蘭州傳統(tǒng)民居與新式民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境對比研究

劉奔騰,溫萬元

(1.蘭州理工大學(xué)設(shè)計藝術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2.東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點實驗室西北中心,甘肅 蘭州 730050)

隨著我國鄉(xiāng)村振興政策的提出,鄉(xiāng)村傳統(tǒng)民居與新式民居室內(nèi)熱環(huán)境成為諸多學(xué)者的研究重點。文獻(xiàn)[1-6]中研究了陜西、寧夏、西藏等多地民居的室內(nèi)熱環(huán)境,為西北地區(qū)的相關(guān)研究建立了基礎(chǔ);楊真靜等[7]對重慶江津區(qū)龍?zhí)链搴煌撩窬舆M(jìn)行了溫、濕度測試,發(fā)現(xiàn)夏季室內(nèi)熱環(huán)境要優(yōu)于冬季;李效梅等[8]發(fā)現(xiàn)貴州傳統(tǒng)石木結(jié)構(gòu)民居傳熱系數(shù)、建筑能耗等指標(biāo)不滿足當(dāng)?shù)氐囊?guī)范要求,因此提出了相應(yīng)的改善措施;鄭銳鋒等[9]通過對浙西南地區(qū)丹址村典型民居的室內(nèi)熱環(huán)境實測、滿意度調(diào)查研究,提出了基于氣候適應(yīng)性的設(shè)計策略;鄭文亨等[10]分別測試了桂北山區(qū)舊民居與新民居的夏、冬季環(huán)境參數(shù),發(fā)現(xiàn)新舊民居室內(nèi)熱環(huán)境并沒有顯著差異,但整體而言,夏季濕環(huán)境均優(yōu)于冬季;Allinson等[11]發(fā)現(xiàn)使用穩(wěn)定夯土(SRE)能夠明顯降低室內(nèi)相對濕度的波動;Cardinale等[12]基于實測數(shù)據(jù)評價了意大利南部的兩類鄉(xiāng)土建筑室內(nèi)熱環(huán)境舒適度。

蘭州地處黃土高坡的重要節(jié)點,其傳統(tǒng)民居受到西北文化、氣候因素的影響,表現(xiàn)出獨特的地域特點[13]。李金平等[14]對蘭州落地炕與架空炕農(nóng)房室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了對比研究,發(fā)現(xiàn)架空炕房間室內(nèi)平均溫度高于落地炕房間。近年來隨著鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,大量的磚瓦式新民居逐漸成為鄉(xiāng)村民居的重要組成。部分學(xué)者也對蘭州地區(qū)新式民居室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了相關(guān)研究,如吳永誠等[15]基于Ecotect軟件對蘭州鄉(xiāng)村被動式太陽房進(jìn)行了模擬優(yōu)化。根據(jù)相關(guān)研究分析,蘭州冬季寒冷的氣候特征對民居室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響,但有關(guān)傳統(tǒng)民居與新式民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境對比的文獻(xiàn)數(shù)量較少。研究基于實測數(shù)據(jù)對比分析蘭州青城古鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居與新式民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境的特點,并結(jié)合軟件模擬探明影響因素,提出了各自的改善措施,為蘭州地區(qū)鄉(xiāng)村民居室內(nèi)熱環(huán)境的相關(guān)研究提供了參考和依據(jù)。

1 實測對象及方案

1.1 實測建筑概況

青城古鎮(zhèn)位于甘肅省蘭州市榆中縣,是甘肅省保存較為完整的國家級歷史文化名鎮(zhèn)。當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)民居為典型的夯土墻建筑,新建民居多為磚混結(jié)構(gòu)。通過前期調(diào)研,在村中選取了建筑體量相近,具有代表性的傳統(tǒng)民居及新式民居各一棟,兩棟民居建筑現(xiàn)狀如圖1所示,建筑概況如表1所列。

