徽州傳統民居冬季熱環境優化分析

0 引言

徽州傳統民居是我國傳統民居的重要流派，是祖先勤勞與智慧的結晶。徽州位于我國夏熱冬冷地區，在炎熱的夏季主要通過天井通風、街巷遮陽、圍護結構隔熱等措施解決夏季防熱問題；但在寒冷的冬季，由于建筑氣密性差，沒有合理的采暖、保溫措施，使得徽州傳統民居室內寒冷潮濕，嚴重影響人體熱舒適性。

國內外許多學者都曾對各地的傳統民居進行過大量研究。Baran等[1]對土耳其傳統民居中所蘊含的氣候適應性技術進行了詳細的分析和優化，并將其運用到現代建筑上。Kim等[2]對朝鮮傳統民居的熱環境適應性進行了研究，指出傳統民居的門窗、屋檐等圍護結構在設計時考慮了當地氣候，有利于營造出一個良好的室內環境，并將其與現代建筑進行比較分析。Ooka[3]對日本傳統民居冬夏季室內熱環境進行了實測，對比測試結果，指出泥制外墻和土制地板有很好的儲熱性能，能達到調節建筑室內溫濕度的作用，且采用蘆葦建造的屋頂具有良好的保溫性能。于佳[4]對西藏林芝地區傳統民居及藏式新民居分別進行了實測結果定量分析和數值模擬分析，指出在無采暖措施情況下，該地區民居冬季室內熱環境質量較差，并根據傳統民居與新式建筑的對比分析，提出改進措施。陳曉揚等[5]對宏村典型傳統民居的進行了實測，結合CFD 模擬分析徽州傳統民居室內的環境特征，指出建筑隔熱性能較好，但保溫和通風較差。宋冰等[6]對西遞傳統民居冬季室內熱環境進行了實測分析，指出圍護結構熱工性能差、室內通風換氣不暢、無輔助采暖是導致徽州傳統民居室內寒冷潮濕的主要原因。張瑩等[7]對宏村、盧村傳統民居冬夏季溫濕度進行實測，指出傳統民居的夏季防熱效果好，但冬季建筑的保溫效果差，并從墻體、門窗、天井、屋頂等方面提出改進措施。石團團[8]對徽州傳統民居冬季室內環境進行測試，指出徽州傳統民居冬季室內昏暗、陰冷潮濕、氣密性較差，并結合廂房“地籠”設計太陽能地板輻射采暖系統，改善室內熱環境。

為進一步研究不同因素對傳統民居冬季室內熱環境的影響，以更好地解決徽州傳統民居冬季室內熱舒適性問題，本文在前人研究的基礎上，通過實測掌握傳統民居冬季室內環境的現狀，結合軟件進行冬季室內熱環境仿真模擬，分別在有無內熱源工況下，分析換氣次數、圍護結構熱工性能對室內熱環境的影響。

1 冬季熱環境實測

1.1 研究對象

本研究選擇安徽涇縣查濟古村的典型清代民居建筑——馀慶堂為研究對象。該民居坐北朝南，為二進五廂，平面布局東西對稱（ 圖1）。第一進天井位于圍墻與房屋之間，外墻為青磚空斗墻；第二進天井位于民居中心、兩廳堂之間；廳堂兩側為廂房，廂房的天花板、地板和四周內墻均為木板。

圖1 馀慶堂平面布置圖

1.2 實測分析

本研究起止時間為2015年1月25～27日（小雨），選取馀慶堂第一進進行實測。采用溫濕度測量計(KANNA-HI9065)進行溫濕度測試，得到1月26日建筑各區域空氣溫度（圖2）。采用CO2示蹤氣體衰減法進行氣密性測試，計算得到三種工況下的換氣次數，即：門洞全關的廳堂內換氣次數為10.0次/h，門窗全開的廂房內換氣次數為12.5次/h，門窗全關的廂房內換氣次數為2.5次/h。采用熱舒適儀(METRELMI6201)測得熱舒適度PMV=-3，人體感覺為“冷”；PPD=100%，不滿意度高。

