編竹夾泥墻民居室內(nèi)熱環(huán)境與圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱特性分析

徐亞男，楊真靜

(重慶大學(xué) a.建筑城規(guī)學(xué)院;b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

編竹夾泥墻民居是夏熱冬冷地區(qū)特有的傳統(tǒng)民居類型，其建筑結(jié)構(gòu)類似于現(xiàn)代框架結(jié)構(gòu)，木柱、枋為承重構(gòu)件，夾泥墻只起圍護(hù)作用，屋面為冷攤瓦坡屋面，常以吊腳樓形式出現(xiàn)，與山地地形相適應(yīng)[1]。在巴渝農(nóng)村地區(qū)，該類民居平面形式多種多樣，而在用地緊張的場(chǎng)鎮(zhèn)中，多為縱向“一”字型，面寬3～4 m，進(jìn)深可達(dá)十幾米，層數(shù)多為1～2層，鄰與鄰間共用墻體，建筑間相互緊貼，建筑布局緊湊[2]。目前，關(guān)于我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)傳統(tǒng)民居已有研究主要集中在空間形態(tài)、營(yíng)造技術(shù)及建筑文化的傳承與保護(hù)[3-5]，部分熱濕環(huán)境相關(guān)研究都集中在磚、木結(jié)構(gòu)[6-9]，對(duì)編竹夾泥墻的研究非常少。Phsanam[10]通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒▽?duì)比了泰國(guó)的竹編雙層涂泥墻、單層涂泥墻、竹編墻體的室內(nèi)熱環(huán)境。田瀚元[11]在梳理重慶傳統(tǒng)民居時(shí)，發(fā)現(xiàn)編竹夾泥墻具有通而不透的特點(diǎn)。從僅有的研究來看，都缺乏對(duì)該類民居熱環(huán)境的實(shí)地測(cè)量及形成機(jī)制分析，重慶作為全國(guó)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌試驗(yàn)區(qū)，積極響應(yīng)國(guó)家加快建設(shè)美麗宜居鄉(xiāng)村的要求。傳統(tǒng)民居是農(nóng)村建筑的重要類型，大量的編竹夾泥墻民居廣泛存在于巴渝場(chǎng)鎮(zhèn)中，因此，對(duì)重慶地區(qū)編竹夾泥墻民居的室內(nèi)熱環(huán)境研究是改善農(nóng)村居住環(huán)境的重要內(nèi)容，不僅可以為建設(shè)美麗宜居鄉(xiāng)村提供室內(nèi)熱環(huán)境的比較基準(zhǔn)，同時(shí)還為未來傳統(tǒng)民居的節(jié)能設(shè)計(jì)和可持續(xù)發(fā)展提供參考數(shù)據(jù)。 文中以重慶編竹夾泥墻民居為研究對(duì)象，對(duì)夏季室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特性和環(huán)境微氣候分析其室內(nèi)熱環(huán)境的形成機(jī)制。

1 研究對(duì)象與研究方法

1.1 研究對(duì)象簡(jiǎn)介

重慶各古鎮(zhèn)中有大量的編竹夾泥墻民居。其中，松溉古鎮(zhèn)南臨長(zhǎng)江，地處丘陵地區(qū)，山體較多，地形復(fù)雜。鎮(zhèn)內(nèi)民居高低錯(cuò)落，排列有序，屋頂成片，顯現(xiàn)出和諧的山、水、鎮(zhèn)整體格局[12]。該地區(qū)在我國(guó)的熱工分區(qū)中屬于夏熱冬冷地區(qū)，累年最熱月平均溫度為27.3 ℃，最冷月平均溫度為7.2 ℃，累年月平均相對(duì)濕度均在70%以上(見圖1)，年均降雨量1 030 mm，建筑設(shè)計(jì)必須滿足夏季防熱，兼顧冬季保溫。

圖1 永川區(qū)累年月平均溫濕度Fig 1 Average annual temperature and relative humidity of Yongchuan district

