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        嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村土坯房室內(nèi)熱環(huán)境研究

        2022-05-28 08:33:26西安交通大學(xué)人居學(xué)院通訊作者
        建筑與文化 2022年5期
        關(guān)鍵詞:評價

        文/甄 蒙 西安交通大學(xué)人居學(xué)院(通訊作者)

        梁博武 西安交通大學(xué)人居學(xué)院

        鄒奇書 西安交通大學(xué)人居學(xué)院

        引言

        我國幅員遼闊,橫跨多個氣候帶,全國各地氣候條件差異較大,因此千百年來各地形成了各具特色的傳統(tǒng)民居。如北方地區(qū)的土坯房就是適宜當(dāng)?shù)貧夂虻牡湫蛡鹘y(tǒng)民居。土坯房由于其優(yōu)異的熱工性能,在北方地區(qū)的農(nóng)村曾經(jīng)廣泛分布,目前農(nóng)村地區(qū)仍有很多的人居住在土坯房中。土坯房的熱舒適性也受到了較為廣泛的關(guān)注,改良土坯房的熱舒適性對改善農(nóng)村人口居住環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義??紤]到土坯房具有易于就地取材、便于施工、冬暖夏涼的優(yōu)良性能,符合可持續(xù)發(fā)展的理念,因此研究其各項(xiàng)特性,特別是其熱工性能對綠色建筑的發(fā)展具有一定的參考作用。

        在土坯房熱環(huán)境研究方面,高翔翔等通過現(xiàn)場實(shí)測,對傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫做法下火炕對室內(nèi)熱環(huán)境的影響進(jìn)行了定量評價,指出了火炕在冬季采暖中的重要性[1]。胡冗冗等通過實(shí)測結(jié)合模擬的方法分別對生土及磚混民居的室內(nèi)溫濕度進(jìn)行對比分析,并深入分析了生土建筑的熱工性能優(yōu)缺點(diǎn),并提出了改進(jìn)措施[2]。同時,關(guān)于傳統(tǒng)民居的室內(nèi)熱舒適的研究近年來也逐漸受到關(guān)注。Jing Zhang 等人提出了一種對于土坯房改進(jìn)的評價方法,對甘肅某土坯住宅進(jìn)行實(shí)測及評價,結(jié)合經(jīng)濟(jì)性及熱舒適性,得出稻殼隔熱屋頂具有較好的性能[3]。Yan Xiong 等人對我國夏熱冬冷地區(qū)的城市住宅和農(nóng)村傳統(tǒng)住宅的熱舒適性進(jìn)行了問卷調(diào)查,結(jié)果表明農(nóng)村居民對于寒冷條件的耐受性更強(qiáng)[4]。

        本文對河北省張家口市方家梁村一棟土坯房進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測。通過實(shí)地測試,描述土坯房全天的室內(nèi)、室外的溫濕度變化,針對土坯房的熱舒適性進(jìn)行分析,從而提出改善土坯房熱環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。

        1 研究方法

        本文通過現(xiàn)場實(shí)測結(jié)合數(shù)據(jù)分析的研究方法,對土坯房的內(nèi)部熱環(huán)境及熱機(jī)制進(jìn)行量化研究。

        1.1 測量地區(qū)及時間

        本文所選實(shí)測地點(diǎn)為河北省張家口市赤城縣方家梁村(40.92°N,115.8°E),河北省張家口市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,氣候特點(diǎn)為一年四季分明,冬季寒冷漫長。實(shí)測時間為2020 年1 月9 日至2020 年1 月12 日,為期三天,此次實(shí)測地點(diǎn)位于張家口市的赤城縣方家梁村,測量對象為一獨(dú)棟土坯房,實(shí)測對象如圖1 所示。

        1.2 測量設(shè)備

        具體內(nèi)容見(表1)。

        表1 實(shí)測用溫濕度記錄儀基本參數(shù)(表格來源:作者自繪)

