基于桂北干欄式民居熱工優(yōu)化的冬冷夏熱地區(qū)生態(tài)建筑設(shè)計

□ 鐘繼敏

1 介紹

廣西干欄式民居因勢隨形、錯落有致，虛實結(jié)合、布局靈活，底層架空、輕盈通透。目前多分布于多山的桂北、桂西北、桂東北地區(qū)，壯、侗、瑤、苗、毛南族均普遍采用。具有底層架空排濕隔熱、頂層挑高通風(fēng)透氣、披檐突出遮陽擋雨等特點[1]。桂北屬于冬冷夏熱地區(qū)，包括桂林、柳州、賀州、河池等近廣西一半的區(qū)域。這些地區(qū)冬季寒冷、夏季濕熱，既需要考慮夏季排濕隔熱，又需要考慮冬季采暖保溫。桂北干欄式民居充分利用建筑的自身條件，能很好地實現(xiàn)遮陽、通風(fēng)、排濕要求，滿足夏季熱工性能要求。但對于當(dāng)?shù)貪窭涠練夂?，還不能實現(xiàn)良好的防寒保暖效果。如圖1所示。

圖1 桂北現(xiàn)有傳統(tǒng)干欄式住宅通風(fēng)保溫效果示意圖

如何合理利用干欄式民居隔熱的優(yōu)點，解決其冬季不保暖的缺點，實現(xiàn)冬暖夏涼的室內(nèi)熱工環(huán)境？這是一個非常有意義的課題。希望通過對桂北傳統(tǒng)干欄式民居熱工性能改良，開發(fā)一種被動式節(jié)能、適應(yīng)夏熱冬冷地區(qū)的新型生態(tài)建筑模型。探索適合桂北居住建筑的低技節(jié)能技術(shù)，可為發(fā)展廣西綠色生態(tài)居住建筑另辟蹊徑，既可應(yīng)用于桂北既有民居改造、新建居住建筑，也可推廣應(yīng)用于我國夏熱冬冷地區(qū)居住建筑。

建筑保溫隔熱屬于建筑節(jié)能研究的重要內(nèi)容，世界各國紛紛制定了建筑熱工性能方面的政策法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)。1967年美國開始將有效溫度指標(biāo)ET納入美國采暖通風(fēng)空調(diào)工程師協(xié)會，以確定室內(nèi)熱舒適區(qū)的范圍；1976年德國頒布了《建筑物熱保護條例》；2000年法國提出了提高建筑熱工性能的措施；1972年丹麥科技大學(xué)Fanger教授建立人體熱平衡方程，并由此提出熱舒適理論，形成用以確定室內(nèi)熱舒適度的評價指標(biāo)“預(yù)測平均評價PMV”和“預(yù)測不滿意百分比PPD”；我國也先后頒布了《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》《建筑門窗玻璃幕墻熱工性能計算規(guī)程》（JGJ/T 151—2008）等；2017年廣西頒布《廣西壯族自治區(qū)民用建筑節(jié)能條例》，對新建、既有建筑節(jié)能及綠色建筑推廣做了明確規(guī)定。

國內(nèi)外開發(fā)了熱工性能分析軟件，對數(shù)據(jù)進行模擬測試分析，進行建筑熱工性能方案優(yōu)化設(shè)計。國外，常用的有美國勞倫斯伯克力國家實驗室開發(fā)的Optics、THERM、WINDOW系列軟件，瑞士的Informind Ltd軟件，比利時Physibel實驗室的BISCO軟件，德國的ENVI-met軟件等。國內(nèi)，有廣東省建筑科學(xué)研究院開發(fā)的粵建科MQMC軟件、清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系環(huán)境與設(shè)備研究所開發(fā)的DeST軟件、中國建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所研發(fā)的PKPM軟件等。

國外，Giulio Allesina等在“Easy to implement ventilated sunspace for energy retrofit of condominium buildings with balconies”文中分析了一種公寓建筑立面節(jié)能改造的模型。利用透明的塑料卷片沿著陽臺周邊安裝，在炎熱季節(jié)移開，便于換氣；寒冷季節(jié)則將陽臺空間包圍起來，形成溫室空間[2]。Amir Nezamdoost等在“Assessing the energy and daylighting impacts of human behavior with window shades,a life-cycle comparison of manual and automated blinds”文中設(shè)計了六種不同形式的百葉系統(tǒng)，包括四種手動百葉系統(tǒng)和兩種自動百葉系統(tǒng)。通過實驗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)前四種手動百葉系統(tǒng)與后兩種自動百葉系統(tǒng)的節(jié)能效果類似，甚至有時更有效[3]。何江等人在《一種具有蒸發(fā)冷卻效果的遮陽百葉裝置的研制》文中介紹了一種具有噴水裝置的多孔遮陽百葉系統(tǒng)。多孔材料制成的百葉板在夏季可以吸收噴出的水分，有效降低自身溫度，達到良好遮陽效果[4]。

