那些還可以繼續(xù)使用的加以利用，出現(xiàn)問題的則進行更新或替換.在替換過程中，盡量使太陽能熱水器的角度與屋面相結(jié)合，在實用的前提下盡量達到美觀.

圖7 坡屋面平板太陽能熱水系統(tǒng)與薄膜式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一體化設(shè)置（作者自繪）Fig.7 PIate soIar water heating system for the sIoping roof and integration settings of membrane type soIar photovoItaic generation system

5.2 種植

在建筑的屋前屋后 （即道路與建筑之間，建筑與大空地之間）種植樹木，而對于大厝與大厝之間的一米巷，以及邊房與前落房兩側(cè)的東西向墻體，由于接受太陽輻射的時間較長，既要通風(fēng)，又要遮陽，建議墻邊種植攀爬植物，在夏天可遮陽，且通過植物蒸騰作用帶走墻面多余熱量.

屋內(nèi)天井白石鋪地一般保存良好，有利于排水到四周檐下排水溝.建議天井內(nèi)多設(shè)置盆栽，用石板作花架擺放盆花，綠葉對太陽輻射的吸收作用及蒸騰作用均能有效降低小環(huán)境內(nèi)的熱量.并恢復(fù)傳統(tǒng)習(xí)慣，在天井一側(cè)設(shè)置防火的大蓄水缸.不建議設(shè)置大型盆栽和樹木，以避免對大宅屋頂?shù)钠茐暮徒档吞炀耐L(fēng)效果.

5.3 開窗

木窗與墻體之間、兩扇木窗之間的縫隙處是氣密性的薄弱點，可以在這些節(jié)點處采用企口對接構(gòu)造以增加氣密性.在經(jīng)濟條件允許的情況下，一些特殊玻璃材料的鋁合金仿木節(jié)能窗也可以提高室內(nèi)熱舒適性和降低空調(diào)能耗，比如吸熱玻璃、絕熱玻璃、熱反射玻璃等采用特種玻璃的窗戶.特別是外山墻均無遮陽，建議采用反光百葉與遮陽相結(jié)合.作窗框四周向外突出約47 cm的設(shè)計，和傳統(tǒng)山墻一樣厚.外面設(shè)置配合雙開扇可調(diào)節(jié)反光百葉，夏季可阻擋并向外反射光線，冬季與夏季午后可將光線反射到屋頂，并有屋頂向下漫反射到屋內(nèi)進行采光.

5.4 室外地坪

建議除了5處百年大宅以外，其他前埕可將已損的白石地面面積適當(dāng)減小，以適應(yīng)當(dāng)?shù)鼐用竦纳?若圍墻仍保留良好的，可在前面石埕設(shè)置綠化庭院，鋪地材料可以選擇滲水磚，步行部分可以選擇植草磚以及鵝卵石鋪地，這不僅能夠?qū)⑺譂B透到地下，而且為植物提供了生長的空間，進而利用植被儲蓄水分，起到調(diào)節(jié)溫濕度的作用［7］.也可根據(jù)居民的生活需求，部分區(qū)域搭設(shè)水果架或瓜棚，減少地面反射.

針對以上改進建議，從改造方式、難度、接受程度等方面對居民采取走訪和問卷調(diào)查相結(jié)合的方式進行調(diào)察.綜合問卷調(diào)查與走訪記錄統(tǒng)計分析結(jié)果見表4.

表4 節(jié)能措施調(diào)查反饋表TabIe 4 Survey feedback to energy-saving measures

6 結(jié)語

通過對閩南傳統(tǒng)磚木民居——官式大厝室內(nèi)熱環(huán)境的測量與分析研究，指出目前磚木建筑的優(yōu)勢與不足，并對建筑局部構(gòu)造節(jié)電改造、設(shè)置防水屋面、組織建筑采光、利用綠化及改善庭院地面等做法提出建議.改造建議以改造投資金額適中，能夠為住戶所接受為目的，意義在于適合閩南地區(qū)農(nóng)村的經(jīng)濟發(fā)展水平和社會發(fā)展需求，易于在農(nóng)村推廣應(yīng)用.這些研究和分析為新型民居的設(shè)計提供了量化依據(jù)與科學(xué)認識，同時為改善現(xiàn)有民居的生活條件提供了依據(jù)與思路.

［1］陳文.廈門古代建筑 ［M］.廈門：廈門大學(xué)出版社，2008.

［2］黃源成，許勇鐵.閩南村鎮(zhèn)生態(tài)住宅設(shè)計中基于沿海氣候資源的適宜技術(shù) ［J］.福建建筑，2012（10）：1-4.

［3］何韶瑤，毛國輝，初祎君，等.湘西傳統(tǒng)木民居節(jié)能效果測試與研究 ［J］.建筑學(xué)報，2010（3）：96-99.

［4］賴世賢，鄭志.閩南紅磚傳統(tǒng)砌筑工藝及其啟示 ［J］.華中建筑，2007，25（2）：154-157.

［5］曹春平.閩南傳統(tǒng)建筑 ［M］.廈門：廈門大學(xué)出版社，2006.

［6］李乾朗.臺灣古建筑圖解事典 ［M］.臺北：遠流出版事業(yè)有限公司，1980.

［7］何韶瑤，毛國輝.湘西傳統(tǒng)石砌民居熱環(huán)境分析及節(jié)能措施 ［J］.新建筑，2012（6）：98-101.

Thermal Environment Analysis and Energy-Saving Measures for Minnan Red Brick and Wood Big Houses

HE Miao
（School of Civil Engineering&Architecture，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China）

By spot investigation into the traditional red-brick-and-wood Big House in south Fujian and study of its temperature and humidity data of indoor and outdoor thermal environment，this paper discussed the superiority and deficiencies of red brick and wood residence.The maximum day temperature difference outside the Big House was 13.6℃，while the indoor average maximum temperature difference was only 4.1℃；the maximum day humidity difference outdoor was 37.6%，the biggest indoor day humidity difference was 17.6%，indicating that the Big House has good insulation and regulation function and good thermal performance.This paper proposed power-saving transformation，waterproof roof，building lighting，greening and courtyard floor use for renovation.

thermal environment；energy-saving design；Big House；traditional residence with red brick and wood；Minnan

TU241.5

A

1673-4432（2015）03-0085-06

（責(zé)任編輯 雨 松）

2014-11-01

2015-03-11

國家自然科學(xué)基金項目 （51308231）；福建省中青年教師教育科研項目 （JA14237）；廈門市科技計劃指導(dǎo)項目 （3502Z2019002）

何苗 （1980-），女，講師，碩士，研究方向為地域建筑與建筑節(jié)能.E-mail：mhe@xmut.edu.cn