侗族民居建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計研究

孫會梅

（廣州大學(xué)，廣東廣州 510006）

0 引言

黔湘桂三省交界處常年氣溫通常在12 月至次年2 月氣候較為寒冷，溫度較低，且低溫延續(xù)時間長。該地區(qū)傳統(tǒng)住宅以干欄式建筑為主，底層架空，體形系數(shù)較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料多為本土木材，因而保溫性能差，導(dǎo)致供暖能耗巨大，同時室內(nèi)熱環(huán)境較差。因此改善侗族民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料保溫性能是最有效途徑。本文在進(jìn)行實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，選取典型侗族民居住宅，針對建筑的構(gòu)造形式和圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在能耗模擬軟件ECOTECT 平臺下進(jìn)行不同材料和構(gòu)造的保溫性能測試，并進(jìn)行統(tǒng)計歸納，提出建筑保溫優(yōu)化建議。

1 侗族民居選取及概況

本文選取模擬的民居位于湖南省懷化市通道侗族自治縣，通道縣侗族民居建筑主要位于湖南懷化市最南端，復(fù)雜的山地地形，居民因地制宜，依山就勢進(jìn)行選址建造房屋，建筑除了滿足基本物質(zhì)生活需求，體現(xiàn)居民對自然環(huán)境的融合，建筑布局自由，根據(jù)山地特點(diǎn)變化，同時建筑受居民生活方式和民族文化影響，現(xiàn)狀如圖1 所示。

圖1 民居現(xiàn)狀

1.1 侗族民居平面圖

該侗族民居屬于南侗干欄式結(jié)構(gòu)建筑，不同于其他民族吊腳樓底層只是局部的架空，“南侗”民居一般是三層，底層架空，主要的功能房間都集中在二層。二層入口處有一個通面寬的廊。“南侗”民居結(jié)構(gòu)體系是穿斗式木構(gòu)架，不同的劃分方式?jīng)Q定民居的平面形式，相應(yīng)的就全有不同的構(gòu)架形式。圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用的材料和構(gòu)造門窗位置和數(shù)量等對室內(nèi)的保溫隔熱效果不同，平面圖如圖2 所示。

圖2 1～3 層平面

1.2 侗族民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)

本文在對圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案研究的基礎(chǔ)上通過對熱環(huán)境參數(shù)的控制以及結(jié)構(gòu)材料的改變得出不同的分析結(jié)果，分析建筑的溫度分布、能源消耗、材料的選擇對建筑整體熱環(huán)境舒適度的影響。

民居基本參數(shù)：建筑面積：360m2，總層數(shù)：三層，窗墻面積比：南向：0.169、北向：0.124、東向：0.09、西向：0.081；建筑體型系數(shù)：0.489，圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造：外墻：紅磚、混凝土、木材；屋面：木材、青瓦；地面：木材；門：木材、鋁合金；窗：鋁合金框、玻璃。

得失熱分析：

（1）侗族民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)選材上，墻體多為本地木材，夏季自然通風(fēng)良好的情況無負(fù)面影響，但冬季木材傳熱能力強(qiáng)，室內(nèi)溫度降低快，保溫性能弱。同時門窗構(gòu)建會減低墻體的保溫隔熱性能，門窗和墻體存在縫隙以及門窗構(gòu)造影響室內(nèi)熱環(huán)境。

（2）在構(gòu)建安裝時，墻體材料木板通常通過企口方式拼按，一般的民居則是直接用竹釘拼接，室內(nèi)外的熱量能夠輕易地透過有縫隙的單層杉木板墻流動交換。

（3）材料受周圍環(huán)境影響，長時間之后材料的性能會發(fā)生變化，比如木材的熱脹冷縮、冷橋效應(yīng)等影響。

1.3 通道縣氣候現(xiàn)狀

通道縣全年逐月最高溫31℃，最低溫3℃，全年逐月平均溫度6～26℃，高溫主要分布于6—9 月，低溫主要分布于12 月到次年2 月，時長3 個月。通道縣的全年逐月平均濕度77%～82%之間，普遍偏高，時長半年以上，通常來說人體在夏季的最佳相對濕度宜在40%～80%，冬季宜在30%～60%之間，由此可知該空氣熱環(huán)境狀況不適于人體長期居住因此模擬測試通道縣侗族民居熱環(huán)境對于研究優(yōu)化民居室內(nèi)空氣舒適度極為重要。

