基于氣候適應(yīng)性的鄉(xiāng)土民居建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)綠色節(jié)能優(yōu)化研究

沈采，龔曉芳，潘子健

（鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

近些年來，在國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的引導(dǎo)下，各界對美麗鄉(xiāng)村的概念進(jìn)行深入挖掘，鄉(xiāng)村建設(shè)如火如荼。然而大力發(fā)展鄉(xiāng)村建設(shè)的同時，農(nóng)村居民住宅建筑能耗問題日益突出。從2017～2020年中國建筑能耗研究報告中可以看出[1-3]，全國建筑面積逐年擴(kuò)大，農(nóng)村居住建筑面積逐年減小，農(nóng)村建筑能耗占比反而增大。這反映出當(dāng)下農(nóng)村建筑城鎮(zhèn)化、能耗大的問題，意味著鄉(xiāng)村民居建筑能源消耗結(jié)構(gòu)需要及時更新、轉(zhuǎn)型。此外，鄉(xiāng)土民居建筑是扎根于“地域-氣候-文化”體系下的產(chǎn)物，是人類在技術(shù)條件有限的情況下，適應(yīng)自然氣候條件而創(chuàng)造出的相對舒適的居住環(huán)境。我國國土廣袤，不同地域的鄉(xiāng)土民居建筑在形式結(jié)構(gòu)上有極大差別，圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為建筑能耗的主要來源，是創(chuàng)建綠色節(jié)能的生態(tài)化新型農(nóng)村的主要抓手。本文以江蘇省鹽城市為研究對象，從氣候適應(yīng)性角度出發(fā)，結(jié)合該地區(qū)鄉(xiāng)土民居建筑設(shè)計特征，研究其圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的綠色節(jié)能優(yōu)化策略，以期探索出適合鹽城地區(qū)的新鄉(xiāng)土民居建筑。

1 氣候特征對室內(nèi)熱工環(huán)境的影響概述

鹽城市位于江蘇省中部，擁有江蘇省內(nèi)最長的海岸線，地理位置特殊，是我國南北交界線的最東端，在氣候分區(qū)上，大致以蘇北灌溉總渠為界，北為溫帶季風(fēng)氣候，屬于寒冷地區(qū)；南為亞熱帶季風(fēng)氣候，屬于夏熱冬冷地區(qū)。另外，鹽城市南北兩端地勢較高而中間低洼，是一片海岸平原。如今的鹽城市仍有大片水域、灘涂和較多鹽堿地。總體上，冬季盛行北風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng)且降雨集中。鹽城市夏季白天平均溫度26℃左右，極端高溫可達(dá)37℃；冬季白天溫度7℃，極端低溫可至-13℃。由于鹽城地區(qū)空氣潮濕，因此與同溫度條件的北方城市相比，夏季更為悶熱，冬季體感溫度更低。

根據(jù)相關(guān)研究[4]，鹽城鄉(xiāng)土民居在夏季如果不考慮空調(diào)系統(tǒng)的作用，自然通風(fēng)是房屋降熱的主要措施。在連續(xù)高溫的天氣里，白天開窗通風(fēng)會導(dǎo)致熱風(fēng)入侵，室內(nèi)溫度隨之升高，屋面墻體吸熱蓄熱；夜間室外溫度下降，而風(fēng)力比起白天并不見增大，無法進(jìn)行有效的室內(nèi)通風(fēng)，帶不走白天積蓄的熱量。因此，房屋的熱工性能降低，通風(fēng)能耗增大。在冬季，鹽城地區(qū)沒有集中供暖，雖然同時期溫度相對北方較高，但空氣潮濕陰冷，日照率遠(yuǎn)不及北方（見表1）。與此同時，相較于北方寒冷地區(qū)，鹽城地區(qū)鄉(xiāng)土民居建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體保溫性能差，門窗氣密性低等問題都導(dǎo)致了房屋冬季熱工性能差的問題，這也是本文研究的前提。

