羌族板屋冬季室內(nèi)熱環(huán)境研究

伏君海，陳彬彬，蔣施岑，趙淇恒，沈桐宇

（西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621002）

0 引言

羌族傳統(tǒng)民居是我國(guó)建筑文化中必不可少的一部分，近年來(lái)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的大力推行，進(jìn)一步推進(jìn)了對(duì)羌族等地傳統(tǒng)民居的研究。羌族是中國(guó)西部最原始的民族之一，歷史悠久、文化豐富，其建筑有中國(guó)建筑的“活化石”之稱[1]。四川桃坪羌寨作為羌族建筑群落的代表之一，具有典型的地域文化特性。

建筑學(xué)領(lǐng)域?qū)η甲灏逦莸难芯考杏诎逦莸膬?nèi)部空間[2-3]、聚落特征[4]與地域文化多樣性保護(hù)[5]等方面。而羌族板屋民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境狀況是如何的？是否滿足當(dāng)?shù)鼐用竦臒崾孢m性要求？民居應(yīng)該如何去適應(yīng)當(dāng)?shù)氐亩練夂颍筷P(guān)于這些問(wèn)題，尚未見學(xué)者進(jìn)行過(guò)具體詳細(xì)的研究，而在鄉(xiāng)村振興的時(shí)代背景下，這些課題已日顯重要。因此，為了探析羌族板屋室內(nèi)建筑熱環(huán)境的狀況，本文通過(guò)對(duì)羌族板屋室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行定量研究和測(cè)試，分析羌族板屋室內(nèi)熱環(huán)境存在的問(wèn)題，從而為改善板屋民居的居住熱環(huán)境、建筑設(shè)計(jì)和節(jié)能設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 研究對(duì)象

1.1 地理位置及氣候特征

理縣桃坪村位于四川省西部，青藏高原東部，阿壩藏族羌族自治州東南緣，全縣境內(nèi)山巒起伏，平均海拔2700m，氣候?qū)偕降匦土Ⅲw氣候，春夏季降水量多，冬季無(wú)霜期短[6]。桃坪村所在地理縣，熱工分區(qū)為夏熱冬冷地區(qū)。海拔、坡向和地形都是影響山地型立體氣候的因素，山地氣候的特征[7]為：①陽(yáng)坡太陽(yáng)輻射值大，氣溫高，變化大，陰坡太陽(yáng)輻射值小，氣溫低，變化??；②迎風(fēng)坡降雨量多于背風(fēng)坡；③山頂、山脊以及峽谷風(fēng)口處風(fēng)速大，盆地、谷底和背風(fēng)處風(fēng)速小。高山上風(fēng)速一般夜間大，白天小，午后最小，而山麓和山谷則相反；④山地上部因氣溫低、云霧多，相對(duì)濕度高于下部，但冬季高山區(qū)有相反情況，山頂冬季云霧較少而相對(duì)濕度小，山谷和盆地相對(duì)濕度日變化大，夜高而晝低，午后最低，山頂相對(duì)濕度日變化一般很小。桃坪羌寨地處谷底，坡向?yàn)橄蜿?yáng)坡、迎風(fēng)坡。故桃坪羌寨太陽(yáng)輻射值大，氣溫高，變化大；風(fēng)速白天大，夜間??；相對(duì)濕度日變化大，夜高而晝低，午后最低。

1.2 羌族傳統(tǒng)民居的特點(diǎn)

根據(jù)李先逵在《四川民居·中國(guó)民居建筑叢書》[8]一書中的描述，羌族民居分為邛籠屋、坡頂板屋、碉樓民居、官寨四類。與碉樓民居[6]和邛籠民居[1]不同，傳統(tǒng)羌族板屋[2]建筑一般不進(jìn)行人畜分離，而是人畜同宅不同層，底層為牛羊圈舍、草料間，中間層住人，頂層儲(chǔ)物；層高較低，室內(nèi)凈高約2.4～2.6m，其建筑總高度一般控制在8m以下；除廁所外，其他功能房間皆緊密組合在一起，圍繞“主室”形成矩形平面；一層墻體通常采用600～800mm厚的片石壘筑，二層2面或3面為石墻，向陽(yáng)的一面采用木結(jié)構(gòu)，三層為全木結(jié)構(gòu)且在山墻面開口，使儲(chǔ)物室具有良好的通風(fēng)，讓食物能長(zhǎng)久存儲(chǔ)。