        1.3 實(shí)測對象

        實(shí)測對象為一單層的土坯房(圖1)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)為粘土制成的土坯,上部圍護(hù)結(jié)構(gòu)為普通青瓦,背靠土坡,獨(dú)立結(jié)構(gòu),坐北朝南。東西方向?yàn)槿g,自西向東分別為臥室1、客廳、臥室2,寬度分別為2.3m、2.25m、2.3m。房屋為拱形結(jié)構(gòu),前檐口距地面高2.55m,頂部高3.47m,后部檐口距地面高1.7m,南北存在高差。房屋內(nèi)分為三間,墻體厚度為0.66m。臥室1 內(nèi)部有高度為0.7m 長1.7m 寬2.3m 的火炕,房間靠南有一寬1.3m 的窗戶,臥室門為寬度0.6m 的木質(zhì)門,房間背面墻體無門窗,正門為南面正中間的寬度1.0m 高度2.35m 的木質(zhì)門。此次實(shí)測選取無人居住的臥室1 為測試對象。

        圖1 實(shí)測土坯房(圖片來源:作者自攝)

        1.4 測點(diǎn)布置

        實(shí)測內(nèi)容為室內(nèi)外溫度及濕度,數(shù)據(jù)記錄為每分鐘一次。考慮到此次實(shí)測目的是探究土坯房內(nèi)部溫濕度變化情況,同時探究土坯墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能,此次實(shí)測一共布置了8 個測點(diǎn),其中4 個測點(diǎn)位于室內(nèi),4 個測點(diǎn)位于室外,具體布置如圖2 所示。

        圖2 實(shí)測測點(diǎn)布置圖(圖片來源:作者自繪)

        2 現(xiàn)場實(shí)測及分析

        2.1 室內(nèi)外溫度對比

        本次測試中測點(diǎn)1、2 分別測試的是室內(nèi)外溫濕度,從1 月9 日開始為期三天。本文選取從1 月10 日0 點(diǎn)開始到1 月12 日0 點(diǎn)結(jié)束的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,并更加直觀地對室內(nèi)外溫度進(jìn)行了逐時對比(圖3)。

        由圖3 可知,在絕大多數(shù)時間內(nèi),室內(nèi)溫度均高于室外溫度。再對室內(nèi)外平均溫度進(jìn)行對比:1 月10 日室內(nèi)平均溫度為-6.04℃,室外平均溫度為-10.4℃;1 月11 日室內(nèi)平均溫度為-6.95℃,室外平均溫度為-12.61℃——兩天室內(nèi)外平均溫度差值均大于4℃。由此可知,由于土坯墻及屋頂?shù)谋馗魺幔覂?nèi)溫度能夠保持一個相對高于室外的水平。

        圖3 室內(nèi)外溫度對比(圖片來源:作者自繪)

        2.2 室內(nèi)外墻體溫度對比

        為了測試土坯墻在嚴(yán)寒地區(qū)冬季的熱表現(xiàn),分別對測試對象的三面外墻的室內(nèi)外溫度進(jìn)行了測試,對相鄰測點(diǎn)處內(nèi)外測點(diǎn)進(jìn)行兩兩對比分析。

        如圖2 所示,西墻室內(nèi)外溫度測點(diǎn)分別為測點(diǎn)3、4,北側(cè)墻體室內(nèi)外溫度測點(diǎn)分別為測點(diǎn)7、8,南側(cè)墻體室內(nèi)外溫度測點(diǎn)分別為測點(diǎn)5、6。測點(diǎn)測試的是墻體內(nèi)外側(cè)的表面溫度,測點(diǎn)緊貼墻體表面。分別對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,選 取 從1 月10 日0 點(diǎn) 到1 月11 日24 點(diǎn) 兩 天的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,結(jié)果如圖4、圖5 所示。

