陜西漢中傳統(tǒng)民居的可持續(xù)設(shè)計(jì)理念

巫朝敏, 張 紅, 喬振勇, 黎 力, 黃 渝

(四川省建筑科學(xué)研究院，四川成都 610036)

陜西漢中市位于陜西西南部，北靠秦嶺，南屏巴山，中部是漢中盆地，而漢中是長(zhǎng)江的第一大支流漢水的源頭。整個(gè)漢中市的地域面積為27 246 m2，共有11個(gè)縣區(qū)。根據(jù)2014年人口普查可得到總?cè)丝跒?80萬(wàn)人。

漢中的當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居是一種很實(shí)用的建筑，傳統(tǒng)民居對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境情況和亞熱帶氣候作出了最合適的建筑形式和技術(shù)反映，從而保證了民居冬季和夏季的舒適度。高源的碩士論文《西部濕熱濕冷地區(qū)山地農(nóng)村民居適宜性生態(tài)建筑模式研究》中探討了適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚝同F(xiàn)代需求的農(nóng)村民居的建筑模式。而潘曉博的碩士論文《陜南漢中地區(qū)傳統(tǒng)建筑元素解讀——以民居建筑為例》中特別研究了漢中地區(qū)傳統(tǒng)民居建筑的各類(lèi)元素。而本文旨在對(duì)漢中傳統(tǒng)民居進(jìn)行整體分析以及評(píng)估傳統(tǒng)民居的熱舒適性。希望能夠在城鎮(zhèn)發(fā)展過(guò)程中，將傳統(tǒng)建筑的可持續(xù)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到新建建筑中，降低城鎮(zhèn)建筑的能耗。

1 研究方法

名詞“生物氣候建筑”是由Victor Olgyay提出的[1]，而且建造一個(gè)與氣候平衡的房子可以分為四個(gè)步驟：氣候研究，人類(lèi)生物學(xué)，技術(shù)和建筑的表達(dá)，地域建筑的強(qiáng)烈地區(qū)保護(hù)主義。在許多方面上，他可以說(shuō)是我們現(xiàn)在所說(shuō)的“可持續(xù)建筑”[2]的先驅(qū)者。生物氣候設(shè)計(jì)會(huì)涉及到建筑平面布置(風(fēng)向、太陽(yáng)照射方向、長(zhǎng)寬比)，場(chǎng)地規(guī)劃(間距)，空氣流動(dòng)，建筑開(kāi)口(大小、位置、遮擋物)和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)(墻體、屋頂、建筑材料、保溫類(lèi)型)。

本研究先要進(jìn)行假設(shè)，即最佳環(huán)境是具有最穩(wěn)定的條件下舒適區(qū)域內(nèi)。生物氣候設(shè)計(jì)的策略主要針對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)和材料，因此，本論文主要評(píng)估圍護(hù)結(jié)構(gòu)(墻體、屋頂、建筑材料)的隔熱性能。研究漢中地區(qū)農(nóng)村傳統(tǒng)民居的通用數(shù)據(jù)主要包括氣候，熱舒適，建筑形式，類(lèi)型和技術(shù)。最后，在評(píng)估最熱和最冷的一個(gè)月內(nèi)典型傳統(tǒng)建筑的熱環(huán)境及其變化情況。

2 氣候

陜西漢中具有亞熱帶氣候，漢中地區(qū)內(nèi)年平均氣溫可以達(dá)到14 ℃，相對(duì)濕度區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)南大北小，總體來(lái)說(shuō)一年內(nèi)冬春季節(jié)較小，夏季較大，而年降雨量夏秋季節(jié)較大，冬春季節(jié)較小，整體而言漢中氣候的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可見(jiàn)圖1～圖5。

圖1 年平均氣溫(來(lái)源：ECOTECT軟件)

圖2 年相對(duì)濕度(來(lái)源：ECOTECT軟件)

圖3 年平均降雨量(來(lái)源：ECOTECT軟件)

圖4 風(fēng)速(來(lái)源：ECOTECT軟件)

圖5 日照總時(shí)數(shù)(來(lái)源：ECOTECT軟件)

可以看出，夏季最熱的月份是7月和8月，月平均氣溫可以達(dá)到26 ℃左右，且當(dāng)日氣溫波動(dòng)可以達(dá)到將近8 ℃，冬季最冷月份是1月和12月，其月平均空氣溫度在0 ℃以上。日均溫度波動(dòng)范圍7～9 ℃，而最大溫度波動(dòng)變化出現(xiàn)在2～6月份。相對(duì)濕度在一年中波動(dòng)58 %～88 %，其中夏秋季的相對(duì)濕度較大。

