夏季新疆葡萄晾房對生土民居熱環(huán)境的作用分析*

西安建筑科技大學 朱新榮 楊曉靜 何文芳 何 泉 楊 柳

0 引言

人們長期生產(chǎn)實踐過程中創(chuàng)造出的生土建筑，是我國建筑文化寶庫中的一份珍貴財富。相關研究人員從生土材料、保溫構(gòu)造、遮陽措施等方面對生土建筑進行了探討，研究表明生土建筑墻體具有良好的熱穩(wěn)定性，能對室外溫度的波動進行有效的衰減，且有很強的蓄熱效果，對室內(nèi)熱舒適水平和空氣質(zhì)量的提升具有積極的作用[1]。

地處寒冷氣候區(qū)的吐魯番地區(qū)，常年干燥少雨，太陽輻射強，夏季高溫多風[2]，在這種特殊氣候條件下，生土建筑成為當?shù)貍鹘y(tǒng)民居的常見形式。特殊的氣候條件使得當?shù)仄咸哑焚|(zhì)優(yōu)良，2 000多年來，吐魯番維吾爾族居民以種植葡萄為主要的生活來源，夏季大量葡萄成熟需晾制葡萄干，為此當?shù)剞r(nóng)民建造了以土坯砌筑鏤空墻體、上架棚頂四壁都透風的簡易房子——葡萄晾房[3]。葡萄晾房主要分2種形式(見圖1)：一種為位置較高、無遮擋的荒山坡地上的獨立式晾房，另一種為農(nóng)戶宅院內(nèi)住房房頂上的晾房[4]。晾房多為土木結(jié)構(gòu)，隨著經(jīng)濟的發(fā)展也出現(xiàn)了磚木結(jié)構(gòu)的晾房，晾房中間以土柱相互間隔，東西長、南北寬，這樣利于通風且避免陽光直射葡萄[5]。

圖1 新疆葡萄晾房

吐魯番地區(qū)夏季太陽輻射強烈，當?shù)孛窬邮覂?nèi)熱環(huán)境存在過熱、干燥和氣悶三大問題。屋頂作為建筑的水平圍護結(jié)構(gòu)，接受的太陽輻射遠大于建筑的其他立面，屋頂隔熱設計對于優(yōu)化室內(nèi)熱環(huán)境尤為重要[6]，屋頂葡萄晾房類似擴大化的通風屋頂，可降低建筑內(nèi)部環(huán)境溫度、緩解房間過熱。晾房的主要功能為夏季時晾曬葡萄干，而葡萄干晾制過程中防止葡萄的褐變很重要。研究表明空氣溫度30 ℃時得到的葡萄干顏色最佳，葡萄干的褐變程度隨溫度升高而加重，且葡萄干中維生素C的含量隨溫度升高而降低[7-8]。為了防止葡萄干褐變及改善下部空間熱環(huán)境，在夏季應盡量降低晾房內(nèi)部空氣溫度，使其盡可能接近30 ℃。為此，本文擬采用實測與模擬結(jié)合的分析方法，對晾房及其下部空間的熱環(huán)境特點進行分析，在保證晾房內(nèi)部晾曬條件適宜的情況下，探討優(yōu)化晾房熱環(huán)境的策略，以期對新疆傳統(tǒng)民居建筑熱環(huán)境及節(jié)能設計提供參考。