表1 北方部分城市與鹽城市冬季1月日照率對比

2 鄉(xiāng)土民居建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析

經(jīng)實地調(diào)研，本文將鹽城地區(qū)鄉(xiāng)土民居建筑分為2類：一類是保留下來的老舊建筑，即稱傳統(tǒng)老房，包括未經(jīng)修繕或經(jīng)過簡單修繕但保留一定原有特色的建筑；另一類是鄉(xiāng)村居民的自建房、新蓋房。在對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的研究中，主要對建筑屋面、墻體和窗戶3部分進(jìn)行研究，其中門面積占比少，本文中不做分析。

2.1 傳統(tǒng)老房

鹽城市傳統(tǒng)民居建筑多為磚瓦房和草頂農(nóng)舍（見圖1），前者多經(jīng)過小規(guī)模修繕，外墻被重新粉刷，部分居民還在屋頂上搭建金屬板材以防下雨漏水；后者多受到毀壞，現(xiàn)存的極少數(shù)也荒廢不用?，F(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)住宅主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)多為磚木混合的形式。墻體以青磚和紅磚為主，外抹砂漿水泥或碎石，在后成陸地區(qū)即臨海地區(qū)，墻體下部一般會設(shè)置30～50 cm的石料，在石料上砌磚，以防返堿侵蝕房屋。屋頂形式為坡屋頂，少數(shù)設(shè)有閣樓，并在坡面或山墻上開窗。過去30余年以來，原有的坡屋頂建筑旁邊會有居民擴(kuò)建的平屋頂房，作為陽臺或晾曬平臺使用，屋頂形式出現(xiàn)坡平混合的風(fēng)貌。鹽城地區(qū)民居建筑的門窗普遍較小，窗洞尺寸為740 mm×860 mm左右，正門門洞尺寸為2100 mm×1000 mm左右，而房門門洞普遍為1800 mm×800 mm，較為低矮。

圖1 傳統(tǒng)老房現(xiàn)狀

很多傳統(tǒng)民居建筑沒有得到很好的保護(hù)，且基于當(dāng)時建造技術(shù)欠缺，后來修繕潦草簡陋等因素，老舊民居建筑各類圍護(hù)結(jié)構(gòu)有歪列、殘缺的現(xiàn)象，具體如下：

（1）房屋屋面結(jié)構(gòu)粗糙。傳統(tǒng)老房的屋面以木結(jié)構(gòu)為主，在檁條上鋪設(shè)木板或蘆柴（將蘆葦加工成柴子），再在其上鋪泥灰，緊接著就掛瓦。這樣的做法導(dǎo)致屋面防水性能差，每年夏季多雨季節(jié)都需要上房修繕。

（2）房屋墻體結(jié)構(gòu)簡單。居民住宅中，墻體構(gòu)造除了基礎(chǔ)墻體材料，只設(shè)置砂漿和涂料飾面層，保溫隔熱和防潮性能差，也很容易出現(xiàn)墻體外表面表皮脫落的現(xiàn)象，如圖2、圖3所示。

圖2 墻體表面受到侵蝕

圖3 墻體表皮脫落

（3）窗戶熱工性能差。窗戶結(jié)構(gòu)主要分為窗框和窗面2部分。傳統(tǒng)鄉(xiāng)土民居住宅的窗框大多采用木質(zhì)材料，不設(shè)置遮陽與擋雨結(jié)構(gòu)。如此受到長時間的日照與風(fēng)雨侵蝕后，損壞嚴(yán)重。并且由于窗框直接插縫于磚石之中，僅做簡單粘合，極易出現(xiàn)裂縫、變形（見圖4），本身窗戶構(gòu)造的密封性能較差。窗面的材料一般為單片透明玻璃，厚度在3～5 mm，其傳熱系數(shù)與透光率高、遮陽系數(shù)低。

