對(duì)潮汕老屋節(jié)能改造策略的模擬研究

黃偉彬，王英姿

（汕頭大學(xué)土木與環(huán)境工程系，廣東 汕頭 515063）

0 引言

現(xiàn)存的潮汕老屋因其整體環(huán)境難以滿足當(dāng)代人的居住要求，越來越多地被推倒或者廢棄.根據(jù)實(shí)際調(diào)研，目前在用的潮汕地區(qū)村鎮(zhèn)民宅中僅有約1/7的住宅沿襲了潮汕老屋的制式，而這其中在酷夏時(shí)節(jié)沒有條件使用空調(diào)設(shè)備的家庭又占了大多數(shù).鑒于潮汕老屋的形制，空間乃至材料構(gòu)造都反映了本土居民的集體智慧，也是最能體現(xiàn)傳統(tǒng)文化和地域特色的民宅，若通過合理的節(jié)能改造提升其環(huán)境質(zhì)量，將非常具有社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值.研究以潮汕老屋典型樣式“四點(diǎn)金”為例，采用Ecotect Analysis軟件為研究平臺(tái)，針對(duì)目前建筑節(jié)能改造常用的策略設(shè)置六組對(duì)照組和四項(xiàng)能耗模擬指標(biāo)進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)各對(duì)照組節(jié)能效果做模擬和評(píng)價(jià)，達(dá)成對(duì)節(jié)能改造設(shè)計(jì)策略的優(yōu)選.

1 典型建筑方案選取及其環(huán)境參數(shù)設(shè)置

1.1 典型潮汕老屋建筑方案及模型構(gòu)建

“四點(diǎn)金”是潮汕老屋典型形制之一，該建筑因其四角上各有一間其形如“金”字的房間壓角得名.后面的大廳是祭祖的地方，兩邊的“大房”是長輩居住的臥室，門廳兩側(cè)的“下房”是晚輩與仆人的居室，天井左右有回廊的南北廳，有的還有兩間小房，作廚房或柴草房，又稱“格仔”.“格仔”與大房之間有通往外面的側(cè)門，稱“子孫門”，取多子多孫出入之間.建筑平面和尺寸如圖1所示：

圖1 潮汕地區(qū)“四點(diǎn)金”典型建筑平面尺寸（摘自陸琦先生所著《廣東民居》，圖中尺寸單位為木行尺）

1.2 建筑材質(zhì)的設(shè)置

對(duì)于建筑中的非透明維護(hù)結(jié)構(gòu)，如墻體以及坡屋頂.通過對(duì)傳熱系數(shù)，準(zhǔn)入系數(shù)，太陽吸收系數(shù)，衰減系數(shù)，發(fā)射率以及延遲時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.而對(duì)建筑中的透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)，例如窗戶等，則通過對(duì)傳熱系數(shù)，準(zhǔn)入系數(shù)，太陽得熱系數(shù)，可見光透過率，折射率以及發(fā)射率進(jìn)行設(shè)置.上述各個(gè)參數(shù)的計(jì)算是先從建筑熱工規(guī)范中獲取各維護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)材料的熱工屬性，在Ecotect Analysis軟件中將各種材料進(jìn)行合成并計(jì)算得出.

1.3 區(qū)域?qū)傩缘脑O(shè)置

區(qū)域?qū)傩栽O(shè)定可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)類型，人數(shù)，設(shè)備發(fā)熱量以及活動(dòng)運(yùn)行時(shí)間表等進(jìn)行設(shè)置.設(shè)置參數(shù)有：居住者著裝狀況；濕度；風(fēng)速；照明水平；人數(shù)與所進(jìn)行活動(dòng)；人員在室率；室內(nèi)得熱情況；冷風(fēng)滲透率等.因?yàn)槌鄙堑貐^(qū)屬于夏熱冬暖地區(qū)，上述參數(shù)引用《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中夏熱冬暖地區(qū)的數(shù)據(jù)，其中也有些參數(shù)是需要根據(jù)老屋實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置.以上通過對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境條件的區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置，能夠大致真實(shí)反映潮汕老屋日常的室內(nèi)熱環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)潮汕老屋進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境的模擬.