1 研究對象

1.1 項目介紹

為了適應吐魯番地區(qū)特殊的氣候特征，該地區(qū)傳統(tǒng)生土民居建筑形式應用較為廣泛，該民居具有以下特點：民居的建造使用當?shù)爻Ｒ姷纳翞樵牧?；通常使用高架棚來獲取陰影空間；采用半地下室和房屋相結(jié)合的形式；建筑屋頂設置葡萄晾房較為廣泛；但傳統(tǒng)生土民居在抗震方面存在缺陷。鑒于以上情況，西安建筑科技大學綠色建筑研究中心開展了“新疆吐魯番市安居富民示范項目”的研究工作，在借鑒傳統(tǒng)生土民居氣候適應性策略的基礎上，對生土民居的更新進行了改善[9]，以“綠色建筑”為原則，結(jié)合傳統(tǒng)生土建筑的特點，設計建造了熱環(huán)境優(yōu)良的新型民居建筑。在該項目中，采用了以下設計策略：采用厚重的外圍護結(jié)構(gòu)和面積較小的開窗，封閉的庭院布局以減弱太陽暴曬；利用高架棚、葡萄架等形成“氣候緩沖區(qū)”；設計符合當?shù)鼐用裆盍晳T的半地下臥室；增加通風井以利于夜間通風；窗戶遮陽；增加蓄熱體等。

1.2 戶型介紹

以該項目的一個典型戶型為例進行研究。該戶型南北向，共2層，建筑高度為6.8 m。圖2為該住宅的平面及南立面圖。屋頂上部的晾房長5.4 m、寬5.4 m、高2.8 m，其下部為該住宅的客廳，建筑外圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造見表1，生土建筑外圍護結(jié)構(gòu)材料熱工指標見表2。

表1 建筑外圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造

表2 材料熱工指標

● 測點布置圖2 住宅的平面及南立面圖

2 分析方法

2.1 現(xiàn)場測試

項目組于2016年7月26—30日對該戶型進行了為期5 d的現(xiàn)場測試，測試對象處于自然運行狀態(tài)，使用人工內(nèi)熱源，無主動式調(diào)溫措施，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集主要包括室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)。室內(nèi)環(huán)境測試儀器有溫濕度測試儀、記憶式四通道溫度計、萬向風速儀及黑球儀，測點位于房間中央，豎直高度為1.1～1.7 m(測點平面布置見圖2)。室外測試儀器有溫濕度測試儀(需放置在陰涼處或覆蓋鋁箔)和太陽輻射記錄儀[10]。

圖3顯示了7月27—29日測試期間室外氣溫與各房間溫度的對比。從圖3可以看出：地上南臥室為室內(nèi)溫度最高的空間，半地下南臥室溫度最低且波動小，客廳由于屋頂晾房的遮陽作用空氣溫度居中；客廳溫度在30.4～37.6 ℃之間，半地下南臥室溫度在29.5～33.0 ℃之間，與同樣在夏季頻繁使用的半地下南臥室相比，客廳空間存在一定的過熱問題，其室內(nèi)溫度全天波動小于室外溫度波動，白天大部分時間室內(nèi)溫度遠低于室外，這與圍護結(jié)構(gòu)蓄熱性能較好有關。由于實測數(shù)據(jù)的限制，無法充分反映葡萄晾房對建筑熱環(huán)境的影響，本文擬在測試數(shù)據(jù)基礎上對該問題進行模擬分析。

圖3 7月27—29日室外氣溫與房間溫度的對比

2.2 模擬方法

2.2.1軟件介紹

DesignBuilder是一款以EnergyPlus為核心的計算軟件，在用戶端定義建筑模型并輸入需求參數(shù)后，程序?qū)⒎抡婺M建筑能耗，同時可對熱舒適、冷熱系統(tǒng)設計、二氧化碳年排放量、日光照明效率等進行單獨分析[11]。由于模擬軟件的限制，此次模擬不考慮研究對象的氣流組織分析。

2.2.2數(shù)值模型準確性驗證

為了驗證數(shù)值模擬的準確性，將測試時的室外空氣溫度、濕度、太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)導入DesignBuilder模型中，并保證建筑圍護結(jié)構(gòu)信息(見表1、2)、人員活動、照明、自然通風等設置均與實測情況一致，對比結(jié)果顯示，在測試期間溫度模擬數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)差值在0.5 ℃左右。圖4顯示了2016年7月27日客廳實測溫度與模擬溫度的對比?？梢钥闯觯瑴y試數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)比較接近且總體規(guī)律一致，說明建立的模型是可靠的。

