貴州地捫侗寨傳統(tǒng)民居圍護結(jié)構(gòu)改造對室內(nèi)熱濕環(huán)境影響

李崢嶸，曾詩琴，趙 群，邢浩威

（1．同濟大學(xué)暖通空調(diào)研究所，上海 201800；2．同濟大學(xué)建筑城市規(guī)劃學(xué)院，上海 201800）

傳統(tǒng)民居是居民在當(dāng)?shù)貧夂蚺c資源、經(jīng)濟條件下形成的地域性建筑，在社會與建筑發(fā)展歷史中具有重要意義．由于氣候、經(jīng)濟與社會的發(fā)展，傳統(tǒng)民居面臨保護與改造的雙重壓力．如何在提高室內(nèi)舒適度基礎(chǔ)上保持當(dāng)?shù)亟ㄖL(fēng)格，是國內(nèi)外多個專業(yè)的研究熱點，目前的研究主要集中于兩個方面：一方面是從建筑學(xué)角度研究傳統(tǒng)建筑空間營造與歷史演變，基于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟、人文、物質(zhì)基礎(chǔ)上對當(dāng)?shù)亟ㄖM行材料、空間布局等方面的改造，主要利用現(xiàn)代技術(shù)對現(xiàn)有傳統(tǒng)建筑材料進行修理及維護[1-2]，以及借鑒傳統(tǒng)建筑的空間構(gòu)局，構(gòu)建可持續(xù)性建筑[3-4]；另一方面從室內(nèi)熱濕環(huán)境營造角度研究其對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的適應(yīng)性[5-8]，如建筑材料的熱惰性對室內(nèi)熱環(huán)境影響及節(jié)能的可行性[5]、傳統(tǒng)民居的熱舒適研究[6-7]及圍護結(jié)構(gòu)熱傳遞過程[8]等．研究表明圍護結(jié)構(gòu)性能對室內(nèi)熱環(huán)境影響很大，目前圍護結(jié)構(gòu)變化對室內(nèi)濕環(huán)境影響的研究比較少，而在高濕地區(qū)，傳統(tǒng)民居圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面受潮情況與室內(nèi)濕環(huán)境聯(lián)系密切[9]，因此傳統(tǒng)民居在改造中需要相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)．

1 貴州地捫侗寨民居現(xiàn)狀與室內(nèi)熱濕環(huán)境監(jiān)測方案

1.1 地捫村傳統(tǒng)民居現(xiàn)狀及改造趨勢

地捫傳統(tǒng)侗寨建筑屬于干欄式，且均用當(dāng)?shù)氐纳寄窘ㄔ?，屋頂鋪設(shè)單層青瓦，如下圖1(b)．雖然建造用木料可以就地取材，但是因炊事與供暖引發(fā)的火災(zāi)頻發(fā)，因此當(dāng)?shù)鼐用衲壳皟A向采用混凝土與粘土磚改建，部分在建筑立面鋪裝木質(zhì)結(jié)構(gòu)、或者建筑二層保留木結(jié)構(gòu)，以達到建筑風(fēng)貌保護目的，如下圖1(a)，圍護結(jié)構(gòu)相關(guān)熱工特性見表1．

貴州地捫侗寨春夏季室外處于高濕狀態(tài)，在貴州地捫侗寨風(fēng)環(huán)境的實測及其分析中指出[10]：地捫侗寨夏季室外最高溫不高，整體濕度較大．在當(dāng)?shù)刈咴L調(diào)查中，當(dāng)?shù)鼐用穹从炒u房在白天比較涼快，但是比較潮濕，特別在梅雨季節(jié)，墻體表面發(fā)霉現(xiàn)象比較嚴重，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，居民并沒有開窗習(xí)慣．

圖1 (a) 改造建筑外貌（后文標記為1#）Fig.1(a) renovation building’s appearance (marked 1#)

圖1 (b) 傳統(tǒng)建筑外貌（后文標記為2#）Fig. 1(b) traditional building’s appearance (marked 2#)

改建后1號磚木房圍護結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)木房2號房圍護結(jié)構(gòu)一層外墻：紅磚，厚度約 180 mm，一層外墻：木板，厚度約20 mm，內(nèi)外表面均有20 mm抹灰；二層外墻：木板，厚度約20 mm二層外墻：木板，厚度約20 mm．

