江南農(nóng)村民居單體設(shè)計(jì)對(duì)保溫隔熱性能的影響研究

■席 飛，阮雪君，張乘風(fēng)

(1.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇南京 210023；2.南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210000；3.南京林業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇南京 210037）

江南傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)民居的單體建筑設(shè)計(jì)是影響其保溫隔熱性能的重要方面[1]，本文從單體建筑設(shè)計(jì)的體型系數(shù)、平面布置、自然通風(fēng)、自然采光和太陽(yáng)輻射量以及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成等角度分析其保溫隔熱性能的優(yōu)缺點(diǎn)，以期尋找優(yōu)化方式。為了更好地進(jìn)行研究，本文選取了兩處江南傳統(tǒng)村落進(jìn)行全面的調(diào)研，它們分別是江蘇省昆山市周莊鎮(zhèn)東浜村和浙江省嘉興市嘉善縣西塘鎮(zhèn)翠南村，其民居以磚木結(jié)構(gòu)為主[2]，并且由于大部分年代久遠(yuǎn)，民居居住熱舒適度較差，急需對(duì)它的保溫隔熱性能進(jìn)行提升。

1 體型系數(shù)

居住建筑體型系數(shù)在GB50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)》[3]中已有明確的定義，即“建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍體積的比值”，計(jì)算公式為：

S—建筑體型系數(shù)；

F0—建筑的外表面積（m2）；

V0—建筑體積（m3）；

注：建筑體形系數(shù)中所指的外表面積不包括地面和不采暖樓梯間隔墻和戶(hù)門(mén)的面積，不包括女兒墻，也不包括屋面層的樓梯間與設(shè)備用房等的墻體。突出墻面的構(gòu)件如空調(diào)板在計(jì)算時(shí)忽略掉，按完整的墻體計(jì)算即可。

根據(jù)對(duì)于兩處江南傳統(tǒng)村落中的磚木結(jié)構(gòu)民居的測(cè)繪和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)民居（這里所說(shuō)的是普通農(nóng)家住宅，不是大型的官紳宅邸）的體型系數(shù)在0.5～0.55之間，剛剛滿(mǎn)足《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]對(duì)于體型系數(shù)的規(guī)定。這是因?yàn)檗r(nóng)村民居都是1～2層的低矮住宅，總高度較低，不利于體型系數(shù)變小，而且它們又缺乏設(shè)計(jì)，造型簡(jiǎn)單，建筑表面平整，凹凸變化較少，外表面積隨之減少，這對(duì)體型系數(shù)的減少有利，兩者綜合使磚木結(jié)構(gòu)民居的體型系數(shù)剛剛達(dá)標(biāo)。但剛剛達(dá)標(biāo)的體型系數(shù)無(wú)法提升民居的保溫隔熱性能。因?yàn)轶w形系數(shù)越大，說(shuō)明同樣建筑體積的外表面積越大，建筑的散熱散冷面積隨之增大，在冬季會(huì)增強(qiáng)室內(nèi)熱空氣與室外冷空氣的熱對(duì)流，在夏季室外熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射的面積增大，提高室內(nèi)溫度，不利于冬夏民居保溫隔熱。當(dāng)冬夏采暖空調(diào)季到來(lái)時(shí)，采暖和制冷的效用會(huì)大大降低，建筑能耗隨之上升，對(duì)建筑節(jié)能不利。因此在對(duì)傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)民居進(jìn)行改進(jìn)，營(yíng)造生態(tài)木構(gòu)民居時(shí)，使用閣樓適當(dāng)提升民居總高度，規(guī)劃中增加外立面凹凸，以設(shè)計(jì)的方式減小體型系數(shù)，達(dá)到節(jié)約建筑能耗，增強(qiáng)保溫隔熱性能的目標(biāo)，科學(xué)合理，易于實(shí)現(xiàn)，不浪費(fèi)人力物力。

表1 江南地區(qū)農(nóng)村現(xiàn)有民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要類(lèi)型