圖1 現(xiàn)狀照片

表1 建筑概況對比

1.2 實測方案

為了分析傳統(tǒng)民居與新式民居室內(nèi)熱環(huán)境的現(xiàn)狀及特點,選擇冬季典型時段對室內(nèi)外溫、濕度進(jìn)行實測。實測樣本為傳統(tǒng)民居主、次臥與新式民居主、次臥,共4個房間。測量時間選定為2020年12月25日19:00—12月29日19:00,該實測采用晝夜不間斷測量,時間間隔為15 min。為了控制相對誤差,在測量前已對自記式溫、濕度儀器進(jìn)行校準(zhǔn),并參考《建筑熱環(huán)境測試方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]中的建議選擇合適的測點,將儀器置于距地面1～1.5 m的高度范圍。建筑平面及測點布置如圖2所示。

圖2 平面圖及測點圖

2 兩種民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境對比分析

2.1 室外參數(shù)

此次測量時間是當(dāng)?shù)啬隁鉁剌^低階段,實測期間天氣多為陰天。所測傳統(tǒng)民居與新式民居冬季室內(nèi)外溫、濕度變化如圖3所示。對比圖3的室外溫、濕度曲線,發(fā)現(xiàn)實測期間室外溫度整體穩(wěn)定地呈周期性變化,相對濕度總體呈現(xiàn)與溫度相反的周期性變化,但變化較為波動。測量期間室外最高溫度3.2 ℃,對應(yīng)時間12月26日16:30;最低溫度-11.5 ℃,對應(yīng)時間12月27日7:30;平均溫度-5.9 ℃。室外最高相對濕度72%,對應(yīng)時間12月29日9:15;最低相對濕度24.1%,對應(yīng)時間12月26日16:30;平均相對濕度43.1%。

圖3 冬季室內(nèi)外溫、濕度變化

2.2 冬季室內(nèi)熱環(huán)境對比分析

初步分析圖3中傳統(tǒng)民居與新式民居冬季室內(nèi)溫度的變化曲線,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)民居與新式民居主臥的室內(nèi)溫度明顯高于次臥,這是因為兩種民居主臥均有火爐供熱,而次臥使用頻率較低,均無供暖設(shè)備。在12月25日19:00—12月27日7:00期間,新式民居主臥供暖力度較低,室內(nèi)溫度便明顯低于傳統(tǒng)民居主臥。綜合分析說明,供暖設(shè)備能夠明顯地提高室內(nèi)溫度,且供暖力度對室內(nèi)溫度影響較大。進(jìn)一步分析傳統(tǒng)民居與新式民居次臥的溫度變化曲線,發(fā)現(xiàn)在無供暖設(shè)備的情況下,新式民居室內(nèi)溫度整體高于傳統(tǒng)民居。初步分析是因為傳統(tǒng)民居門窗材質(zhì)落后、工藝簡陋,造成建筑密封性較差,無法抵擋冬季的冷風(fēng)滲入,進(jìn)而導(dǎo)致了室內(nèi)溫度較低。

節(jié)選傳統(tǒng)民居與新式民居室內(nèi)供熱力度相近的時間段,對各房間室內(nèi)溫、濕度相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了具體的對比分析。12月27日10:00—12月28日10:00期間,傳統(tǒng)民居與新式民居室內(nèi)溫、濕度指標(biāo)如表3所列。

表3 節(jié)選冬季室內(nèi)外溫、濕度指標(biāo)

表3對比了各房間溫度、相對濕度的平均值及波動情況,發(fā)現(xiàn)有供暖設(shè)備的房間室內(nèi)溫度要高于無供暖房間;新式民居的室內(nèi)溫度要高于傳統(tǒng)民居,但傳統(tǒng)民居室內(nèi)溫、濕度波動比新式民居更為穩(wěn)定;同時,各房間相對濕度均小于40%，說明傳統(tǒng)民居與新式民居室內(nèi)空氣都偏干燥,應(yīng)注意為室內(nèi)空間加濕,以改善室內(nèi)濕度環(huán)境。

3 室內(nèi)熱環(huán)境改善措施

3.1 影響因素重要性分析

為了進(jìn)一步研究并討論傳統(tǒng)民居與新式民居的優(yōu)缺點及改進(jìn)措施,研究使用Ecotect Analysis模擬軟件對兩種民居在自然通風(fēng)工況下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的失熱、通風(fēng)失熱及區(qū)域間失熱進(jìn)行模擬,并計算單位面積失熱量。通過分析建筑失熱情況,探明了傳統(tǒng)民居與新式民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境的影響因素,并提出相對應(yīng)的改善措施。