表1 墻體材料及其熱工性能[11]Tab.1 Materials and thermal performance of the wall[11]

1.2 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測方案

選取當(dāng)?shù)乇容^典型的兩棟相鄰建筑(見圖 1)作為監(jiān)測對象，兩棟建筑均是南北朝向，室內(nèi)一層及二層布局及功能特點也類似．1號房是改建后建筑，一層采用磚結(jié)構(gòu)，外墻表面再貼以木板裝飾，二層和三層采用木結(jié)構(gòu)．2號房是傳統(tǒng)的全木結(jié)構(gòu)，屬于典型的傳統(tǒng)民居．作者在2014年7月17-19日連續(xù)三天典型夏季工況(17、18日有陣雨，19日全晴天)下對室內(nèi)常用空間的溫濕度和壁面溫度進行采樣，布點方案見下圖2，采用的儀器見表1．

圖2 室內(nèi)參數(shù)采樣點布置示意圖Fig.2 The location of indoor monitoring points

考慮到兩類建筑不同層高及廚房的改造對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，同時對改造后建筑三層雜物間及兩類建筑廚房、樓梯間、屋頂進行溫濕度測量，測量結(jié)果表示改造后建筑三層的室內(nèi)溫濕度與屋頂內(nèi)溫濕度相差不大，且兩類建筑相鄰，兩類屋頂內(nèi)溫濕度差異不大；改造后建筑廚房處于半開放狀態(tài)，基本處于外界環(huán)境之下，可以認為兩類建筑一層及二層大堂及臥室處于相同的邊界條件下，研究不同圍護結(jié)構(gòu)對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響．?dāng)?shù)據(jù)檢測的相關(guān)儀器精度如表2．

表2 檢測所需儀表及其精度范圍Tab.2 The scope and precision of the detectors

2 實測分析

2.1 傳統(tǒng)民居及改造后民居室內(nèi)溫濕度對比

經(jīng)數(shù)據(jù)篩選，兩棟建筑室內(nèi)溫濕度差異性主要體現(xiàn)在一層房間，選取一層大堂及臥室進行對比分析，由圖3得，改建后一層大堂室內(nèi)日間氣溫低于傳統(tǒng)民居室內(nèi)氣溫，夜間溫度基本重合，均高于室外溫度 2℃左右，而室內(nèi)濕度高于傳統(tǒng)民居一層大堂室內(nèi)濕度，日間更為明顯；一層臥室對比中也能發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，但改造后建筑室內(nèi)濕度全天較傳統(tǒng)民居室內(nèi)濕度高10%左右．陣雨期間的溫度對比中可以看出，磚房室內(nèi)溫度波動較小，雨后溫升較?。?/p>

圖3 改造建筑與傳統(tǒng)建筑室內(nèi)溫濕度對比Fig.3 temperature and humility contrast between renovation and traditional building

經(jīng)走訪調(diào)查，居民白天一般上山務(wù)農(nóng)，處于室內(nèi)時間一般為夜間，經(jīng)問卷統(tǒng)計，夜間時間段，居民沒有開窗習(xí)慣．選取時間段19:00-7:00對兩類建筑一層大堂室內(nèi)外溫濕度進行數(shù)理統(tǒng)計，計算結(jié)果如圖4、5所示．

圖4 溫度箱圖對比Fig.4 boxplots comparison of the temperature

圖5 濕度箱圖對比Fig.5 boxplots comparison of the humility

由溫度箱圖顯示，改造建筑及傳統(tǒng)建筑夜間平均溫度均高于室外平均溫度，比較兩者的離散程度可知，改造后磚墻結(jié)構(gòu)室內(nèi)溫度波動較小，這是由兩類材料的熱工特性所決定的；同時對比濕度箱圖，兩類建筑室內(nèi)濕度均低于室外濕度，而改造后建筑室內(nèi)濕度大于傳統(tǒng)民居室內(nèi)濕度，通過估算室內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)[12]，在相同開門窗情況下磚墻結(jié)構(gòu)室內(nèi)換氣次數(shù)明顯低于木墻結(jié)構(gòu)室內(nèi)換氣次數(shù)，實測表明磚墻能很好改善建筑的氣密性能，然而在地捫侗寨高濕環(huán)境下，反而會影響室內(nèi)自然通風(fēng)，引起濕量集聚．

