王 雪，楊 柳，劉加平，成 輝，陳 媛

(1.省部共建西部綠色建筑國家重點實驗室(西安建筑科技大學(xué))，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

民居是我國傳統(tǒng)建筑的重要形式，其適應(yīng)氣候與自然條件，有許多自然空調(diào)通風(fēng)措施[1]，對現(xiàn)代建筑熱環(huán)境研究有著重要的意義.陜南山地民居是我國傳統(tǒng)民居中的典型代表之一，它既有適應(yīng)山地自然條件，也有吸納了北方冬季防寒和南方夏季防熱的優(yōu)點[2].對當(dāng)下陜南民居的熱環(huán)境研究，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)民居的熱環(huán)境設(shè)計優(yōu)缺點，為新民居建筑設(shè)計提供建議與方向.

陜南地區(qū)地形以山地丘陵為主，占90%以上，城鎮(zhèn)建設(shè)選址多為兩水交匯交通便利之處，可用于建筑選址的用地較緊張，建筑布局多與道路和等高線平行方式布置.對該地區(qū)的建筑環(huán)境研究多為古鎮(zhèn)保護[3-4]、建筑形態(tài)和類型[5-7]，建筑文化特征[8]，被動式建筑設(shè)計策略與設(shè)計實踐[9-10],對民居熱環(huán)境品質(zhì)和建筑能耗方面鮮有研究.自20世紀90年代開始，傳統(tǒng)建筑空間營造和建造技術(shù)逐漸沒落，而新建造技術(shù)營建的建筑運行需要大量能耗[11].隨著我國村鎮(zhèn)經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人們對舒適居住環(huán)境需求的提高，當(dāng)?shù)匦陆ńㄖ嬖诠?jié)能發(fā)展落后問題，和建筑可持續(xù)發(fā)展需求.

1 民居建筑現(xiàn)狀

課題組選擇安康市旬陽縣蜀河鎮(zhèn)民居作為陜南地域典型建筑進行研究.蜀河連接我國西南、西北和華中的紐帶，蜀河鎮(zhèn)是陜南地區(qū)中較典型的村鎮(zhèn)，位于安康市旬陽縣東，蜀河與漢江交匯處西岸，毗鄰湖北，系陜南重鎮(zhèn)，其人口多為15～17世紀來自全國南方、北方的移民，進入秦巴山中墾植，因此傳統(tǒng)建筑受多地建筑文化影響并因地制宜發(fā)展，有獨具特色的居住建筑形式，具有包容、開放和多元的建筑文化特征[12]，蜀河鎮(zhèn)地理位置見圖1.該地區(qū)位于北緯32.93 °，處于亞熱帶北緣，因秦嶺阻住了北來的冷空氣和海洋來的東南氣流，四季分明，夏季七、八月炎熱、降水多且多暴雨，冬季從12月起低于0 ℃至次年3月.

蜀河鎮(zhèn)民居建筑主要沿河流和道路布置.平面形式主要為院落式、一字型和一明兩岸自然型建筑[13].建筑外圍護墻體的材料一般有石材、實心黏土磚、空心水泥砌塊等.傳統(tǒng)屋面多為坡屋頂并著青瓦，近年來修建的住宅多為平屋頂.由于當(dāng)?shù)仄碌囟?，較少有場院晾曬，平屋頂可做晾曬用，較受歡迎.

圖1 蜀河鎮(zhèn)地理位置Fig.1 Location of Shuhe Town

大部分蜀河鎮(zhèn)青年常年在周邊城鎮(zhèn)外出務(wù)工，一般在本鎮(zhèn)會有一套房.調(diào)研發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厝藗冎髁饔^念為，雖然現(xiàn)階段在城市工作，但退休后會回到家鄉(xiāng)養(yǎng)老.而這部分人群在城市的習(xí)慣將在日后體現(xiàn)在村鎮(zhèn)生活中.截止2016年7月份蜀河鎮(zhèn)家庭擁有降溫設(shè)備情況為，有98%的家庭有風(fēng)扇設(shè)備，有58%的家庭有空調(diào)設(shè)備，有19%的家庭中有兩套及以上空調(diào)設(shè)備.

2 測試對象及設(shè)備

2.1 測試對象

該地區(qū)在熱工分區(qū)中屬于夏熱冬冷地區(qū)，建筑設(shè)計應(yīng)滿足夏季防熱要求，兼顧冬季保溫.測試傳統(tǒng)民居位于蜀河鎮(zhèn)老街，在原清末民初建筑格局基礎(chǔ)上重新翻修.其主體三層，建筑平面形式是院落式.一層主要有起居室、廚房、餐廳、儲藏室，二層以上主要為起居室、臥室和儲藏室.一層外墻為實砌180厚磚墻，二層、三層外墻為空心斗砌180厚磚墻.部分屋頂為平屋頂做晾曬用，部分屋頂為抬梁式坡屋頂，坡屋頂下有吊頂.窗戶為單框單玻木框窗.一層、三層測試房間相同，位于建筑中部且一測臨庭院，二層選擇兩個房間進行測試，二層房間1位于建筑中部且一側(cè)臨庭院，與一、三層位置相同，二層房間2位于建筑角部且兩面墻均有開窗，建筑一、二層平面圖、剖面和測點位置見圖2～4.部分房間有空調(diào)設(shè)施.