建筑單位面積全年失熱量如表4所列。表4數(shù)據(jù)顯示:傳統(tǒng)民居與新式民居失熱最多的部分為圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱,其次為空氣滲透失熱及區(qū)域內(nèi)失熱。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)民居與新式民居的熱工性能各有優(yōu)劣。傳統(tǒng)民居建筑門窗等密封性較差,造成空氣滲透失熱較多,單位面積失熱量達(dá)66.71 kWh/m2,是新式民居的4倍;新式民居由于墻體導(dǎo)熱系數(shù)較高,導(dǎo)致與圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱較多,單位面積失熱量達(dá)892.66 kWh/m2,是傳統(tǒng)民居的2.7倍。因此，兩種民居都應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。

表4 建筑失熱情況

3.2 室內(nèi)熱環(huán)境改善措施

(1) 傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境改善措施 根據(jù)實測數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居在室內(nèi)沒有供暖設(shè)備的情況下,冬季平均溫度僅為2.0 ℃,室內(nèi)舒適度無法滿足居民需求,需要進(jìn)行改善。結(jié)合軟件的模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)民居空氣滲透失熱量較高,說明建筑無法有效地隔絕室外冷空氣的滲入,這是導(dǎo)致傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)溫度偏低的重要原因。通過對當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居的實況調(diào)研,建議從以下方面進(jìn)行改進(jìn):

① 改進(jìn)傳統(tǒng)民居的門窗材料,將原本的塑料布、窗戶紙改進(jìn)為玻璃材料,并加強(qiáng)木門的密封性,提高建筑隔絕冷空氣的能力；

② 為正面木質(zhì)墻體加裝保溫隔熱層,以降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)、提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性,從而優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)及空氣滲透失熱情況。

(2) 新式民居室內(nèi)熱環(huán)境改善措施 新式民居的建造使用了更好的建筑材料及工藝,能夠提升建筑整體的密封性,有效地防止空氣滲透失熱。但實測數(shù)據(jù)及軟件模擬結(jié)果表明,新的墻體材料導(dǎo)熱系數(shù)較高,導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量較大,使新式民居室內(nèi)溫、濕度的變化不如傳統(tǒng)民居穩(wěn)定。應(yīng)當(dāng)從以下角度對新式民居墻體進(jìn)行改進(jìn):

① 在原有墻體的基礎(chǔ)上,加設(shè)保溫隔熱板,降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體的導(dǎo)熱系數(shù)；

② 選擇導(dǎo)熱系數(shù)更低的墻體材料,如加氣混凝土等,其具有良好的保溫性能,導(dǎo)熱系數(shù)為黏土磚的1/5～1/4，能夠有效地降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱,提高室內(nèi)熱環(huán)境舒適度。

4 結(jié)論

通過對比分析蘭州青城古鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居與新式民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境實測數(shù)據(jù)及軟件模擬結(jié)果,得出以下結(jié)論:

(1) 借助夯土材質(zhì)的熱穩(wěn)定性優(yōu)勢,蘭州地區(qū)傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境變化比新式民居更為穩(wěn)定。

(2) 新式民居冬季室內(nèi)溫度高于傳統(tǒng)民居,但二者都需要設(shè)置供暖設(shè)備,才能達(dá)到較為舒適的溫度范圍。

(3) 傳統(tǒng)民居與新式民居冬季室內(nèi)空氣較為干燥,應(yīng)設(shè)置加濕設(shè)備以提高室內(nèi)相對濕度,改善室內(nèi)濕度環(huán)境。

(4) 蘭州地區(qū)傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境的改善應(yīng)該從提高建筑門窗密封性、正面木質(zhì)墻體保溫隔熱性兩個方面進(jìn)行;新式民居的改善應(yīng)該從加裝墻體保溫隔熱材料,或選擇導(dǎo)熱系數(shù)更好的墻體材料這兩個角度進(jìn)行。