1.4 氣象資料導(dǎo)入

氣象資料來源于2005年中國氣象局氣象信息中心氣象資料室和清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系研究所開發(fā)了《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》.其中包含了大部分常用的逐時(shí)氣象參數(shù)，氣溫、相對(duì)濕度、總輻射、散射輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、云量與降雨量.通過氣象資料的導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)對(duì)所屬潮汕地區(qū)的潮汕老屋進(jìn)行室外熱環(huán)境的模擬.

通過以上步驟可以模擬出潮汕老屋“四點(diǎn)金”在潮汕地區(qū)氣候環(huán)境下一年四季的基本能耗情況.

2 按節(jié)能改造策略設(shè)置的對(duì)照組

本文針對(duì)常用的節(jié)能改造策略，設(shè)置六組對(duì)照組.第一組是保留傳統(tǒng)老屋現(xiàn)狀的原始對(duì)照組，第二至五組對(duì)照組是考慮到居住者對(duì)于傳統(tǒng)建筑形態(tài)完整性方面的需求，只是通過改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)來減小建筑能耗，而保留其原有的建筑空間.第六對(duì)照組是考慮到老屋難以提供一個(gè)舒適的公共交流空間，通過添加隔斷創(chuàng)造出一個(gè)封閉的廳室，使得潮汕老屋的空間布局更適合現(xiàn)代居住的需求.

1.第一組原始對(duì)照組采用的是古老的潮汕老屋墻體構(gòu)造方式——“版筑”，其使用材料為貝灰、河砂、生土、三合土.采用內(nèi)外抹灰的方式.屋頂材料為傳統(tǒng)的粘土瓦屋頂，而窗戶的種類采用單層鋁合金窗.此對(duì)照組只起到對(duì)照的作用，沒有特殊的目的和意義.

2.第二組對(duì)照組的墻體采用磚砌體，內(nèi)外抹灰作為圍護(hù)結(jié)構(gòu).屋頂材料為傳統(tǒng)的粘土瓦屋頂.窗的種類依然是單層鋁合金框架窗.因?yàn)榇u砌體已經(jīng)量產(chǎn)化和構(gòu)造方式較“版筑”墻體更為流程化和規(guī)范化，相對(duì)應(yīng)的造價(jià)會(huì)下降很多.此組對(duì)照組的目的是探究在經(jīng)濟(jì)方式下的墻體熱工性能.

3.第三組對(duì)照組的墻體采用的是保溫墻體，即帶內(nèi)保溫隔熱層的“版筑”墻體，既體現(xiàn)節(jié)材又體現(xiàn)節(jié)能的建筑設(shè)計(jì)理念，屋頂材料為傳統(tǒng)的粘土瓦屋頂.窗的種類依然是單層鋁合金框架窗，探究保溫墻體對(duì)建筑保溫節(jié)能性能的影響程度.

4.第四組對(duì)照組的墻體采用的是“版筑”墻體，屋頂材料為帶鋁箔紙隔熱的粘土瓦屋頂.窗的種類依然是單層鋁合金框架窗，探究隔熱屋頂對(duì)建筑保溫節(jié)能性能的影響程度.

5.第五組對(duì)照組的墻體采用的是“版筑”墻體，屋頂材料為傳統(tǒng)的粘土瓦屋頂.窗的種類是雙層低導(dǎo)熱系數(shù)鋁合金框架窗.以此來探究低導(dǎo)熱系數(shù)窗對(duì)建筑保溫節(jié)能性能的影響.

6.第六組對(duì)照組是在原始對(duì)照組的基礎(chǔ)上，通過在后廳和廊下的交界處添加上一道雙層低導(dǎo)熱系數(shù)玻璃隔斷，使得后廳成為一個(gè)封閉的空間，成為家庭成員互相交流的舒適空間.探究在這種較大程度滿足功能性的建筑的熱工性能優(yōu)劣.

3 對(duì)照組能耗模擬及數(shù)據(jù)分析

潮汕老屋在實(shí)際使用過程中對(duì)能源的使用消耗存在不使用空調(diào)等設(shè)備的被動(dòng)式和使用空調(diào)等設(shè)備的主動(dòng)式兩種建筑方案類型.其中，在被動(dòng)式建筑方案類型下，逐月不舒適度分析指標(biāo)是最具代表性的節(jié)能效果指標(biāo)；而在主動(dòng)式建筑方案類型下，得失熱分析指標(biāo)更具參考意義.

