■ 陳興義 Chen Xingyi 李 婷 Li Ting

農(nóng)村民居過渡季節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境測試分析

■ 陳興義 Chen Xingyi 李 婷 Li Ting

對豫北地區(qū)具有代表性的焦作市博愛縣貴屯村傳統(tǒng)民居和當(dāng)?shù)匦陆窬舆M(jìn)行實地調(diào)研和溫濕度測量，對新舊兩種民居過渡季的保溫效果進(jìn)行對比分析，總結(jié)出傳統(tǒng)民居和新型磚混民居建筑在過渡季節(jié)節(jié)能方面的優(yōu)勢與不足。在此基礎(chǔ)上，對該地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行Weather Tool軟件模擬分析，提出優(yōu)化寒冷地區(qū)傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境的方案，并從空間布局、窗戶、圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及新能源利用方面對農(nóng)村住宅建設(shè)提出建議，以期達(dá)到既延續(xù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居外觀特征，又能提高住宅舒適性的目的。

豫北地區(qū)；生土民居；磚混民居；室內(nèi)熱環(huán)境；節(jié)能分析

0 引言

隨著國家建設(shè)新農(nóng)村戰(zhàn)略的不斷推行，廣大農(nóng)村地區(qū)的民居有了較快的發(fā)展，出現(xiàn)了傳統(tǒng)民居和新型民居并存的局面，但民居室內(nèi)的熱環(huán)境問題并未得到改善。我國建筑測試現(xiàn)場研究起步于20世紀(jì)90年代，目前已覆蓋各個熱工分區(qū)。1997年昆明理工大學(xué)李莉萍撰寫了第一篇關(guān)于云南哈尼族民居室內(nèi)熱環(huán)境研究的論文[1]，盡管現(xiàn)在看來測試內(nèi)容比較單一，連續(xù)測試時間只有1h，但它的發(fā)表卻開創(chuàng)了一個新的研究領(lǐng)域。隨后，劉加平、劉大龍、胡冗冗等對寒冷地區(qū)冬季熱環(huán)境測試研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)生土民居具有高濕低溫的特點，土坯圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的蓄熱能力和熱穩(wěn)定性[2-5]；宋冰、楊柳等人對夏熱冬冷地區(qū)冬季進(jìn)行實測研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)民居防寒效果差，陰冷潮濕[6-8]；何文芳等人對吐魯番夏季進(jìn)行實測研究，提出應(yīng)對高溫、干燥、氣悶的策略建議[9]。上述測試主要集中在不同熱工分區(qū)的氣溫極端季節(jié)，較少涉及過渡季節(jié)。袁濤、李建東、王利端等人對自然通風(fēng)條件下過渡季節(jié)辦公建筑的熱環(huán)境進(jìn)行了研究[10-12]，但以上研究并未涉及過渡季節(jié)農(nóng)村民居的熱環(huán)境，而過渡季節(jié)時間占全年的1/2，民居在過渡季節(jié)的熱環(huán)境問題同樣重要。筆者擬從過渡季節(jié)入手，以豫北地區(qū)中小城市焦作市為研究對象，對該地區(qū)農(nóng)村民居的室內(nèi)熱環(huán)境條件進(jìn)行測試分析，了解當(dāng)?shù)孛窬拥臒峁ば阅?，為提高?dāng)?shù)孛窬拥臒崾孢m性提出可行的建議。

1 概況

1.1 貴屯村氣候概況

本文選擇焦作市博愛縣東部的貴屯村為研究對象，該地區(qū)地處內(nèi)陸，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，日照充足，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱，雨量充沛，秋季舒爽，冬季嚴(yán)寒少雪。年平均氣溫12.8℃，年極端最高氣溫43.6℃，年極端最低氣溫-22.4℃，7月最熱，月平均氣溫27～28℃；1月最冷，月平均氣溫-3～1℃。平均無霜期200d，降水量600～700mm，在《我國建筑熱工設(shè)計分區(qū)》上屬于寒冷地區(qū)。

1.2 被測建筑概況

為了使本次測試更具有對比性，選取貴屯村不同時代的新老建筑各一處，兩棟建筑相毗鄰，氣候條件與室外環(huán)境相似，建筑朝向均為南北朝向。對兩棟建筑分別進(jìn)行熱工測試。