2 ECOTECT 能耗模擬

在ECOTECT 軟件里建立侗族民居模型，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法賦予不同材質(zhì)。ECOTECT 軟件將計算不同材質(zhì)的傳熱系數(shù)U 值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱性能直接影響室內(nèi)外溫度的互相傳遞，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造目的就是減小傳熱系數(shù)以降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱性能。建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模型，模型外觀都相同，模型如圖3 所示。

圖3 模擬模型

用ECOTECT 軟件對其熱環(huán)境進(jìn)行模擬分析，基于懷化市市氣候數(shù)據(jù)，分析能源消耗、不舒適度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱、溫度分布和熱舒適度情況，最后以熱舒適為目標(biāo)選擇最優(yōu)的節(jié)能改造方案。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

墻體：根據(jù)前期通道侗族民居實(shí)踐調(diào)研結(jié)果，侗族民居建筑的外墻共有三種形式：混凝土、紅磚墻、木墻。目前外墻主要是底層混凝土和木材，二層和三層為木材和磚，以300mm 實(shí)心磚或空心磚和100mm 木材為主。外墻內(nèi)部石灰粉刷或者刮膩?zhàn)樱糠执u外墻利用水泥抹面，多數(shù)外墻基本不做保溫，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡潔，尤其木材保溫性能較差。

窗戶：侗族民居中大部分建筑的門窗材料主要為木門窗和鋁合金門窗以及玻璃窗。因此在Ecotect Analysis 2011 模擬軟件分析中窗戶的材質(zhì)選擇雙層玻璃木制窗框（Double Glazed-Timber Frame）。

門：建筑中木門窗的使用率在65%～87%，但是由于木門窗氣密性較差，材質(zhì)較薄，不利于保溫，尤其在冬季會導(dǎo)致嚴(yán)重的冷風(fēng)滲透，從而造成大量的熱損失；夏季大量熱量滲透室內(nèi)，對室內(nèi)的隔熱性能較低。門的材質(zhì)選擇實(shí)松木框門（Solid Core-Timber）。

屋頂：建筑屋頂形式主要有兩種：木制屋架坡屋頂和混凝土平屋頂。木屋架主要建造久遠(yuǎn)，一直作為屋頂主要選材，結(jié)合傳統(tǒng)穿斗式構(gòu)架，然后檁條上鋪屋面瓦。只有近幾十年來新建造的純混凝土磚墻建筑采用平屋頂形式。

地板：民居建筑地面一般為兩種構(gòu)造形式，水泥地面加地磚和木材地面，由于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件有限和自然原因，大部分地面為木材地面，一般只有底層采用水泥地面。在模型里選擇木材地面符合實(shí)際。

表1 模型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 模型熱環(huán)境分析

通過Ecotect Analysis 2011 軟件中的Weather Tool 和Solar Tool 兩個分析板塊進(jìn)行建筑模擬，導(dǎo)入懷化市氣象數(shù)據(jù)文件（Weather Data）。

在Ecotect 的熱環(huán)境屬性中賦予墻體、屋頂、門窗不同材質(zhì)以及構(gòu)造組成，增強(qiáng)民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性，提高結(jié)構(gòu)的保溫隔熱能力，改善民居室內(nèi)舒適度。Ecotect Analysis 2011 的舒適度分析根據(jù)模型區(qū)域管理對話框中設(shè)置濕度、風(fēng)速、照度、著衣量、人員數(shù)量和活動程度、室內(nèi)得熱、滲透率等指標(biāo)。

