中東鐵路住宅熱環(huán)境及氣候響應(yīng)措施研究

伍正文， 張姍姍， 武悅

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150006）

0 引言

傳統(tǒng)民居通過(guò)歷史的洗禮，映射出不同的文化和智慧，擁有較高的藝術(shù)和科學(xué)研究?jī)r(jià)值。目前，對(duì)傳統(tǒng)民居的相關(guān)研究大多側(cè)重于分析民居的形態(tài)特征，挖掘民居的生態(tài)體驗(yàn)，并提出相應(yīng)的改造策略。T Kesavaperumal［1］及 Bodach，S［2］分別對(duì)印度和尼泊爾的傳統(tǒng)民居進(jìn)行踏勘和實(shí)測(cè)，得到民居中蘊(yùn)含的氣候響應(yīng)策略；劉盛等［3，4］通過(guò)對(duì)湘西民居實(shí)地調(diào)研和夏冬季節(jié)熱環(huán)境實(shí)測(cè)，探討了不同被動(dòng)式節(jié)能措施的適應(yīng)性；朱佳音等［5］對(duì)海達(dá)爾地區(qū)傳統(tǒng)民居進(jìn)行調(diào)研和熱環(huán)境實(shí)測(cè)分析，提煉出海達(dá)爾地區(qū)傳統(tǒng)民居的氣候響應(yīng)策略；劉珊珊等［6］對(duì)中東鐵路歷史建筑進(jìn)行調(diào)研分析，總結(jié)出了中東鐵路歷史建筑在建筑形態(tài)及地形地貌結(jié)合等適應(yīng)性策略。

綜上可知，對(duì)傳統(tǒng)民居的研究主要側(cè)重于民居中富含的生態(tài)經(jīng)驗(yàn)和被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)措施，建筑室內(nèi)熱環(huán)境研究多側(cè)重于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及軟件模擬，對(duì)于中東鐵路歷史建筑的研究中多側(cè)重于建筑形態(tài)布局的探索，關(guān)于中東鐵路住宅氣候響應(yīng)措施及室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)研究相對(duì)較少。然而中東鐵路住宅伴隨著歷史的發(fā)展而呈現(xiàn)出鮮明的區(qū)域特色［7］，且現(xiàn)存的中東鐵路住宅大部分被列為國(guó)家文物保護(hù)單位，蘊(yùn)含的氣候響應(yīng)措施和生態(tài)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)當(dāng)今建筑的可持續(xù)發(fā)展有著重要的借鑒價(jià)值。因此文中通過(guò)對(duì)鎮(zhèn)北村42棟中東鐵路住宅進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，選取典型住宅進(jìn)行熱環(huán)境實(shí)測(cè)，歸納總結(jié)其形成原因及影響因素，為未來(lái)中東鐵路住宅的保護(hù)更新提供參考。

1 氣候響應(yīng)措施

1.1 氣候特點(diǎn)

鎮(zhèn)北村其基本氣候特征為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其特點(diǎn)為：春季溫低，降水少；夏季溫?zé)?，雨水多；秋季霜早，降溫快；冬季寒冷，時(shí)間長(zhǎng)。依據(jù)中國(guó)典型氣象年數(shù)據(jù)［8］，鎮(zhèn)北村全年有5個(gè)月在0℃以下，全年平均氣溫為2.5℃，最冷月平均氣溫為-20.2℃，其中7月份溫度最高，均值為21.6℃。年降水量達(dá)652.2mm，全年日照時(shí)長(zhǎng)在2450～2600h之間，全年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為4400mJ/m2。

1.2 鎮(zhèn)北村俄式民居現(xiàn)狀

歷經(jīng)百年滄桑的中東鐵路，是西方列強(qiáng)殖民的過(guò)程中，由沙俄主導(dǎo)修建的鐵路線，其中一面坡站為中東鐵路線二等站之一，鎮(zhèn)北村在一面坡站北部，地處于黑龍江省哈爾濱市尚志市中部，是東北地區(qū)具有結(jié)構(gòu)種類(lèi)及數(shù)量最多的中東鐵路住宅的傳統(tǒng)村落。現(xiàn)存的中東鐵路住宅有磚木、木板貼面和木刻楞3種結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中木刻楞僅存1棟，磚木31棟，木板貼面10棟，分布位置如圖2所示。