圖4 窗框松散

2.2 鄉(xiāng)村居民自建房

目前，農(nóng)村自建房能夠體現(xiàn)傳統(tǒng)民居特色的不多，大多混合了新中式與歐式風(fēng)格，甚至部分居民直接做成花園洋房的形式。墻面上鋪貼瓷磚，屋頂以白色、黃色、紅色和灰色為主，采用傳統(tǒng)坡屋頂。有的居民自建房則偏于簡單粗糙，為了擴(kuò)大房屋使用面積，在建筑二層或原有建筑旁邊搭建小型房屋，多以鋼板為主要材料，其最大的特點為白色的鋼板墻面與藍(lán)色的鋼板屋頂；有的居民為了追求華麗、氣派，建造時選用大面積落地窗、飄窗和寬大的門，如圖5所示。

圖5 農(nóng)村自建房現(xiàn)狀樣式

在窗戶的建造上，出現(xiàn)藍(lán)色玻璃和綠色玻璃，尺寸與形式不一；窗框材料的選擇也以塑料和金屬為多。圍護(hù)結(jié)構(gòu)總體存在以下問題：

（1）花園洋房式新住宅窗墻比過大，超過了JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定（見表2），同時只采用普通透明玻璃或有色玻璃，導(dǎo)致房屋熱工性能較差。

表2 不同朝向外窗的窗墻比限值

（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)中用材不統(tǒng)一，常常出現(xiàn)各種形式材料混合拼湊的情況，由于材料之間傳熱系數(shù)等物理性能存在差異，容易出現(xiàn)熱橋現(xiàn)象。

3 原有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中適應(yīng)氣候條件的構(gòu)造設(shè)計

上述現(xiàn)狀中，農(nóng)村居民自建房所存在的問題歸結(jié)為建造者在建筑規(guī)范和建筑節(jié)能上意識不到位，而老舊建筑的設(shè)計和建造受地區(qū)氣候影響較深，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差主要歸結(jié)于當(dāng)時建造技術(shù)、經(jīng)濟(jì)水平、材料種類少等條件限制，以及沒有得到良好修繕處理等原因，但部分建造設(shè)計在綠色節(jié)能優(yōu)化策略的研究中具有一定的借鑒意義。

3.1 蘆柴在屋頂上的應(yīng)用

鹽城地區(qū)蘆葦資源豐富，取材方便，經(jīng)濟(jì)成本低，因此被大量加工成蘆柴應(yīng)用于屋面。蘆柴的使用很大程度上決定了鄉(xiāng)土民居屋頂?shù)臉邮健捎谔J柴筆直不可彎折，所以屋面線條平直[5]；為了避免蘆柴外露沾雨吸水，屋面建造無挑檐，而是磚石傾斜一定角度形成三角形，如此疊澀壓檐（見圖6）。施工時，直接在檁條上鋪設(shè)而不設(shè)置椽子，因此檁條之間距離比使用椽子時的距離要小，以防蘆柴出現(xiàn)變形。鋪設(shè)蘆柴之后，再鋪上泥灰，泥灰上掛瓦[6]，如圖7、圖8所示。由于蘆葦桿本身是封閉空腔，制作成一束束蘆柴后緊密排布在屋頂上，有天然保溫隔熱的效果，相較于普通屋頂中檁條加椽子的構(gòu)造更加輕盈。蘆柴屋頂?shù)娜秉c在于易燃、易腐蝕。

圖6 疊澀壓檐

圖7 蘆柴屋面

圖8 屋面結(jié)構(gòu)示意

3.2 墻體的建造設(shè)計

3.2.1 墻基采用青石

鹽城近半數(shù)地區(qū)為灘涂或后成陸土地，鹽堿程度嚴(yán)重。這些地區(qū)的居民在建造房屋時，常采用青石做墻基，如圖9所示，地表以上的石基高度一般在30～50 mm，而后在其上砌磚，墻厚小于石基厚。這類民居建筑不設(shè)置建筑臺基，室內(nèi)外高差小，一般在5～10 mm。鹽城地區(qū)水域眾多，河流交錯，不少建筑臨河而建，這些建筑的石基高度達(dá)1 m以上，如圖10所示。石基的用料為常見石材，種類較多。由于石料的性質(zhì)區(qū)別，有的石基受腐蝕風(fēng)化嚴(yán)重，有的保存還較為完好。