漢中地區(qū)的降水較低，多年平均降雨量大約在600 mm，而一年當(dāng)中主要降雨月份出現(xiàn)在夏秋季節(jié)。整個(gè)地區(qū)年平均風(fēng)速較小，且很少有大風(fēng)天，主要風(fēng)向是東，可以達(dá)到34.5 %。

3 熱舒適

熱舒適指的是一種心理狀態(tài)表示出對(duì)熱環(huán)境的滿(mǎn)意程度[3]。由美國(guó)制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)贊助發(fā)起的一項(xiàng)研究，該研究匯集了從過(guò)去的研究中得到大量的數(shù)據(jù)庫(kù)，并且開(kāi)發(fā)和測(cè)試了自適應(yīng)模型(包含生理和心理兩方面)以及熱感知的實(shí)證模型。而一般情況下，自適應(yīng)模型中特定的集合點(diǎn)或者引導(dǎo)溫度的控制策略，可能會(huì)增加模型內(nèi)的室內(nèi)人員給出的值的不確定性，主要因?yàn)槭覂?nèi)人員的工作時(shí)間，工作強(qiáng)度，工作地點(diǎn)或者著裝的不同。

熱環(huán)境滿(mǎn)意程度主要分為七個(gè)級(jí)別，而其中的熱中立是指室內(nèi)熱環(huán)境給定一個(gè)特別的室內(nèi)溫度值，人們對(duì)該值滿(mǎn)意程度投票為零的情況。本論文研究將采用Auliciems給出關(guān)于熱中立和月平均干球溫度的回歸方程[4]：

Tn=17.6+0.31Tm

(1)

式中：Tn是室內(nèi)溫度；Tm是室外干球溫度。

在回歸方程中，Auliciems給出的熱中立溫度限制為18～28 ℃。而在圖6中呈現(xiàn)出了12個(gè)月內(nèi)夏季和冬季的最佳熱舒適區(qū)域。圖中可看出盡管冬季溫度波動(dòng)較小，但是被動(dòng)式太陽(yáng)能加熱很有用且所得熱量能夠減少熱損失以及降低室內(nèi)平均溫度。在夏季，通過(guò)防曬處理避免室內(nèi)平均溫度升高，且重型建筑能通過(guò)蓄熱作用減少溫度波動(dòng)。

圖6 夏季和冬季舒適區(qū)域(來(lái)源：ECOTECT軟件)

4 建筑技術(shù)

漢中地區(qū)的傳統(tǒng)民居的聚居是沿著街道兩邊線性排列著三合院或者四合院，三合院和四合院都是由土坯、磚石和木料等當(dāng)?shù)夭牧?，均設(shè)有天井。漢中東關(guān)正街的民居特點(diǎn)在論文《漢中市東關(guān)正街歷史街區(qū)保護(hù)研究》中均有提及。不論是三合院或者四合院，總體布局較為緊湊，使用的材料均為樸實(shí)簡(jiǎn)潔之材，面寬多為3～5開(kāi)間，每開(kāi)間一般為3 m，整個(gè)院落進(jìn)深一般可以達(dá)到9～12 m，廂房多在中軸線的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，后墻多為直立高聳且采用厚重的土坯或者青磚。因?yàn)楹显哼M(jìn)深較大，一般為兩層，一層用于住人，二層用于儲(chǔ)物或者住人。

墻體和屋頂材料選擇上，多采用的是可重復(fù)利用和可循環(huán)的材料。墻體或者屋頂?shù)闹饕Y(jié)構(gòu)材料多為土坯、木材或者磚石，這些都是可以生物降解而對(duì)環(huán)境無(wú)害的。

民居的主要結(jié)構(gòu)是木梁柱形式。為了達(dá)到防潮防腐，避免木柱直接置于土內(nèi)而是均安置于石柱基礎(chǔ)上。外圍護(hù)墻體的厚度一般為300～420 mm，利用當(dāng)?shù)氐狞S土夯實(shí)而成或者開(kāi)采片巖做成磚石墻，再利用黃泥或者砂漿進(jìn)行連接，墻體具有良好的保溫效果。合院的內(nèi)部隔間的墻體采用木板進(jìn)行劃分。合院的二層樓面采用木板，屋頂采用木結(jié)構(gòu)框架，形式多為雙坡，在木結(jié)構(gòu)上布置青瓦，陰瓦置于木椽上，陽(yáng)瓦再覆蓋其上。為了防止夏季的太陽(yáng)直射室內(nèi)增加室內(nèi)熱負(fù)荷，屋頂一般會(huì)有挑檐，出挑1～1.5 m。合院的天井作用有兩個(gè)，一個(gè)是采光，另一個(gè)是為了收集屋頂?shù)挠晁?。此外，天井?lián)通了合院的整個(gè)通道，可對(duì)室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)降低熱負(fù)荷。