國內(nèi)，孫雁等《典型渝東南土家族聚落夏季風(fēng)環(huán)境及吊腳樓夏季熱環(huán)境模擬研究》文中利用CFD軟件對黔江后壩鄉(xiāng)進行通風(fēng)模擬研究，分析出其底部架空、通風(fēng)閣樓、屋檐外廊遮陽等建造方式對自然通風(fēng)、除濕、降溫有所幫助。吳崇山等在《貴州苗族吊腳樓居住建筑冬季室內(nèi)熱舒適現(xiàn)場調(diào)研》文中對貴州臺江苗族吊腳樓冬季室內(nèi)熱環(huán)境進行現(xiàn)場測試，分析比較，得出吊腳樓民居與普通農(nóng)宅比較的優(yōu)劣。優(yōu)勢為其外圍合結(jié)構(gòu)相對開放，增加換氣次數(shù)，室內(nèi)濕度、污染物濃度均低于普通農(nóng)宅；劣勢為其保溫、蓄熱、氣密性不如普通農(nóng)宅，冬季室內(nèi)平均溫度低于后者，需要間歇式火源供暖[5、6]。

綜上，國內(nèi)外對建筑節(jié)能技術(shù)方面的研究有很多，比如：針對如何利用封閉陽臺形成溫室，達到嚴(yán)寒季節(jié)保溫效果的分析，針對內(nèi)外遮陽、手動與自動遮陽各自節(jié)能效果的分析等，皆提供了一些值得參考的節(jié)能模型。很多地區(qū)對于我國干欄式民居熱工性能方面的研究及實踐已有所涉獵，但對于廣西干欄式民居的熱工性能研究相對滯后。針對桂北地區(qū)干欄式民居夏季通風(fēng)性能、冬季保溫性能的分析，還不夠深入。其相對于其他民居，值得推廣應(yīng)用的優(yōu)勢以及需要改善的劣勢，還缺乏具體分析。因此，對其進行研究分析，并將成果應(yīng)用于廣西現(xiàn)代居住建筑中，形成適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂?、低技術(shù)、低成本的被動式綠色建筑節(jié)能技術(shù)，顯得尤為必要且緊迫。

2 桂北傳統(tǒng)干欄式民居熱工性能分析

傳統(tǒng)桂北干欄式民居，夏季不使用空調(diào)，室內(nèi)溫度仍涼爽宜人，被稱為“會呼吸的建筑”。干欄式民居是如何利用建筑自身條件，很好地實現(xiàn)遮陽、通風(fēng)、排濕的要求呢？下面通過其平、立、剖面分析成因。

2.1 桂北傳統(tǒng)干欄式民居的平面分析

建筑多為三層，底層架空不住人，主要用于飼養(yǎng)牲畜、囤放工具等。二層為主要功能空間，布置有堂屋、火塘、廚房、餐廳、臥室、雜物間。三層則用于堆放谷物、雜物，當(dāng)家中子女較多時，也布置少量臥室，一般為年幼子女居住?，F(xiàn)重點分析二層的平面布置，通過對桂北地區(qū)干欄式民居的實地測繪，發(fā)現(xiàn)其二層平面呈現(xiàn)以下有利于通風(fēng)透氣的特點。

桂北地區(qū)位于廣西與湖南、貴州交界處，氣候冬冷夏熱。為了適應(yīng)夏天炎熱的氣候，這一帶的干欄式住宅多有半敞開式的堂屋。堂屋布置在房間中心位置，一面敞開，形成堂屋與陽臺連成一體的平面形態(tài)。通風(fēng)透氣、寬敞舒適，極好地適應(yīng)了悶熱的夏季氣候。堂屋還兼具會客、家庭聚會、兒童玩耍、手工勞作等功能，是住宅中最為重要的功能空間。沿堂屋依次展開有廚房、臥室、雜物間，如圖2所示。這種以半敞開式堂屋為中心的平面布局形式，能夠有效形成穿堂風(fēng)。