2 平面布置

江南地區(qū)農(nóng)村傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)民居的平面布置（這里所說(shuō)的是普通農(nóng)家住宅，不是大型的官紳宅邸）主要由庭院、廳堂、臥室、廚房等功能空間組成，是以廳堂文化為核心的平面布局，形成一民兩暗的三開(kāi)間，1～2層居所最為常見(jiàn)。其中廳堂在古代有會(huì)客、宴請(qǐng)、拜祭之用，占據(jù)了整個(gè)民居面積的三分之一，類(lèi)似于現(xiàn)代住宅中的客廳，但由于傳統(tǒng)民居面積小，功能空間種類(lèi)劃分少，因此廳堂在當(dāng)代有時(shí)還承擔(dān)餐廳、過(guò)道之用；主臥在廳堂面積不夠之時(shí)，也會(huì)承擔(dān)部分會(huì)客功能；次臥面積非常小并且還承擔(dān)部分儲(chǔ)藏功能；家中通常不設(shè)廁所，而放在庭院中。傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)民居的平面布置已不符合現(xiàn)代生活需求，需結(jié)合農(nóng)村生活特性按照科學(xué)的室內(nèi)設(shè)計(jì)手法對(duì)功能空間進(jìn)行重新組合。

簡(jiǎn)化后的江南農(nóng)村傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)民居平面組合形式如圖1所示，多成一字型布置，其主要特點(diǎn)為：①8～10m長(zhǎng)的庭院覆蓋整個(gè)建筑縱深，形成狹長(zhǎng)空間，有利于穿堂風(fēng)進(jìn)入主體建筑空間，起到藏風(fēng)聚氣的效果。②主體建筑相較庭院建筑較高，形成恰當(dāng)?shù)谋壤诙究梢晕仗?yáng)輻射，使室內(nèi)溫度升高，在夏季可以抵御太陽(yáng)輻射，在庭院內(nèi)形成冷環(huán)境，便于夏季庭院納涼。③民居平面進(jìn)深較小，自然風(fēng)本應(yīng)貫穿民居內(nèi)，但由于傳統(tǒng)民居開(kāi)窗過(guò)少、面積太小，進(jìn)出風(fēng)窗洞口面積設(shè)計(jì)不均，且開(kāi)窗高度距離樓地面過(guò)高，造成自然通風(fēng)無(wú)法覆蓋整個(gè)建筑高度。這是生活在江南地區(qū)的先人，在沒(méi)有采暖空調(diào)的年代，在沒(méi)有科學(xué)的建筑保溫隔熱方法的年代，通過(guò)建筑平面的組合變化，改善著民居的熱環(huán)境，但仍然很難達(dá)到冬夏室內(nèi)人體熱舒適度要求。

3 自然通風(fēng)

傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)民居的單體建筑設(shè)計(jì)對(duì)于自然通風(fēng)的影響主要包括村落基地自然通風(fēng)和建筑內(nèi)部自然通風(fēng)兩個(gè)方面，結(jié)合圖2，圖3可以看出：①江南地區(qū)主要城市冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南偏南風(fēng)，冬季風(fēng)正好與南偏東20°～40°的建筑朝向相背，微風(fēng)除濕，而夏季風(fēng)與建筑長(zhǎng)軸垂直，室內(nèi)外冷熱風(fēng)循環(huán)降低夏季民居室內(nèi)溫度，形成穿堂風(fēng)的通風(fēng)效果。②傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)民居中設(shè)置有天井，天井內(nèi)由于四周墻壁的遮擋，溫度較低，院內(nèi)冷空氣在熱壓作用下流向室內(nèi)，當(dāng)它與外立面開(kāi)窗形成高度差，高度差越大，風(fēng)壓通風(fēng)的效果越明顯。③傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)民居的坡屋頂自然通風(fēng)效果好于平屋頂，試驗(yàn)表明，當(dāng)坡度在30°時(shí)，屋面的風(fēng)壓為0，自然通風(fēng)效果最好[5-6]。調(diào)研的兩個(gè)傳統(tǒng)村落翠南村和東浜村處在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的平原地區(qū)，周邊沒(méi)有山脈地形可以利用，并且由于商業(yè)化造成村鎮(zhèn)規(guī)劃改造，影響了村落基地的自然通風(fēng)。

