侗族民居建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

孫會(huì)梅

（廣州大學(xué)，廣東廣州 510006）

0 引言

黔湘桂三省交界處常年氣溫通常在12 月至次年2 月氣候較為寒冷，溫度較低，且低溫延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。該地區(qū)傳統(tǒng)住宅以干欄式建筑為主，底層架空，體形系數(shù)較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料多為本土木材，因而保溫性能差，導(dǎo)致供暖能耗巨大，同時(shí)室內(nèi)熱環(huán)境較差。因此改善侗族民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料保溫性能是最有效途徑。本文在進(jìn)行實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，選取典型侗族民居住宅，針對(duì)建筑的構(gòu)造形式和圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在能耗模擬軟件ECOTECT 平臺(tái)下進(jìn)行不同材料和構(gòu)造的保溫性能測(cè)試，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，提出建筑保溫優(yōu)化建議。

1 侗族民居選取及概況

本文選取模擬的民居位于湖南省懷化市通道侗族自治縣，通道縣侗族民居建筑主要位于湖南懷化市最南端，復(fù)雜的山地地形，居民因地制宜，依山就勢(shì)進(jìn)行選址建造房屋，建筑除了滿足基本物質(zhì)生活需求，體現(xiàn)居民對(duì)自然環(huán)境的融合，建筑布局自由，根據(jù)山地特點(diǎn)變化，同時(shí)建筑受居民生活方式和民族文化影響，現(xiàn)狀如圖1 所示。

圖1 民居現(xiàn)狀

1.1 侗族民居平面圖

該侗族民居屬于南侗干欄式結(jié)構(gòu)建筑，不同于其他民族吊腳樓底層只是局部的架空，“南侗”民居一般是三層，底層架空，主要的功能房間都集中在二層。二層入口處有一個(gè)通面寬的廊。“南侗”民居結(jié)構(gòu)體系是穿斗式木構(gòu)架，不同的劃分方式?jīng)Q定民居的平面形式，相應(yīng)的就全有不同的構(gòu)架形式。圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用的材料和構(gòu)造門(mén)窗位置和數(shù)量等對(duì)室內(nèi)的保溫隔熱效果不同，平面圖如圖2 所示。

圖2 1～3 層平面

1.2 侗族民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)

本文在對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案研究的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)熱環(huán)境參數(shù)的控制以及結(jié)構(gòu)材料的改變得出不同的分析結(jié)果，分析建筑的溫度分布、能源消耗、材料的選擇對(duì)建筑整體熱環(huán)境舒適度的影響。

民居基本參數(shù)：建筑面積：360m2，總層數(shù)：三層，窗墻面積比：南向：0.169、北向：0.124、東向：0.09、西向：0.081；建筑體型系數(shù)：0.489，圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造：外墻：紅磚、混凝土、木材；屋面：木材、青瓦；地面：木材；門(mén)：木材、鋁合金；窗：鋁合金框、玻璃。

得失熱分析：

（1）侗族民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)選材上，墻體多為本地木材，夏季自然通風(fēng)良好的情況無(wú)負(fù)面影響，但冬季木材傳熱能力強(qiáng)，室內(nèi)溫度降低快，保溫性能弱。同時(shí)門(mén)窗構(gòu)建會(huì)減低墻體的保溫隔熱性能，門(mén)窗和墻體存在縫隙以及門(mén)窗構(gòu)造影響室內(nèi)熱環(huán)境。

（2）在構(gòu)建安裝時(shí)，墻體材料木板通常通過(guò)企口方式拼按，一般的民居則是直接用竹釘拼接，室內(nèi)外的熱量能夠輕易地透過(guò)有縫隙的單層杉木板墻流動(dòng)交換。

（3）材料受周圍環(huán)境影響，長(zhǎng)時(shí)間之后材料的性能會(huì)發(fā)生變化，比如木材的熱脹冷縮、冷橋效應(yīng)等影響。

1.3 通道縣氣候現(xiàn)狀

通道縣全年逐月最高溫31℃，最低溫3℃，全年逐月平均溫度6～26℃，高溫主要分布于6—9 月，低溫主要分布于12 月到次年2 月，時(shí)長(zhǎng)3 個(gè)月。通道縣的全年逐月平均濕度77%～82%之間，普遍偏高，時(shí)長(zhǎng)半年以上，通常來(lái)說(shuō)人體在夏季的最佳相對(duì)濕度宜在40%～80%，冬季宜在30%～60%之間，由此可知該空氣熱環(huán)境狀況不適于人體長(zhǎng)期居住因此模擬測(cè)試通道縣侗族民居熱環(huán)境對(duì)于研究?jī)?yōu)化民居室內(nèi)空氣舒適度極為重要。