        由圖4 可知,墻體外側(cè)表面溫度僅在中午時由于太陽輻射的影響短時間高于墻體內(nèi)側(cè)溫度,總體上墻體內(nèi)側(cè)溫度均高于墻體外側(cè)溫度,再對墻體內(nèi)外側(cè)表面平均溫度進(jìn)行分析:10 日墻體內(nèi)側(cè)平均溫度為-6.58℃,墻體外側(cè)平均溫度為-10.66℃;11 日室內(nèi)平均溫度為-7.29℃,室外平均溫度為-11.4℃——10 日墻體內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)4.08℃,11 日墻體內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)4.11℃,體現(xiàn)了土坯墻具有一定的保溫隔熱性能。

        圖4 西側(cè)墻體內(nèi)外側(cè)溫度對比(圖片來源:作者自繪)

        如圖5 所示,南側(cè)墻體外側(cè)溫度整體上高于內(nèi)側(cè)溫度,且在溫度變化趨勢及溫度變化的范圍內(nèi)出現(xiàn)了較為一致的情況。測試期間,墻體內(nèi)側(cè)最高溫度出現(xiàn)在1 月10 日11 ∶45 左右,最高溫度為-3.5℃;最低溫度出現(xiàn)在11日3 ∶30 左右,最低溫度為-8.1℃;溫度變化范圍為4.6℃。測試期間,墻體外側(cè)最高溫度出現(xiàn)在10 日15 ∶30 左右,最高溫度為-1.5℃;最低溫度出現(xiàn)在11 日8 ∶10 左右,最低溫度-6.8℃;溫度變化范圍為5.3℃。從平均溫度來看,測試期間內(nèi)側(cè)墻體平均溫度為-6.1℃,外側(cè)墻體平均溫度為-5.05℃,與圖表所呈現(xiàn)的相一致。為了初步探究造成這種差異的原因,再次對三面墻體的外側(cè)溫度、內(nèi)側(cè)溫度進(jìn)行對比(圖6)。

        圖5 南側(cè)墻體內(nèi)外側(cè)溫度對比(圖片來源:作者自繪)

        由圖6 可以看出,南側(cè)墻體除11 日中午短時間內(nèi)外側(cè)溫度低于西側(cè)墻體0.3℃以外,其余時間均高于其他兩面墻體。這與三面墻體所受到太陽直射時間長短有關(guān):南側(cè)作為向陽面,受太陽直射時間最長;西側(cè)墻體在下午可以受到部分太陽直射;北側(cè)墻體則無法通過太陽直射得熱。南側(cè)外墻太陽直射時間多于其他墻體,墻體蓄熱多于其他墻體,使得南側(cè)墻體外側(cè)溫度較高。

        圖6 三面墻體外側(cè)溫度對比(圖片來源:作者自繪)

        綜上,造成南側(cè)墻體外側(cè)溫度高于內(nèi)側(cè)溫度且變化范圍基本一致的原因可以初步確定為:

        (1)南側(cè)墻體受太陽直射時間最長,外側(cè)溫度明顯高于其他兩面墻體。

        (2)南側(cè)墻體有窗戶,使得墻體內(nèi)側(cè)溫度受到外側(cè)溫度變化的影響變大。

        3 室內(nèi)熱舒適評價

        在實(shí)地測量中,我們對實(shí)測土坯房內(nèi)的溫濕度進(jìn)行了記錄,為了能更具體地描述土坯房內(nèi)的熱環(huán)境,結(jié)合熱舒適評價指標(biāo)對該土坯房內(nèi)的熱舒適進(jìn)行分析。

        3.1 熱舒適評價指標(biāo)

        目前已有的熱舒適評價指標(biāo)主要有有效溫度(ET)、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(SET)、預(yù)測平均投票值和不滿意度(PMV/PPD)等[5]。由于PMV 在室內(nèi)熱舒適研究中使用廣泛,本次熱舒適評價將采用PMV 指數(shù)對實(shí)測土坯房內(nèi)的熱舒適進(jìn)行評估。