圖2 古鎮(zhèn)總平及典型戶位置Fig 2 Typical house location and site Plan Songji Town

被測(cè)民居位于古鎮(zhèn)東南部，為一臨江中間戶(見圖2)，墻體為50 mm厚的編竹夾泥墻，屋頂為冷攤瓦坡屋頂，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保存比較完整，且長(zhǎng)期有人居住。建筑朝向?yàn)槟掀珫|30°，北側(cè)是寬約3.5 m的石板街道，南側(cè)為綠化坡地，緊鄰長(zhǎng)江。該建筑共2層，平街一層，下吊一層(見圖3)，是重慶地區(qū)典型的吊腳樓建筑。一層主要房間為堂屋、臥室、廚房，下吊層為牲畜棚。堂屋、廚房接地，地面為三合土，臥室1下部一半接地，一半架空，臥室2下部全為下吊層，架空樓板為30 mm厚的松木板。除堂屋有1臺(tái)吊扇外，其他房間均無降溫通風(fēng)設(shè)備。

圖3 被測(cè)民居平面圖、剖面圖及測(cè)點(diǎn)布置Fig. 3 The plan, section and survey points of the surveyed dwellings

1.2 測(cè)試方案

熱環(huán)境參數(shù)測(cè)量時(shí)間為2016年7月28日—8月6日，共10 d，測(cè)試內(nèi)容為室內(nèi)外空氣溫濕度、地面溫度。測(cè)試點(diǎn)如圖3所示，測(cè)試項(xiàng)目和主要使用儀器如表1所示。

表1 測(cè)試項(xiàng)目和主要設(shè)備Table 1 Test content and main equipment

2 測(cè)量結(jié)果

2.1 室外氣象參數(shù)

測(cè)量期間室外天氣可以明顯分為2段(見圖4)：前6 d高溫連晴，平均溫度為29.9 ℃，最高達(dá)到36.8 ℃，晝夜溫差最大為12.1 ℃，除31日太陽輻射較低外，其他時(shí)間太陽輻射均比較接近；后4 d溫度相對(duì)較低，太陽輻射減少，室外平均溫度為28 ℃，最高為32.3 ℃，晝夜溫差最大為7.0 ℃。

圖4 室外氣象參數(shù)Fig. 4 Outdoor meteorological parameters

2.2 室內(nèi)溫濕度

測(cè)試期間，室內(nèi)溫度緊隨室外溫度變化，室內(nèi)溫度波幅平均比室外小2.5 ℃，室內(nèi)外溫差較小。7月28日—8月2日為高溫時(shí)段，室內(nèi)平均溫度為29.4 ℃，比室外低0.5 ℃。8月2日—6日為低溫時(shí)段，平均溫度為27.8 ℃，僅比室外低0.2 ℃。室內(nèi)溫度波峰波谷分別出現(xiàn)在16:00左右和7:00左右，相對(duì)室外延遲時(shí)間約1 h。

圖5為室內(nèi)各房間與室外溫差。正值表示室內(nèi)溫度高于室外，出現(xiàn)在夜間；負(fù)值表示室內(nèi)溫度低于室外，出現(xiàn)在白天。夜間的室內(nèi)溫度略高于室外。其中，臥室2溫度平均比室外溫度高0.3 ℃。臥室1和堂屋空氣溫度接近，平均比室外溫度高0.8 ℃。白天的室內(nèi)溫度低于室外。其中，堂屋溫度平均比室外低1.1 ℃。臥室1和臥室2溫度平均比室外低4.0 ℃、3.6 ℃。編竹夾泥墻民居以防熱為主，高溫天氣更具有典型性，因此選擇連晴高溫且溫度較為穩(wěn)定時(shí)段中的一天，即7月30日為典型日，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行分析。

圖5 室內(nèi)與室外溫度差Fig. 5 Temperature difference between indoor and outdoor

典型日民居室內(nèi)外溫濕度如圖6所示。室外平均溫度為30.9 ℃，分別比堂屋、臥室1和臥室2溫度高0.2 ℃、0.8 ℃、0.9 ℃。室外溫度峰值為36.8 ℃，分別比堂屋、臥室1和臥室2溫度高2.3 ℃、3.8 ℃、3.2 ℃。2個(gè)臥室溫度近似，最大差值僅0.8 ℃。

濕度曲線與溫度曲線趨勢(shì)相反，相對(duì)室外波動(dòng)較小。室內(nèi)相對(duì)濕度夜間低于室外，白天高于室外，6:00時(shí)室外濕度達(dá)到最大值87%，臥室與堂屋依次在7:00、8:00達(dá)到最大值86%、85%。隨著溫度升高，室內(nèi)外相對(duì)濕度逐漸下降，室內(nèi)相對(duì)濕度在17:00左右達(dá)到最低值，平均濕度為71%，晝夜相對(duì)濕度差為30%。

