康巴藏區傳統民居冬季熱環境

劉大龍，張習龍，楊 柳，何 泉

（ 1. 西安建筑科技大學建筑學院，陜西 西安 71055；2. 陜西省西部綠色建筑協同創新中心，陜西 西安 710055 ）

1 測試對象及設備

藏東、川西同屬特提斯地質構造，都屬于康巴藏區[4]．在建筑熱工分區中，該地區屬于寒冷地區，建筑以防寒保溫設計為主[5]．課題組于2013年1月在藏東昌都、2013年12月在川西甘孜分別選擇當地典型傳統民居開展室外氣候條件和建筑熱工測試．測試內容包括室外空氣溫濕度、太陽輻射量、民居內各房間的室內的溫濕度以及平均輻射溫度．測試項目和儀器見表1．

位于青藏高原腹地和川藏高原西北部的康巴藏區是中國3大藏族聚居區之一，在中國西南邊疆具有重要的戰略地位．康巴藏區地處高原高寒地區，氣候嚴酷，當地人民在傳統的宗教觀和審美觀意識的影響下，因山就勢，順應自然建造出了被稱為“凝固在川藏大地上的建筑符號”傳統民居[1]．康巴民居以較為原始的技術、就地取材滿足了雪域高原嚴酷氣候條件下人們基本的生存需要．隨著我國經濟的不斷發展和人民對舒適居住環境需求的提高，我國高原地區民居普通存在在室內熱環境差，用能缺乏規劃、節能發展落后等問題[2-3]，康巴民居也存在上述問題，急需得到改善，這也是保護康巴民居現實可持續發展的迫切需要．

表1 室內外熱環境各分項測試設備Tab.1 Measuring instrument for indoor/outdoor thermal environment

圖1 藏東昌都民居一層平面圖Fig.1 Location of first floor of folk house in Changdu of east Tibet

藏東昌都被測民居位于西藏昌都縣齊齒街社區184-1#．一層平面如圖1所示，主要包括客廳兼廚房、出租房間和儲藏；二層為臥室、經堂和儲藏，局部用木板加蓋了出租房．一層外墻為石塊砌筑，厚度550 mm，內墻為土坯，二層為混凝土空心砌塊，厚度 200 mm．屋頂為覆土構造，厚度約 500 mm．一層房間 8設有簡易采暖設施，此外其他房間均無采暖設施．

川西甘孜被測民居位于四川省甘孜州康定縣雅拉鄉中谷村，該建筑南偏西40°，共兩層，一層為牲畜圈，二層為住宅，西南部設置透明的陽光棚，墻體為片石泥漿砌筑而成，墻體厚400～500 mm．屋頂為覆土構造，厚度約500 mm．窗戶為塑鋼單層玻璃窗，二層平面圖見圖2．各房間均無采暖設施．

圖2 川西甘孜民居二層平面圖Fig.2 Location of first floor of folk house in Ganzi of west Sichuan

2 康巴藏區民居熱環境現狀分析

2.1 室外輻射條件

圖3～4分別為昌都和甘孜的室外輻射強度分布圖．兩地冬季輻射以直射輻射為主，水平面總輻射最高值均出現在北京時間中午13點，昌都輻射最大值為735 W/m2，甘孜為687 W/m2．昌都日總輻射強度為3 366.2 W/m2，甘孜為3 296.0 W/m2，昌都地區輻射強度略高于康定地區．有效輻射時間為9:30～17:00時之間．輻射數據分析表明：兩地冬季輻射中直射比例高、輻射強度高、輻射資源豐富，適于開展被動式太陽能采暖設計．

圖3 昌都太陽輻射強度Fig.3 Solar radiation in Changdu

圖4 甘孜太陽輻射強度Fig.4 Solar radiation in Ganzi

圖3～4分別為昌都和甘孜的室外輻射強度分布圖．兩地冬季輻射以直射輻射為主，水平面總輻射最高值均出現在北京時間中午13點，昌都輻射最大值為735 W/m2，甘孜為687 W/m2．昌都日總輻射強度為3 366.2 W/m2，甘孜為3 296.0 W/m2，昌都地區輻射強度略高于康定地區．有效輻射時間為9:30～17:00時之間．輻射數據分析表明：兩地冬季輻射中直射比例高、輻射強度高、輻射資源豐富，適于開展被動式太陽能采暖設計．

3.2 室內熱環境要素

圖5 昌都民居室內外溫度Fig.5 Air temperature of indoor/outdoor folk house in Changdu

圖6 甘孜民居室內外溫度Fig.6 Air temperature in indoor/outdoor folk house in Ganzi

圖5-6分別為昌都和康定民居室內外氣溫曲線．測試當日，昌都室外平均溫度為0 ℃；房間8為主要使用房間，室內有熱源，平均溫度為11.6 ℃；房間2無熱源，平均溫度為4.3 ℃．甘孜室外平均溫度為－4.4 ℃；房間1為附加陽光間，平均溫度為1.6 ℃；房間2緊鄰陽光間偏南、平均溫度為2.4 ℃；房間3與陽光間相隔一走廊，平均溫度為1.6 ℃；房間4偏北，平均溫度為－0.9 ℃；室內均無熱源．

圖7 昌都民居MRT與室溫Fig.7 MRT vs air temperature of Changdu

圍護結構內壁面與人體間產生的輻射熱交換對人體冷熱感具有重要影響，MRT是室內輻射換熱量的標志，是影響室內熱舒適性的重要因素[6-7]．在室內微氣候中，氣溫與MRT溫差很大時，熱輻射的影響就非常大，產生平均輻射溫度問題[8]．因此在分析MRT對室內熱環境影響時必須與室內空氣溫度綜合考慮．圖7為昌都民居房間的MRT與室內氣溫曲線，圖8為康定民居房間的MRT與室內氣溫曲線．昌都民居平均MRT為5.5 ℃，比平均室溫高1.2 ℃；甘孜民居平均MRT為2.7 ℃，比平均室溫高0.3 ℃．

