龍勝農(nóng)村民居夏季室內(nèi)熱環(huán)境的測試及分析

鄭文亨，李倍宇，蘇紹映，聞旭強(qiáng)，王嘉琪

(桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

龍勝位于桂林西北部,地處夏熱冬冷區(qū)的最南端,主要為喀斯特地貌區(qū)。夏季平均氣溫26.8 ℃,平均相對濕度80.2%,平均風(fēng)速1.88 m/s。龍勝農(nóng)村民居以石材、木材搭建為主,屬“干欄式”木構(gòu)建筑體系[1]。目前傳統(tǒng)民居熱環(huán)境的研究受到廣泛關(guān)注和重視，朱軼韻、王雪等提出結(jié)合地域氣候特點(diǎn)提升民居構(gòu)造[2-3]，鄭銳鋒、Joon-ho CHOI等提出利用機(jī)械除濕輔助自然通風(fēng)已改善民居室內(nèi)熱環(huán)境[4]，白魯建、楊真靜、童麗萍、孫賀江等提出提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能可以有效提高室內(nèi)熱舒適[5-8]，宋曉吉等提出降低服裝熱阻可以提升夏季室內(nèi)人體熱舒適感[9]。

目前，對于桂林傳統(tǒng)民居熱環(huán)境的研究還較少，因此，本文選取龍勝黃洛紅瑤長發(fā)村具有代表性的典型民居,對其室內(nèi)外熱環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場測試,分析建筑朝向、構(gòu)造和平面布局等因素對室內(nèi)熱環(huán)境的影響,通過合理利用被動方式措施改善該地區(qū)民居室內(nèi)熱環(huán)境,并為改善桂北農(nóng)村民居環(huán)境提供參考。

1 研究對象

選取龍勝黃洛紅瑤長發(fā)村中典型的傳統(tǒng)干欄式民居(圖1a)和新式民居(圖1b)進(jìn)行測試。傳統(tǒng)民居為三層全木結(jié)構(gòu)建筑,南北朝向,一層為架空層,二層為居住空間,三層為閣樓。新式民居是一棟“木+磚混合”結(jié)構(gòu)的四層建筑,南北朝向,主體建筑為木結(jié)構(gòu),廚房為后期擴(kuò)建的磚混結(jié)構(gòu)；一層為大廳及廚房,二、三層為居住臥室和客廳,四層為閣樓。

圖1 測試民居Fig.1 Tested residential

傳統(tǒng)民居和新式民居的外墻均為50 mm厚的無保溫杉木板，新式民居外墻刷有1 mm厚的保護(hù)漆；傳統(tǒng)民居地板為100厚的杉木板,新式民居一層地面鋪設(shè)有大理石瓷磚,二層以上的地面均為中空30 mm+雙層100厚的杉木板；傳統(tǒng)民居和新式民居屋面均為木框架外鋪水泥瓦片,內(nèi)鋪油氈紙防水層。

2 研究方法

2.1 測試方法

從2018年7月6—11日對2棟典型民居進(jìn)行測試，測試內(nèi)容包括室內(nèi)外空氣溫濕度、室內(nèi)外風(fēng)速、室內(nèi)外CO2濃度及室內(nèi)壁面溫度。室內(nèi)外空氣溫、濕度采用HOBO UX100-003和HOBO U23-001測量,進(jìn)行24 h連續(xù)測試,數(shù)據(jù)采集時間間隔30 min；風(fēng)速、CO2含量和壁面溫度分別使用氧化碳監(jiān)測儀、Swema 03萬向微分儀和Testo 875i紅外熱成像儀測量,測量時間為8:00—18:00,數(shù)據(jù)采集時間間隔2 h。

測試儀器型號及具體參數(shù)見表1,民居平面圖及測點(diǎn)布置見圖2。由于當(dāng)?shù)卮迓錇槁糜尉包c(diǎn),且測試的兩所民居均對外開放參觀,房屋主人為了安全考慮均不對外開放臥室空間,所以測試點(diǎn)布置在人員活動密集的公共活動空間。