由圖2可知，冬季傳統民居的室外空氣平均溫度為7.9℃，廳堂為8.2℃，廂房為8.6℃，溫度低，且建筑室內外溫度相差較小。由實測結果分析得知：徽州傳統民居冬季防寒效果差，受外部環境擾動大，室內寒冷潮濕，熱舒適性差。造成這一結果的原因主要有3個：①冬季天井通風和門窗的冷風滲透導致建筑氣密性差，室內換氣次數大；②民居圍護結構的傳熱系數較大，保溫、蓄熱性能差；③當地居民缺乏合理的采暖措施。

2 冬季熱環境模擬

為分析不同因素對傳統民居冬季室內熱環境的影響程度，本文采用數值模擬分析法，建立傳統民居室內熱

圖2 馀慶堂室內外實測空氣溫度

環境模型，分別在有無內熱源工況下，分析換氣次數、圍護結構熱工性能等對室內熱環境的影響程度。

2.1 模擬方法

為使模擬結果更符合實際情況，本文基于Fluent軟件的流場分析優勢和Trnsys軟件的模塊化瞬態分析優勢，構建Fluent和Trnsys耦合平臺。通過Fluent軟件計算出室外風速與室內換氣次數的數值關系，擬合出二者之間的數學方程，作為Trnsys中建筑動態換氣次數的數學模型，導入Trnsys進行耦合分析。

2.2 模擬方案

在無輔助內熱源工況下，分析換氣次數、圍護結構熱工性對室內熱環境的影響程度。如表1所示，CASE0為根據實際情況建立的建筑模擬方案，其中，建筑圍護結構傳熱系數為實測值，換氣次數為模擬所得的動態換氣次數；CASE2對建筑圍護結構熱工性能進行了改進。

在有輔助內熱源工況下，分析換氣次數、圍護結構熱工性對室內熱環境的影響程度。如表2所示，CASE3只增設了內熱源；CASE4在對建筑氣密性進行改進的基礎上，增設了內熱源；CASE5在對建筑圍護結構熱工性能進行改進的基礎上，增設了內熱源。

計算Fluent軟件擬合出的室外風速與廂房換氣次數耦合方程y=-0.27X2+1.08X+2.50，可得動態換氣次數。建筑原圍護結構中，外墻的傳熱系數實測值為2.06 W/(m2·K)，內墻為 1.86W/(m2·K)，屋頂為 3.99W/(mm2·K)；圍護結構傳熱系數1.0 W/(m2·K)為安徽省居住建筑節能設計標準中圍護結構熱工參數的限定值；換氣次數1.5次/h為安徽省居住建筑節能設計標準中換氣次數的標準值；輔助內熱源50W/m2為住宅建筑冬季采暖熱負荷的限定值。

表1 無內熱源工況下各方案

表2 有內熱源工況下各方案

2.3 模擬結果分析

分別在無輔助內熱源工況和有輔助內熱源工況下，控制換氣次數、圍護結構熱工性，建筑廂房內的空氣溫度如圖3 、4所示。

2.3.1 無內熱源模擬分析

（1）由CASE1結果分析得知，保持其他因素不變，控制換氣次數為1.5次/h時，室內空氣溫度為9.0℃，相比CASE0提高了0.6℃。由此可見，僅對廂房氣密性的改進，室內熱環境無明顯改善。這主要是由于廂房門洞全關工況下，廂房內換氣次數較小，因而對廂房進行單一的氣密性優化時，對室內熱環境的影響較小。

圖3 無內熱源工況下各方案廂房溫度

圖4 有內熱源工況下各方案廂房溫度

（2）由CASE2結果分析得知，保持其他因素不變，控制圍護結構傳熱系數為1.0W/(m2·K)時，室內空氣溫度為12.5℃，相比CASE0提高了4.1℃。由此可見，通過對廂房圍護結構熱工性能的改進，室內熱環境有很大的改善。這是因為建筑原有圍護結構的熱工性能較差，因而在改進圍護結構的熱工性能時，廂房室內熱環境也會有一定的改善。