圖1 典型代表民居圖示

圖2 鎮(zhèn)北村俄式民居分布現(xiàn)狀

1.3 中東鐵路住宅蘊(yùn)含的氣候響應(yīng)措施

1.3.1 建筑布局及朝向

為減少?lài)?yán)寒地區(qū)氣候因素對(duì)建筑的影響，中東鐵路住宅多坐北朝南，且進(jìn)深一般較小，在建筑平面布局上以“一字型”為主，且建筑的體形系數(shù)一般在0.45以下，客廳、主臥等主要房間一般布置在建筑南側(cè)，以獲得良好的采光及日照；廚房、衛(wèi)生間等次要房間一般布置在建筑北向，廚房往往位于中部，做飯的余熱可以為建筑供暖如圖3所示。且居民一般會(huì)在建筑周?chē)纬勺约旱莫?dú)立小院，種植果樹(shù)等綠化植物，形成熱緩沖區(qū)，從而減少室外環(huán)境變化對(duì)室內(nèi)的影響。

圖3 典型代表住宅B02木板貼面住宅平面圖

1.3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

（1） 毛氈門(mén)窗。中東鐵路住宅入戶(hù)門(mén)均采用雙層木門(mén)，窗戶(hù)多采用雙層窗扇外設(shè)板門(mén)的構(gòu)造，且為了室內(nèi)能夠最大限度的接收陽(yáng)光，部分住宅采取“外收內(nèi)放”的喇叭窗形式。同時(shí)為了減少冷風(fēng)滲透，建筑在門(mén)、窗與墻體之間縫隙處設(shè)置密封條或填充毛氈，增強(qiáng)門(mén)窗的氣密性，且在冬季期間，窗戶(hù)內(nèi)部或外部增設(shè)塑料膜，在入戶(hù)門(mén)區(qū)域增設(shè)棉門(mén)簾等措施提升室內(nèi)的保溫性能。

（2） 通風(fēng)氣窗。為了防止屋架因悶熱、潮氣等影響，造成保溫層霉變或屋面結(jié)構(gòu)腐朽，提升屋面結(jié)構(gòu)的耐久性，中東鐵路住宅常會(huì)在屋脊正下方或屋面上方設(shè)置通風(fēng)的氣窗，且通常保持開(kāi)放的狀態(tài)。氣窗的形態(tài)多樣，分為屋頂式老虎天窗、屋頂凸起式天窗、山墻式氣窗三類(lèi)［9］。

（3） 外墻構(gòu)造。為提升民居的保溫隔熱效果，住宅中多采用較厚的墻體。其中木刻楞住宅外墻厚450mm，由平均直徑350mm，可利用高度260mm上下堆疊的圓木采用凹凸榫卯相連組合成立面，并運(yùn)用生石灰水浸泡的麻、毛繩等材料填充［10］；木板貼面住宅外墻厚360mm，內(nèi)部采用150mm厚的方木堆積形成骨架，內(nèi)壁采用30～40mm的灰條，灰條外部采用石灰抹面，且骨架外部采用近20mm厚的毛氈增強(qiáng)墻體的氣密性，然后外部采用30～40mm的灰條，最后在外部采用60mm厚的木板進(jìn)行貼面裝飾；磚木住宅外墻厚700mm，內(nèi)墻采用水泥砂漿石灰抹面，外墻涂飾黃色顏料，建筑整體色彩呈現(xiàn)暖色調(diào)。

（4） 架空地面。為避免地下濕氣對(duì)木質(zhì)地板的腐蝕，保持地板的干燥，中東鐵路住宅中多采用架空地面的設(shè)計(jì)。按照構(gòu)造形式，分為基本型及復(fù)合型如圖5所示，基本型是在夯實(shí)的地面上運(yùn)用半圓木形成骨架，然后在骨架上搭接60mm厚的木板，形成架空地面的形式，同時(shí)為排除濕氣保證地板的干燥，人們常在素土夯實(shí)的地面上鋪灑石灰、爐渣等材料，并在建筑室外墻面上開(kāi)設(shè)300mm×300mm通氣的孔洞；另一種基本型，則在半圓木骨架的下方增設(shè)多層磚材，提升地板與地面的高度，來(lái)減少室外地面的濕氣的影響。復(fù)合型則是在基本型之上，在半圓木骨架的上方鋪設(shè)雙層60mm厚的木地板，從而形成雙層木地板的構(gòu)造，并在木板上涂上油漆等相關(guān)涂料，增強(qiáng)木地板的抗腐蝕性。