表1 儀器型號與參數(shù)Tab.1 Instrument model and parameters

圖2 民居平面及測點(diǎn)布置圖Fig.2 Residential floor and measuring point layout

2.2 評價方法

本文采用操作溫度作為民居室內(nèi)熱環(huán)境的評價指標(biāo)。通過實(shí)測圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度計算出室內(nèi)平均輻射溫度MRT,進(jìn)而得到室內(nèi)操作溫度T0。其中室內(nèi)平均輻射溫度MRT可按式(1)計算,室內(nèi)操作溫度T0可按下式(2)計算,操作溫度上下限可分別按式(3)計算,

(1)

上式中,t1、t2、…tn為壁面表面溫度,℃；S1、S2、…Sn為壁面表面面積,m2。

(2)

式(2)中Ta為空氣溫度。

T0,min/Icl=

(3)

T0,max/Icl=

(4)

式(3)、(4)中,T0,min/0.5、T0,max/0.5為Icl=0.5的可接受區(qū)域的操作溫度下限和上限(℃)；T0,min/1.0T0,max/1.0為Icl=1.0的可接受區(qū)域的操作溫度下限和上限(℃)；T0,min/Icl、T0,max/Icl為實(shí)際衣著Icl(當(dāng)?shù)鼐用竦牡湫头b搭配為:短裙+長袖襯衫+拖鞋+長襯裙+內(nèi)褲,服裝熱阻計為Icl=0.67)條件下可接受區(qū)域的操作溫度下限和上限(℃)。

3 結(jié)果與分析

3.1 室內(nèi)外空氣溫度

室內(nèi)、外溫度測試結(jié)果(圖3)顯示：測試期間室外最低溫為22.1 ℃,出現(xiàn)在7月11日6:00左右,最高溫為35.0 ℃,出現(xiàn)在7月11日14:00左右,平均溫度26.2 ℃,平均日較差7.1 ℃。新式民居和傳統(tǒng)民居室內(nèi)最高溫分別為32.3 ℃和34.7 ℃,最低溫分別為22.6 ℃和22.2 ℃,平均溫度分別25.9 ℃和26.0 ℃。

室內(nèi)各測點(diǎn)溫度結(jié)果(表2)顯示：

(1)與新式民居相比,傳統(tǒng)民居的室內(nèi)平均溫度稍高,溫度波動更大。其主要原因在于兩民居的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性不同[13],新式民居的圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性優(yōu)于傳統(tǒng)民居。

(2)新式民居二層客廳的平均溫度高出一層的大廳和廚房約0.9 ℃。主要原因是房屋的空間布局不同，且在房屋結(jié)構(gòu)上二層的樓板向外延伸了80 mm,對一層的外墻起到了一定的遮陽效果,相比一層房間二層客廳接收到的太陽輻射更多。

圖3 測試期間室內(nèi)外空氣溫度Fig.3 Indoor and outdoor air temperature during the testing

表2 民居室內(nèi)溫度 ℃

3.2 室內(nèi)外空氣相對濕度

測試期間室內(nèi)外相對濕度結(jié)果(圖4)顯示：室外空氣相對濕度為49.7%～98.0%,平均值87.4%,平均日較差22.4%；室內(nèi)空氣相對濕度為36.5%～100.0%,平均日較差54.1%。

室內(nèi)各測點(diǎn)相對濕度結(jié)果(表3)顯示：與新式民居相比,傳統(tǒng)民居的室內(nèi)平均相對濕度略低,濕度波幅略高。這主要是由于兩民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同引起的，其中，新式民居一層地面鋪設(shè)有大理石瓷磚,部分墻面貼有裝飾瓷磚,而傳統(tǒng)民居地面和墻面均為杉木板，木材的吸濕性高于瓷磚,且木材氣密性遠(yuǎn)低于瓷磚,更有利于室內(nèi)余濕滲透到室外；此外,傳統(tǒng)民居房屋的窗墻比約為58.7%,新式民居房屋的窗墻比約為64.8%,但在測試期間,傳統(tǒng)民居房屋按實(shí)際開啟外窗面積計算的窗墻比約為47.8%,新式民居房屋按實(shí)際開啟外窗面積計算的窗墻比約為36.9%,傳統(tǒng)民居更大程度上利用了外窗的自然通風(fēng)來調(diào)節(jié)室內(nèi)濕環(huán)境。