圖2 測試民居一層平面圖Fig.2 Test location of first floor of folk house

圖3 測試民居二層平面圖Fig.3 Test location of second floor of folk house

圖4 測試民居剖面圖Fig.4 Section of test folk house

2.2 測試方案及設(shè)備

課題組于2016年8月1日～2日在典型民居進行室外氣候條件和建筑熱環(huán)境24 h測試.測試內(nèi)容包括室外空氣溫濕度、太陽輻射強度、民居內(nèi)各房間溫濕度、風(fēng)速和平均輻射溫度.測試項目和儀器見表1.在臨近的一字型房屋居中房間內(nèi)測試溫濕度做為對比.測試時間段房間均處于自然開門窗狀態(tài)(早7點開門，晚9點關(guān)門，窗戶持續(xù)開啟)，沒有開啟空調(diào)，人員房間內(nèi)活動與日常相同，共有9人在此宅中居住.夏季陜南地區(qū)受山地影響氣象情況多變，測試日天空晴朗時間占72%，晚間21點至22點有陣雨.

表1 室內(nèi)外熱環(huán)境測試設(shè)備

在測試中還對較近的一棟民宅進行溫濕度測試作為對照.

3 陜南民居熱環(huán)境測試分析

3.1 太陽輻射

圖5顯示蜀河鎮(zhèn)室外太陽輻射強度分布，夏季輻射以直射輻射為主，水平面總輻射最高值出現(xiàn)在北京時間中午12點.太陽輻射測試分析表明：陜南地區(qū)夏季太陽輻射直射比例較高，輻射強度高；受周邊山體遮擋和所在地理環(huán)境影響，早晨直射輻射受山體遮擋出現(xiàn)晚，而傍晚消退早，東曬和西曬強度和時間應(yīng)比同緯度平原地區(qū)稍弱和稍短.

3.2 空氣溫度

圖6～7為測試日民居居室、臥室、和室外氣溫曲線和頻率分布百分比圖.測試日室外平均溫度為29.4 ℃，最高溫度達36.3 ℃，最低溫度為24.4 ℃；測試日室內(nèi)各房間平均溫度分別為，一層房間為27.6 ℃、二層房間1為29.1 ℃，二層房間2為29.9 ℃，三層房間30.6 ℃，對照房的平均溫度為31.0 ℃.室外氣溫分布呈兩級化，低于26 ℃和高于34 ℃各占40%和29%，這種室外溫度分布情況與關(guān)中區(qū)域夏季鄉(xiāng)村室外溫度情況比較相似[14]，是夏季村鎮(zhèn)室外溫度變化的一個特征；一層房間最舒適，房間氣溫低于26 ℃占37%.二層房間與一層房間相比整體偏熱，高1～2 ℃.二層房間1與房間2相比，平均溫度高0.8 ℃，中段溫度28～30 ℃占43%，空間氣溫表現(xiàn)更穩(wěn)定.二層房間2相比溫度比較兩級化，日間升溫較高夜間降溫較好，夜間比房間1平均低1.1 ℃.三層房間比二層房間略熱，夜間降溫的效果也稍差.對照房是獨棟一字型四層建筑，測試房間位于三層，外墻為180厚空心水泥砌塊墻，無保溫層，外側(cè)貼有白色瓷磚，屋頂為平屋頂，無保溫層.與測試建筑相比，白天升溫多，夜間降溫幅度基本與三層房間相同，整體表現(xiàn)為比典型院落式建筑氣溫稍高.

圖5 蜀河太陽輻射強度Fig.5 Solar radiation of Shuhe Town

圖6 室內(nèi)外溫度分布圖Fig.6 Air temperature of indoor and outdoor

3.3 空氣濕度

圖8為測試日房間與室外相對濕度曲線.由于測試日當(dāng)晚21～22點有小陣雨，該地區(qū)又是山地地形，在夜間溫度變化較小條件下，室外空氣濕度在雨停以后一直接近飽和狀態(tài)，直至第二天天明后隨氣溫升高而降低.雖然室內(nèi)始終是開窗狀態(tài)，但室內(nèi)空氣溫度高于室外，一層房間和二層房間2在夜間雨后的空氣濕度為80%～90%，其他房間空氣相對濕度基本在70%～80%，相對濕度較高.

圖7 室內(nèi)外溫度頻率分布百分比圖Fig.7 Temperature frequency distribution indoors and outdoors

圖8 室內(nèi)外空氣相對濕度Fig.8 Air relative humidity indoors and outdoors

3.4 室內(nèi)風(fēng)速

圖9為測試房間風(fēng)速頻率分布情況，一層房間因南北兩方向都有門，同時開啟，且通風(fēng)口大，且與山谷風(fēng)方向一致，風(fēng)速較大且頻率高，在48%時間段風(fēng)速為0.2～0.4 m/s，調(diào)研期間中午時間段居民也更樂于在此處活動與休息.二層房間2因處在建筑角部，兩個方向墻面均有開窗，通風(fēng)效果也較好，在64%時間段風(fēng)速為0.05～0.1 m/s，在24%時間段風(fēng)速在0.1 m/s以上.二層房間1與三層房間僅有一個朝向墻面能開門窗，相對于其他房間通風(fēng)略差，在45%的時間段風(fēng)速為0.05 m/s以下.