綜上分析：隨著建筑換氣次數和圍護結構傳熱系數的減小，廂房內空氣溫度都會有一定幅度的上升，即降低室內換氣次數、提高圍護結構熱工參數均可在一定程度上提高廂房氣溫；且建筑圍護結構熱工性能的改進效果遠遠優于建筑氣密性的改進效果。

2.3.2 有內熱源模擬分析

（1）由CASE3結果分析得知，保持其他因素不變，控制輔助內熱源為50W/m2時，室內空氣溫度為11.6℃，相比CASE0提高了3.2℃。由此可見，如增設輔助內熱源，對室內熱環境的改善效果一般。這主要是由于建筑圍護結構熱工性能及建筑氣密性差，導致過多的熱量散發到室外，室內熱環境改善效果不明顯。

（2）由CASE1、CASE2、CASE3對比分析可得，改變建筑換氣次數、圍護結構熱工性能和內熱源，可分別提高室內溫度0.6℃、4.1℃和3.2℃。可見改進圍護結構熱工性能對室內熱環境的改善效果最佳，其次是增設內熱源，而提高建筑氣密性對室內熱環境的影響最小，改善效果明顯低于其他方案。

（3）由CASE4結果分析得知，保持其他因素不變，控制建筑換氣次數為1.5次/h，內熱源為50W/m2時，室內空氣溫度為12.7℃，相比CASE3提高了1.1℃。由此可見，在改進建筑氣密性的基礎上再增設內熱源，對室內熱環境有改善作用，但效果不明顯。這主要是由于建筑換氣次數的改進，降低了室內外空氣對流換熱，減少了室內熱量的損失。

（4）由CASE5結果分析得知，保持其他因素不變，控制圍護結構傳熱系數為1.0W/(m2·K)，內熱源為50W/m2時，室內空氣溫度為16.1℃，相比CASE3提高了4.5℃。由此可見，在改進建筑圍護結構熱工性能的基礎上再增設內熱源，能夠較大程度地改善室內熱環境。這主要是由于建筑圍護結構熱工性能的改進，增大了墻體熱阻，減少了室內熱量的損失。

綜上分析：相比于只增設內熱源，分別在提高圍護結構熱工參數和建筑氣密性的基礎上，再增設內熱源，對室內熱環境均有進一步的改善作用，且提高圍護結構熱工參數的改善效果更為明顯。

3 結語

綜上所述，通過對徽州傳統民居冬季室內熱環境的模擬，我們可以得出以下結論：在無內熱源狀態下，改進圍護結構熱工性能對室內熱環境的改善效果最佳，其次是增設內熱源，而提高建筑氣密性對室內熱環境的影響最小；若在提高圍護結構熱工參數的基礎上再增設內熱源，則室內熱環境的改善效果會最好。

參考文獻：

[1]Baran M, Yildirim M, Yilmaz A. Evaluation of ecological design strategies in traditional houses in Diyarbakir in Turkey[J]. Journal of Cleaner Production, 2011,19:309-319.

[2]Kim TJ, Park JS. Natural ventilation with traditional Korean opening in contemporary house[J]. Building and Environment, 2010,45:51-57.

[3]Ooka R. Field study on sustainable indoor climate design of a Japanese traditional folk house in cold climate area[J].Building and Environment, 2002,37:319-329.

[4]于佳. 西藏林芝地區民居冬季熱環境研究[D]. 武漢:華中科技大學,2011.

[5]陳曉揚,仲德崑. 宏村徽州傳統民居過渡季節室內環境分析[J]. 建筑學報, 2009,(S2):68-70.

[6]宋冰,楊柳,劉大龍等. 西遞徽州民居冬季室內熱環境測試研究[J]. 建筑技術,2014,45(11):1033-1036.

[7]張瑩,鐘杰. 徽州傳統民居室內環境分析[J]. 華中建筑,2011(05):66-69.

[8]石團團. 徽州傳統民居冬季室內熱環境研究[D]. 安徽:安徽工業大學,2015.