2.2 改造建筑與傳統(tǒng)建筑墻體內(nèi)壁面結(jié)露風(fēng)險

通過實測研究，改造后建筑室內(nèi)溫度波動較小，但室內(nèi)濕度過高，磚墻結(jié)構(gòu)的房間在夜間室內(nèi)高熱高濕的條件之下，當(dāng)墻體內(nèi)壁面溫度低于室內(nèi)露點溫度時，容易結(jié)露．在測量室內(nèi)空氣溫濕度的情況下，可計算得出室內(nèi)空氣露點溫度[13]

圖6 一層大堂墻體內(nèi)壁面溫度及室內(nèi)露點溫度Fig.6 temperature of internal surface and the dew point temperature of indoor air in the first central room

結(jié)合圖 6可以得出，改造建筑(1#)一層堂屋北墻及東墻內(nèi)壁面均有結(jié)露風(fēng)險，但出現(xiàn)時間段不同，北外墻結(jié)露時間段在夜間，這是由于北外墻受室外影響較大，內(nèi)表面溫度最低，而東內(nèi)墻結(jié)露時間段在日間暴雨期過后，當(dāng)室外溫度急劇降低再上升，磚墻的熱惰性使內(nèi)墻表面對溫度響應(yīng)時間較長，內(nèi)壁面溫度相比室內(nèi)溫度升高速率而言較慢，磚墻的氣密性使室內(nèi)濕度過高，空氣露點溫度也隨之升高，導(dǎo)致東墻內(nèi)壁面溫度低于室內(nèi)露點溫度，有結(jié)露風(fēng)險；經(jīng)計算結(jié)合圖6可知，傳統(tǒng)民居(2#)一層堂屋墻體各壁面溫度均高于室內(nèi)空氣露點溫度，沒有結(jié)露風(fēng)險．

2.3 通風(fēng)對于內(nèi)壁面結(jié)露及夜間過熱問題改善

在已經(jīng)空氣溫濕度及當(dāng)?shù)卮髿鈮旱那闆r下，可求解出空氣的含濕量[14]

其中：φ為空氣相對濕度，pq,b為此溫度下的飽和水蒸氣壓力，pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ畬Ω脑旌蠼ㄖ粚哟筇檬覂?nèi)外空氣含濕量及溫度作對比分析：

由圖7可知，夜間室外溫度及含濕量均小于室內(nèi)空氣，將室外空氣與室內(nèi)空氣直接進行混合，將實現(xiàn)圖8中1號過程線的空氣變化，室內(nèi)空氣狀態(tài)A與室內(nèi)空氣狀態(tài)B混合，此時低溫含濕量低的室外空氣能將室內(nèi)空氣降溫除濕到狀態(tài)C，并降低露點溫度(由ta降到tc)，在改善室內(nèi)熱環(huán)境的同時，也緩解了內(nèi)壁面結(jié)露的風(fēng)險．

圖7 一層大堂室內(nèi)空氣及室外空氣溫度、含濕量對比Fig.7 comparison of moisture content between indoor air and outdoor air in the first central room

圖8 室內(nèi)外空氣混合過程焓濕圖Fig.8 Enthalpy-humility chart of mixing between outdoor air and indoor air

在雨后晴天，室外空氣濕度增加同時溫度增加，此時與室內(nèi)溫度較低含濕量較小的室內(nèi)空氣混合，將實現(xiàn)2號過程線的空氣變化，室內(nèi)空氣狀態(tài)A′與室外狀態(tài)B′混合，此時室內(nèi)空氣C’溫度升高，同時露點溫度升高(由ta′升到tc′)，而磚墻內(nèi)表面溫升較慢，使得內(nèi)壁面溫度易低于室內(nèi)空氣露點溫度，這時候利用自然通風(fēng)，不僅加劇了室內(nèi)空氣品質(zhì)的惡化，同時會加劇墻體內(nèi)表面結(jié)露．

3 結(jié)論

(1) 就熱工特性而言，由表 1得出改造后建筑180 mm厚磚墻結(jié)構(gòu)熱惰性指標為2.49，而20 mm木墻熱惰性指標為0.01，改造后磚墻結(jié)構(gòu)對室外熱量擾動的抵抗能力較強，而較高的材料密度，增加了建筑氣密性，使室內(nèi)通風(fēng)條件變差，室內(nèi)濕量集聚不能通過自然風(fēng)帶走，因此改造后建筑呈現(xiàn)室內(nèi)日間溫度較木房低，全天濕度較木房要高特點．