圖2 以半敞開式堂屋為中心的平面布局

2.2 桂北傳統(tǒng)干欄式民居的立面分析

架空底層、通長陽臺、山墻窗戶形成通風(fēng)換氣系統(tǒng)。架空的底層、通透的陽臺為虛，木板封閉的墻體為實，如圖3所示。虛實形成對比，不僅形成豐富的陰影變幻，同時具有更重要的實際功能。底層架空設(shè)計，可以排走南方常有的濕氣，保持二層干爽。與敞廳相連的陽臺大多做成一整排通長陽臺，陽臺上部出挑的屋檐可遮陽擋雨，通透的陽臺也形成很好的通風(fēng)換氣通道。山墻頂部與屋檐交接處的三角形屋架部位多漏空，形成高側(cè)窗，便于通風(fēng)透氣。頂部外露的穿斗式屋架，也很好地展示了建筑結(jié)構(gòu)。

2.3 桂北傳統(tǒng)干欄式民居的剖面分析

天井、頂層貯藏空間結(jié)合形成建筑空腔，有利于采光通風(fēng)。堂屋上方開天井，天井與頂層貯藏空間結(jié)合，形成建筑空腔，如圖4所示。這種剖面形式聰明地利用了煙囪效應(yīng)，形成整個房屋的對流。頂層山墻開窗，帶走匯聚在房屋頂部的熱空氣，室外新鮮的冷空氣則從窗戶和陽臺補充進來。桂北地區(qū)的干欄式民居夏季涼爽舒適，與建筑這種完美的室內(nèi)換氣系統(tǒng)是密不可分的。這也是值得我們學(xué)習(xí)推廣的一種被動式通風(fēng)節(jié)能方式。

通過上述分析，總結(jié)出桂北干欄式民居夏季通風(fēng)透氣的主要成因有：

（1）以半敞開式堂屋為中心的平面布局，易于組織穿堂風(fēng)。

（2）架空底層、通長陽臺、山墻窗戶形成通風(fēng)換氣系統(tǒng)。

（3）堂屋上方天井與頂層貯藏空間形成建筑空腔，利用煙囪效應(yīng)，排氣通風(fēng)。

2.4 桂北傳統(tǒng)干欄式民居冬季熱工性能分析

雖然桂北傳統(tǒng)干欄式民居在夏季具有良好的通風(fēng)透氣性能，但是在冬季卻并不具有良好的保溫性能。根據(jù)實地測繪，桂北傳統(tǒng)干欄式民居冬季室內(nèi)多濕冷，需要借助烤火設(shè)施取暖。其主要成因如下：

（1）桂北傳統(tǒng)干欄式民居外墻多使用木質(zhì)板條圍護，寒冷的季候風(fēng)會通過板條之間的縫隙帶走大量室內(nèi)熱量。

（2）頂層山墻窗戶常年開敞，或僅以木條封閉，密閉效果極差。冬季，穿堂風(fēng)會帶走大量室內(nèi)熱空氣，保溫效果差。

根據(jù)以上冬季不保溫的成因分析，做出兩項應(yīng)對措施：

（1）外墻采用自保溫砌體。

（2）頂層山墻窗戶增設(shè)手動可調(diào)百葉系統(tǒng)。

基于桂北傳統(tǒng)干式民居熱工性能優(yōu)化后的方案如圖5所示。

3 四種民居建筑熱工性能分析

以廣西三江侗族自治區(qū)弄團村某單體民居建筑為分析實例。建筑占地面積為136m2，用地平整，周邊環(huán)境優(yōu)美?；啬厦媾R村級公路，北面為風(fēng)景優(yōu)美的山林，東面有小溪穿過，西面緊臨一棟三層高住宅。建筑周邊環(huán)境如圖6所示，紅色虛線方框內(nèi)為研究對象。設(shè)計四種建筑：建筑A（帶隔熱層的廣西傳統(tǒng)干欄式民居）、建筑B（不帶隔熱層的廣西現(xiàn)代新農(nóng)村民居）、建筑C（帶隔熱層但不帶可調(diào)百葉系統(tǒng)的新型民居）、建筑D（帶隔熱層及可調(diào)百葉系統(tǒng)的新型民居）。

圖3 虛實結(jié)合的建筑立面

圖4 具有煙囪效應(yīng)的建筑剖面

圖5 桂北傳統(tǒng)干欄式住宅保溫隔熱性能優(yōu)化方案示意

圖6 研究對象周邊環(huán)境實地照片

3.1 四種建筑設(shè)計

3.1.1 四種建筑平、立面圖

根據(jù)實測基地數(shù)據(jù)，設(shè)計出四種建筑的平、立面圖，如圖7所示。

3.1.2 室內(nèi)換氣量計算

每戶居住人口以5人考慮，根據(jù)人均居住面積查到，每小時最小換氣次數(shù)=0.5，因此建筑B、C、D的最小換氣次數(shù)取0.5。因為建筑A頂層有不封閉開口，結(jié)合主導(dǎo)風(fēng)向、建筑朝向考慮，換氣次數(shù)取5。