圖4 客廳空氣溫度模擬結(jié)果與實測結(jié)果的對比

2.3 晾房熱環(huán)境影響特性相關參數(shù)設定

本文后續(xù)數(shù)值模擬分析均采用DesignBuilder建筑模擬軟件進行模擬，其中氣象數(shù)據(jù)直接調(diào)用該軟件的能耗模擬引擎EnergyPlus自帶的中國標準氣象數(shù)據(jù)庫CSVD中吐魯番地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，模擬時間為整個夏季，選擇最熱月7月中最不利的一天——7月4日進行分析。室內(nèi)人員密度、活動時間等按居住建筑常規(guī)設置，研究條件為非供暖制冷工況，通風計算模式選擇DesignBuilder中的Scheduled模式，該模式表示在自然通風運行工況下，室內(nèi)換氣次數(shù)受窗戶開口、縫隙、熱壓風壓作用的影響，這種模式適用于自然通風建筑，計算模型運用多區(qū)域網(wǎng)絡模型。

建立模型時將原住宅中晾房外墻的十字花洞口用同等面積的正方形洞口進行簡化代替，其洞口間距及數(shù)量保持不變，模型中將雜物間省略，建筑模型見圖5。模型圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造見表1，材料的熱工指標見表2。在冬季，建筑是密閉的，內(nèi)、外部之間的空氣交換通過滲透進行，供暖通過圍護結(jié)構(gòu)集熱蓄熱及外窗的太陽輻射進行；在夏季，建筑主要通過被動式降溫及圍護結(jié)構(gòu)進行隔熱，當房間室內(nèi)空氣溫度高于22 ℃且室外空氣溫度低于22 ℃時進行自然通風，其他室內(nèi)人員密度、活動時間等按居住建筑常規(guī)設置，模擬時間為整個夏季，本文只列出1天的模擬數(shù)據(jù)進行分析。

圖5 建筑模型

3 模擬結(jié)果分析

3.1 晾房的熱環(huán)境效果

3.1.1晾房熱環(huán)境特點

圖6顯示了7月4日的晾房室內(nèi)溫度及其屋頂表面綜合溫度。由圖6可以看出：夏季晾房內(nèi)的空氣溫度與室外溫度相當，室內(nèi)空氣溫度與輻射溫度變化趨勢相同，沒有明顯延遲；晾房屋頂室外綜合溫度高達57.1 ℃，這避免了晾房下部房間直接承受太陽輻射照射，對客廳熱環(huán)境起到了積極作用。

圖6 晾房室內(nèi)溫度及其屋頂表面綜合溫度

根據(jù)前文表述可知，晾房室內(nèi)空氣溫度越接近30 ℃越有利，但白天室內(nèi)溫度大部分時間超過30 ℃，影響葡萄干的晾曬品質(zhì)。應對晾房熱環(huán)境進行改善，在其對下部空間起積極作用的條件下滿足晾曬葡萄的溫度需求。

圖7顯示了7月4日晾房的逐時換氣次數(shù)。由圖7可以看出，晾房換氣次數(shù)為45～77 h-1，其日平均換氣次數(shù)為60 h-1。晾房夏季通風量很大，可有效降低晾房內(nèi)部溫度。

圖7 晾房換氣次數(shù)

選取夏季最熱月7月分析晾房夏季熱平衡狀況，圖8顯示了7月晾房空間得熱量與失熱量。由圖8可以看出：晾房通過樓板及外墻失熱，通過室外空氣的流動帶走大部分熱量；通過屋頂及洞口的太陽輻射得熱。為了改善夏季晾房熱環(huán)境可以考慮遮陽措施以阻擋部分太陽輻射。