圖9 普通住宅青石基

圖10 沿河住宅石基

3.2.2 空斗墻的運用

鹽城地區(qū)地震災(zāi)害少，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速值為0.10 g，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)建筑的墻體有大量使用空斗墻的情況。過去使用空斗墻一般都是該用戶受到經(jīng)濟(jì)條件的制約，為了節(jié)省材料而不得已采用的做法，并未意識到空斗墻因為中空而具有較好的保溫隔熱作用。

4 新型鄉(xiāng)土民居建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案

結(jié)合現(xiàn)有研究成果，總結(jié)近年來主被動綠色建筑技術(shù)與這些技術(shù)的流行度及節(jié)能效果后發(fā)現(xiàn)[7-8]，被動式低能耗建筑的研究大致分為建筑能耗影響因子分析對比、被動式低能耗建筑設(shè)計分析、室內(nèi)熱環(huán)境、機電設(shè)備選擇和可再生能源利用等方面。在被動式綠色節(jié)能技術(shù)氣候適應(yīng)性圍護(hù)結(jié)構(gòu)與建筑遮陽技術(shù)流行度強，節(jié)能效果更為可觀（見表3）；主動式節(jié)能技術(shù)中，地水源熱泵與建筑智能化技術(shù)流行度高，效果好，但實施難度更大。根據(jù)鹽城地區(qū)的農(nóng)村建筑優(yōu)化需充分考慮冬季采暖與夏季防熱的要求，夏季還需利用季風(fēng)條件，通過自然通風(fēng)降溫下進(jìn)行的情況。本文則以被動式節(jié)能技術(shù)為主要入手點，主張結(jié)合鹽城地區(qū)自身建筑材料、氣候環(huán)境、室內(nèi)熱環(huán)境原理共同作用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、材料，以創(chuàng)造人在室內(nèi)的舒適感受[9]，從而構(gòu)建新型鄉(xiāng)土民居建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

表3 綠色節(jié)能方法及效果總結(jié)

4.1 屋頂優(yōu)化

現(xiàn)今常見的屋頂綠色節(jié)能形式分為3種：種植屋面、通風(fēng)屋面和蓄水屋面[10-11]。由于鹽城地區(qū)房屋的傳統(tǒng)屋頂形式均為人字形兩面坡屋頂，所以將蓄水屋頂排除于考慮范圍之內(nèi)，優(yōu)化改造的重點置于屋面的綠化種植和通風(fēng)設(shè)計上。綠化屋頂適應(yīng)鹽城地區(qū)夏熱冬冷的特點，夏季炎熱時，茂密的植物可以阻隔太陽光與太陽輻射，從而減少建筑與外界環(huán)境的熱傳遞，并利用植物的蒸騰作用降低屋頂溫度，也有利于減少濕度；冬季植物凋零，使屋頂重新直接接觸陽光。因此，在屋面的節(jié)能優(yōu)化中，提倡使用“通風(fēng)兩面坡屋頂”和“綠化平屋頂”2種形式。由于綠化屋頂?shù)募夹g(shù)已經(jīng)較為成熟，運用于多處，本文不多贅述。