1.3 測(cè)試對(duì)象概況

本文研究的羌族板屋采用傳統(tǒng)的板屋形式修筑而成（圖1、圖2）。外觀上板屋底層墻體四周外側(cè)均鋪有石質(zhì)墻面，其余樓層墻面為木板構(gòu)筑，朝向多接近坐北朝南，層數(shù)為4層。板屋內(nèi)部布置為：一層為前廳，內(nèi)部方正，布置有火塘、角角神位以及魯班神位；二層為主臥室兼灶臺(tái)；三、四層現(xiàn)為臥室和露臺(tái)（圖3）。

圖1 羌族板屋風(fēng)貌圖

圖2 測(cè)試民居位置示意圖

圖3 四層平面示意圖

2 熱環(huán)境相關(guān)參數(shù)收集及結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)收集

本次熱環(huán)境測(cè)量時(shí)間為2022年1月7日—2022年1月9日，所采集的數(shù)據(jù)包含室內(nèi)外溫濕度、壁面溫度、黑球溫度和濕球溫度，本文截取1月7日19：00—1月8日19：00期間的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)段內(nèi)均為晴天。按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[9]（GB/T 50785—2012）中規(guī)定的相關(guān)數(shù)據(jù)收集要求，將溫濕度測(cè)點(diǎn)布置在居民臥室的中心，距離地面約1.1m，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，15min記錄一次數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)具體位置見圖3，數(shù)據(jù)采集所用儀器見表1。

表1 測(cè)試項(xiàng)目及儀器

2.2 室外熱環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)

為確定冬季室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試時(shí)間，了解理縣地區(qū)室外氣候特征，幫助民居適應(yīng)當(dāng)?shù)囟練夂?、改善室?nèi)熱環(huán)境。對(duì)MERRA-2(The second Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications version 2)中的inst1_2d_asm_Nx和tavg1_2d_rad_Nx數(shù)據(jù)集收集的2011—2021年理縣月平均溫度和月平均太陽(yáng)輻射值[10]等氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖4、圖5）。數(shù)據(jù)顯示理縣6—8月平均氣溫較高，其中月平均最高氣溫出現(xiàn)在8月；12月和1月平均氣溫較低，其中月平均最低氣溫出現(xiàn)在1月。從累年各月平均氣溫上看，理縣地區(qū)夏季氣溫在14℃左右，氣候較為溫和；冬季氣溫在-5℃左右，氣溫相對(duì)較低，大部分時(shí)間需要供暖。理縣累年月平均最低溫度出現(xiàn)在1月份，故測(cè)試1月份的室內(nèi)熱環(huán)境更加具有科學(xué)性。

圖4 2011—2021年理縣各月份平均溫度

圖5 2011—2021年理縣各月份太陽(yáng)輻射平均值

理縣全年太陽(yáng)輻射月平均值最高在5月份，為268.4W/m2。最低在12月份，為148.9W/m2。該地區(qū)海拔較高，羌寨四周無(wú)遮擋，太陽(yáng)日照時(shí)間較長(zhǎng)，散射輻射強(qiáng)度低，人體及房屋的熱源主要來(lái)自太陽(yáng)照射。因此，若需改善板屋冬季室內(nèi)熱環(huán)境，可從利用太陽(yáng)能這一方面考慮。

2.3 室內(nèi)外空氣溫度分析

為了解冬季板屋室內(nèi)舒適度狀況，對(duì)室內(nèi)外空氣溫度進(jìn)行測(cè)量分析（圖6）。冬季板屋室外空氣溫度最高值為11.0℃，最低值為-1.2℃，平均值為4.1℃；室內(nèi)空氣溫度最高值為10.9℃，最低值為8.0℃，平均值為9.4℃。在測(cè)試時(shí)間內(nèi)室外空氣溫度晝夜溫差變化值為12.2℃，變化幅度大，室內(nèi)空氣溫度晝夜溫差變化值為2.9℃，變化幅度??；室內(nèi)外溫度最大差值為10.4℃，說(shuō)明建筑外墻整體具有一定的保溫性能。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]（GB 50736—2012)，冬季夏熱冬冷地區(qū)主要房間宜采用16℃～22℃，說(shuō)明冬季板屋室內(nèi)空氣溫度低于冬季舒適溫度(16℃～22℃)，人體熱感覺較冷。