由公式n=Q/V，推導(dǎo)公式Q=nV。

式中：n為空間的換氣次數(shù)，單位次/h；Q為通風(fēng)量，單位m3/h；V為房間容積，單位m3。

根據(jù)四種建筑的平立面圖，分別計算出各自換氣量：

建筑A：根據(jù)輸入的圖紙尺寸，計算機計算出

VA=1341.94m3

QA=nVA=5×1341.94=6709.70m3/h

建筑B：根據(jù)輸入的圖紙尺寸，計算機計算出

VB=1243.87m3

QB=nVB=0.5×1243.87=621.94 m3/h

建筑C：根據(jù)輸入的圖紙尺寸，計算機計算出

VC=1581.33m3

QC=nVC=0.5×1581.33=790.67 m3/h

建筑D：根據(jù)輸入的圖紙尺寸，計算機計算出

VD=1581.33m3

QD=nVD=0.5×1581.33=790.67 m3/h

3.1.3 供暖和制冷工況

為了對比建筑A、B、C、D在相同條件下各自的供暖供冷能耗，四種建筑均選用相同能耗的單元式房間空調(diào)器。其中，建筑D設(shè)置有百葉，夏季為了獲得最大自然風(fēng)，設(shè)計百葉開啟角度為90o（最大值）；冬季利用屋頂保溫層百葉閉合、形成溫室空間保溫，設(shè)計百葉開啟角度為0o（最小值）。

3.2 四種建筑熱工性能分析

以上四種建筑，選用斯維爾軟件做模擬能耗計算。

3.2.1 試驗結(jié)果

根據(jù)圖7四種建筑平、立面圖，建立的斯維爾三維模型如圖8所示。四種建筑的全年負荷瀏覽如圖9所示。通過計算機模擬分析，得出的全年能耗如表1所示。

表1 四種建筑模型全年能耗表

3.2.2 試驗結(jié)果分析

通過實驗數(shù)據(jù)分析，四種建筑全年供冷能耗從優(yōu)至劣排序為：建筑D、建筑C、建筑A、建筑B。全年供暖能耗從優(yōu)至劣排序為：建筑C、建筑B、建筑D、建筑A。全年建筑總能耗從優(yōu)至劣排序為：建筑D、建筑C、建筑A、建筑B。

圖7 四種建筑建筑平、立面圖

圖8 四種建筑斯維爾三維模型

圖9 四種建筑全年負荷瀏覽圖

可見，帶有隔熱層的建筑A、C、D其供冷能耗和全年總能耗均明顯優(yōu)于未帶隔熱層的建筑B。讓人驚訝的是，未帶隔熱層的建筑B，雖然劣于帶隔熱層的建筑C；卻優(yōu)于帶隔熱層的建筑A、D。由此判斷，建筑供暖電耗與建筑材料、百葉設(shè)置有關(guān)。

4 結(jié)語

通過四種建筑能耗模型設(shè)計及計算機能耗模擬比對分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過建筑A、C、D與建筑B的比對分析，帶有隔熱層的建筑，其建筑能耗明顯優(yōu)于未帶隔熱層的建筑。

（2）通過建筑A與建筑B、C、D的比對分析，傳統(tǒng)木質(zhì)外圍護結(jié)構(gòu)的建筑，其建筑能耗明顯劣于采用保溫隔熱外墻的鋼筋混凝土建筑，但略優(yōu)于未采用保溫隔熱外墻的鋼筋混凝土建筑。

（3）通過建筑C、D與建筑A、B的比對分析，采用保溫隔熱外墻的建筑，其建筑能耗明顯優(yōu)于未采用保溫隔熱外墻的木質(zhì)或鋼筋混凝土建筑。

（4）通過建筑D與建筑C的比對分析，設(shè)置百葉的建筑，其建筑能耗略優(yōu)于未設(shè)置百葉的建筑，且能耗大小與百葉設(shè)置位置、朝向、開啟角度密切相關(guān)。

綜上，可以得到一種較為理想的多層生態(tài)民用建筑形式：

（1）帶有隔熱頂層。

（2）隔熱頂層開窗，并設(shè)置百葉，冬季百葉建議開啟角度為0o，夏季百葉建議開啟角度為90o。

（3）外墻采用自保溫砌塊。