圖8 晾房空間得熱量與失熱量

3.1.2有無晾房對下部建筑熱環(huán)境的影響

建立了沒有晾房的對比模型，其所有參數(shù)設置與原基準模型一致，通過對比7月4日有無晾房時客廳的逐時溫度(見圖9)，可以發(fā)現(xiàn)：有晾房的客廳空氣溫度及操作溫度始終低于無晾房的客廳空氣溫度及操作溫度，二者空氣溫差在0.41～3.26 ℃之間，日均溫差為1.36 ℃，這與晾房的自然通風及晾房產(chǎn)生的遮陽作用有關，二者操作溫度差值在0.87～3.52 ℃之間，這是由于晾房的遮陽作用使得客廳屋頂受到較少的太陽輻射，進而降低了客廳的操作溫度。在00：00—09：30之間，有晾房客廳溫度高于室外干球溫度，這與建筑外墻材料具有很好的蓄熱作用有關，墻體在白天接受大量的太陽輻射，在夜間向室內(nèi)傳遞熱量，客廳其余時間的室內(nèi)空氣溫度均低于室外干球溫度。

圖9 有無晾房客廳空氣溫度及操作溫度

圖10顯示了7月4日有無晾房客廳屋頂內(nèi)外表面溫度。從圖10可以看出，夏季受太陽輻射的影響，高溫期間無晾房客廳屋頂?shù)耐獗砻鏈囟冗h高于室外干球溫度及有晾房客廳屋頂外表面溫度，且高溫期間無晾房客廳屋頂內(nèi)表面溫度高于有晾房客廳屋頂內(nèi)表面溫度，其穩(wěn)定性也較弱。

圖10 有無晾房客廳屋頂內(nèi)外表面溫度

3.2 改善措施

3.2.1增加屋頂挑檐

對晾房外墻洞口進行外遮陽設置可實施性較低，可將屋頂進行出挑設置，由于東向外墻遮陽設置的必要性，故這里的遮陽針對東、西、南向外墻，為了避免陽光直射晾房內(nèi)部，將屋頂東、南、西3個方向設置屋頂挑檐。表3顯示了7月4日晾房不同屋頂挑檐情況下晾房及客廳空氣溫度及操作溫度的對比?？梢钥闯觯弘S著晾房屋頂挑檐長度的增加，可改善晾房及客廳下部空間熱環(huán)境狀況，挑檐長度大于0.8 m時晾房空氣溫度變化不明顯，因此選擇挑檐長度0.8 m適宜；有0.8 m挑檐長度的晾房日平均操作溫度比無遮陽的晾房日平均操作溫度低0.86 ℃，其日平均空氣溫度降低0.2 ℃，有挑檐的晾房溫度更低，有利于提高葡萄干的晾曬品質(zhì)，降低葡萄干褐變概率；晾房設置0.8 m長度挑檐后可使客廳日均操作溫度降低0.19 ℃，日均空氣溫度降低0.17 ℃。

表3 不同晾房挑檐長度對晾房及客廳空氣溫度及操作溫度影響 ℃

3.2.2優(yōu)化開洞形式

原方案為6行、13列、0.23 m×0.23 m的洞口均勻分布在外墻，總的洞口面積為4.12 m2，在保證洞口總面積不變的情況下建立其他3種不同洞口形式，具體建模方案見表4。圖11顯示了不同開洞形式晾房內(nèi)部7月4日平均溫度及平均換氣次數(shù)。從圖11可以看出：開窗形式為花格洞的晾房室內(nèi)日平均溫度為32.7 ℃，是幾種開洞形式中最接近葡萄干30 ℃晾曬條件的；原方案的平均溫度最低且通風量最高，是最適合晾房的形式。結(jié)果顯示，不同晾房開洞形式對下部客廳空氣溫度影響不大，此處不再贅述。

表4 晾房開洞形式

圖11 不同開洞形式對晾房熱環(huán)境的影響

3.2.3洞口面積優(yōu)化

在保持其他條件均相同的情況下，對晾房圍護結(jié)構(gòu)的洞口面積進行調(diào)整，具體調(diào)整方案見表5，各個朝向的外墻設置均一致，其中洞口水平間距均為0.2 m，洞口尺寸為0.23 m×0.23 m，均為6行。

