陳青 龔城 黃志甲

安徽工業(yè)大學建筑工程學院

0 引言

鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略要求農(nóng)房設計的鄉(xiāng)土特色和地域特點，保護傳承傳統(tǒng)建筑文化。傳統(tǒng)民居既是傳統(tǒng)智慧和文化的體現(xiàn)，又與當代居住環(huán)境的需要相矛盾?；罩輦鹘y(tǒng)民居具有顯著的地域特色，營造時采用了大量與當?shù)貧夂蛳噙m應的被動式技術[1-3]，但其冬季熱環(huán)境差[4-5]，導致徽州傳統(tǒng)民居傳承只停留在形式上“改徽建徽”，影響其在安徽農(nóng)村地區(qū)的發(fā)展傳承。因此，探究徽州傳統(tǒng)民居冬季熱環(huán)境的影響因素，對于傳承徽州建筑文化，實現(xiàn)具有地域特色的鄉(xiāng)村振興具有重要意義。

徽州傳統(tǒng)民居作為中國傳統(tǒng)民居重要代表之一，其室內(nèi)熱環(huán)境引起研究者廣泛的興趣。相關研究主要集中在夏季熱環(huán)境，冬季熱環(huán)境分析較少[6-7]。在冬季熱環(huán)境研究方面，石團團等通過ECOTECT 軟件對徽州傳統(tǒng)民居熱環(huán)境模擬得出，徽州傳統(tǒng)民居在冬季防寒效果較差[8]。宋冰等通過測試室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)陰冷潮濕[4]，但學者們并未進一步尋找冬季室內(nèi)熱環(huán)境影響因素。在冬季熱環(huán)境改善方面，黃志甲等通過Fluent 和TRNSYS 軟件耦合模擬得出，提高圍護結構熱工性能對冬季室內(nèi)熱環(huán)境作用最為明顯[9]。龔城等通過TRNSYS 軟件模擬分析得出，提高天井的氣密性對冬季室內(nèi)熱環(huán)境改善的效果明顯[10]，現(xiàn)有研究無法提供影響室內(nèi)熱環(huán)境因素的重要性排序。

針對以上研究不足，本文主要選取具有典型徽派建筑特色的民居“馀慶堂”為研究對象，采用現(xiàn)場實測結合熱平衡理論分析的方法進行徽州傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境形成機理分析，找出徽州傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境的影響因素，提供影響室內(nèi)熱環(huán)境因素的重要性排序，為徽州傳統(tǒng)民居冬季熱環(huán)境的優(yōu)化設計提供理論指導，以求改善當?shù)孛窬佣臼覂?nèi)熱舒適。

1 模型與方程

1.1 研究對象

選取具有典型徽派建筑特色的民居“馀慶堂”為研究對象，該建筑位于安徽省涇縣查濟村，坐北朝南，是一棟帶有一字型天井的兩進五開間建筑。研究區(qū)域限定在馀慶堂其中的一進，如圖1 所示，南北進深9.66 m，東西寬約16.58 m，建筑總高6.86 m，其中一層高為3.3 m，為居住空間，二層閣樓用于儲藏。建筑外墻均為空斗磚墻結構，外粉石灰。屋頂為雙坡青瓦屋面，其中只有廳堂上屋面內(nèi)有望板。南北外墻上分別有1.14 m 寬，2.06 m 高的木制外門。廳堂為砂石混凝土筑地面，廂房地面為30 mm 厚杉木板，下有400 mm高架空地壟，天井為青石板地面，上空尺寸（天井口）為14.40 m×0.60 m。