3.1 逐月不舒適度分析指標(biāo)（不使用空調(diào)等主動(dòng)設(shè)備的情況下）

這里使用的舒適溫度的算法是區(qū)域舒適段的舒適溫度算法，其中的舒適溫度區(qū)域設(shè)置在18℃到26℃的區(qū)間內(nèi).本文主要以凈小時(shí)數(shù)這個(gè)參數(shù)來衡量舒適度是否滿足要求，凈小時(shí)數(shù)是計(jì)算所有不舒適溫度與舒適溫度的相減的值的總和.因?yàn)檫@比單純統(tǒng)計(jì)達(dá)不到舒適溫度的時(shí)間總和要更能說明不舒適的程度.計(jì)算的數(shù)據(jù)如圖2-圖7所示：

圖2 第一對(duì)照組的逐月不舒適度分析圖

圖3 第二對(duì)照組的逐月不舒適度分析圖

圖4 第三對(duì)照組的逐月不舒適度分析圖

圖5 第四對(duì)照組的逐月不舒適度分析圖

圖6 第五對(duì)照組的逐月不舒適度分析圖

圖7 第六對(duì)照組的逐月不舒適度分析圖

比較結(jié)果如下：

1）通過第一組對(duì)照組和第二組對(duì)照組的比較，比對(duì)圖2和圖3表明兩種建筑類型的逐月不舒適分析圖的曲線和數(shù)值是基本一致，說明在不安裝空調(diào)等主動(dòng)式設(shè)備的被動(dòng)式建筑中，將原本的“版筑”墻體替換成為磚砌體，室內(nèi)熱環(huán)境在冬季和夏季期間并未見顯著的提升.

2）通過第一組對(duì)照組和第三組對(duì)照組的比較，使用帶隔熱夾層的內(nèi)保溫墻體相較于“版筑”墻體來說，兩者的區(qū)別不是很大，而且有其季節(jié)性的區(qū)別，在冬季，“版筑”墻體的不舒適凈小時(shí)數(shù)比帶隔熱夾層的內(nèi)保溫墻體要少一些，從圖2“版筑”墻體不舒適凈小時(shí)數(shù)的1.4小時(shí)到圖4帶隔熱夾層的內(nèi)保溫墻體不舒適凈小時(shí)數(shù)的1.7小時(shí)中可以看出：在冬季，被動(dòng)式建筑中“版筑”墻體的物理性能要優(yōu)于帶隔熱夾層的內(nèi)保溫墻體.而在夏季，從圖2“版筑”墻體不舒適凈小時(shí)數(shù)的3.1小時(shí)到圖4帶隔熱夾層的內(nèi)保溫墻體不舒適凈小時(shí)數(shù)的2.8小時(shí)中可以看出：夏季的隔熱夾層會(huì)起到一些作用.以上表明，兩者在熱工性能的區(qū)別是非常小的.

3）通過第一組對(duì)照組和第四組對(duì)照組的比較，在夏季，采用帶鋁箔紙隔熱的粘土瓦屋頂相較于采用普通的粘土瓦屋頂在逐月不舒適度分析方面有一定的改進(jìn).從圖2“版筑”墻體不舒適凈小時(shí)數(shù)的3.1小時(shí)到圖5帶鋁箔紙隔熱的粘土瓦屋頂不舒適凈小時(shí)數(shù)的2.9小時(shí)中可以看出來：在冬季，兩者在熱工性能方面是區(qū)別不大的.

4）在第一組對(duì)照組和第五組對(duì)照組中，采用雙層低導(dǎo)熱系數(shù)鋁合金框架窗對(duì)不舒適凈小時(shí)數(shù)是影響不大的，從圖2和圖6可以看出來，不舒適凈小時(shí)數(shù)在數(shù)值方面，波動(dòng)不大.因?yàn)槌鄙抢衔莸拇皯羝毡槎际?00 mm的小氣窗，所以即使采用低導(dǎo)熱系數(shù)的隔熱窗也對(duì)室內(nèi)熱工性能影響不大.為了使得住宅的造價(jià)更加經(jīng)濟(jì)合理，選擇用普通的單層鋁合金框架窗是更為合理的.