根據(jù)蘆柴在鹽城地區(qū)的優(yōu)勢，繼續(xù)采用蘆柴作為屋頂?shù)膰o(hù)材料，易燃的缺點可以通過對蘆柴進(jìn)行加工來解決；解決易腐蝕的問題，則需要提高屋頂防水性能，但過去的建造技術(shù)往往達(dá)不到防水要求，蘆柴吸水鎖水從而受到腐蝕，沾水后使用壽命大打折扣，需將防水層置于保溫層上，隔離蘆柴與外部環(huán)境，避免蘆柴吸水導(dǎo)致保溫性能下降[12]。鹽城地區(qū)以五檁梁架房屋居多，以此為例，優(yōu)化方式為用支架撐起另一塊屋面，中間為30 mm高空氣間層，間層下的屋面在中間立柱兩端各開800 mm×600 mm的洞口。其中，間層上下蘆柴的位置分別位于支架上端與檁上，裸露可見。優(yōu)化改造前房屋通風(fēng)不通暢，僅僅通過正門與窗戶遠(yuǎn)不能滿足夏季通風(fēng)要求。設(shè)置空氣間層以后，一方面，能夠利用空氣間層緩解太陽直射，形成二次傳熱，使屋面得到直接的降溫；另一方面，當(dāng)存在這樣的空氣間層時，屋內(nèi)外的風(fēng)熱壓起作用，使空氣流動，并帶走屋內(nèi)的熱量，形成涼爽的自然風(fēng)。由于空氣間層上下屋板均鋪蓋蘆柴，保溫隔熱性能進(jìn)一步增強?？紤]到冬季寒風(fēng)侵入，可以再在檐下設(shè)置電動擋板，需要時啟動擋板，將洞口封上，如圖11展現(xiàn)出優(yōu)化前后房屋的通風(fēng)效果，從而優(yōu)化的通風(fēng)屋頂既能夏季隔熱又能冬季保溫。

圖11 屋頂優(yōu)化前后對比

4.2 墻體優(yōu)化

如需保留鹽城地區(qū)鄉(xiāng)土民居建筑原有的風(fēng)貌特色，在不改變建筑物墻體外觀的條件下，無法使用傳統(tǒng)外墻外保溫的做法。因此優(yōu)化改造只可在外墻內(nèi)保溫和外墻自保溫方案上進(jìn)行選擇。鄉(xiāng)土民居的建造材料種類多，應(yīng)用木材、磚材和天然石材等，使用內(nèi)保溫構(gòu)造極易在門窗、梁、板、柱等處出現(xiàn)熱橋，在冬季易發(fā)生內(nèi)表面冷凝結(jié)露現(xiàn)象[13]。因此，內(nèi)保溫構(gòu)造僅適用于對既有傳統(tǒng)鄉(xiāng)土民居建筑的維護(hù)修繕上[14]。在墻體自保溫構(gòu)造的研究中，近年來秸稈磚[15]在墻體材料中應(yīng)用的研究成果較多。秸稈磚是以秸稈為主要原料生產(chǎn)的，一般以草磚[16]為主體，通過表面抹灰來提升防火、防潮性能。針對鹽城地區(qū)而言，蘆柴與秸稈相似，也可以應(yīng)用于磚石的生產(chǎn)中。為了保證不改變建筑物外觀，對蘆柴、秸稈的應(yīng)用應(yīng)該有區(qū)別于傳統(tǒng)打壓緊實處理的草磚形式，而是將其進(jìn)行研磨處理，作為一種添加劑按照一定的比例摻入磚石原料中，燒制形成輕質(zhì)磚材[17-18]。這樣的輕質(zhì)磚材具有較好的保溫隔熱、吸聲性能，且由于結(jié)構(gòu)特性抗震級別提高，屬于綠色環(huán)保建材，如圖12所示。

圖12 秸稈建材

同時根據(jù)鹽城地區(qū)鄉(xiāng)土民居的建造特點，可以繼續(xù)空斗墻的應(yīng)用，空斗墻的主要砌筑方式主要有一眠一斗、一眠二斗、一眠三斗和無眠空斗4種形式，如圖13所示，其中單位用磚量從左到右依次減少，因此后者的堅固性較前者更差，但墻體中的空氣層更多，保溫隔熱性更好。由于空斗墻的結(jié)構(gòu)性能欠佳，建造時去除無眠空斗的形式，而采用實體墻與空斗墻相結(jié)合的方式，以增強墻體的堅固性。