圖6 2022年1月7日—1月8日室內(nèi)外空氣溫度

2.4 室內(nèi)外空氣濕度分析

為了解室內(nèi)濕環(huán)境狀況，為室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)提供依據(jù)，對(duì)室內(nèi)外濕度進(jìn)行測(cè)量分析。從圖7可以看出，室內(nèi)相對(duì)濕度均在69.0%以上，濕度最低值為69.6%，最高值為80.5%，差值為10.9%；室外相對(duì)濕度最低值為23.0%，最高值為48.2%，差值為25.2%。室內(nèi)相對(duì)濕度均高于室外空氣相對(duì)濕度，8：00—11：00室外空氣相對(duì)濕度隨著室外空氣溫度上升而下降，而此時(shí)間段室內(nèi)空氣溫度和相對(duì)濕度變化不大?？梢钥闯觯逦莸呐艥衲芰^差，究其原因，一方面與室內(nèi)密閉、通風(fēng)效果差有關(guān)，另一方面與空氣溫度變化有關(guān)。

圖7 2022年1月7日—1月8日室內(nèi)外相對(duì)濕度

2.5 內(nèi)外壁面溫度分析

為了解冬季板屋外墻的熱工性能，測(cè)量外墻體室內(nèi)外壁面溫度，并進(jìn)行分析（圖8）。冬季板屋南向外墻內(nèi)壁面最高溫度為10.9℃，最低為2.0℃，平均值為6.5℃；外壁面最高溫度為11.9℃，最低為0.3℃，平均值為6.1℃。內(nèi)壁面溫差為8.9℃，外壁面溫差為11.6℃，內(nèi)外壁面溫差最大值為2.5℃，溫差最小值為0.8℃。內(nèi)壁面溫差明顯小于外壁面溫差，室內(nèi)空氣溫度總體變化不大，說(shuō)明由墻體內(nèi)壁面向外壁面?zhèn)鬟f的熱量少，建筑外墻具有良好的熱穩(wěn)定性和保溫性能。

圖8 2022年1月7日—1月8日室內(nèi)外壁面溫度

2.6 室內(nèi)風(fēng)速

由于測(cè)試期間除居民偶爾進(jìn)出外，民居的門窗大多數(shù)時(shí)間都處于緊閉狀態(tài)，室內(nèi)氣流速度接近于0，故氣流速度對(duì)室內(nèi)熱舒適性的影響可忽略。

2.7 平均輻射溫度（MRT)

除了室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度和室內(nèi)風(fēng)速外，室內(nèi)熱輻射也是影響室內(nèi)熱環(huán)境的重要因素之一。因此，為了更加科學(xué)地研究室內(nèi)熱環(huán)境和人體熱舒適性，通過(guò)實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算室內(nèi)平均輻射溫度。對(duì)一般建筑而言，室內(nèi)熱輻射主要指房間內(nèi)各表面和設(shè)備對(duì)人體的熱輻射作用，室內(nèi)熱輻射的強(qiáng)弱通常用“平均輻射溫度”表示，平均輻射溫度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有很大的影響。在冬季，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度過(guò)低，將對(duì)人產(chǎn)生“冷輻射”，嚴(yán)重影響室內(nèi)熱環(huán)境和人體熱舒適性[12-13]。本文通過(guò)實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算冬季板屋室內(nèi)的平均輻射溫度，以研究其對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。室內(nèi)平均輻射溫度的計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)自空氣質(zhì)量測(cè)試儀JT-IAQ-50，其計(jì)算式[14]如下：

式中：Ta——干球溫度，℃；Tg——黑球溫度，℃；V——風(fēng)速，m/s；D——黑球直徑，D=0.15m；ε——黑球發(fā)射率，ε=0.95。

圖9為計(jì)算所得的室內(nèi)平均輻射溫度與實(shí)際測(cè)得的室內(nèi)空氣溫度的逐時(shí)曲線，數(shù)據(jù)顯示，臥室室內(nèi)平均輻射溫度低于空氣溫度，最大溫差值為2.8℃，表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)存在“冷輻射”，室內(nèi)人員受熱不均勻，在一定程度上會(huì)影響室內(nèi)人員的熱舒適感。

圖9 2022年1月7日—1月8日室內(nèi)空氣溫度及平均輻射溫度

2.8 結(jié)果分析

通過(guò)上述熱環(huán)境相關(guān)參數(shù)的收集分析可知：在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，室外空氣溫度晝夜溫差變化值為12.2℃，室內(nèi)房間溫度晝夜溫差變化值為2.9℃，室內(nèi)外溫度最大差值為10℃，說(shuō)明冬季板屋建筑外墻整體具有一定的保溫性能，建筑外墻的熱穩(wěn)定性和保溫性能也較為良好。室內(nèi)空氣溫度低于冬季舒適溫度(16℃～22℃)，人體熱感覺較冷；室內(nèi)相對(duì)濕度均在69.0%以上，室內(nèi)外相對(duì)濕度差值最大為49.8%，說(shuō)明板屋的排濕能力較差；圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)存在冷輻射，使室內(nèi)人員受熱不均勻，影響室內(nèi)人員的熱舒適感。

