李晶磊 張宇峰

（華南理工大學 建筑學院）

0 引言

在廣東客家地區(qū)，存在大量的傳統(tǒng)民居。由于地處濕熱氣候區(qū)，客家民居飽受結露問題的困擾。此問題不僅存在于先民時期，在科技發(fā)達的今天依然存在。研究[1]在早期就提出廣東地區(qū)民居的防潮問題。針對客家民居建筑性能的研究也較豐富，如研究[2,3]以客家民居為例，結合軟件模擬和實測，對其通風和隔熱性能進行研究。但這類研究均未考慮防潮問題。此外，部分研究將參數(shù)化方法應用到傳統(tǒng)民居的研究中，如研究[4]針對廣府民居并覆蓋了較全面的建筑性能指標，對其進行氣候適應性的深入研究。

1 研究方法

1.1 客家橫屋民居基本信息

1.2.1 區(qū)位及氣候

客家在廣東地區(qū)主要包括粵東地區(qū)的梅州、惠州、河源等市，本研究選擇河源市為代表，并采用《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[5]中河源市的典型氣象年數(shù)據(jù)。河源市屬亞熱帶季風氣候。主要氣候特點為：氣溫偏高，年平均氣溫21.0℃；年平均降水量1742.0mm；日照時數(shù)偏少，年平均日照總時數(shù)1733.9小時，時空分布不均。

1.2.2 客家地區(qū)代表民居典型平面

基于文獻調研，并總結客家橫屋民居的典型平面如下：橫屋是“杠屋（樓）的一排縱列房間”，“和堂橫屋的附屬組成部分相同”，“在形制上和營造上都有基本單元的意義”[1]，因此，橫屋一般視作杠屋（樓）、堂橫屋等組合型民居的基本型，平面原型如圖1。橫屋或鎖頭屋的平面特點是：雙開間，一間為長方形天井，一間為并列的房間。據(jù)此抽象出橫屋的典型平面，如圖2，橫屋的層數(shù)多數(shù)為2層，但也存在1層的情況[6]。本研究以2層橫屋為研究對象。

圖1 橫屋平面原型

圖2 橫屋典型平面

1.2.3 客家地區(qū)代表民居尺寸參數(shù)

本研究調研總結客家民居常用的取值，分為取值范圍和取值間隔進行總結，進而得出橫屋民居的詳細尺寸。此外，沿用研究[4]中對于參數(shù)取值的調整方法，對本研究的參數(shù)值進行適當調整，以供參數(shù)化的使用需求。

橫屋尺寸（參考研究[6]）：對于面寬，客家地區(qū)瓦坑數(shù)一般為奇數(shù)，常用的瓦坑間距為7寸，即1坑=222.25mm。廳面寬的取值范圍為21～25坑，即4667.25～5556.25mm，取值間隔為444.5mm（2坑）。走道進深是一個常數(shù)，約為3尺（952.50mm）。天井面寬為13～17瓦坑，即2889.25～3778.25mm，取值間隔為444.5mm（2坑）。房面寬的取值范圍為2222.5～2667mm，取值間隔為444.5mm（2坑）。進深的取值范圍為3810～5080mm，取值間隔為635mm。尺寸總結如表1。

表1 客家橫屋民居尺寸總結 （mm）

1.2 性能指標計算模塊

本研究將建筑室內空間墻體和屋面內表面溫度低于室內空間露點溫度的持續(xù)時間作為結露時間，其占全年時間的百分比即為結露百分比，見式⑴。

式中，

CPR——建筑的結露百分比；

CPi——建筑某一房間全部內表面的結露時間；

N——建筑的房間數(shù)量。

本研究采用Ladybug_WetBulbTemp(WetBulbTemp& DewPointTemp)模塊達到露點溫度的計算，同時結合上述算法和公式，進行結露百分比計算組件的編寫，最后進行結露百分比的輸出（圖3）。

圖3 某一建筑空間結露百分比計算模塊搭建

由房間的功能和人類活動，進而設置客家傳統(tǒng)民居人員密度和人均發(fā)熱量如表2。交通空間（如廊）人員不做停留，因此忽略其作用。

表2 傳統(tǒng)民居人員密度和人均發(fā)熱量

1.3 敏感性分析與目標尋優(yōu)

1.3.1 敏感性分析

敏感性分析即是分析在自變量變化時，因變量的變化程度。本研究采取敏感性分析進行設計參數(shù)對性能指標的影響程度分析，以確定影響某一性能指標的關鍵設計參數(shù)。選用局部敏感型分析方法，利用軟件內組件并結合Excel進行敏感性系數(shù)的計算，式⑵取自研究[7]。