圖13 空斗墻的4種形式

4.3 窗戶優(yōu)化

4.3.1 窗戶材料性能對建筑能耗的影響

窗戶的節(jié)能主要有傳熱系數(shù)、氣密性和光熱等性質(zhì)。傳熱系數(shù)是衡量溫差導(dǎo)致的熱流量指標(biāo)，窗戶的傳熱系數(shù)越大，則隔熱性能越差，能耗就越大。夏季白天，外窗主要通過太陽光與太陽輻射獲得熱能，使室內(nèi)升溫，其中輻射帶來的熱量一部分透過玻璃直接進(jìn)入，一部分被窗戶吸收后再以輻射和對流的方式再傳入室內(nèi)。冬季太陽輻射較弱，室內(nèi)溫度高于室外，外窗的能耗主要通過窗戶熱傳遞而產(chǎn)生的能耗和空氣滲透的能耗[19-20]。因此，窗戶的隔熱性能和氣密性是直接影響建筑室內(nèi)熱環(huán)境的重要因素，而影響窗戶隔熱性能與氣密性的主要因素是窗框及窗面材料的光熱性能（見表4、表5）。此外，窗戶的形狀、位置也是綠色優(yōu)化過程中需要考慮的因素。

表4 幾種常見窗玻璃的光熱參數(shù)

表5 各種門窗框材性能比較

4.3.2 窗戶的優(yōu)化設(shè)計

針對窗戶，應(yīng)通過降低外窗傳熱系數(shù)、避免太陽輻射、減少空氣對流等措施有效地減少熱量損失。所以，建筑物外窗的節(jié)能可以從調(diào)控傳熱系數(shù)、可見光透過率、氣密性和遮陽系數(shù)等方面入手。對于門窗的開啟方式應(yīng)采用平開方式。推拉門窗在窗框下滑軌來回滑動，有滑輪的空隙，窗扇上下形成明顯的對流交換，冷、熱空氣的對流形成較大的熱損失。對流的大小、熱損失的大小和窗扇空間大小成正比，用任何隔熱型材做窗框都不能達(dá)到節(jié)能效果。

結(jié)合表5的數(shù)據(jù)來看，窗戶的優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)使用中空玻璃和木材窗框，并且進(jìn)行一定的遮陽設(shè)計，以保證不改變建筑外觀的同時達(dá)到節(jié)能減排的效果。遮陽設(shè)施分為內(nèi)遮陽和外遮陽2種，內(nèi)遮陽一般是安裝窗簾、紗幕；傳統(tǒng)的外遮陽設(shè)施主要是遮陽板、百葉窗、綠化遮陽等。外遮陽設(shè)施可調(diào)節(jié)性小，并且在結(jié)合高性能中空玻璃窗戶的設(shè)計之后，遮陽設(shè)施對夏季室內(nèi)熱環(huán)境改善的貢獻(xiàn)率降低，因此，應(yīng)該考慮適當(dāng)弱化遮陽設(shè)施的功能，增強其美觀效果，具體考慮為平開窗格柵并與玻璃分開。

5 結(jié)語

根據(jù)鹽城地區(qū)的氣候特點，研究了該地區(qū)鄉(xiāng)土民居建筑中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特征，分析現(xiàn)有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中影響建筑熱環(huán)境的因素，結(jié)合部分原有的建材和構(gòu)造，提出新型綠色節(jié)能設(shè)計手法。在對現(xiàn)有鄉(xiāng)土民居綠色優(yōu)化研究時，應(yīng)該主要分為2個方向：對于急需修繕的老舊建筑而言，改造過程中應(yīng)盡量保留其原有特色，保護(hù)并傳承鹽城地區(qū)的地區(qū)風(fēng)貌；其次，在此基礎(chǔ)上結(jié)合原有的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計手法，進(jìn)行相應(yīng)的綠色節(jié)能優(yōu)化。對于年代較近的自建房，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)在構(gòu)造上的改造有一定的局限性，可以考慮較為保守的優(yōu)化方式，如設(shè)計植被綠化。在未來鄉(xiāng)村振興的建筑建設(shè)上，提出的新型鄉(xiāng)村綠色優(yōu)化建設(shè)思路主要分為2大部分：使用當(dāng)?shù)卦牧咸J葦，對屋頂和墻體進(jìn)行改造；大量利用“空氣層”。封閉的空氣層具有優(yōu)良的保溫隔熱性能，大量使用在建筑中能有效優(yōu)化建筑室內(nèi)的熱工性能。