侯韌 李恩

河南工業(yè)大學(xué) 河南 鄭州 450001

引言

“屋頂”一詞在《中國(guó)大百科全書(shū)》中的解釋是“房屋上起覆蓋作用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)屋蓋”，這是屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)功能。屋頂作為建筑的第5個(gè)立面，無(wú)論是功能、文化，還是藝術(shù)價(jià)值，都有著重要的地位[1]。

開(kāi)封自古以來(lái)便是我國(guó)重要的政治、經(jīng)濟(jì)與文化中心，北宋時(shí)期叫作“汴京”，時(shí)至今日，當(dāng)?shù)厝员Ａ袅舜罅康膫鹘y(tǒng)建筑，為探究中原地區(qū)古代建筑技術(shù)提供了有效的基礎(chǔ)。1949年后，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與社會(huì)生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，屋頂形式也出現(xiàn)了新的變化。城市建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)依據(jù)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范進(jìn)行建設(shè)[2]，鄉(xiāng)村地區(qū)的建筑多是居民自主建造的，屋頂形式雖沒(méi)有嚴(yán)格依據(jù)國(guó)家規(guī)范，但也受到了工業(yè)化進(jìn)程的影響，順應(yīng)了歷史發(fā)展的潮流，體現(xiàn)著對(duì)于古代屋頂形式的傳承與創(chuàng)新。屋頂作為重要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成部分，是應(yīng)對(duì)室外環(huán)境的關(guān)鍵一環(huán)。

關(guān)于我國(guó)開(kāi)封市屋頂形式的研究多集中于建筑文化與歷史，其中：有學(xué)者研究了開(kāi)封市公共建筑屋頂形式的發(fā)展與變化；采用實(shí)地調(diào)研、文獻(xiàn)查閱、梳理分析等方式對(duì)豫北、豫東傳統(tǒng)民居營(yíng)造技術(shù)展開(kāi)研究，概括總結(jié)了不同地區(qū)傳統(tǒng)民居所體現(xiàn)出來(lái)的營(yíng)造技術(shù)的相同點(diǎn)，并梳理營(yíng)造技術(shù)的地域差異，在此基礎(chǔ)之上與官式建筑進(jìn)行對(duì)比[3]。

現(xiàn)有研究多從民居整體營(yíng)造的角度出發(fā)，忽視了單一建筑構(gòu)件改變對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響。因此，本研究主要針對(duì)開(kāi)封民居建筑屋頂形式展開(kāi)研究，分析1949年以來(lái)開(kāi)封市鄉(xiāng)村地區(qū)典型屋頂形式的演變對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

1 開(kāi)封市鄉(xiāng)村建筑調(diào)研

1.1 氣候條件

開(kāi)封市位于河南省中東部，屬于黃淮流域，依據(jù)民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行劃分，當(dāng)?shù)貙儆诤涞貐^(qū)。開(kāi)封市四季分明，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，總面積6247km2。最熱月平均氣溫24.8～27.3℃，最冷月平均氣溫-1～2.7℃。平均降水量為627.5mm，多集中在7、8月份。

1.2 屋頂構(gòu)造形式

為了解開(kāi)封市地區(qū)屋頂形式的變化，先后對(duì)開(kāi)封市及其下屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。1949年后，由于飽受戰(zhàn)爭(zhēng)的摧殘，大量建筑損毀嚴(yán)重，居住環(huán)境惡劣，隨著國(guó)家對(duì)國(guó)民居住質(zhì)量的關(guān)注，民居建設(shè)進(jìn)入了爆發(fā)期。調(diào)研結(jié)果顯示，20世紀(jì)50年代左右建造的房屋主要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料為土坯磚、紅磚與木頭，屋頂形式多為硬山，主要由木質(zhì)檁條、黃土、草席與灰瓦等材料組成。

1953年“一五”計(jì)劃開(kāi)始，我國(guó)逐漸把發(fā)展的重心轉(zhuǎn)向到工業(yè)上面來(lái)，各種建筑材料相繼出現(xiàn)。預(yù)制板材成為70～90年代我國(guó)民居建筑的主要建材。使用預(yù)制板材建造的平屋頂形式方便農(nóng)作物的晾曬與儲(chǔ)藏，該種屋頂構(gòu)造成為開(kāi)封鄉(xiāng)村地區(qū)最主要的屋頂建筑形式。