圖4 住宅墻體構(gòu)造

圖5 地面構(gòu)造形式

（5） 悶頂屋面。中東鐵路住宅中以鐵皮坡屋面為主，采用雙坡“人”字形屋頂形式。雙坡斜屋面的形式更有利于雨雪的排放，減少雪荷載對(duì)俄式民居的影響。并且，住宅中通常在人字形屋架下方做吊頂，使“人”字形屋架和水平吊頂之間形成空氣保溫層，俗稱(chēng)“悶頂”如圖6所示，悶頂?shù)脑O(shè)置更有利于屋頂?shù)谋丶跋募靖魺?，并且人們通常在吊頂?shù)纳戏戒佋O(shè)鋸末爐灰等材料，可以形成良好的屋面內(nèi)保溫效果。

圖6 住宅建筑屋頂保溫及悶頂實(shí)例

1.4 緩沖空間的利用

1.4.1 門(mén)斗

為避免冷空氣的直接入侵，人們通常在民居的出入口處增設(shè)一個(gè)小型過(guò)渡性空間，俗稱(chēng)“門(mén)斗”。門(mén)斗的設(shè)置，可以在建筑物的入口處形成雙層外門(mén)的形式，對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的建筑來(lái)說(shuō)，可以較好的隔絕室外的冷空氣，形成室內(nèi)外的緩沖區(qū)域，在大部分的中東鐵路住宅的出入口處，通常都會(huì)增設(shè)一個(gè)或多個(gè)木質(zhì)門(mén)斗。

1.4.2 陽(yáng)光房

陽(yáng)光房，可以利用太陽(yáng)來(lái)調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)的溫度，提升房間內(nèi)部的舒適性。陽(yáng)光房表面玻璃占比較大，在冬季，關(guān)上門(mén)窗，白天像集熱器一樣，吸收并保存太陽(yáng)能，從而提升室內(nèi)的舒適度；在夏季，陽(yáng)光房可以充當(dāng)室內(nèi)外的緩沖區(qū)，當(dāng)把陽(yáng)光房與建筑主體相連的門(mén)窗關(guān)閉時(shí)，室內(nèi)其它區(qū)域就可以保持相對(duì)平穩(wěn)，從而達(dá)到隔熱的效果。

1.5 傳統(tǒng)采暖方式的應(yīng)用

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)中東鐵路住宅采暖方式主要有火墻、火炕加土暖氣和集中采暖等三種形式，其中火炕加土暖氣、集中供暖是目前鎮(zhèn)北村中東鐵路住宅中主要的采暖方式，且燃燒材料主要為煤和木材。

火墻通常是粘土磚立砌而成，通過(guò)利用爐灶產(chǎn)生的熱量而達(dá)到取暖的效果，中東鐵路住宅中為避免室內(nèi)受熱不均而造成熱量損失，火墻多結(jié)合內(nèi)墻設(shè)置，促使建筑內(nèi)部都能享用到火墻的熱量；火炕加土暖氣是東北地區(qū)當(dāng)?shù)鼐用竦膫鹘y(tǒng)采暖方式，通過(guò)內(nèi)部串聯(lián)的橫向、縱向火道延長(zhǎng)煙氣的停留時(shí)間，達(dá)到充分散熱的目的，且火炕的灶口一般與灶臺(tái)相連，通過(guò)利用做飯時(shí)的余熱，提升室內(nèi)的舒適性;集中供暖一般出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代以后，通過(guò)暖氣嵌入墻中，避免了燃料的來(lái)回搬運(yùn)，減少了空間的浪費(fèi)，改善了室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生，最初的鎮(zhèn)北村中東鐵路住宅中沒(méi)有集中供暖，現(xiàn)有的少部分住戶(hù)中的集中供暖均是90年代后期所加。

2 傳統(tǒng)民居熱環(huán)境測(cè)試

2.1 測(cè)試對(duì)象

熱環(huán)境測(cè)試分為兩部分，第一部分探索圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，根據(jù)現(xiàn)存的中東鐵路住宅及夏冬季節(jié)住人狀況分別選取A01木刻楞、B02木板貼面住宅及C19磚木住宅，分別在夏季和初冬進(jìn)行測(cè)試，窗戶(hù)處于開(kāi)放狀態(tài)；第二部分了解不同采暖方式對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，目前鎮(zhèn)北村中東鐵路住宅中除了集中供熱的采暖方式外，大部分均采用火炕加土暖氣的采暖方式，因此根據(jù)采暖類(lèi)型及冬季實(shí)際住人狀況選取寒冬季節(jié)中無(wú)采暖的B02、集中供熱的B03、火炕加土暖氣采暖的B10木板貼面住宅進(jìn)行測(cè)試。

