張 磊，馬喬璐，史 珂，趙敬源，馮 翠，郭成睿

(1.長安大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710061；2.西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710003)

0 引 言

中國鄉(xiāng)村民居經(jīng)過歷史文化和自然氣候的雙重雕琢，以其特有的空間形式、材料質(zhì)地和濃厚的地域特征，貼切地展示各時代、各地方、各民族人民在適應(yīng)自然、改善人居環(huán)境方面的經(jīng)驗(yàn)和智慧[1]。傳統(tǒng)民居通過持續(xù)的演進(jìn)，結(jié)合新的材料演變成鄉(xiāng)村新民居[2]，但是鄉(xiāng)村民居的建設(shè)控制權(quán)都掌握在居民手中，因?yàn)槿狈茖W(xué)地設(shè)計(jì)[3]，造成了人居環(huán)境低下且建筑耗能過高的問題[4]。陜南位于中國西北寒冷氣候區(qū)和南方炎熱氣候區(qū)之間，有夏季濕熱、冬季濕冷的典型地域氣候特征。鄉(xiāng)村新民居并沒有采取積極有效的方式回應(yīng)這樣的氣候，民居內(nèi)部仍然存在熱環(huán)境差的問題，極大地影響了村民的生活質(zhì)量，成為陜南民居眾多問題中最亟待解決的問題。

朱軼韻等對陜南秦巴山地區(qū)的典型民居進(jìn)行了熱環(huán)境測試研究，提出通過被動式手段增加通風(fēng)來改善室內(nèi)濕熱的環(huán)境[5-7]。胡冗冗認(rèn)為民居的演變實(shí)質(zhì)上是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的演變，對比了夯土墻與磚墻的物理特性，提出利用輕鋼屋面和輕質(zhì)保溫材料來改善改善室內(nèi)熱環(huán)境[8]。王雪等通過對陜南地區(qū)代表性民居室內(nèi)外熱環(huán)境研究，提出了降低能耗的改善方法[9]。趙欽等以陜南地區(qū)典型磚混民居為例，采用 Ecotect軟件分析了各種被動式設(shè)計(jì)手段對室內(nèi)熱舒適的影響[10]。田海寧根據(jù)民居形態(tài)，墻體，屋頂，地勢高差等因素分析提出了4種生態(tài)適應(yīng)性優(yōu)化策略[11]。

以往研究缺少聚焦于用新結(jié)構(gòu)新材料改善鄉(xiāng)村新民居的熱環(huán)境。筆者重點(diǎn)分析建筑立面與熱環(huán)境之間的關(guān)系，并系統(tǒng)地提出優(yōu)策略。通過科學(xué)的方法提高建筑的科技含量，最大限度地為居住者提供一個健康、舒適、生態(tài)的居住空間[12]。

1 熱環(huán)境實(shí)測

1.1 測試目的

陜南民居在演變過程中形態(tài)表皮越來越趨向一致，導(dǎo)致民居同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重。根據(jù)走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)人們普遍對這種新民居室內(nèi)熱環(huán)境滿意度較低，在功能空間逐漸聚攏，體型系數(shù)逐漸縮小的情況下室內(nèi)熱環(huán)境并未得到改善，作為建筑內(nèi)外部環(huán)境的媒介，認(rèn)為建筑的立面結(jié)構(gòu)是影響熱環(huán)境的重要因素。

1.2 實(shí)測對象

測試對象為江安村典型的“一”字型新民居和“L”字型新民居。江安村位于陜南地區(qū)的安康市高新區(qū)，是陜南丘陵地形下的典型村落(圖1)。受地形的限制民居大多東西朝向，呈線性分布。共選取3個室內(nèi)測點(diǎn)和1個室外測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測。測點(diǎn)一建于1985年，面朝西向，為典型的“L”型布局，堂屋位于中間，兩邊連接的臥室，共5開間，廚衛(wèi)等輔助用房處于拐角處，單層玻璃木窗，坡屋頂；測點(diǎn)二建于1998年，2019年再次進(jìn)行翻修，為“L”型布局，廚衛(wèi)等輔助用房處于拐角處，面朝西向，單玻鋁窗，共2層，5開間；測點(diǎn)三建于2010年，是江安村常見的“兄弟院”，兩家合住共用一個樓梯，共2層5開間，主要立面向東，采用單玻塑鋼窗，坡屋頂。

圖1 江安村村落布局Fig.1 Satellite map of Jiang’an Village

1.3 實(shí)測方案

測試在當(dāng)?shù)氐湫投?月11日～13日進(jìn)行，主要測試空間為室外和臥室(表1)。空氣溫濕度儀每10 min自動記錄(距離地面1.5 m處)，風(fēng)速選擇自然通風(fēng)下室內(nèi)記錄平均值[13]。