1.2.1 生土民居

所選的生土民居為該地區(qū)20世紀(jì)70年代常見形式，主體房屋為3間，分別為臥室、客廳和廚房，其中客廳和廚房相通，臥室獨立，房門開在客廳中央位置，南向帶有獨立庭院。建筑外墻墻基用實心黏土磚砌筑，主墻體用土坯砌筑而成。屋頂形式為硬山式雙面坡屋頂，地面鋪黏土磚。采用抬梁式構(gòu)架，地面鋪設(shè)黏土磚，屋門上掛有布簾，窗戶為步步錦窗欞格。常住人口為一位老奶奶和她的小孫子。建筑平面布局具體功能分區(qū)如圖1（1）所示。

1.2.2 磚混民居

被測2層磚混民居建筑為近年所建，外墻采用240mm普通實心黏土磚砌筑，內(nèi)隔墻為120mm；內(nèi)墻做20mm厚的石灰砂漿抹灰，外墻南立面為白色瓷磚。屋頂為鋼筋混凝土平澆筑的平屋頂。1樓南向窗戶為塑鋼推拉玻璃窗，并安裝窗紗，無遮陽措施。2樓南向墻體做塑鋼玻璃陽光間。建筑層高約為3.5m，地面鋪設(shè)地板磚（圖1（2））。

2 測試方案

本次測試目的是為了研究新舊民居建筑在過渡季節(jié)的熱環(huán)境狀況，因此測試時間選在秋季，具體時間為2014年11月16日9∶00～11月18日9∶00連續(xù)48h測試。測試期間天氣狀況良好，均為晴天。

測試內(nèi)容包括新舊民居建筑室外空氣溫濕度，室內(nèi)各房間溫濕度以及室內(nèi)熱舒適度?？諝鉁囟葴y試采用日本自記式溫濕度計，室外溫度測點置于室外背陰處，并用錫箔筒遮蓋，室內(nèi)熱環(huán)境測試采用CASSLER IAQ室內(nèi)熱舒適儀，測點布置詳見圖1（1）和（2）。自記式溫濕度計測試間隔時間為10min，熱舒適儀測試時間間隔為10min。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 室外空氣溫濕度情況

生土民居和磚混民居相距不到1km，因此可視二者的室外熱環(huán)境相同，兩民居采用相同的室外溫濕度數(shù)據(jù)。

室外空氣溫濕度如圖2所示，室外平均氣溫9.6℃。室外溫度變化較大，范圍在3.8~16℃，最高氣溫16℃出現(xiàn)在16日下午15∶00左右，最低氣溫3.8℃出現(xiàn)在18日清晨7∶00左右，平均日溫波幅為10.8℃。

室外空氣相對濕度變化范圍為21.6%~82.3%，平均相對濕度為52.1%，室外相對濕度變化范圍較大，在17日15∶00達(dá)到相對濕度最小值21.6%，16日9∶00相對濕度達(dá)到最大值82.3%，相對濕度變化曲線剛好與室外溫度變化曲線相反。

3.2 生土民居室內(nèi)溫濕度情況

生土民居室內(nèi)外空氣溫度變化如圖3所示，室外空氣溫度波動幅度較大，平均日較差10.8℃，最低氣溫3.8℃，最高氣溫16℃。相比之下室內(nèi)溫度波動幅度則大大縮小，并明顯高于室外空氣溫度，全天維持在11℃以上。室外氣溫最高值出現(xiàn)在15∶00左右，而室內(nèi)房間的最高值均出現(xiàn)在18∶00左右，這表明土坯墻有較好的蓄熱能力和熱穩(wěn)定性。

客廳全天室溫平均值為12.9℃，峰值為14.2℃，谷值為11.3℃，溫度波動2.9℃。廚房全天室溫平均值為12.9℃，峰值為14.4℃，谷值為11.4℃，溫度波動3℃。臥室全天室溫平均值為13.1℃，峰值為15℃，谷值為11.5℃，溫度波動3.5℃。

圖2 室外空氣溫濕度變化曲線

由于客廳和廚房處在一個大通間內(nèi)，兩個功能分區(qū)間沒有墻體的阻隔，較之于客廳和臥室間空氣流動較為快速，熱量傳遞也較為頻繁，因此二者的溫度變化曲線走勢基本一致。而臥室與客廳之間有一道磚墻阻隔，溫度變化曲線走勢與客廳、廚房稍有不同。在夜晚22時至次日清晨8時之間，臥室的空氣溫度要稍高于客廳和廚房的溫度，這是因為臥室晚間有人居住，室內(nèi)人體散熱所致。