圖4 測試期間室內(nèi)外空氣相對濕度Fig.4 Relative humidity of indoor and outdoor air during the testing

表3 民居室內(nèi)相對濕度 %

3.3 室內(nèi)外風(fēng)速及CO2濃度

傳統(tǒng)和新式民居室內(nèi)外風(fēng)速測試結(jié)果(圖5)顯示：測試期間室外最高風(fēng)速為0.36 m/s,最低風(fēng)速為0.05 m/s,日平均風(fēng)速為0.14 m/s。新式民居和傳統(tǒng)民居的室內(nèi)平均風(fēng)速分別為0.07 m/s和0.14 m/s,室內(nèi)風(fēng)速最小值和最大值分別出現(xiàn)在8:00左右和14:00左右。

室內(nèi)各測點(diǎn)風(fēng)速結(jié)果(表4)顯示：與新式民居相比,傳統(tǒng)民居室內(nèi)各測點(diǎn)的平均空氣流速略高。這是由于測試期間傳統(tǒng)民居可開啟外窗面積大于新式民居的可開啟外窗開啟面積,自然通風(fēng)效果較好。

圖5 測試期間室內(nèi)外風(fēng)速Fig.5 Indoor and outdoor wind speed during the testing

從圖6可知：測試期間傳統(tǒng)民居室內(nèi)CO2平均濃度低于新式民居,傳統(tǒng)民居室內(nèi)CO2平均濃度波動較小,新式民居室內(nèi)CO2平均濃度波動較大。根據(jù)美國勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室最新實(shí)驗(yàn)研究[11]表明,室內(nèi)CO2濃度從600×10-6升高至1000×10-6的過程,人體舒適感逐漸降低。由本文測試結(jié)果可知,2種民居室內(nèi)CO2濃度均低于600×10-6,都滿足人體舒適要求,但傳統(tǒng)民居的舒適感更佳，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)民居室內(nèi)平均風(fēng)速高于新式民居。由此可見,自然通風(fēng)在維持民居室內(nèi)CO2濃度方面作用明顯。

表4 民居室內(nèi)風(fēng)速 m/s

圖6 測試期間室內(nèi)CO2濃度Fig.6 Indoor CO2concentration during the testing

3.4 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度與平均輻射溫度

由外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度測試結(jié)果(圖7)可知：同一時刻傳統(tǒng)民居室內(nèi)各朝向的壁面溫度均高于新式民居同朝向的壁面溫度。這主要是由于新式民居使用的新木材色澤淺,表面較為光滑,對太陽輻射的吸收率較小[14],而傳統(tǒng)民居的木材陳舊,色澤暗,表面較為粗糙,對太陽輻射的吸收率較大；另外，同一建筑中西外墻內(nèi)壁面溫度最高,南外墻和東外墻的分別次之,北外墻內(nèi)壁面溫度最低。

圖7 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度Fig.7 Inner wall temperature of the outer protective structure

將上述4個朝向的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度的平均值作為民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面溫度tn,通過式(1)和(2)分別計算得到民居室內(nèi)輻射溫度MRT和室內(nèi)操作溫度T0,結(jié)果(圖8)顯示：測試期間新式民居和傳統(tǒng)民居的室內(nèi)平均輻射溫度分別為25.9 ℃和26.8 ℃,溫度波幅分別為10.3 ℃和8.6 ℃,室內(nèi)平均輻射溫度最高值出現(xiàn)在16:00左右,最低值出現(xiàn)在8:00左右。

通過式(3)和(4)計算得到傳統(tǒng)民居室內(nèi)可接受區(qū)域的操作溫度上下限分別為28.3 ℃和25.2 ℃,新式民居室內(nèi)可接受區(qū)域的操作溫度上下限分別為27.8 ℃和24.7 ℃,可見兩民居的可接受區(qū)域的操作溫差相同,但傳統(tǒng)民居的可接受區(qū)域的操作溫度區(qū)間高于新式民居。另外，傳統(tǒng)民居室內(nèi)操作溫度在可接受區(qū)間范圍內(nèi)的時間占測試總時長的63.9%,新式民居室內(nèi)操作溫度在可接受區(qū)間范圍內(nèi)的時間占測試總時長的52.8%,說明傳統(tǒng)民居適應(yīng)熱濕環(huán)境的能力優(yōu)于新式民居。