式中，

SC——敏感性系數(shù)；

IP——設計參數(shù)；

OP——性能指標。

采用此公式并結合GH平臺，可以得出客家民居設計參數(shù)對于防潮性能的敏感性大小排序，進而確定各性能指標的關鍵設計參數(shù)，以便參與后文的目標尋優(yōu)。

1.3.2 目標尋優(yōu)

本研究采取單目標尋優(yōu)插件Galapagos，結合敏感性分析得到的結果進行目標尋優(yōu)。由于插件穩(wěn)定性低，因此本研究僅選取敏感性系數(shù)前五的設計參數(shù)參與尋優(yōu)。單目標尋優(yōu)的模型設置參照研究[8]，如表3。

表3 Galapagos計算參數(shù)設置

用性能變化率來表示兩個方案之間的性能變化，進行去分析方案的變化程度，其計算見式⑶。

式中，

目前，雖然關于我國古代圖書收藏與管理等方面的論著頗豐，但筆者認為，古代圖書管理與發(fā)展過程中，尚存仍需進一步考究與厘清的一些史實和問題。通過查閱相關史料，本文在古代圖書館的產(chǎn)生，古代藏書形式、古代典籍的整理與分類法演變等方面進行了梳理與探討。

Q——性能變化率；

A1——方案一的性能指標值；

A2——方案二的性能指標值。

2 結果

2.1 設計參數(shù)敏感性分析

基于前面研究中建立的敏感性分析平臺和方法，得到客家橫屋民居各設計參數(shù)對防潮性能的敏感性值，總結如圖4。

圖4 各設計參數(shù)對防潮性能的敏感性值

其中，影響程度較高的設計參數(shù)前五分別是廳進深、墻體材料參數(shù)中的外墻熱惰性指標和外墻傳熱系數(shù)、天井進深、檐口高度，由于前五名中墻體材料占據(jù)兩名，因此取排名再次的設計參數(shù)（屋頂材料）與前面四種參數(shù)共同參與橫屋民居結露百分比的單目標尋優(yōu)。

2.2 目標尋優(yōu)結果

針對結露百分比，共進行了1300個單目標尋優(yōu)案例分析以及600個單目標尋差案例分析，繪制單目標尋優(yōu)及單目標尋差結露百分比箱型圖如圖5。

圖5 橫屋民居整體結露百分比箱型圖

整理統(tǒng)計1300個案例中的性能指標前5%共13個最優(yōu)案例集合，記錄關鍵設計參數(shù)常用取值如表4。橫屋民居為實現(xiàn)更好的防結露性能，天井進深偏向于取最小值，廳進深偏向于取最小值，檐口高度偏向于取最小值，墻體材料偏向于取雙隅青磚墻，屋頂材料偏向于取六重瓦和七重瓦。從而確定出橫屋民居為實現(xiàn)良好防結露性能的最優(yōu)案例普遍做法。

表4 橫屋防結露性能最優(yōu)案例關鍵設計參數(shù)的常用取值

3 分析與討論

最優(yōu)和最差案例室內各表面的全年結露百分比如圖6，由于一二層空間的左房和右房為對稱平面，結合數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其結露狀況也相似，因此折線圖中僅列出各層的廳和房間代表。從功能空間上看，最差案例中廳和房間的結露百分比狀況相似（廳的平均值為1.23%，房為1.21%），但大部分房間的結露都比一層廳嚴重，而二層廳是最嚴重的結露空間。從形制上看，一層廳有大開口面向天井，受外界調節(jié)（如長期太陽照射）較多，因此結露現(xiàn)象較輕，而房間及二層廳較為封閉，更容易發(fā)生結露。在相同的功能空間中的不同表面，一二層空間也存在差異。對于一層空間，墻體的結露現(xiàn)象最嚴重，屋面和地面相對較輕。對于二層空間，前后屋面的結露現(xiàn)象最嚴重，而地面和墻面相對較輕。

圖6 橫屋民居各表面全年結露百分比

選取1F左房1右墻、2F廳前屋面、1F廳屋面以及1F右房1地面作為代表，分析其全年結露時間分布。不同類型的表面具備不同的結露分布特點。對于屋面，二層廳屋面和一層廳屋面的防結露性能差異較大，對于二層廳屋面，其結露時間大部分分布于各個月份的夜間。而屋面的防結露性能差于墻體和地面的原因是：首先屋面直接面向天空，而墻體連接其他墻體或直接接觸街巷環(huán)境，地面連接熱惰性很大的土壤，由此可以得知，由于晴空輻射的原理，屋面比墻體和地面在夜間溫度下降更快。此外，傳統(tǒng)民居常見的墻體和屋頂材料中，屋頂?shù)臒岫栊灾笜酥颠h低于墻體，說明屋頂?shù)纳岣?。因此，在溫度較低的夜晚，屋面內表面溫度快速下降，低于室內溫度發(fā)生結露。墻面和地面的結露時間分布狀況相似，二者的結露百分比均較低，多分布于一月和三月，其余部分月份日間有少量分布。將其分布時間和客家地區(qū)全年濕度分布圖對比（圖7），發(fā)現(xiàn)其分布于濕度較高的區(qū)域。