生土民居室內(nèi)外空氣相對濕度變化如圖4所示，雖然室外空氣相對濕度波動幅度較大，但各房間內(nèi)的濕度均穩(wěn)定在37%~59%之間，說明夯土墻有良好的調(diào)濕能力。

生土民居的廚房白天濕度低，夜間濕度高，而臥室恰恰相反，白天濕度高，晚上濕度低，客廳處于二者之間。客廳屋門掛有布簾，窗戶也基本不開，通風(fēng)換氣不順暢，太陽輻射的作用也因為懸掛的布簾，而大打折扣。

3.3 磚混民居室內(nèi)溫濕度情況

3.3.1 空氣溫度

圖3 生土民居室內(nèi)外空氣溫度變化曲線

圖4 生土民居室內(nèi)外相對濕度變化曲線

磚混民居室內(nèi)外空氣溫度變化如圖5所示，磚混民居室內(nèi)各房間空氣溫度明顯高于室外空氣溫度，各房間的平均溫度均高于11℃。其中1樓各個房間的溫度要明顯高于2樓各個房間的溫度，房間溫度的整體走勢平緩，波動幅度小。1樓處于南向客廳的逐時溫度略高于1樓北向臥室的逐時溫度，這是因為南向采用塑鋼推拉玻璃窗，無遮陽措施，中午太陽輻射通過窗戶，直射客廳，房間溫度升高。

從圖5可以看出2樓客廳的溫度波動幅度較大，而且晝間溫度明顯高于夜間溫度。這是因為2樓客廳為陽光間，有大面積的單層玻璃，透光率高，導(dǎo)熱系數(shù)大，陽光間溫度的升高主要依靠太陽輻射的作用，但陽光間的保溫性差，夜間太陽輻射減弱，陽光間的溫度也隨之降低。因此要改善現(xiàn)有陽光間存在的缺陷，可以考慮增加陽光間夜間保溫措施，比如使用雙層玻璃，安裝保溫窗簾，增強(qiáng)保溫性能等。由此可見，被動式太陽房房間溫度受太陽輻射影響明顯。2樓西戶最高溫度出現(xiàn)時間比2樓客廳延遲2h左右，這是由于西戶房間西面墻體上開有窗戶，下午太陽輻射通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)，導(dǎo)致房間溫度升高。

圖5 磚混民居室內(nèi)外空氣溫度變化曲線

圖6 磚混民居室內(nèi)外相對濕度變化曲線

從圖5還可以看出2樓3個房間溫度在兩天內(nèi)的變化規(guī)律，其中，2樓西戶的溫度最低，尤其是每天9∶00～16∶00，在此期間，均低于同層其它兩個房間約1.5℃左右，這是因為該房間南向和東向均為實體墻，白天沒有陽光直射，直到16∶00之后，太陽輻射通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)，房間溫度才得以升高，但仍低于其它兩個房間，在凌晨7∶00達(dá)到最低值。2樓北屋雖然沒有陽光直射，但其房間較小，北向窗戶也較小，有利于保溫，故其溫度變化幅度最小。這說明房間的朝向、房間及窗戶的大小位置關(guān)系等對室內(nèi)熱環(huán)境有較大影響。

3.3.2 相對濕度

磚混民居室內(nèi)外空氣相對濕度變化如圖6所示。室內(nèi)濕度受使用者活動影響較大，2樓各房間幾乎很少有人使用，故其濕度變化相對較為穩(wěn)定，1樓各房間使用較為頻繁，故其相對濕度較大。分析可見，房間溫度越高，相對濕度越低。由于過渡季節(jié)當(dāng)?shù)刈≌话汴P(guān)閉窗戶，屋門也掛有布簾，因此除陽光間外，其它房間相對濕度的變化受室外相對濕度變化的影響較小，主要受室內(nèi)溫度變化的影響，相對濕度隨著溫度的降低而增大。

4 磚混建筑和生土建筑室內(nèi)熱環(huán)境對比分析

建筑的空間布局及圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及厚度等對建筑室內(nèi)熱環(huán)境有較大影響，為了比較磚混建筑和生土建筑的室內(nèi)熱環(huán)境情況，將測試兩天所得數(shù)據(jù)放在同一張圖表上進(jìn)行分析。