圖1 江南地區(qū)農(nóng)村傳統(tǒng)民居平面布置圖

圖2 江南地區(qū)主要城市全年風(fēng)向頻率圖

圖4 冬夏傳統(tǒng)民居太陽(yáng)輻射示意圖

建筑內(nèi)部自然通風(fēng)在兩個(gè)傳統(tǒng)村落翠南村和東浜村的民居中的利用主要依靠傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)手法如：天井和巷道能夠利用風(fēng)壓和熱壓制造自然風(fēng)的循環(huán)，傳統(tǒng)鏤空紋樣的門(mén)窗和隔斷也利于自然風(fēng)的通行，形成了良好的建筑內(nèi)部自然通風(fēng)。但由于江南農(nóng)村傳統(tǒng)民居平立面設(shè)計(jì)不合理且不符合當(dāng)代生活需求，室內(nèi)通風(fēng)效果無(wú)法達(dá)到人體舒適風(fēng)速要求。

綜上所述，江南地區(qū)農(nóng)村現(xiàn)有磚木結(jié)構(gòu)民居的村落基地自然通風(fēng)和建筑內(nèi)部自然通風(fēng)效果均無(wú)法達(dá)到生態(tài)建筑規(guī)定的人體舒適通風(fēng)參數(shù)，在冬季帶走了室內(nèi)的熱量，在夏季無(wú)法形成室內(nèi)外冷熱量的迅速交換以降低溫度，需在今后對(duì)于江南農(nóng)村生態(tài)木構(gòu)民居的營(yíng)造中做重點(diǎn)改造。

4 自然采光和太陽(yáng)輻射量

兩個(gè)江南傳統(tǒng)村落磚木結(jié)構(gòu)民居冬夏自然采光和太陽(yáng)的熱量主要依靠挑檐和建筑的左右間距來(lái)調(diào)整：夏季太陽(yáng)入射角較高，民居挑檐阻擋了太陽(yáng)光直射南北立面，而較小的左右間距又阻擋了太陽(yáng)光直射東西立面，使整個(gè)民居處在周邊建筑和挑檐的陰影之中，減少了民居夏季太陽(yáng)輻射的熱量，降低了室內(nèi)溫度；在冬季太陽(yáng)入射角低，太陽(yáng)光可以直射入民居一樓，增加民居一樓太陽(yáng)輻射的熱量，為民居一樓冬季室內(nèi)溫度的上升打下基礎(chǔ)（圖4）[7]。但由于多年的積累和建造，村落中的民居數(shù)量已經(jīng)飽和，無(wú)法利用傳統(tǒng)的建造手法營(yíng)造新建建筑，并且新建民居對(duì)于傳統(tǒng)的村落規(guī)劃造成了破壞，影響了傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)民居對(duì)太陽(yáng)輻射的利用。

與此同時(shí)，起源于農(nóng)耕文明的兩個(gè)傳統(tǒng)村落，以室外勞作為主，居民對(duì)于室內(nèi)采光要求較低，通常只有接待客人、作起居用的堂屋（即客廳）利用天井和開(kāi)敞的布置（3面圍合1面敞開(kāi)）自然采光較好；而臥室由于作晚間休息用，只開(kāi)一扇窗甚至不開(kāi)窗，再加上挑檐的設(shè)置、較小的左右間距等設(shè)計(jì)要素，造成自然采光效果差，室內(nèi)光線(xiàn)嚴(yán)重不足，陰暗潮濕等缺點(diǎn)，急需改進(jìn)。因此，在未來(lái)進(jìn)行生態(tài)木構(gòu)民居營(yíng)造時(shí)，要找到采光和太陽(yáng)輻射量的平衡點(diǎn)，在提升民居保溫隔熱性能，降低建筑能耗的同時(shí)，也要注重建筑室內(nèi)的采光效果。