        預(yù)測平均投票值(PMV)是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)將干球溫度、風(fēng)速、濕度、平均輻射溫度以及人體的新陳代謝、服裝熱阻等六個變量結(jié)合起來,而建立的熱舒適評價指標(biāo)[6]。根據(jù)《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評價方法》(GB/T33658-2017)[7]PMV 值的范圍在-3 ~3 之間。分別表示七種熱感覺(表2)。

        表2 PMV 評價指標(biāo)(表格來源:作者自繪)

        3.2 熱舒適評價與分析

        3.2.1 參數(shù)確定

        在計(jì)算PMV 值時需要的參數(shù)可以通過查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定,本次測試環(huán)境確定且測試房屋內(nèi)居住的老人即為熱舒適評價的對象,再結(jié)合《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評價方法》(GB/T33658-2017)[7]確定相關(guān)參數(shù)。

        由于測試時間為冬季且結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?,服裝熱阻為2.55m2·℃/W;實(shí)測房屋內(nèi)居民為一老人(92 歲),人體代謝率為58W/m2;室內(nèi)風(fēng)速約為0.1m/s。

        3.2.2 熱舒適評價

        根據(jù)PMV 計(jì)算公式,將確定的參數(shù)帶入,并運(yùn)用Matlab 進(jìn)行相關(guān)函數(shù)的編寫,確定實(shí)測溫、濕度為變量,輸入相關(guān)函數(shù),得到不同時間段內(nèi)室內(nèi)PMV 值(圖7)。

        圖7 室內(nèi)PMV 值(圖片來源:作者自繪)

        結(jié)合表2 及圖7 可以看出,在實(shí)測過程中,該實(shí)測房屋內(nèi)PMV 值在-3 ~-2.6 之間變化,即預(yù)測熱感覺介于涼和冷之間(-2.6 ~-3),且在大部分時間內(nèi)趨近于冷,表明該房屋室內(nèi)熱環(huán)境需要改善。

        結(jié)語

        本文通過對河北省張家口市方家梁村某土坯房進(jìn)行冬季室內(nèi)熱環(huán)境及土坯墻體內(nèi)外側(cè)的溫度實(shí)測,進(jìn)而借助PMV 公式得到土坯房內(nèi)的熱舒適情況,以此反映嚴(yán)寒地區(qū)冬季該土坯房內(nèi)的熱環(huán)境情況,得到的結(jié)論如下:

        (1)從室內(nèi)外溫度對比可以看出,室內(nèi)溫度總體上高于室外溫度,室內(nèi)平均溫度高于室外平均溫度4℃以上;室內(nèi)外溫度變化趨勢較為一致,但室內(nèi)最大溫差遠(yuǎn)小于室外最大溫差,不足室外最大溫差的20%。由此可見,土坯房具有一定的保溫隔熱性能,在沒有室內(nèi)熱源的情況下,保證了室內(nèi)溫度高于室外溫度。

        (2)通過對土坯墻內(nèi)外側(cè)溫度變化情況的對比,墻體內(nèi)側(cè)溫度總體上高于外側(cè)溫度,墻體內(nèi)側(cè)平均溫度高于墻體外側(cè)約4℃;墻體內(nèi)外側(cè)溫度變化趨勢基本一致,但墻體內(nèi)側(cè)溫度變化范圍小于外測溫度變化范圍,約為外側(cè)溫度變化范圍的10%。由此可見,土坯墻對室外溫度變化具有一定的消減作用,保證了墻體內(nèi)側(cè)及室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

        (3)將實(shí)測溫濕度與PMV 公式相結(jié)合,得到實(shí)測土坯房內(nèi)部的熱舒適情況,該實(shí)測房屋內(nèi)PMV 值在-2.6 ~-3 之間,即預(yù)測熱感覺為冷。表明該房屋內(nèi)的熱環(huán)境需要改善。因此,本文通過實(shí)測,對嚴(yán)寒地區(qū)土坯房內(nèi)居住者的熱舒適進(jìn)行研究,為提高農(nóng)村土坯房的熱舒適水平提供了數(shù)據(jù)支撐。

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