以上數(shù)據(jù)僅反映了板屋冬季室內(nèi)熱環(huán)境狀況的幾個(gè)環(huán)境要素，為了更系統(tǒng)地反應(yīng)人體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的感受，研究將利用熱舒適儀對(duì)人的主要活動(dòng)場(chǎng)所進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試并使用Fanger[15]提出的PMV-PPD指標(biāo)評(píng)價(jià)人體熱感覺，更全面地反應(yīng)板屋室內(nèi)熱環(huán)境狀況。

3 熱環(huán)境評(píng)價(jià)

人體熱感覺與四個(gè)熱環(huán)境要素（空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、氣流速度、MRT）和兩個(gè)人體因素（人的活動(dòng)量、衣著情況）有關(guān)[16]。PMV指標(biāo)與熱感覺的關(guān)系可分為7個(gè)等級(jí)[17]，見表2，PPD指標(biāo)代表了人群對(duì)熱環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù)[18]。

表2 PMV指標(biāo)與熱感覺的關(guān)系

對(duì)羌族板屋的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行熱舒適模擬計(jì)算，依據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，按當(dāng)?shù)鼐用袢粘；顒?dòng)和衣著習(xí)慣對(duì)熱舒適儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，將冬季的新陳代謝率設(shè)定為1.2met，服裝熱阻設(shè)定為2.0clo。

圖10表示用空氣質(zhì)量測(cè)試儀JT-IAQ-50實(shí)測(cè)的PMVPPD逐時(shí)關(guān)系曲線。數(shù)據(jù)顯示，板屋室內(nèi)的PMV最低值和最高值分別為-1.3和-0.9，對(duì)應(yīng)的PPD值為40.3%和22.1%；14：00—16：30PMV為-0.9，其余時(shí)間內(nèi)PMV值均在-2～-1區(qū)間，熱感覺總體介于冷~稍冷狀態(tài)。按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《熱環(huán)境的人類工效學(xué)》[19]（GB/T 18049—2017）的有關(guān)規(guī)定，通過(guò)計(jì)算PMV和PPD指數(shù)與局部熱舒適準(zhǔn)則對(duì)PMV-PPD進(jìn)行評(píng)價(jià)，其值宜為－1≤PMV≤+1，PPD≤27%，說(shuō)明板屋的室內(nèi)熱環(huán)境基本滿足要求，但板屋的室內(nèi)熱舒適性未達(dá)到要求。

圖10 PPD-PMV隨時(shí)間變化的曲線

4 結(jié)論與展望

對(duì)桃坪羌寨板屋民居的室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)和分析進(jìn)行總結(jié)：冬季板屋室內(nèi)平均溫度不滿足冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)最低溫度16℃的要求；根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)和熱舒適模擬計(jì)算，板屋的PMV值在-2～0區(qū)間內(nèi)，熱感覺介于冷～稍冷狀態(tài)，PPD在5%～23%區(qū)間內(nèi)，板屋室內(nèi)熱舒適性未滿足-1≤PMV≤+1、PPD≤27%的規(guī)范要求，故室內(nèi)熱環(huán)境基本達(dá)到要求，而室內(nèi)熱舒適性較差。結(jié)合羌族板屋特點(diǎn)，從以下兩個(gè)方面提出提高板屋室內(nèi)熱舒適性的建議：

（1）羌族板屋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能較差，可將窗戶更換為L(zhǎng)OW-E玻璃（低輻射玻璃），LOW-E玻璃的鍍膜層具有對(duì)可見光高透過(guò)及對(duì)中遠(yuǎn)紅外線高反射的特性，在擁有良好透光性的同時(shí)也具備良好的保溫隔熱效果，可提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能；

（2）通過(guò)圖5可知，理縣地區(qū)全年的太陽(yáng)輻射值都很高，即使在太陽(yáng)輻射量最低的12月也達(dá)到了148W/m2，說(shuō)明該地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富。因此，建議采用太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和修建太陽(yáng)能暖房等方式來(lái)降低能源消耗。

本文研究在樣本數(shù)據(jù)采集方面還存在測(cè)試周期較短、樣本稀少等不足，導(dǎo)致對(duì)羌族冬季板屋的室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)方面的結(jié)論存在一定局限性，在后續(xù)研究中，可從增加樣本數(shù)據(jù)的時(shí)間覆蓋范圍和采樣頻率等兩個(gè)維度進(jìn)行優(yōu)化，以彌補(bǔ)本研究的不足。