民居的窗戶(hù)形式多采用的木窗，木窗框架上貼有紗紙。這些窗戶(hù)多開(kāi)向內(nèi)院，便于通過(guò)天井進(jìn)行采光和通風(fēng)(圖7)。

圖7 窗戶(hù)形式(資料來(lái)源：曹喆拍攝)

合院的天井空間是漢中民居的一個(gè)特色，作為室內(nèi)庭院空間，夏季居民可以在庭院內(nèi)陰涼處享受涼爽的室內(nèi)環(huán)境，冬季居民也可在庭院下曬太陽(yáng)或者主動(dòng)采用烤火取暖。

5 熱環(huán)境評(píng)價(jià)和分析

漢中傳統(tǒng)民居主要是以合院形式出現(xiàn)，合院的布局中獨(dú)院式是四合院的基本構(gòu)成單元，獨(dú)院式的合院以庭院為中心四周主要功能房間分為門(mén)房、廂房、正房和后院。屋頂則采用雙坡屋頂，坡向庭院和合院外側(cè)。一個(gè)簡(jiǎn)單獨(dú)院?jiǎn)卧?，其開(kāi)間為9 m，進(jìn)深為21 m，一層高為3 m，兩層為6 m(圖8)。漢中傳統(tǒng)合院建筑中其他多進(jìn)式的合院基本上是由這種獨(dú)院式合院進(jìn)行組合而成。

圖8 獨(dú)院式四合院模型

熱環(huán)境分析的目的是獲得該四合院的自然情況下熱行為的代表圖像，而且該熱行為不受到主動(dòng)供熱或者供冷條件影響。在不受到主動(dòng)供熱供冷條件下，假定房間內(nèi)的自然通風(fēng)換氣次數(shù)為2 次/h，房間內(nèi)人員數(shù)量為2人。根據(jù)現(xiàn)在漢中市傳統(tǒng)建筑與現(xiàn)狀建筑之間的結(jié)構(gòu)情況，設(shè)計(jì)兩種屋頂形式，一種是傳統(tǒng)民居的雙坡屋頂，一種是平屋頂，另設(shè)有兩種墻體形式，一種是土坯和木框架結(jié)構(gòu)，厚度為300 mm，一種是300 mm厚的磚石混凝土結(jié)構(gòu)。雙坡屋頂選用的材質(zhì)是木框架加傳統(tǒng)陰陽(yáng)瓦片，而平屋頂?shù)牟馁|(zhì)是細(xì)石混凝土、防水層、鋼筋混凝土，白石灰，總厚度為10 cm。將上述三種情況分別組合，組合1為土坯墻體和雙坡屋頂，組合2為磚石墻體和雙坡屋頂，組合3為磚石墻體和平屋頂，然后對(duì)三種不同組合情況進(jìn)行分析研究。

冬季的一月份中，組合2和組合3的晝夜溫度范圍為0～8 ℃，而組合1的晝夜溫度范圍變化為5～10 ℃，而冬季一月份的時(shí)候室外的溫度變化范圍是-1～7 ℃，見(jiàn)圖9(a)。

夏季的七月份中，組合2和組合3的晝夜溫度范圍是22～32 ℃，而組合1的晝夜溫度變化為25～28 ℃，有趣的是夏季7月份室外溫度波動(dòng)范圍為22～30 ℃，見(jiàn)圖9(b)。

由此可見(jiàn)，在冬季最冷月份，組合1的室內(nèi)溫度情況要比組合2和組合3高，且溫度波動(dòng)范圍較小只有5 ℃，而在最熱月的7月份時(shí)，組合1的室內(nèi)溫度情況又要比組合2和組合3要低，且溫度波動(dòng)范圍為3 ℃。整體而言組合1的室內(nèi)熱舒適性要比組合2和組合3更佳。

6 結(jié)論

在推進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)，新農(nóng)村改造的進(jìn)程中，居民們不斷建造著新的居住用房，且更多的趨于一致的采用了磚石墻體和平屋頂形式，而逐漸地將傳統(tǒng)的民居拆除，不但浪費(fèi)了大量建筑材料且新建的“磚盒子”建筑能耗較大，因此，更應(yīng)該推行的是傳統(tǒng)民居形式，并對(duì)傳統(tǒng)民居進(jìn)行保護(hù)以及更佳的節(jié)能改造工作。從上述的熱環(huán)境評(píng)價(jià)分析中，得出傳統(tǒng)民居的土坯墻體和雙坡屋頂組合形式，能夠更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境，達(dá)到節(jié)能效果的同時(shí)創(chuàng)造較好的室內(nèi)熱環(huán)境，給予居住者較好的熱舒適性。

(a) 冬季一月最冷天室內(nèi)溫度

(b) 冬季7月最熱天室內(nèi)溫度圖9 組合1、2和3冬季最冷月和夏季最熱月室內(nèi)溫度