5）通過第一組對(duì)照組和第六組對(duì)照組的比較，在夏季，從圖2原始對(duì)照組不舒適凈小時(shí)數(shù)的3.1小時(shí)到圖7第六對(duì)照組中不舒適凈小時(shí)數(shù)的2.7小時(shí)中可以看出：在夏季，多加一個(gè)密閉空間具有隔熱的作用.在冬季，從圖2原始對(duì)照組不舒適凈小時(shí)數(shù)的1.4小時(shí)到圖7第六對(duì)照組不舒適凈小時(shí)數(shù)的1.2小時(shí)中可以看出來，多加一個(gè)密閉空間也是有保溫的作用的.

3.2 得失熱分析指標(biāo)（使用空調(diào)等主動(dòng)設(shè)備的情況下）

得失熱分析指標(biāo)包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱的得失熱；綜合溫度產(chǎn)生的熱量；太陽直射輻射得熱；冷風(fēng)滲透得失熱；內(nèi)部人員與設(shè)備得熱；區(qū)域得失熱）所占比例.其中本文的研究重點(diǎn)是探討如何降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱的得失熱在總得失熱所占比例，模擬后計(jì)算結(jié)果如圖8-圖13所示：

圖8 第一對(duì)照組得熱分析圖

圖9 第二對(duì)照組得熱分析圖

圖10 第三對(duì)照組得熱分析圖

圖11 第四對(duì)照組得熱分析圖

圖12 第五對(duì)照組得熱分析圖

圖13 第六對(duì)照組得熱分析圖

比較分析結(jié)果如下：

1）在第一對(duì)照組和第二對(duì)照組的比較中，代表墻體保溫性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱的數(shù)值上面，在冬季，從采用傳統(tǒng)“版筑”墻體的70.6%到采用磚砌體墻體的76.3%，說明在冬季，采用傳統(tǒng)“版筑”墻體的老屋更能阻止熱量流失，使屋內(nèi)熱環(huán)境更加舒適.而在夏季，從圖8圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱中的11.9%到圖9圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱中的15.9%，可以得出傳統(tǒng)“版筑”墻體比磚砌體墻體更節(jié)能，綜上所述，在主動(dòng)式建筑方案中，采用傳統(tǒng)“版筑”墻體的老屋在空調(diào)能耗方面要更為節(jié)能.

2）在第一對(duì)照組和第三對(duì)照組的比較中，在夏季，從圖8圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱占總得失熱的11.9%到圖10圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱占總得失熱的10.8%，說明在夏季，隔熱層還是起到一定作用.在冬季，從圖8圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱占總得失熱的70.6%到圖10圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱占總得失熱的52.2%可以看出：在冬季，使用帶隔熱夾層的內(nèi)保溫墻體更能防止室內(nèi)熱量流失，使屋內(nèi)熱環(huán)境更加舒適.綜上所述，在主動(dòng)式建筑方案中，使用帶隔熱夾層的保溫墻體相較于傳統(tǒng)“版筑”墻體來說是有積極作用的.

3）在第一對(duì)照組和第四對(duì)照組的比較中，在夏季，從圖8圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱占總得失熱的11.9%到圖11圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱占總得失熱的8.5%中可以看出，在防止屋內(nèi)冷空氣傳導(dǎo)和外界熱流流入方面，隔熱屋頂起到很大作用.而在冬季，從圖8圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱占總得失熱的70.6%到圖11圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱占總得失熱的56.8%中可以看出來：在保溫方面，隔熱屋頂發(fā)揮積極的作用.綜上所述，隔熱屋頂相較于傳統(tǒng)粘土瓦屋頂在保溫隔熱層面有巨大的優(yōu)勢(shì).

4）在第一組對(duì)照組和第五組對(duì)照組中，從圖8和圖12可以看出來，維護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱的得失熱在數(shù)值方面，波動(dòng)不大.故選擇用普通的單層鋁合金框架窗是更為合理的.