圖6 典型日室內(nèi)空氣溫濕度Fig. 6 Indoor air temperature and humidity in typical day

3 室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前，重慶大多數(shù)農(nóng)村傳統(tǒng)民居未使用空調(diào)降溫設(shè)備，付祥釗[13]提出的夏熱冬冷地區(qū)夏季室內(nèi)溫度不能高于30 ℃的可居住性標(biāo)準(zhǔn)，《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50824—2013)中夏熱冬冷地區(qū)夏季室內(nèi)計(jì)算溫度取30 ℃的規(guī)定[14]，《既有居住建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)程》在對(duì)夏熱冬冷地區(qū)既有居住建筑節(jié)能改造方案的室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)估時(shí)也把30 ℃作為良好等級(jí)的上限。因此，文中對(duì)被測(cè)民居的評(píng)價(jià)以30 ℃作為農(nóng)村住宅室內(nèi)適應(yīng)性舒適溫度的上限。

3.2 熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)

用累積頻率來分析室內(nèi)熱濕環(huán)境，各房間的溫度累積頻率為房間溫度小于等于設(shè)定溫度的時(shí)數(shù)占總時(shí)數(shù)的百分比[15]。將測(cè)量結(jié)果逐時(shí)處理，并從最低溫度到最高溫度按步長(zhǎng)為1 ℃取整，依次計(jì)算小于等于各整數(shù)溫度的時(shí)數(shù)占總時(shí)數(shù)的百分比即累積頻率。測(cè)量期間堂屋、臥室1和臥室2溫度低于30 ℃的累積頻率分別為70%、75%和76%，將近3/4的時(shí)間室內(nèi)溫度低于舒適溫度上限30 ℃，室內(nèi)熱環(huán)境較能接受。

為進(jìn)一步明確室內(nèi)舒適時(shí)間分布，將所測(cè)結(jié)果按照07:00—19:00為白天、19:00—07:00為夜間分別計(jì)算溫度累積頻率結(jié)果，如圖7所示。夜間溫度跨度為25 ℃～32 ℃，白天溫度跨度為26 ℃～36 ℃, 夜間各溫度累積頻率明顯大于白天，晝夜分化明顯。白天堂屋和臥室溫度累積頻率曲線較為平行，堂屋溫度低于30 ℃的累積頻率為46%。臥室1和臥室2溫度累積頻率曲線幾乎重合，低于30 ℃的累積頻率分別為57%、55%。夜間堂屋、臥室1和臥室2房間低于30 ℃的累積頻率分別為93%、94%和96%，接近白天累積頻率的2倍。堂屋和臥室1溫度累積頻率曲線較為一致。從晝夜分段評(píng)價(jià)來看，白天室內(nèi)低于30 ℃的時(shí)間僅有50%左右，夜間室內(nèi)低于30 ℃的時(shí)間超過90%，因此夜間室內(nèi)舒適度好于白天。

圖7 溫度累積頻率Fig. 7 Temperature accumulation frequency

夏季各房間的濕度累積頻率為房間濕度小于等于設(shè)定濕度的時(shí)數(shù)占總時(shí)數(shù)的百分比。對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，堂屋、臥室相對(duì)濕度小于等于60%的累積頻率僅為5%、6%，說明絕大部分時(shí)間內(nèi)室內(nèi)相對(duì)濕度是高于60%，室內(nèi)濕環(huán)境并不理想。

在測(cè)量期間對(duì)該鎮(zhèn)村民進(jìn)行了熱感覺主觀評(píng)價(jià)調(diào)查，共獲得40份有效問卷。在實(shí)際熱感覺投票中，稍熱占60%，很熱和不熱分別占22.5%和15%，感覺涼快只占2.5%，大多數(shù)居民表示可以接受編竹夾泥墻民居的室內(nèi)熱環(huán)境，與測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果較為一致。

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能與室外微氣候分析

通過對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的分析與評(píng)價(jià)可知，編竹夾泥墻民居的室內(nèi)熱濕環(huán)境白天略差，夜間較好，為探究其室內(nèi)熱濕環(huán)境形成機(jī)制，分析其圍護(hù)結(jié)構(gòu)及室外微環(huán)境。