圖8 民居室內(nèi)平均輻射溫度MRTFig.8 Residential indoor average radiation temperature MRT

4 龍勝農(nóng)村民居建筑氣候適宜性的分析

通過對該地區(qū)的新、舊民居夏季室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)場調(diào)研與測試發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)孛窬映醪嚼昧私ㄖ騕15]、平面布局、遮陽[16]、門窗和結(jié)構(gòu)構(gòu)造[17]等氣候適宜性技術(shù)。然而,民居室內(nèi)熱環(huán)境受建筑平面布局、房屋結(jié)構(gòu)等多因素綜合影響，因此，為了改善龍勝農(nóng)村民居室內(nèi)熱環(huán)境，也應(yīng)因地制宜結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境特點(diǎn)和房屋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[18]。

4.1 建筑朝向

夏季桂北地區(qū)炎熱潮濕,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，而建筑朝向的選擇既要滿足室內(nèi)通風(fēng)要求,也要兼顧室內(nèi)的采光與遮陽，因此,龍勝地區(qū)民居建筑朝向宜選擇南北朝向或東南朝向,合理利用外窗可以充分利用夏季主導(dǎo)風(fēng)以改善室內(nèi)氣流，如上午打開東外窗可引入室外陽光滿足室內(nèi)的采光需要，下午關(guān)閉西外窗可防止灼熱的陽光直射進(jìn)入室內(nèi),避免加劇室內(nèi)溫升,從而改善其室內(nèi)熱環(huán)境。

4.2 平面布局

該村的建筑朝向多為南北朝向,建筑平面布局緊密、間距較小,不能形成良好的通風(fēng)廊道，造成了多數(shù)民居?xùn)|、西朝向的自然通風(fēng)效果不佳；同時，受地形的影響,夏季主導(dǎo)風(fēng)在建筑水平方向上的流動受到很大的阻礙。為了充分利用夏季主導(dǎo)風(fēng),使室內(nèi)形成良好的風(fēng)環(huán)境,民居平面布局宜采用迎風(fēng)朝向的橫向排列,并且處在迎風(fēng)面后方的民居應(yīng)結(jié)合地形適當(dāng)抬高建筑的基礎(chǔ),形成前低后高的錯落布局；此外,宜適當(dāng)增大東、西朝向的建筑間距,使房屋間形成良好的室外風(fēng)場。

4.3 外墻和外窗

龍勝農(nóng)村傳統(tǒng)民居多數(shù)使用杉木搭建,氣密性和熱工性能較差，應(yīng)在建造民居時減小外墻木材的連接空隙,盡量使木材間緊密銜接以提高外墻的氣密性能，并在外墻的外表面涂抹淺色保護(hù)漆,可以有效減少外墻吸收太陽輻射,從而降低室內(nèi)平均輻射溫度,改善室內(nèi)熱舒適性。

本文測試及分析結(jié)果表明,外窗對民居室內(nèi)熱環(huán)境影響較大。龍勝地區(qū)民居的外窗多為平開木框單層透明玻璃窗,無外遮陽措施。因此，為了改善該類民居室內(nèi)的熱環(huán)境,可在外窗布置遮陽板。

5 結(jié)論

(1)龍勝地區(qū)夏季濕熱,農(nóng)村民居特點(diǎn)鮮明,但受地形限制,當(dāng)?shù)孛窬咏Y(jié)構(gòu)簡單且布局不合理,難以形成有效的通風(fēng),室內(nèi)熱環(huán)境較差。

(2)龍勝地區(qū)當(dāng)?shù)孛窬油鈬o(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和氣密性較差。為了改善其夏季室內(nèi)熱環(huán)境，應(yīng)結(jié)合龍勝當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn),采取不同朝向開窗、窗戶遮陽、室內(nèi)空間布局和提高墻體熱工性能等綜合的措施。