2.2 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器詳見(jiàn)表1，測(cè)試前已對(duì)相關(guān)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)系統(tǒng)與比對(duì)，確認(rèn)角度誤差均在可接受范圍內(nèi)。測(cè)試期間為避免太陽(yáng)輻射及其它長(zhǎng)波輻射造成的不利影響，將溫濕度采集記錄器放置在鋁箔盒中，且與風(fēng)速儀、黑球溫度采集記錄器一并用三角架安置在離水平地面1.5m的位置。

表1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)及儀器參數(shù)

2.3 測(cè)試參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試參數(shù)主要為室內(nèi)外空氣溫濕度、黑球溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等。測(cè)試時(shí)間為夏季的2021年7月6日～2021年7月7日，初冬的2021年11月11日～2021年11月12日及寒冬的2021年12月25日～2021年12月26日，測(cè)試過(guò)程為連續(xù)24h監(jiān)測(cè)。測(cè)試儀器主要放置在起居室、臥室等主要使用空間，具體室內(nèi)外測(cè)點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)位置

3 熱環(huán)境測(cè)試結(jié)果分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響

3.1.1 室內(nèi)空氣溫度分析

由圖8可知，室內(nèi)外空氣溫度變化趨勢(shì)基本一致，由于夏季多變的氣候情況，整體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出多峰值谷值交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，同時(shí)，溫度的總體波動(dòng)趨勢(shì)與室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化基本一致。

圖8 夏冬季節(jié)空氣溫度

室外氣溫受太陽(yáng)輻射影響，波動(dòng)幅度較大，夏冬季節(jié)平均氣溫分別為24.3℃和3.4℃，日較差分別為5.5℃和16.1℃，冬季變化幅度明顯大于夏季。室內(nèi)溫度夏季變化幅度較大冬季較小，木刻楞住宅無(wú)人居住，主要受室外氣溫的影響，平均氣溫為22.5℃，且夏季磚木和木板貼面住宅有炊事活動(dòng)的影響，溫度較高，平均氣溫分別為25.9℃和24.1℃，并且磚木住宅只能南向通風(fēng)，木板貼面住宅南北通風(fēng)，因此磚木住宅溫度最高；而冬季中木刻楞住宅無(wú)人居住，建筑氣密性較差，冬季室內(nèi)溫度最低，平均氣溫8.4℃，磚木住宅和木板貼面住宅平均氣溫分別為12.5℃和11.8℃，整體溫度高于木板貼面住宅0.7℃，可見(jiàn)磚木住宅保暖性能高于木板貼面住宅，但差異較小。然而嚴(yán)寒地區(qū)民用建筑夏季室內(nèi)舒適溫度為22～28℃，冬季主要房間應(yīng)采用18～24℃［11］，由此可知中東鐵路住宅夏季室內(nèi)空氣溫度木刻楞住宅基本滿(mǎn)足舒適度需求；磚木住宅整體溫度相對(duì)較高，未到達(dá)舒適度要求；木板貼面住宅在夜間滿(mǎn)足舒適度要求，白天溫度相對(duì)較高；冬季無(wú)采暖的情況下中東鐵路住宅整體舒適度均較低。

3.1.2 室內(nèi)空氣相對(duì)濕度分析

由圖9可知，室內(nèi)外空氣相對(duì)濕度波動(dòng)幅度基本一致，且空氣溫度與相對(duì)濕度之間呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。室外濕度波動(dòng)幅度較大，夏季濕度大于冬季，但冬季變化幅度大于夏季，夏冬季節(jié)室外濕度均值分別為73.9%和60.2%，日較差分別為23.7%和51.0%；室內(nèi)夏季濕度較大，且波動(dòng)幅度較大，木刻楞、木板貼面及磚木住宅室內(nèi)空氣濕度均值分別為80.2%、71.9%及75.8%，均大于70%，是因?yàn)榫用窠?jīng)常開(kāi)門(mén)窗通風(fēng)，受室外空氣相對(duì)濕度影響較大。初冬季節(jié)室內(nèi)濕度波動(dòng)幅度較小且較為適宜，木刻楞、木板貼面及磚木住宅室內(nèi)空氣濕度均值分別為54.0%、53.3%及51.3%，均在30%～70%舒適度范圍內(nèi)?？梢?jiàn)夏季木刻楞、木板貼面、磚木住宅室內(nèi)空氣相對(duì)濕度較高，不滿(mǎn)足室內(nèi)空氣濕度舒適度要求，需要進(jìn)一步增強(qiáng)建筑室內(nèi)的有效通風(fēng)。