根據(jù)熱環(huán)境數(shù)據(jù)可知影響人體熱舒適的因素主要包括以下幾個方面：作為客體的室內(nèi)物理特性（空氣溫度、濕度風(fēng)流速）和作為主體的人員的因素（自身新陳代謝情況和著衣熱阻）。在不同功能的區(qū)域熱環(huán)境設(shè)置時將溫度范圍選擇為18～26℃，這是人體舒適的溫度范圍；空氣濕度選擇全年12 個月平均值62.5%；空氣流速選擇0.5m/s。

只有當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度在19℃以上時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱才會對室內(nèi)熱環(huán)境有影響，并且在溫度大于28℃以上時，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱才會對熱環(huán)境影響更大，而通道縣本地全年溫度最高溫暖的31℃，最低溫度3℃。溫度低于14℃時，室內(nèi)熱環(huán)境熱量并非來自于結(jié)構(gòu)，說明建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響較小，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性，較少溫度向外流失，損失熱量。

從圖4 可知每個房間區(qū)域的熱環(huán)境舒適度關(guān)系以及高低，高到低分別為陽臺、樓梯間、臥室、廚房、客廳、衛(wèi)生間。陽臺由于自然通風(fēng)條件以及開敞位置可知，其熱環(huán)境舒適度較高，其次是樓梯間和臥室，臥室作為人體夜間活動最主要空間，室內(nèi)熱環(huán)境及其重要。但客廳作為白天人體活動發(fā)生最多的場所，其舒適度更重要，因此客廳的熱環(huán)境舒適度急需改善，調(diào)節(jié)至人體最佳舒適度范圍，提高生活品質(zhì)。

3 提升熱環(huán)境舒適度建議

材料選?。簢o(hù)結(jié)構(gòu)改造的類型與圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的U 值相比對于建筑物能源消耗量降低的影響更大，外窗的改造更有利于能源消耗量的降低。

構(gòu)造設(shè)計：外墻和外窗的改造可以通過減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的U值、降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱能力、增加建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造層，如隔空層，空氣層等，以此降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的溫度變化，減少消耗，縮短全年室內(nèi)不舒適度時間，縮小圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱百分比，增加室內(nèi)舒適溫度時間，提高室內(nèi)熱舒適性。

圖4 舒適度百分比

季節(jié)交替影響：保溫性能越好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在冬天是有益的，但夏季有一定的劣勢。從不舒適度時間模擬結(jié)果我們可以看到，保溫性能越好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夏季反而是劣勢，但通風(fēng)良好情況下可增加夏季舒適度。其他因素：除了結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、構(gòu)造方式因素外，空間濕度、風(fēng)流速、人體著裝熱阻等也會影響人體舒適度。

4 總結(jié)

模擬軟件Ecotect Analysis 2011 對建筑熱環(huán)境分析主要是溫度、熱損失和得熱、房間負(fù)荷、熱舒適度、負(fù)荷與溫度對比等分析功能與技術(shù)，通過對模型進(jìn)行模擬后分析結(jié)果，不斷改變建筑物理特性的參數(shù)可以得出不同結(jié)果，進(jìn)而通過對比分析有效地改進(jìn)設(shè)計方案的熱工性能。傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境舒適度對于人體生活、活動及其重要，根據(jù)不同地區(qū)的氣候以及自然環(huán)境和人們的生活方式的差異，改善熱環(huán)境的方法也不同，因此針對民居住宅室內(nèi)熱環(huán)境研究不能只是從單一角度考慮，在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造時，影響人體熱舒適除了圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理特性和構(gòu)造方式之外，還要考慮空氣溫度、空氣濕度、空氣流速和服裝熱阻等值的影響。并且進(jìn)行模擬的數(shù)量少，得出的結(jié)論有限，應(yīng)模擬更多同類型的既有住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造。才能更加準(zhǔn)確得出相應(yīng)的結(jié)果，提出可行的改造建議。最終目的是達(dá)到建筑節(jié)能，但建筑節(jié)能往往是從建筑設(shè)計開始時就應(yīng)該納入考慮，包括建筑設(shè)計方案中的建筑布局、建筑材料選擇、建筑主動式設(shè)計、建筑設(shè)備耗能等因素。