4.1 溫度

磚混建筑和生土建筑1層室內(nèi)空氣溫度變化曲線如圖7所示。在測試的48h內(nèi)，室外平均氣溫9.6℃，磚混建筑室內(nèi)平均溫度13.7℃，高于室外溫度4.1℃。在兩者室內(nèi)外平均溫度差方面，磚混建筑比生土建筑高出1.1℃，這說明磚混建筑的熱工性能要優(yōu)于生土建筑。

圖7 新舊民居1層室內(nèi)空氣溫度變化曲線

圖8 新舊民居室內(nèi)空氣相對濕度變化曲線

這是因為磚混建筑的墻體有內(nèi)外粉刷層加以保護(hù)，增強(qiáng)了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能；另外，磚混建筑為2層，傳統(tǒng)的生土民居為1層，2層屋頂有效地遮擋了太陽對1樓空間的輻射，改善了室內(nèi)熱環(huán)境。此外2樓陽光間的設(shè)立也對提高日間室內(nèi)空氣溫度起到一定作用。

4.2 相對濕度

生土建筑和磚混建筑1層室內(nèi)空氣相對濕度變化曲線如圖8所示，在測試的48h內(nèi)，室外平均相對濕度52.1%，磚混建筑室內(nèi)平均相對濕度為39.1%，生土建筑室內(nèi)平均相對濕度為47.1%。二者都處于ISO 7730[13]推薦的過渡季節(jié)舒適區(qū)30%～70%范圍內(nèi)。從測試數(shù)據(jù)可以看出，生土建筑室內(nèi)平均相對濕度略高于磚混民居室內(nèi)相對濕度，這是因為，生土建筑的氣密性比磚混建筑要差，與室外空氣交換便利，因此生土民居室內(nèi)的相對濕度較高。

5 基于Weather Tool的氣候分析

本文采用Ecotect 的子軟件——Weather Tool氣象數(shù)據(jù)分析工具，對豫北地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)模擬，找出適合當(dāng)?shù)貧夂虻膬?yōu)化方法，改善本地區(qū)的人居環(huán)境。

圖9是豫北地區(qū)全年焓濕圖，圖10 是豫北地區(qū)11月焓濕圖，假設(shè)人的活動狀態(tài)為靜坐。圖中黃色多邊形所示區(qū)域為舒適區(qū)域，從全年來看，豫北地區(qū)全年溫濕度狀態(tài)點主要分布在舒適區(qū)域之外，集中在右上方和左側(cè)，由此可見，該地區(qū)冬季干冷，夏季濕熱。過渡季節(jié)空氣狀態(tài)點主要集中焓濕圖的左下角,即干球溫度低，相對濕度低，表現(xiàn)為過渡季節(jié)比較干燥，溫度較低。圖11、12為豫北地區(qū)全年逐時數(shù)據(jù)太陽直射輻射圖和散射輻射圖，圖中黃線密集，說明豫北地區(qū)全年日照時間較長，太陽輻射較高。因此，具有冬季利用太陽能采暖和熱水供應(yīng)的潛力。

圖9 豫北地區(qū)全年焓濕圖

圖10 豫北地區(qū)11月焓濕圖

圖11 逐時數(shù)據(jù)-直射輻射圖

圖12 逐時數(shù)據(jù)-散射輻射圖

為了分析豫北地區(qū)農(nóng)村民居過渡季節(jié)的被動式設(shè)計潛力，筆者依次在焓濕圖中對使用6種單一的被動式技術(shù)措施后產(chǎn)生的潛在效應(yīng)進(jìn)行模擬，探究其對建筑熱舒適的影響。圖13中黃色區(qū)域為該地區(qū)過渡季節(jié)理論舒適區(qū)，紅色部分為采用該項被動式技術(shù)后達(dá)到的舒適范圍。

通過觀察過渡季節(jié)各被動式技術(shù)的改善效果，可以發(fā)現(xiàn)，并不是所有被動式技術(shù)對提高過渡季節(jié)舒適區(qū)域都有明顯的效果。被動式太陽能技術(shù)和自然通風(fēng)在過渡季節(jié)提高舒適區(qū)域范圍效果顯著；使用高熱熔材料和同時使用高熱熔+夜間通風(fēng)技術(shù)提高過渡季節(jié)舒適區(qū)域的效果差異不大，因而可以考慮僅僅使用高熱熔材料；直接蒸發(fā)降溫技術(shù)和間接蒸發(fā)降溫技術(shù)提高的舒適區(qū)域，對過渡季節(jié)豫北地區(qū)農(nóng)村民居的作用不明顯。由此可以得出結(jié)論，過渡季節(jié)采用被動式太陽能技術(shù)、使用高熱熔材料、改善室內(nèi)的自然通風(fēng)狀況，能提高建筑的舒適性。