5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

在兩個(gè)江南傳統(tǒng)村落中，民居的主要承重方式為結(jié)合了梁柱和穿斗兩種形式的五檁硬山磚木混合結(jié)構(gòu)[8]。磚木結(jié)構(gòu)民居墻體一般用青磚圍合，渾水墻飾面，磚與磚之間不勾縫；砌筑墻體的粘結(jié)材料一般用灰漿，也有用石灰與黃土攪拌的混合灰泥等[9]。青磚墻體傳熱系數(shù)大，冬季阻擋不了室內(nèi)熱空氣向室外冷空氣的熱對(duì)流，但其熱惰性指標(biāo)高，夏季室內(nèi)受到外界高溫影響所產(chǎn)生的溫度波動(dòng)小，因此以青磚作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要材料夏季隔熱效果優(yōu)于冬季保溫效果。但青磚這種材料本身燒結(jié)工藝復(fù)雜、能耗高、產(chǎn)量小、成本高、難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和機(jī)械化生產(chǎn)，并且以黏土為原料的青磚，嚴(yán)重破壞耕地和土地資源，國(guó)家已經(jīng)明令禁止使用，因此青磚不是一種符合生態(tài)建筑發(fā)展，利于建筑保溫隔熱的墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料。

磚木結(jié)構(gòu)民居屋面構(gòu)造主要是在大木作屋頂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上先鋪設(shè)望板、望磚作為屋面基層，然后進(jìn)行劃線(xiàn)、分楞、安裝瓦口板和筑脊等步驟，最后是鋪灰和鋪瓦。鋪灰的主要材料為稻草或是麻絲，形成一種原始的保溫結(jié)構(gòu)，但其屋面年久失修，鋪灰編織稻草的保溫層受到雨水的侵蝕而破損，空氣滲透嚴(yán)重，需要改造。鋪瓦時(shí)先鋪設(shè)望磚，然后將青瓦正反交錯(cuò)鋪疊兩層，兩塊青瓦之間鋪疊時(shí)，遵循“壓七露三”的原則，即70%為遮蓋部分，30%為裸露部分。最終完成屋面建造。

圖5 江南地區(qū)農(nóng)村傳統(tǒng)民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)景圖

民居的外窗主要是各式鏤空紋樣與麻紙組合而成的木窗與5mm單層玻璃與木邊框組合的木窗較為常見(jiàn)。兩種類(lèi)型窗戶(hù)玻璃的傳熱系數(shù)、太陽(yáng)透射率和遮陽(yáng)率均不符合《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，且玻璃與木邊框連接處基本不使用密封條，很多熱量從縫隙中流失，再加上建造技術(shù)的局限性，整樘窗戶(hù)的密封與保溫隔熱性能相對(duì)較弱。因此在營(yíng)造江南地區(qū)生態(tài)木構(gòu)民居的外窗時(shí)，要從外窗的氣密性能、玻璃與邊框的傳熱系數(shù)、太陽(yáng)透射率、遮陽(yáng)率窗墻比等因素進(jìn)行改進(jìn)[10]。傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

從對(duì)江南傳統(tǒng)村落民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的調(diào)查研究[11]，具體分類(lèi)如表1所示，其三種主要外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能均較差，因此需對(duì)該地區(qū)農(nóng)村民居的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化與提升。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文調(diào)研的兩處江南農(nóng)村傳統(tǒng)的磚木結(jié)構(gòu)民居通過(guò)建筑單體設(shè)計(jì)的體型系數(shù)、平面布置、自然通風(fēng)、太陽(yáng)輻射量的利用使民居在冬季溫度有所提升，夏季溫度有所下降，但磚木結(jié)構(gòu)民居的外墻、屋面和外窗三種主要外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差，未能從根本上減弱熱傳遞的三種方式：熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射對(duì)于民居室內(nèi)溫度的影響，民居溫度達(dá)不到夏熱冬冷的江南地區(qū)室內(nèi)冬季18℃～24℃，夏季22℃～26℃的人體室內(nèi)舒適溫度指標(biāo)值，需對(duì)本文分析的傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)民居單體設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)加以改進(jìn)，從而為江南地區(qū)農(nóng)村生態(tài)木構(gòu)民居的營(yíng)造打下提供理論支持[12-13]。