表1 室內(nèi)測點(diǎn)基本信息Table 1 Basic information of measurement points

2 民居室內(nèi)外實(shí)測數(shù)據(jù)分析

江安村冬季室外最高溫度為11 ℃，最低為-6.5 ℃，日溫度波幅為17.5 ℃，晝夜溫差較大。從3個室內(nèi)測點(diǎn)的溫度趨勢來看，早上9：00逐漸開始升溫，在太陽輻射不斷升高的過程中民居室內(nèi)的溫度也快速上升，在16：00～17：00達(dá)到頂峰，隨著太陽輻射的降低溫度也緩慢下降，到次日的7：00～8：00為每日溫度最低的時刻(圖2)。3個測點(diǎn)在不采取任何采暖措施的前提下，民居全天室內(nèi)溫度遠(yuǎn)未達(dá)到DBJ61-65—2011《陜西省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的冬季室內(nèi)溫度18 ℃。

圖2 室內(nèi)外各測點(diǎn)溫度變化趨勢Fig.2 Temperature variations at indoor and outdoor measuring points

室外空氣相對濕度變化范圍為15%～73%，出現(xiàn)“早高晚低”的特點(diǎn)(圖3)，濕度與溫度變化成反比[14]，日平均相對濕度為45%；新民居的整體結(jié)構(gòu)對空氣濕度的調(diào)節(jié)效果顯著，符合《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176—2016)所要求的的相對濕度30%～60%的標(biāo)準(zhǔn)。目前陜南民居冬季的室內(nèi)熱環(huán)境最亟待解決的是保溫性較差的問題。不同朝向的窗墻比以及立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱性對室內(nèi)熱環(huán)境影響較大。

圖3 室內(nèi)外各測點(diǎn)濕度變化趨勢Fig.3 Humidity variation at indoor and outdoor measuring points

3 民居立面對熱環(huán)境的影響

建筑立面設(shè)計(jì)是回應(yīng)氣候，改善室內(nèi)熱環(huán)境的重要措施。民居的立面包括建筑入口、建筑墻體、建筑屋頂、建筑門窗、基礎(chǔ)等多個構(gòu)成要素，立面各要素根據(jù)面積比重對熱環(huán)境的影響為墻體>屋面>窗戶>門[15]，通過對江安村的實(shí)地調(diào)研，構(gòu)建了民居立面信息，建立當(dāng)?shù)亟ㄖ⒚婊驹?圖4)。

圖4 江安村建筑立面基本原型Fig.4 Basic prototype of building facades in Jiang’an village

3.1 窗墻比與熱環(huán)境的影響

要確保民居的保溫性就要合理控制窗墻比并減少立面各個要素的傳熱性從而減少熱量散失。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)民居立面南向窗墻比非常小，東西向開窗較多，這是由于地形的限制。江安村的民居都根據(jù)丘陵地形沿道路布置，167戶人家有87戶面朝東向，61戶面朝西向，11戶在南偏東45°到南偏西30°，8戶面朝北；建筑的主要立面朝向?yàn)闁|西向，南向的山墻面得熱較少，東西向由于冷風(fēng)滲透熱散失較大，所以保溫性較差。

3.2 立面結(jié)構(gòu)構(gòu)造與熱環(huán)境的影響

江安村民居屋面為坡屋面的形式，大多為混凝土青瓦屋面，少量木架青瓦屋面，都未設(shè)置保溫層；層高以兩層居多；墻體多為多孔粘土磚與清水磚構(gòu)成[16]；窗戶為普通單層玻璃，門多為單層鐵門，木門(表2)。通過計(jì)算得出現(xiàn)有民居立面各部分構(gòu)造的傳熱系數(shù)，對比規(guī)范對該地區(qū)的傳熱系數(shù)的要求發(fā)現(xiàn)不足。

表2 江安村民居立面結(jié)構(gòu)構(gòu)造Table 2 Facade structure of folk dwellings in Jiang’an Village

陜南大部分新民居依然延續(xù)著傳統(tǒng)的營建方式，根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 134—2010)對立面各部分構(gòu)造的要求來看，目前江安村建筑立面各個構(gòu)造的性能遠(yuǎn)不達(dá)標(biāo)，故而亟需要對民居立面的熱工性進(jìn)行優(yōu)化。在兼顧經(jīng)濟(jì)性的條件下，控制窗墻比，合理選擇墻身及門窗材料、增減墻身厚度仍然是當(dāng)?shù)亟ㄖ?yīng)對氣候的主要策略。