表5 晾房不同開洞率

圖12顯示了不同開洞率下晾房內(nèi)部7月4日平均溫度及平均換氣次數(shù)的變化。由圖12可以看出：不同開洞率下客廳日平均溫差在0.015 ℃左右，影響不大；隨著開洞率的增大，晾房內(nèi)的溫度逐漸降低，從32.84 ℃降低到32.26 ℃，日均溫度最大差值為0.57 ℃；隨著開洞率的增大，換氣次數(shù)逐漸增大，日均換氣次數(shù)最大差值為67.5 h-1。為了縮短葡萄干的晾制周期及提高葡萄干品質(zhì)，應選用通風量大、平均溫度低的開洞率，通過對溫度變化率的分析可以發(fā)現(xiàn)，開洞率大于0.272后溫度變化不明顯。根據(jù)實際工程，晾房每隔3 m左右設置一個土柱，該部分無法設置洞口，當?shù)赝僚鞔u的長、寬、高分別為30、15、7 cm，不考慮土柱面積，晾房的最佳開洞率為0.272，實際工程中應根據(jù)土柱位置及數(shù)量合理選擇開洞率，根據(jù)土坯磚規(guī)格及晾房開洞率，洞口尺寸寬10 cm、高15 cm最適宜，為避免陽光直射可在晾房屋頂設置挑檐。

圖12 不同開洞率對晾房熱環(huán)境的影響

除此之外，筆者還對晾房外圍護結(jié)構(gòu)的不同厚度、不同熱惰性指標等進行了研究，但其對晾房及客廳內(nèi)部熱環(huán)境影響不是很大，這與晾房夏季大規(guī)模自然通風有關，此處不再贅述。

4 結(jié)論

新疆葡萄晾房作為當?shù)氐奈幕?，不僅具有晾曬葡萄干的實用功能，還可改善晾房下部建筑空間環(huán)境，是建筑熱環(huán)境設計與地域建筑文化傳承的結(jié)合。通過研究發(fā)現(xiàn)，晾房內(nèi)部具有溫度高、輻射強和通風換氣次數(shù)大的特點，且有晾房的下部空間日均溫度比無晾房的下部空間日均溫度降低1.36 ℃。夏季晾房室內(nèi)空氣溫度在21～45 ℃之間，而葡萄干晾曬環(huán)境越接近30 ℃越有利，為了更好地改善建筑熱環(huán)境及提高葡萄干晾曬品質(zhì)，可以嘗試從以下方面對晾房進行改進設計：

1) 新疆太陽輻射強，晾房外墻接受的太陽輻射多，外圍護結(jié)構(gòu)的表面溫度高，晾房屋頂設置0.8 m長的挑檐后，避免了陽光對葡萄的直射，并使得晾房內(nèi)部日均溫度從32.7 ℃降低到32.4 ℃，有利于葡萄干品質(zhì)的提高。

2) 通過模擬發(fā)現(xiàn)均勻分布的花格開洞形式的晾房室內(nèi)日均溫度為32.7 ℃，比其他開洞形式日均溫度低0.1～0.4 ℃，能產(chǎn)生更好的通風效果及更低的空氣溫度，對葡萄干晾曬最有利。

3) 在條件允許的情況下盡量增加晾房外墻的開洞率，晾房開洞率為0.272最適宜，其日均溫度為32.3 ℃，隨著開洞率的增大，晾房溫度變化不明顯，實際工程中應根據(jù)土柱位置及數(shù)量合理選擇開洞率，根據(jù)土坯磚規(guī)格及晾房開洞率洞口尺寸寬10 cm、高15 cm最適宜，為避免陽光直射可在晾房屋頂設置挑檐。

新疆晾房是當?shù)亟ㄖ幕臐饪s，通過對其熱環(huán)境特點進行研究，結(jié)合晾房的使用功能需求，對晾房設計進行改進，可促進當?shù)厣两ㄖ陌l(fā)展。