測試當日，昌都室外平均相對濕度為40%，室內平均相對濕度為16%；康定室外平均相對濕度為64%，室內平均相對濕度為58%，其中陽光間平均濕度相對較低為43%，主要是受太陽輻射影響，濕度降低．

圖8 甘孜民居MRT與室溫Fig.8 MRT vs air temperature of Ganzi

3 康巴藏區民居熱環境及改善分析

3.1 兩地民居室內熱環境對比分析

通過測試發現：昌都、甘孜兩地民居地處高原地區，冬季室外寒冷而輻射資源富足．在無熱源情況下，兩地民居室內平均氣溫與MRT均低于10 ℃，明顯偏低；在有間歇性簡易采暖設施條件下，室內氣溫也偏低，遠離舒適溫度[9]．從建筑圍護結構傳熱性能分析，兩地民居外墻都為石材砌筑，昌都民居為石塊，平均傳熱系數為1.27 W/(m2·K)，甘孜民居外墻為片石泥漿砌筑，平均傳熱系數為1.39 W/(m2·K)．兩地民居建筑圍護結構傳熱系數遠低于寒冷地區節能標準要求，墻體保溫性差，室內熱舒適度嚴重不足．因此兩地民居熱工性能偏低，且對太陽輻射利用不足．

分析圖3-8綜合對比昌都、甘孜兩民居熱工性能．從測試日室外氣候條件看，昌都地區的輻射略微強于甘孜地區，平均氣溫比甘孜高4.4 ℃，因此昌都地區室外熱環境略優于甘孜地區．以北向無熱源房間對比（昌都房間2與甘孜房間4），昌都民居室內氣溫明顯高于甘孜民居，這是室外氣候條件造成的差異．甘孜民居引入了“陽光間”的設計，在房間外側搭建了“附加陽光間”，使得相鄰“陽光間”房間室溫顯著高于北向，發揮了太陽輻射的熱作用．但是，該民居處于山谷中受制于地形限制，建筑朝向不利于充分利用太陽輻射熱．從圍護結構來看，甘孜民居傳熱系數略微優于昌都民居，但是甘孜民居圍護結構氣密性較差，室內外相對濕度很接近，且室內濕度顯著高于昌都民居，使得室內升溫比昌都民居更困難．

3.2 康巴藏區民居熱環境改善分析

兩地民居熱工性能差是造成室內熱環境差的主要原因．昌都現有民居其傳熱系數與該地節能標準限值相差甚遠，建筑保溫性差．本文以昌都民居為例，對其進行圍護結構熱工性能改善研究．

在寒冷地區提高建筑保溫性是改善室內熱環境、提高節能性的有效措施．將昌都民居圍護結構傳熱系數直接提高到節能標準要求較為困難，民居所用建材與城市建筑建材熱工特性相差甚遠，同時也不建議完全將城市建材用于民居．因此可將昌都民居現有圍護結構傳熱系數進行適當優化，從而探尋適宜的改造方案．

圖9為采用EnergyPlus模擬的外墻傳熱系數變化與室內氣溫的關系曲線，建筑模型為調研的昌都民居建筑，外墻傳熱系數以1.27 W/(m2·K)為原始K值，依次降低10%．從圖中可見，在不改變室外氣溫及不增加室內熱源情況下，降低傳熱系數室內氣溫顯著增加．在K值減少30%以內，室內氣溫隨K值減小線性增加．當傳熱系數降低30%，即約為0.9 W/(m2·K)時，再降低傳熱系數，室內氣溫升高減緩．考慮成本及改造難度，建議昌都地區現有民居將其外墻傳熱系數降低30%．圖10為墻體傳熱系數降低30%情況下，降低屋頂傳熱系數對應的室內氣溫曲線．該曲線表明，減小屋頂傳熱系數可以有效減少室內熱損失．當屋頂傳熱系數減小30%以上時，室溫升溫增強．但改變屋頂傳熱系數對室溫影響小于墻體傳熱系數減小的影響．綜合分析，通過提高墻體保溫性能可有效改善室內熱環境質量．

圖9 昌都民居外墻傳熱系數與室內氣溫Fig.9 K-value of exterior wall vs air temperature of folk house in Changdu

圖10 昌都民居屋頂傳熱系數與室內氣溫Fig.10 K-value of roof vs air temperature of folk house in Changdu

4 結論

(1) 對康巴藏區的昌都和甘孜傳統民居進行冬季室內外熱環境測試發現，兩地室外氣候寒冷，民居室內熱環境遠離舒適要求；

(2) 昌都、甘孜兩地民居外圍護結構保溫性差，這是導致室內熱環境質量差的主要原因；

(3) 模擬分析表明，考慮室內氣溫兼顧實踐性，建議將現有昌都地區民居外墻傳熱系數減小30%，屋頂傳熱系數減小50%以上，通過提高外墻保溫性能來改善室內熱環境質量．

References

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[8]劉加平,楊柳. 室內熱環境設計[M].北京:建筑工業出版社,2005.LIU Jiaping, YANG Liu. Design of indoor thermal environment[M],Beijing: China Architecture & Building Press. 2005.

[9]民用建筑室內熱濕環境評價標準:GB/T 50785-2012[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2012.Evaluation standard for indoor thermal environment in civil buildings:GB/T 50785-2012[S]. Beijing: China Architecture & Building Press,2012.