圖1 馀慶堂平面圖

1.2 計算方程

1.2.1 熱平衡方程

徽州傳統(tǒng)民居冬季傳熱項包括太陽輻射得熱、圍護結構傳熱、地面?zhèn)鳠帷⑼L傳熱、內(nèi)部熱源散熱。

由熱力學第一定律可知，系統(tǒng)能增等于所有傳熱項之和，徽州傳統(tǒng)民居傳熱滿足能量守恒定律，民居熱平衡方程為：

式中：Qr為太陽輻射得熱量；Qc為圍護結構耗熱量；Qg為地面?zhèn)鳠崃?；Qv為通風耗熱量；Qi為內(nèi)部熱源散熱量；△Qs為系統(tǒng)能增。

徽州傳統(tǒng)民居冬季傳熱項包括：

1）太陽輻射得熱量，即圍護結構外表面吸收的太陽輻射得熱量，包括了兩部分，一是直接通過天井口的太陽輻射得熱量，二是外墻和屋頂吸收的太陽輻射得熱量。

2）圍護結構耗熱量，是指通過外圍護結構傳遞到室外的熱量，包括外墻和屋頂。

3）地面?zhèn)鳠崃?，通過地面?zhèn)鬟f到室內(nèi)的熱量，包括天井、廂房和廳堂地面。

4）通風耗熱量，由通風帶入室外的熱量，主要考慮天井通風耗熱。

5）內(nèi)部熱源散熱量，室內(nèi)熱源散熱帶給室內(nèi)的得熱量，包括人員，照明和室內(nèi)用電設備散熱。

1.2.2 計算條件

1）計算所用數(shù)據(jù)均為2016 年1 月23 日（0:00～23:30）測得，測試及計算時間間隔均為30 min。測試項包括：墻壁溫度、地面溫度、室內(nèi)外溫度、太陽輻射率、自然通風量等。各傳熱項計算方法及常規(guī)系數(shù)取值參考相應文獻。

2）太陽輻射得熱量通過外壁面熱平衡計算，圍護結構耗熱量通過內(nèi)壁面熱平衡計算，缺少實測數(shù)據(jù)的采用穩(wěn)態(tài)計算法。

3）地面?zhèn)鳠崃恐苯佑梅€(wěn)態(tài)計算法，通風傳熱根據(jù)實測自然通風量計算。

2 結果與分析

建筑室內(nèi)熱環(huán)境主要受室外氣候條件和建筑設計兩方面的影響，徽州傳統(tǒng)民居地處夏熱冬冷地區(qū)，氣候適應性策略和被動式設計使得民居冬冷夏涼。

傳統(tǒng)民居的室內(nèi)空氣溫度主要受圍護結構傳熱和自然通風換熱方式來決定。因此對于徽州傳統(tǒng)民居，天井通風和外圍護結構熱工特性是決定民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境的關鍵因素。

2.1 熱平衡分析

影響冬季徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境的傳熱項包括太陽輻射得熱量、圍護結構耗熱量、地面?zhèn)鳠崃?、通風耗熱量、內(nèi)部熱源散熱量。圖2 所示為建筑逐時各傳熱量變化，從圖中可以看出太陽輻射得熱量、內(nèi)部熱源散熱量、地面?zhèn)鳠崃繛榈脽犴棧瑖o結構耗熱量和通風耗熱量為失熱項。得熱方面，太陽輻射得熱在10:00～15:00 之間最大。失熱方面，通風耗熱量是室內(nèi)最大失熱項。就該冬季典型日計算而言，最大得熱時刻出現(xiàn)在14:00，最大失熱時刻出現(xiàn)在6:00。

圖2 建筑逐時傳熱量變化

2.2 傳熱貢獻率分析

為表征傳熱項對室內(nèi)環(huán)境的影響力大小，引入“傳熱貢獻率”，即平衡項中某項傳熱量占總得熱量或失熱量的百分比，值的大小表明影響力大小，正值表示得熱，負值表示失熱。

從圖3 中可以看出，通風傳熱占到了總失熱量的71.3%，是第一大失熱項，可見通風傳熱對民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境的副作用最大。外圍護結構傳熱是第二大失熱項，占比28.7%。得熱項中，內(nèi)熱源、太陽輻射、地面?zhèn)鳠岬脽嵴急确謩e為38.4%、37.7%和24.0%。綜上可知，徽州傳統(tǒng)民居冬季寒冷的主要原因是通風耗熱量太大。

圖3 徽州傳統(tǒng)民居冬季傳熱貢獻率

2.3 改進方案

改善徽州傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境的手段在于減少失熱項帶來的失熱量，增大得熱項提供的得熱量，同時考慮權重大的一項為優(yōu)化設計的重點。在減少失熱項方面，民居可通過減少通風量和增大圍護結構保溫性能來減少失熱量，因為通風傳熱是最大失熱項，所以相比于改善圍護結構保溫性能，減少天井通風引起的耗熱更為重要。在增大得熱項方面，太陽輻射得熱也可通過被動設計強化。

徽州傳統(tǒng)民居冬季熱環(huán)境的優(yōu)化設計中，通過增加開合式天井[10]，對建筑圍護結構氣密性進行優(yōu)化。冬季開合式天井關閉，減少通風傳熱，增大溫室效應。夏季開啟，以便于建筑的通風降溫，徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境改善效果明顯。

3 結論

通過現(xiàn)場實測結合熱平衡理論分析的方法，進行徽州傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境影響因素分析，得出以下幾條結論：

1）徽州傳統(tǒng)民居冬季濕冷的主要原因是通風耗熱量過大。

2）通過安裝開合式天井，優(yōu)化建筑氣密性，徽州傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境改善效果明顯。