圖9 夏冬季節(jié)空氣相對(duì)濕度

3.2 采暖方式對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響

3.2.1 室內(nèi)空氣溫度分析

由圖10（a）可知，室外溫度較低且波動(dòng)幅度較大，平均氣溫為-21.2℃，日較差為11.0℃，無(wú)采暖情況下室內(nèi)溫度較低波動(dòng)幅度較小，平均氣溫為-6.6℃，日較差為6.2℃，集中供暖下室內(nèi)溫度較為穩(wěn)定波幅較小，平均氣溫為17.2℃，日較差為3.5℃，火炕加土暖氣采暖下住宅受炊事活動(dòng)的影響，呈現(xiàn)波峰波谷交替出現(xiàn)狀況，波動(dòng)幅度較大，平均氣溫為16.4℃，日較差為9.0℃。由此可見(jiàn)寒冬季節(jié)，無(wú)采暖下中東鐵路住宅室內(nèi)溫度過(guò)低，不適宜人居住；集中供熱下室內(nèi)熱環(huán)境波動(dòng)較小，相對(duì)較為穩(wěn)定，整體溫度高于火炕加土暖氣的采暖方式；火炕加土暖氣的采暖方式下受居民炊事活動(dòng)影響較大，波動(dòng)較大，局部時(shí)間點(diǎn)溫度高于集中供熱的采暖方式。

圖10 寒冬空氣溫度及相對(duì)濕度

3.2.2 室內(nèi)空氣相對(duì)濕度分析

由圖10（b）可知，室外濕度較高且波動(dòng)較為劇烈，均值為70.1%，日較差為55.0%。無(wú)采暖下波動(dòng)幅度較少，均值為35.2%，日較差為8.3%；集中供暖下室內(nèi)空氣較為干燥且波動(dòng)幅度最小，均值為20.5%，日較差為6.4%；火炕加土暖氣采暖下濕度較為適宜波動(dòng)幅度最大，均值為47.3%，日較差為18.6%?？梢?jiàn)冬季火炕加土暖氣采暖方式下空氣濕度相對(duì)適宜，基本滿(mǎn)足舒適度要求，集中供熱的采暖方式室內(nèi)較為干燥，需要增強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)，提升室內(nèi)舒適度。

4 結(jié)語(yǔ)

文中以中東鐵路住宅為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地調(diào)研歸納總結(jié)及熱環(huán)境實(shí)測(cè)分析得出如下結(jié)論：

（1） 中東鐵路住宅的氣候響應(yīng)措施主要通過(guò)建筑的合理布局、提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能、鋪設(shè)鋸末爐灰形成悶頂內(nèi)保溫、增設(shè)門(mén)斗及陽(yáng)光房充當(dāng)緩沖區(qū)等措施，改善建筑的室內(nèi)熱環(huán)境。

（2） 通過(guò)分析不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)中東鐵路住宅室內(nèi)熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明磚木住宅的保暖性能優(yōu)于木板貼面和木刻楞住宅，但差異較小。與戶(hù)外強(qiáng)烈的振動(dòng)幅度比較，木刻楞、木板貼面、磚木住宅冬季室內(nèi)分別提升5、8.4℃及9.1℃，夏季室內(nèi)由于炊事活動(dòng)及通風(fēng)的影響，磚木住宅反而相對(duì)室外提升1.6℃、木刻楞和木板貼面住宅分別降低1.8℃及0.2℃，室內(nèi)熱環(huán)境總體上較為平穩(wěn)。中東鐵路住宅在隔熱和圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面具有較大優(yōu)勢(shì)，然而由于空間較為封閉，很容易造成夏季室內(nèi)空氣濕度較大和冬季無(wú)供暖下溫度較低的問(wèn)題。

（3） 通過(guò)分析不同供暖方式對(duì)中東鐵路住宅室內(nèi)熱環(huán)境的影響，可知集中供暖時(shí)室內(nèi)空氣溫度變化范圍為15.2～18.7℃，空氣相對(duì)濕度為18.5%～24.9%，熱環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，供暖均勻，波動(dòng)幅度較小，但相對(duì)干燥；火炕加土暖氣供暖模式下，室內(nèi)空氣溫度變化范圍為12.0～21.0℃，空氣相對(duì)濕度為38.2%～56.8%，室內(nèi)受熱不均，波動(dòng)幅度較大。通過(guò)室內(nèi)熱環(huán)境的實(shí)測(cè)分析，可知優(yōu)化民居平面布局、提升建筑氣密性和增強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)或輔以排風(fēng)設(shè)施是改善中東鐵路住宅室內(nèi)熱環(huán)境的重要途徑。