6 豫北農(nóng)村民居熱工性能測試結(jié)論及改進(jìn)建議

通過對豫北地區(qū)新舊民居室內(nèi)外熱環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場測試，了解到該地區(qū)民居過渡季節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量能夠基本滿足當(dāng)?shù)鼐用竦纳钜?，但仍有需要改進(jìn)的地方。根據(jù)測試分析結(jié)果，提出以下建議：

（1）豫北地區(qū)新型磚混民居與傳統(tǒng)生土民居相比，室內(nèi)功能布局更加多元化，更加合理，基本能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)村居民的生活方式。但新型磚混民居前后兩戶民居南北之間的建筑間距較小，影響了北向房間的采光通風(fēng)和太陽輻射得熱，據(jù)測量，此測試民居與南北相鄰的民居間距只有4m，很難滿足室內(nèi)的采光需求。

圖13 過渡季節(jié)單一被動式技術(shù)焓濕圖分析

（2）新型磚混民居2樓被動式太陽房溫度波動較大，溫度波動幅度為3.2℃，是室內(nèi)波幅最小房間的4倍。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體的熱量損失中，門窗失熱率占到40%。單層玻璃的總傳熱系數(shù)在6.40W/（m2·K）左右，為實心墻體的4倍[14]。因此，窗的保溫性能對室內(nèi)熱環(huán)境和能耗影響極大。測試民居中太陽房及其它窗戶的玻璃均為普通單層玻璃，窗戶縫隙較大，氣密性較差。為了改善室內(nèi)熱環(huán)境，可以選用保溫性能的窗體材料，比如吸熱玻璃，或選用雙層玻璃、中空玻璃，提高保溫效果，也可增設(shè)保溫窗簾，減少夜間散熱。

傳統(tǒng)民居為木門窗，無密封措施，氣密性不好，熱量損失更大，建議傳統(tǒng)民居窗戶使用保溫薄膜提高窗的熱阻，減少窗戶的散熱和傳熱系數(shù)。

（3）土坯墻有良好的保溫性能，能夠調(diào)節(jié)室外早晚溫差變化對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，但其缺點是墻體過厚，占用過多面積。豫北地區(qū)在熱工分區(qū)上屬于寒冷地區(qū)，冬季漫長而寒冷，新型磚混民居240mm實心黏土磚恐難抵御冬季低溫。因此為了提高節(jié)能效果，節(jié)省建筑面積，減輕建筑體量，增強(qiáng)建筑的熱工性能，建議使用黏土多孔磚砌筑保溫外墻體。

（4）充分利用可再生能源。農(nóng)作物秸稈是很好的生態(tài)建材，當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物是小麥和玉米，可以把玉米秸稈和小麥秸稈制成草磚，制成稻草板，這種新型墻體材料質(zhì)輕、隔音、隔火耐熱、強(qiáng)度高[15]，用于非承重結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黏土實心磚，可節(jié)約能源，提高房屋舒適性。

[1]李莉萍.云南典型哈尼族民居熱環(huán)境和光環(huán)境研究[J].云南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1997(04):69-74.

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Test and Analysis of Indoor Thermal Environment in Rural Residential in Transitional Season

We investigated and measured the temperature and humidity of traditional and new residential houses in Guitun Village, Bo'ai County, Jiaozuo City, north of Henan Province, we also compared and analyzed the heat preservation effect of old and new residential houses and summarized the advantages and disadvantages of traditional residential houses and new brick-concrete residential building in energy saving during the transitional seasons. On this basis, the weather data of this area is simulated and analyzed by Weather Tool software, and the scheme of optimizing the indoor thermal environment of the traditional residential areas in the cold area is put forward, and the suggest for rural residential construction is put forward from the aspects of space layout, windows, enclosures and new energy utilization in order to inherit the local traditional residential house’s appearance characteristics and also improve the comfort of residential house.

north of Henan Province, traditional house, brick-concrete house, indoor thermal environment, energy-saving analysis

2016-11-24）

陳興義，河南理工大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院教授；李婷，河南理工大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院在讀研究生。