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能

編竹夾泥墻為傳統(tǒng)手工技藝，為定量化掌握編竹夾泥墻的熱工性能，對(duì)編竹夾泥墻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。試件由農(nóng)村傳統(tǒng)匠人用當(dāng)?shù)氐哪嗤痢⒅耋谱?，分別測(cè)量其自然干燥狀態(tài)和完全干燥狀態(tài)下的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)[16]。所謂編竹夾泥墻的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)是指將編竹夾泥墻試件看作完全相同外形尺寸的均勻材質(zhì)的體塊，在相同的邊界條件下，該體塊與試件具有相同的傳熱量，此等效體導(dǎo)熱系數(shù)就可以看作墻體的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。通過測(cè)量得到編竹夾泥墻在自然干燥狀態(tài)下的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為0.18 W/(m·K)，完全干燥狀態(tài)下當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為0.12 W/(m·K)。按自然狀態(tài)下的測(cè)量結(jié)果計(jì)算，在常見厚度為30 mm～50 mm情況下，編竹夾泥墻的熱阻為0.17 m2·K/W～0.28 m2·K/W。被測(cè)民居墻體厚50 mm，其熱阻值取0.28 m2·K/W。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，仍選擇該典型民居，測(cè)其墻體內(nèi)外表面溫度及熱流。選擇室外氣候較為穩(wěn)定時(shí)段，室內(nèi)外溫度比較穩(wěn)定，近似按照穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算，得出編竹夾泥墻的平均熱阻R為0.30 m2·K/W，和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果極為接近?？紤]到實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，墻體厚度測(cè)量及溫度記錄儀等存在誤差，對(duì)于常見厚度為50 mm的編竹夾泥墻體，其熱阻值取2種測(cè)量結(jié)果的平均值0.29 m2·K/W更準(zhǔn)確。

編竹夾泥墻民居的屋面為冷攤瓦坡屋頂，小青瓦約為10 mm厚，瓦片有微小弧度，雙層瓦間約有5 mm厚空氣間層，瓦下為間隔150 mm左右的椽子，其物理性能如表2所示，瓦屋面的總熱阻值為0.15 m2·K/W。

表2 瓦屋面熱阻計(jì)算Table 2 Tile roof thermal resistance

編竹夾泥墻民居的門為單層松木板，厚約20 mm，窗為傳統(tǒng)木窗，沒有玻璃，窗扇同樣為20 mm厚松木板，計(jì)算得到門窗木板的熱阻為0.14 m2·K/W。

典型戶的堂屋、廚房、走道地面材料為三合土，三合土材料為石灰、砂、粘土按照一定比例混合，厚約為150 mm，熱阻為0.22 m2·K/W，并與大地相接。臥室2下方下吊一層，導(dǎo)致臥室地面不同于堂屋，為架空樓面。架空樓板為30 mm厚的松木板，根據(jù)材料性能計(jì)算架空樓板的熱阻為0.216 m2·K/W，并直接與室外空氣相接觸。

將民居的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱性能與《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行比較，各結(jié)構(gòu)的熱工性能實(shí)現(xiàn)率如表3所示。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能實(shí)現(xiàn)率Table 3 Thermal performance realization rate of envelope

4.2 室外微氣候

微氣候受地面植被、土壤和地形影響，適度地協(xié)調(diào)微氣候與建成環(huán)境，可以降熱保溫，減少能耗，節(jié)約資源，提供自然舒適的居住環(huán)境[17]。典型戶北側(cè)是狹窄的石板街道，南側(cè)為綠化坡地，緊鄰長(zhǎng)江，綠化及水體對(duì)環(huán)境均有降溫作用。分別對(duì)街道、綠化坡地上方的空氣溫度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖8所示。坡地上空空氣溫度始終低于街道。街道上空氣平均溫度為29.1 ℃，比坡地上空氣平均溫度高1.1 ℃，最大溫差可達(dá)2.5 ℃，尤其在波峰及波谷處。由此可見，綠化及水體對(duì)環(huán)境的降溫效果明顯。

圖8 街道、綠化坡地溫度對(duì)比Fig. 8 Street and green slope temperature comparison

5 討 論

編竹夾泥墻民居主要取材于竹、木、土，不僅具有重量輕、易搭建、就地取材等優(yōu)點(diǎn)，更容易與吊腳樓形式結(jié)合，適應(yīng)山地地形。通過分析可知，編竹夾泥墻民居室內(nèi)熱環(huán)境晝夜分化明顯且堂屋溫度高于臥室，分析民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱特性及周圍微環(huán)境，得到室內(nèi)熱環(huán)境形成機(jī)制，如圖9、圖10所示。