圖7 客家地區(qū)全年濕度分布圖

對比最優(yōu)案例和最差案例各空間的性能值以及時間和空間分布規(guī)律可以得知，最優(yōu)案例各空間結露時間都有減少。由此得出，最優(yōu)案例優(yōu)于最差案例，主要在于各功能空間夏季白天結露狀態(tài)的改善以及屋面晚上結露狀態(tài)的改善。

建筑空間的開放程度影響入射太陽輻射接收以及氣流交換。橫屋民居最優(yōu)案例全年累計入射太陽輻射量為3.9×104kWh，高出最差案例（2.8×104kWh）39.3%。最優(yōu)案例全年平均風速為0.052m/s，稍低于最差案例（0.063m/s）。因此，橫屋民居防結露性能的改善主要在于增加入射太陽輻射。此外，一層空間的各房間門都面向天井，門空間面積遠大于窗口，是與室外交流的主要通道，即室外空氣先經(jīng)過天井再進入室內。因此，天井空間的形態(tài)參數(shù)和微氣候狀態(tài)對建筑防結露性能有較大影響。另外改善墻體和屋面的材料參數(shù)可以改善墻體和屋面內表面的溫度，進而影響民居的結露性能。

因此，針對橫屋民居，增加入射太陽輻射、利用天井空間的熱緩沖作用、改善墻體和屋面的材料性能可以提高防結露性能。

⑴增加入射太陽輻射。廳進深影響兩側房間的山墻面窗口面積，同時影響各空間的單位面積入射太陽輻射。廳進深增大，各空間的單位面積入射太陽輻射增加，進而達到良好的防結露性能。檐口高度同時影響窗口面積以及臨近建筑和天井外墻對于建筑的遮擋作用，檐口高度降低，窗口面積減少，但同時遮擋作用也降低，因此其對于防結露性能的影響也是雙向的，由最優(yōu)案例集合的常見取值可知，檐口高度偏向于取最小值，說明減小檐口高度帶來的降低遮擋作用更有利于接收太陽輻射。

⑵利用天井空間的熱緩沖作用。由前述分析可知，室外空氣經(jīng)由天井空間進入室內，因此各房間地面的防結露性能受到天井的較大影響。天井空間受到外界環(huán)境影響的作用越低，其內部微環(huán)境越穩(wěn)定，最優(yōu)案例中天井空間夏季平均濕度為77.8%，而室外夏季平均濕度為82.0%。天井進深減小，天井兩側山墻的窗口面積減小，頂部向室外的開口變小，導致天井的封閉程度增大，有利于調節(jié)微環(huán)境。

⑶選擇合適的墻體和屋頂材料。由最優(yōu)案例集合的常見取值結果可知，墻體材料中雙隅青磚墻可以使橫屋民居防結露性能達到最優(yōu)，而屋頂材料中六重瓦和七重瓦可以使橫屋民居防結露性能達到最優(yōu)。分析比較各材料的傳熱系數(shù)（K）和熱惰性指標值(D)，并構建D/K值來衡量各材料的參數(shù)。較小D/K值的墻體材料可以使得民居在夏季白天時段墻體溫度迅速上升，從而減少日間結露。而較大D/K值的屋頂材料可以使得民居在夏季晚上時段溫度緩慢變化，進而減少夜間結露。因此，為達到橫屋民居較好的防結露性能，墻體材料的D/K值宜取中間值，而屋頂材料的D/K值宜取較大值。

4 結論

本研究以客家橫屋民居為研究對象，調研其各類設計參數(shù)，利用參數(shù)化平臺生成1900個民居參數(shù)化模型，基于防潮性能計算篩選其關鍵設計參數(shù)，通過目標尋優(yōu)得到優(yōu)化解集。得到的結論如下：

⑴橫屋民居全部民居案例的結露百分比（1900個案例）分布在0.27%～1.22%之間。

⑵增加入射太陽輻射、改善天井空間的形態(tài)參數(shù)和微氣候狀態(tài)、選擇合適的墻體及屋面材料均可以提高橫屋民居防結露性能。

⑶相應的取值偏好為：天井進深、廳進深和檐口高度偏向于取最小值，墻體材料偏向于取雙隅青磚墻，屋頂材料偏向于取六重瓦和七重瓦。