4 陜南新民居立面優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 朝向優(yōu)化

太陽輻射是影響室內(nèi)溫度的重要因素[17]。在夏熱冬冷地區(qū)需要同時考慮建筑的夏季防熱與冬季得熱要求，選擇一個最佳的建筑朝向很關(guān)鍵。利用 Ecotect中的Weather Tool工具得到陜南地區(qū)的全年最佳朝向?yàn)槟掀?2.5°，全年最不利朝向?yàn)檎飨虻轿髌?2.5°，相對有利的朝向范圍是南偏東45°到南偏30°(表3)；在這個范圍民居冬季可獲得較多的太陽輻射，能夠提高室內(nèi)溫度，改善室內(nèi)熱環(huán)境。民居建設(shè)的過程中需要結(jié)合實(shí)際地形盡可能的讓主要使用空間面向南側(cè)，或者將南側(cè)的山墻面延伸從而增加建筑得熱。

表3 陜南民居最佳朝向角度Table 3 Optimal orientation angles of dwellings in Southern Shaanxi

4.2 屋面優(yōu)化

江安村民居的屋面形式為坡屋頂，在構(gòu)造層次上均未設(shè)置保溫層，僅在木屋架上直接掛瓦作為防水層，或者屋頂為混凝土結(jié)構(gòu)，砂漿找平上面掛瓦，這2種做法傳熱系數(shù)都很大。為加強(qiáng)屋面的保溫性能，應(yīng)設(shè)置保溫層。常用的保溫材料有EPS板、擠塑聚苯板、膨脹珍珠巖等[18]。針對當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，從生態(tài)節(jié)能角度出發(fā)，在木屋架體系以及單層掛瓦屋面這2個構(gòu)造層不變的前提下，采用厚爐渣混凝土構(gòu)造的保溫層做法(圖5)，加入一定厚度的厚爐渣混凝土，調(diào)整屋面的構(gòu)造層次[19]。更新后的屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小，屋頂?shù)臒峁ば阅艿玫礁纳啤?/p>

圖5 屋面保溫構(gòu)造Fig.5 Roof insulation structure

4.3 窗墻比優(yōu)化

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176)附錄中對于適用于中國夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的窗墻比相應(yīng)規(guī)定，北向窗墻比不應(yīng)超過0.3，東西向不應(yīng)超過0.35，南向不應(yīng)超過0.45[20]。但從實(shí)際調(diào)研分析來看該地區(qū)民居南向?yàn)樯綁γ?，很少開窗或開小窗，要改善室內(nèi)熱環(huán)境，應(yīng)該在東西立面的窗戶上加裝百葉，減少冬季冷空氣的對流；在南向山墻面增加開窗面積，增加條形窗來得到太陽輻射[21]。在窗戶的構(gòu)造方面，江安村現(xiàn)民居多使用鋁合金窗單層玻璃和木框單層玻璃，冬季熱量損失大，考慮到經(jīng)濟(jì)原因，門窗可選取保溫性能好、價格便宜的塑鋼窗框，并采用在玻璃窗上貼透明聚酯膜的辦法降低窗的傳熱系數(shù)，門盡量選用有夾層的雙層保溫門[22]。

4.4 建筑墻體保溫更新設(shè)計(jì)

建筑墻體結(jié)構(gòu)的熱工性能對室內(nèi)熱舒適度有很大影響，在冬季可以有效地減少室內(nèi)熱量的損失，維持室內(nèi)溫度相對恒定[23]。考慮鄉(xiāng)村地區(qū)的實(shí)際情況，建筑層數(shù)多為1～2層，現(xiàn)代鄉(xiāng)村民居外墻大多為240 mm空心粘土磚[24]，但是室內(nèi)的熱舒適環(huán)境并不符合居民的理想狀態(tài)，再加上國家從可持續(xù)發(fā)展的角度去考慮，已經(jīng)禁止使用“粘土磚”了[25]，建議該地區(qū)可以使用頁巖多孔磚，加氣混凝土塊材等[26]。結(jié)合造價和實(shí)現(xiàn)的難易程度，采用磚混結(jié)構(gòu)，多孔磚墻承重，外墻采用240 mm厚頁巖空心磚磚外粉厚水泥砂漿(圖6)，考慮到冬天抵御西北向的寒風(fēng)，北向外墻為370 mm厚，內(nèi)墻均為240 mm厚。

圖6 墻體保溫構(gòu)造Fig.6 Wall insulation structure

5 結(jié) 論

1)在維持坡屋頂面層不變的情況下，在屋面的構(gòu)造層增加40 mm厚爐渣混凝土作為保溫層，增加屋面保溫性，保證屋面構(gòu)造材料的生態(tài)性。

2)優(yōu)化窗墻比，南向山墻面的窗戶更改為條形窗，木窗框更換為塑鋼窗框并在窗戶上貼透明聚酯膜可以增加民居保溫性。

3)優(yōu)化墻體構(gòu)造時選用頁巖多孔磚替代粘土磚，加30 mm厚的聚苯板保溫層，將北向墻厚增至370 mm，對抵御冬季寒冷氣候有明顯效果。