(2) 居民處于室內(nèi)時間段一般為夜間，改造后建筑并沒有改善傳統(tǒng)木房夜間過熱問題，反而室內(nèi)平均濕度比木房要大，惡化了室內(nèi)夜間空氣品質(zhì)．

(3) 在典型夏季情況下，磚房內(nèi)壁面有結(jié)露風(fēng)險，傳統(tǒng)木房則沒有．磚房外墻內(nèi)壁面在夜間容易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，可以利用室外通風(fēng)進行緩解，并解決室內(nèi)過熱問題；雨后晴天內(nèi)墻內(nèi)壁面容易產(chǎn)生結(jié)露，此時通風(fēng)并不能改善結(jié)露現(xiàn)象，需要通過其他手段進行調(diào)節(jié)．

References

[1] AL-ARABI Sabri Emara, MAHMOUD Sayed Korany.An analytical study of building materials and deterioration factors of farasan heritage houses, and the recommendations of conservation and rehabilitation (german house case study)[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences 2016,216: 561-569.

[2] MERAL Halifeo?glu, G?KC E G?kc, A. Restoration and refunction problems of Diyarbak?r traditional houses[J].Journal of Cultural Heritage 2013,145:534-537

[3] BERRAK Kirbas, NESLINUR Hizh. Learning from vernacular architecture: Ecological solutions in traditional erzurum houses[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences 2016, 216: 788-799.

[4] 潘曦. 納西族鄉(xiāng)土建筑建造范式研究[D]. 北京: 清華大學(xué).2014 PAN Xi. Research on the Building paradigm of Naxi Vernacular architecture[D].Beijing: Tsinghua University,2014

[5] JOSé A. Orosa, ARMANDO C. Oliveira. A field study on building inertia and its effects on indoor thermal environment[J]. Renewable Energy, 2012,37: 89-96.

[6] IGNACIO Requena Ruizn. Thermal comfort in twentieth-century architectural heritage: Two houses of le corbusier and andré wogenscky[J]. Building and Environment, 2008,43: 2154–2162.

[7] 林波榮.皖南民居夏季熱環(huán)境實測分析.[J]清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,42(8):1071-1074.LIN Borong. Field study of thermal environment in Wannan traditional residential buildings in the summer.[J].Tsinghua University (Sci & Tech),2002,42(8):1071-1074.

[8] 張繼良.傳統(tǒng)民居建筑熱過程研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2006.ZHANG Jiliang. Study on thermal process of traditional dwellings[D]. Xi?an: Xi?an Univ. of Arch. & Tech., 2006.

[9] FRANCK Lucas, LAETITIA Adelard, FRANC?ois Garde,et al. Study of moisture in buildings for hot humid climates[J]. Energy and Buildings 2002,34: 345-355.

[10] 李崢嶸, 吳少丹, 趙群. 貴州地捫侗寨室外風(fēng)環(huán)境實測研究及評價[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2015,34(4):27-30.LI Zhengrong, WU Shaodan, ZHAO Qun. Field measurement and analysis of outdoor wind environment in Dimen Dong Nationality in Guizhou[J]. Building Energy& Environment, 2015,34(4):27-30.

[11] 楊世銘, 陶文銓.傳熱學(xué)[M].第三版.北京:高等教育出版社,1998.YANG Shiming, TAO Wenquan. Heat transfer science[M]. 3rd ed. Beijing: Higher Education Press, 1998.

[12] 齊美薇, 李曉鋒, 黃河.示蹤氣體法利用人體作為 CO2釋放源測量宿舍換氣次數(shù)的方法探究[J].建筑科學(xué).2013,29(6): 52-57.QI Meiwei, LI Xiaofeng, HUANG He. Discussion on Measuring Ventilation Rates of Dorms through Tracer Gas Method with Human Body as CO2Release Source[J].Building Science,2013,29(6): 52-57.

[13] ASHRAE. Fundamentals handbook[M]. Atlanta: Tullie Circle, Ashrae Inc., GA 30329, 1991.

[14] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].第二版.北京:中國建筑工業(yè)出版社.2007.LU Yaoqing . Practical heating air conditioning design manual[M]. 2nd ed. Beijing: China Building Industry Press.2007.