2000年以來(lái)，隨著國(guó)家規(guī)范的不斷完善，新型建材的出現(xiàn)，預(yù)制板建筑由于自身缺陷逐漸退出歷史舞臺(tái)。同時(shí)人民的物質(zhì)生活水平極大提高，大量的空調(diào)設(shè)備投入使用，簡(jiǎn)單的居住場(chǎng)所需求提升到了對(duì)高品質(zhì)室內(nèi)熱環(huán)境的需求，平房建筑由于受到太陽(yáng)直射面積較大，通常導(dǎo)致房間夏季內(nèi)部溫度過(guò)高。此外，平屋頂應(yīng)對(duì)夏季高溫多雨的情況存在排水能力不足的問(wèn)題，導(dǎo)致房屋內(nèi)部極易滲水、發(fā)生霉變，嚴(yán)重影響居住質(zhì)量。此背景之下，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式與屋頂構(gòu)造形式發(fā)生了又一輪的更新。鋼筋混凝土的新型坡屋頂成為新建住宅的首要選擇，其相比于舊式坡屋頂，新型屋頂更加注重防潮與美觀。

2 模擬計(jì)算

2.1 模擬軟件介紹

EnergyPlus由國(guó)外開(kāi)發(fā)的一款建筑能耗模擬引擎，是一款建筑能耗模擬免費(fèi)軟件，可以用來(lái)對(duì)建筑的采暖、制冷、照明、通風(fēng)以及其他能源消耗，進(jìn)行全面能耗模擬分析和經(jīng)濟(jì)分析 。

本文首先通過(guò)Sketch up中的E+用戶界面OpenStudio進(jìn)行建模，然后通過(guò)EnergyPlus進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，輸入當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)文件，最后輸出不同屋頂形式下建筑內(nèi)部熱環(huán)境進(jìn)行分析。

2.2 模型設(shè)置

本研究主要針對(duì)1949年后開(kāi)封地區(qū)不同時(shí)期典型的建筑屋頂形式進(jìn)行模擬分析，觀察不同形式與材質(zhì)的屋頂對(duì)于建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響。采用簡(jiǎn)化模型，建筑長(zhǎng)9m、寬6m，共3間。屋頂形式分為坡屋頂與平屋頂，利用OpenStudio建立了兩個(gè)基礎(chǔ)模型（如圖1所示）。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬運(yùn)算，模型材料設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表1，模型的通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)置為0.5次/h。

圖1 民居屋頂基礎(chǔ)模型圖

表1 建筑材料物理參數(shù)

本文僅分析由于不同年代屋頂形式對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響研究，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)及門(mén)窗材質(zhì)均采用相同的構(gòu)造。

2.3 模擬分析

2.3.1 冬至日1月21日室內(nèi)空氣溫度對(duì)比分析。模擬分析采用E+自帶的典型氣象年數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，當(dāng)日室外平均溫度0.35℃，室外最高溫度為4.7℃（出現(xiàn)在下午15時(shí)），最低溫度為-4.25℃（出現(xiàn)在早8時(shí)），溫度波動(dòng)幅度約為5℃。

結(jié)果顯示，3個(gè)模型溫度曲線變化呈現(xiàn)相同規(guī)律，3種屋頂模型冬季室內(nèi)日均最低溫出現(xiàn)在早上9時(shí)左右，冬季室內(nèi)日均最高溫出現(xiàn)在下午16時(shí)左右。室內(nèi)外溫度變化相對(duì)趨勢(shì)一致，僅延遲1h。

平屋頂、舊坡屋頂與新坡屋頂模型空氣平均溫分別為：10.2℃、11.3℃與9.7℃，均高于室外平均氣溫，橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)舊坡屋頂?shù)谋匦Ч黠@優(yōu)于另外2種屋頂形式。相比于室外5℃的溫度波振幅，平屋頂模型、舊坡屋頂與新坡屋頂依次為0.8℃、0.5℃、0.9℃。舊式坡屋頂對(duì)于穩(wěn)定室內(nèi)溫度的效果同樣優(yōu)于另外2種屋頂形式。僅僅分析3種屋頂所營(yíng)造的內(nèi)部熱環(huán)境均無(wú)法滿足18～26℃的人體熱舒適范圍。但舊坡屋頂形式的模擬結(jié)果優(yōu)于另外2種屋頂形式。

上述結(jié)果表明：該地區(qū)冬季寒冷，溫差較大。延遲時(shí)間短可能是由于0.5次/h的換氣次數(shù)引起的。任意模型中，中間房間的平均氣溫比東西向房間的平均氣溫高約1℃，分析是由于兩側(cè)的房屋成為中間房間的緩沖空間，減少了中間房間與室外空間的對(duì)流換熱面積，削弱了通過(guò)墻體散失的熱量。由此在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，從3個(gè)不同時(shí)期的屋頂形式的橫向?qū)Ρ确治隹梢园l(fā)現(xiàn)，舊坡屋頂是保溫最佳的屋頂，東中西3個(gè)房間都呈現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)，造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于舊坡屋頂中有較厚的黏土層，其能夠有效抵御室外溫度波動(dòng)。分析平屋頂優(yōu)于新坡屋頂?shù)脑?，可能是平屋頂可以在冬季接受較多的太陽(yáng)輻射。