1)屋面、墻體的熱性能較差。屋面、墻體的熱阻僅達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的14%、56%，且熱惰性差。白天室外大量熱量迅速作用到室內(nèi)，而夜間室外溫度降低后，室內(nèi)熱量也可以及時(shí)通過屋面、墻體向外散熱。因此，白天室內(nèi)溫度較高，但夜間下降較快，夜間室內(nèi)溫度小于等于30 ℃的累積頻率為白天的2倍，舒適度高。此種晝夜分化的熱環(huán)境表現(xiàn)與人們白天外出勞作、夜間才使用房間的傳統(tǒng)生活模式較為一致。

2)室外微氣候影響。民居南北兩側(cè)因微環(huán)境不同，北側(cè)室外溫度要高于南側(cè)，北側(cè)溫度作用于堂屋，南側(cè)溫度作用于臥室，這是堂屋溫度高于臥室的原因之一。此外，場(chǎng)鎮(zhèn)布局緊湊，街道狹窄，建筑間相互遮擋，且外窗面積較小，可以減少太陽輻射的影響，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境具有積極的調(diào)節(jié)作用。

3)生活模式影響。民居戶門朝北，開啟面積約占其所在立面的65%，從早上打開，直到晚上才關(guān)閉，太陽輻射、石板路面的熱輻射通過開口直接加熱室內(nèi)空氣。夜間戶門關(guān)閉，影響堂屋散熱。臥室2朝南，窗墻比為25%，白天臥室通過開口的得熱比堂屋要少，夜間又可以通過開口向外散熱。這是堂屋溫度高于臥室的原因之二。

圖9 白天熱量傳入室內(nèi)Fig. 9 Heat transfer during the day

圖10 夜間房間散熱Fig. 10 Heat transfer at night

圖11 典型日室內(nèi)地面溫度Fig. 11 Floor temperature in typical day

4)吊腳形式影響。吊腳形式導(dǎo)致堂屋臥室地面不同。為分析地面對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的貢獻(xiàn)，分別測(cè)量了堂屋、臥室2的地面溫度，結(jié)果如圖11所示。堂屋地面溫度晝夜波動(dòng)較為平緩，全天均明顯低于臥室，尤其在日間，平均值為27.5 ℃，日較差為1.2 ℃。臥室2地面溫度波動(dòng)較大，平均值為28.6 ℃，日較差為2.6 ℃，超過了堂屋地面日較差的2倍。這是因?yàn)榧芸諛前宓臒嶙鑳H0.216 m2·K/W，并直接與室外空氣相接觸，受室外環(huán)境影響明顯。但吊腳空間外是綠化坡地和水體，微環(huán)境良好，可使吊腳空間上方的臥室在白天時(shí)溫度不會(huì)過高，夜間溫度迅速降低，提供舒適的夜間熱環(huán)境。

6 結(jié) 論

1)編竹夾泥墻民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能較差，50 mm厚的編竹夾泥墻熱阻為0.29 m2·K/W，僅滿足《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的56%，小青瓦坡屋頂為建筑熱性能最薄弱部位，熱阻為0.15 m2·K/W，僅達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的14%。門窗的熱阻為0.14 m2·K/W，分別達(dá)到相關(guān)規(guī)定的78%、88%； 夏季編竹夾泥墻民居室內(nèi)熱環(huán)境晝夜分化明顯：白天較差，臥室、堂屋溫度低于舒適溫度上限30 ℃的累積頻率分別為55%、46%；夜間較好，臥室、堂屋低于30 ℃的累積頻率分別為96%、93%,與當(dāng)?shù)厝藗兊闹饔^感受較為一致。

2)吊腳樓帶來的架空樓板熱性能差，增加了建筑與外環(huán)境的接觸面積，使建筑更易受室外環(huán)境的影響，但與良好的微環(huán)境結(jié)合，可以幫助室內(nèi)溫度在白天不會(huì)太高，在夜間迅速降溫，有效解決濕熱地區(qū)非空調(diào)建筑的夜間舒適性問題。

3)編竹夾泥墻民居晝夜分化的熱環(huán)境表現(xiàn)與人們白天外出勞作、夜間才使用房間的傳統(tǒng)生活模式較為一致，體現(xiàn)了傳統(tǒng)民居熱環(huán)境營(yíng)造的生態(tài)智慧。