5）在第一組對(duì)照組和第六組對(duì)照組中，從圖8圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱占總得失熱的11.9%到圖13圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱占總得失熱的12.4%中可以看出.在夏季，雖然添加一道低導(dǎo)熱系數(shù)隔斷，增強(qiáng)冷空氣通過隔斷進(jìn)行熱傳導(dǎo)，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境帶來不利影響，但是因?yàn)橥瑫r(shí)封閉后面上房兩面墻的熱傳導(dǎo)，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有利.綜合這兩方面原因，所以在保溫隔熱性能方面沒有很大的變化.在冬季，從圖8圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱的70.6%到圖13圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱的59.8%中可以看出：因?yàn)橛辛撕髲d這個(gè)封閉的空間，使得后面的空間連成整體，極大地增強(qiáng)老屋整體的保溫性能.

4 綠色改造策略優(yōu)選

通過匹配到主動(dòng)式和被動(dòng)式的不同衡量指標(biāo)，比較分析后優(yōu)選出針對(duì)被動(dòng)式建筑和主動(dòng)式建筑的不同改造策略：

4.1 針對(duì)被動(dòng)式建筑狀態(tài)

墻體選擇傳統(tǒng)“版筑”建造方式更為合適.采用帶鋁箔紙隔熱的粘土瓦屋頂也能起到一定作用的.是否安裝節(jié)能窗也有其季節(jié)性的考量，夏季會(huì)使住戶的不舒適感增強(qiáng)，冬季則相反.為了使得住宅的造價(jià)更加經(jīng)濟(jì)合理，選擇用普通的單層鋁合金框架窗是合理的.而增加一個(gè)廳室空間，對(duì)建筑總體的隔熱保溫效果也具有加強(qiáng)作用.

4.2 針對(duì)主動(dòng)式建筑狀態(tài)

增加隔熱層的保溫墻體比傳統(tǒng)墻體在節(jié)能性能方面更好.采用了帶鋁箔紙隔熱的粘土瓦屋頂會(huì)帶來巨大的空調(diào)能耗節(jié)約.換裝節(jié)能窗并不能給室內(nèi)熱環(huán)境帶來積極的影響.對(duì)廳室加裝低導(dǎo)熱系數(shù)玻璃隔斷，不僅帶來功能性改進(jìn)，同時(shí)其空間所產(chǎn)生的平均能耗是要小于其他空間的.

5 結(jié)論和展望

通過以Ecotect Analysis軟件為工具進(jìn)行熱工模擬的方法，對(duì)潮汕老屋各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)造進(jìn)行節(jié)能改造，提出兩個(gè)針對(duì)不同建筑類型的方案，以逐月不舒適度分析指標(biāo)和得失熱分析指標(biāo)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).綜合節(jié)能效果、使用功能以及經(jīng)濟(jì)成本等因素，對(duì)潮汕老屋最有效合理的改造策略如下：

1）對(duì)沒有使用空調(diào)等主動(dòng)設(shè)備的被動(dòng)式建筑而言，使用現(xiàn)有“版筑”墻體比其他墻體優(yōu)勢(shì)巨大，不需要對(duì)現(xiàn)有墻體進(jìn)行推倒重建，只需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)加固措施，比如加設(shè)鋼筋網(wǎng)，外涂砂漿等.另外粘土瓦屋頂進(jìn)行隔熱改造以及封閉廳室空間這兩項(xiàng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施是值得采用的.

2）對(duì)使用空調(diào)等主動(dòng)設(shè)備的建筑而言，不建議對(duì)傳統(tǒng)墻體進(jìn)行拆除，建議可增設(shè)隔熱層.另外對(duì)傳統(tǒng)粘土瓦屋頂進(jìn)行隔熱改造（帶鋁箔紙隔熱的粘土瓦屋頂）以及封閉廳室空間都是較好的建筑改進(jìn)措施.

本研究發(fā)現(xiàn)，潮汕老屋原本的墻體材料和構(gòu)造做法就具有一定的節(jié)能作用，再通過因地制宜地對(duì)建筑材料使用和空間封閉性能等影響民居熱環(huán)境狀態(tài)的關(guān)鍵要素進(jìn)行改造提升，將達(dá)成較好的節(jié)能效果.潮汕老屋本就是與所處自然地域的獨(dú)特環(huán)境相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的建筑形式，其完全可以通過適宜的改造策略實(shí)現(xiàn)“綠色”發(fā)展，從而在新時(shí)代獲得生機(jī).