2.3.2 夏至日6月21日室內(nèi)空氣溫度對(duì)比分析。3種屋頂模型冬季室內(nèi)日均最低溫出現(xiàn)在早上8時(shí)左右，冬季室內(nèi)日均最高溫出現(xiàn)在下午19時(shí)左右。室內(nèi)外溫度變化相對(duì)趨勢(shì)一致，房間內(nèi)部溫度峰值延遲約2h。

平屋頂、舊坡屋頂與新坡屋頂模型空氣平均溫分別為:26.6℃、24.9℃與26.9℃，低于夏季室外平均溫度 30.3℃。室外空氣最高溫度為36.1℃（出現(xiàn)在下午17時(shí)），室外空氣最低溫度為24.3℃（出現(xiàn)在早7時(shí)），溫度波振幅約為6℃。3個(gè)模型的室內(nèi)空氣溫度波振幅依次為：2℃、0.7℃與2.4℃，舊坡屋頂?shù)氖覂?nèi)熱環(huán)境表現(xiàn)依舊保持最好。

除此之外，典型日舊坡屋頂所營(yíng)造的室內(nèi)空氣溫度均低于26℃，完全滿足18～26℃的人體熱舒適范圍，而平屋頂與新屋頂均只有10h的全天時(shí)長(zhǎng)低于26℃，其余時(shí)間均超出人體熱舒適范圍。

結(jié)果顯示：該地區(qū)夏季炎熱，全天溫差較大。室內(nèi)外溫度變化趨勢(shì)較為一致。同時(shí)在同一模型中，中間房間的平均氣溫比東西向房間的平均氣溫低約0.5℃，其造成的原因是由于兩側(cè)的房屋分別遮擋了上午、下午的太陽(yáng)直射輻射，因此造成中間房間的溫度相對(duì)較低。

從3個(gè)不同時(shí)期屋頂形式的橫向?qū)Ρ确治隹梢园l(fā)現(xiàn)，舊坡屋頂隔熱性與保溫性能均為最佳，東中西3個(gè)房間都呈現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)，且24h周期內(nèi)的溫度變化幅度較為平緩。分析原因主要是由于舊坡屋頂中較厚的黏土層的熱惰性較大，使得該類(lèi)型的屋頂在模擬中呈現(xiàn)出最好的效果。平屋頂與新坡屋頂?shù)臏囟惹€大部分重合，由于同時(shí)改變了屋頂形狀與屋頂材料，因此不太具備對(duì)比分析的可能性。

2.4 優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

舊坡屋頂無(wú)論是在冬季還是在夏季，都能呈現(xiàn)出3種屋頂形式中最令人滿意的結(jié)果，對(duì)比兩種坡屋頂?shù)哪M數(shù)據(jù)，推測(cè)造成的主要原因是由于屋頂材料的不同。舊式坡屋頂中的黏土層最為重要，可以很好地隔熱與保溫，并且造價(jià)低廉方便取材，在以后的鄉(xiāng)村建筑中仍然存在應(yīng)用的可能。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先通過(guò)文獻(xiàn)查閱與實(shí)地調(diào)研，梳理不同年代與經(jīng)濟(jì)背景下開(kāi)封鄉(xiāng)村地區(qū)的屋頂材質(zhì)與構(gòu)造的演變過(guò)程，舊式坡屋頂以木頭，黃土與瓦片為主要材質(zhì)，平屋頂與現(xiàn)代坡屋頂材料以水泥和混凝土為主要材質(zhì)。且現(xiàn)代坡屋頂更加注重防水設(shè)計(jì)。

此外，3種屋頂形式的室內(nèi)熱環(huán)境模擬分析結(jié)果顯示，舊坡屋頂呈現(xiàn)出最令人滿意的表現(xiàn)，平屋頂其次，新坡屋頂再次。而舊式坡屋頂營(yíng)造的良好室內(nèi)熱環(huán)境主要得益于黏土較好的熱惰性。有利于維持舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，緩解現(xiàn)今鄉(xiāng)村地區(qū)室內(nèi)熱環(huán)境較差的現(xiàn)狀，并且可以降低使用過(guò)程中的能源耗費(fèi)。

本文的研究由于受到人員與時(shí)間的限制，在探究演變過(guò)程之后，直接針對(duì)3種屋頂形式進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境模擬，分析3種屋頂室內(nèi)熱環(huán)境排序。未考慮不同時(shí)期建筑形式的不同、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及門(mén)窗的材質(zhì)變化，研究目標(biāo)較為單一，在以后的研究中，可以針對(duì)未涉及的內(nèi)容展開(kāi)更加細(xì)致的研究。