3.5 平均輻射溫度

在室內(nèi)熱環(huán)境中，平均輻射溫度對人體的冷熱感有重要影響.一層房間MRT比室溫在日間低而夜間高，日間10時至17時MRT比空氣溫度平均低1.2 ℃，夜間22時至7時MRT比空氣溫度平均高1.1 ℃，表明一層的整體圍護結(jié)構(gòu)溫度更趨于穩(wěn)定，且白天有冷輻射更有利于舒適，見圖10.一層室溫和MRT溫度約為27～30 ℃，為II級熱濕環(huán)境[15],滿足舒適要求.二層房間1的MRT比空氣溫度平均值高0.8 ℃，夜間22時至7時平均高1.2 ℃，而在白天與室溫相差不顯著，大部分時間滿足熱舒適要求，見圖11.二層房間2夜間22時至7時MRT比空氣溫度平均高2.3 ℃，是在測試中夜間與室溫相差最大的房間，因該房間比其他房間獲得更多太陽輻射，圍護結(jié)構(gòu)升溫較多，而在夜間條件下降溫幅度小，對夜間體感舒適有一定影響，見圖12.三層房間MRT始終大于室溫，其平均大于1.0 ℃，表明頂層房間MRT對舒適是不利影響，且偏離熱舒適范圍，見圖13.

圖9 室內(nèi)風(fēng)速頻率分布圖Fig.9 Wind speed frequency distribution indoors

圖10 一層房間MRT與空氣溫度Fig.10 MRT and air temperature of the room on the first floor

4 陜南地區(qū)熱環(huán)境與建筑能耗分析

4.1 當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境分析

通過測試發(fā)現(xiàn)陜南地區(qū)夏季太陽總輻射值較高，輻射以直射輻射為主，運用隔熱原理可以減少大部分太陽輻射得熱，因地理氣候原因早晨和傍晚受到太陽輻射比平原地區(qū)時間少，夏季建筑東曬和西曬問題比平原地區(qū)稍弱.室外溫度在日間受太陽輻射升溫快，因受山地氣候影響在夜間也降溫快，有利用夜間自然通風(fēng)的有利條件.陜南地區(qū)夏季多陣雨，晴天時空氣相對濕度約為50%～70%，可以利用該自然條件如自然降水等，進行外圍護結(jié)構(gòu)被動蒸發(fā)降溫.因地形條件的限制，建筑在選址往往沿巷道、道路或等高線排布，未必有機會爭取最佳的朝向，也是在建筑設(shè)計中一個棘手問題.

圖11 二層房間1 MRT與空氣溫度Fig.11 MRT and air temperature of Room 1 on the second floor

圖12 二層房間2 MRT與空氣溫度Fig.12 MRT and air temperature of the room on the second floor

圖13 三層房間MRT與空氣溫度Fig.13 MRT and air temperature of the room on the third floor

4.2 建筑能耗分析

分別計算室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度為26 ℃和30 ℃住宅一樓房間、二樓房間1和三樓房間的單位建筑面積冷負荷，計算結(jié)果見圖14.在室內(nèi)空調(diào)溫度為30 ℃時，一樓房間單位面積冷負荷為0 W·m-2，二樓房間1的情況與一樓相似，三樓最大冷負荷為14.7 W·m-2.室內(nèi)空調(diào)溫度為26 ℃時一樓房間冷負荷最大值為2.2 W·m-2，二樓最大值為2.8 W·m-2，三樓冷負荷最大值為20.3 W·m-2.

圖14 冷負荷變化曲線Fig.14 The change curves of cooling load

陜南山地地區(qū)氣候特性為太陽輻射強度高，日溫差大.民居一樓和中間層室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計為26 ℃較舒適的溫度時，需要一定的空調(diào)能耗；如果室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計達到II級熱濕環(huán)境上限(30 ℃)時[15]，可以不設(shè)置空調(diào).頂樓受太陽輻射影響，空調(diào)能耗較高，應(yīng)增加隔熱構(gòu)造，降低空調(diào)能耗.

5 結(jié)論

(1)對陜南地區(qū)蜀河傳統(tǒng)民居進行夏季室內(nèi)外熱環(huán)境測試發(fā)現(xiàn)，室外溫度程兩極分布，可充分利用夜間通風(fēng)提高室內(nèi)舒適.

(2)民居一層和中間層基本可以滿足舒適要求，頂層偏離舒適要求.

(3)民居一層和中間層大部分時間為II級熱濕環(huán)境，可不設(shè)置空調(diào)，頂層受太陽輻射影響，空調(diào)負荷較大，應(yīng)設(shè)置隔構(gòu)造以提高舒適和降低能耗.