2 ECOTECT 能耗模擬

在ECOTECT 軟件里建立侗族民居模型，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法賦予不同材質(zhì)。ECOTECT 軟件將計(jì)算不同材質(zhì)的傳熱系數(shù)U 值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱性能直接影響室內(nèi)外溫度的互相傳遞，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造目的就是減小傳熱系數(shù)以降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱性能。建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模型，模型外觀都相同，模型如圖3 所示。

圖3 模擬模型

用ECOTECT 軟件對(duì)其熱環(huán)境進(jìn)行模擬分析，基于懷化市市氣候數(shù)據(jù)，分析能源消耗、不舒適度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱、溫度分布和熱舒適度情況，最后以熱舒適為目標(biāo)選擇最優(yōu)的節(jié)能改造方案。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

墻體：根據(jù)前期通道侗族民居實(shí)踐調(diào)研結(jié)果，侗族民居建筑的外墻共有三種形式：混凝土、紅磚墻、木墻。目前外墻主要是底層混凝土和木材，二層和三層為木材和磚，以300mm 實(shí)心磚或空心磚和100mm 木材為主。外墻內(nèi)部石灰粉刷或者刮膩?zhàn)樱糠执u外墻利用水泥抹面，多數(shù)外墻基本不做保溫，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)潔，尤其木材保溫性能較差。

窗戶：侗族民居中大部分建筑的門(mén)窗材料主要為木門(mén)窗和鋁合金門(mén)窗以及玻璃窗。因此在Ecotect Analysis 2011 模擬軟件分析中窗戶的材質(zhì)選擇雙層玻璃木制窗框（Double Glazed-Timber Frame）。

門(mén)：建筑中木門(mén)窗的使用率在65%～87%，但是由于木門(mén)窗氣密性較差，材質(zhì)較薄，不利于保溫，尤其在冬季會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的冷風(fēng)滲透，從而造成大量的熱損失；夏季大量熱量滲透室內(nèi)，對(duì)室內(nèi)的隔熱性能較低。門(mén)的材質(zhì)選擇實(shí)松木框門(mén)（Solid Core-Timber）。

屋頂：建筑屋頂形式主要有兩種：木制屋架坡屋頂和混凝土平屋頂。木屋架主要建造久遠(yuǎn)，一直作為屋頂主要選材，結(jié)合傳統(tǒng)穿斗式構(gòu)架，然后檁條上鋪屋面瓦。只有近幾十年來(lái)新建造的純混凝土磚墻建筑采用平屋頂形式。

地板：民居建筑地面一般為兩種構(gòu)造形式，水泥地面加地磚和木材地面，由于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件有限和自然原因，大部分地面為木材地面，一般只有底層采用水泥地面。在模型里選擇木材地面符合實(shí)際。

表1 模型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 模型熱環(huán)境分析

通過(guò)Ecotect Analysis 2011 軟件中的Weather Tool 和Solar Tool 兩個(gè)分析板塊進(jìn)行建筑模擬，導(dǎo)入懷化市氣象數(shù)據(jù)文件（Weather Data）。

在Ecotect 的熱環(huán)境屬性中賦予墻體、屋頂、門(mén)窗不同材質(zhì)以及構(gòu)造組成，增強(qiáng)民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性，提高結(jié)構(gòu)的保溫隔熱能力，改善民居室內(nèi)舒適度。Ecotect Analysis 2011 的舒適度分析根據(jù)模型區(qū)域管理對(duì)話框中設(shè)置濕度、風(fēng)速、照度、著衣量、人員數(shù)量和活動(dòng)程度、室內(nèi)得熱、滲透率等指標(biāo)。

根據(jù)熱環(huán)境數(shù)據(jù)可知影響人體熱舒適的因素主要包括以下幾個(gè)方面：作為客體的室內(nèi)物理特性（空氣溫度、濕度風(fēng)流速）和作為主體的人員的因素（自身新陳代謝情況和著衣熱阻）。在不同功能的區(qū)域熱環(huán)境設(shè)置時(shí)將溫度范圍選擇為18～26℃，這是人體舒適的溫度范圍；空氣濕度選擇全年12 個(gè)月平均值62.5%；空氣流速選擇0.5m/s。

只有當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度在19℃以上時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱才會(huì)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有影響，并且在溫度大于28℃以上時(shí)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱才會(huì)對(duì)熱環(huán)境影響更大，而通道縣本地全年溫度最高溫暖的31℃，最低溫度3℃。溫度低于14℃時(shí)，室內(nèi)熱環(huán)境熱量并非來(lái)自于結(jié)構(gòu)，說(shuō)明建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響較小，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性，較少溫度向外流失，損失熱量。

從圖4 可知每個(gè)房間區(qū)域的熱環(huán)境舒適度關(guān)系以及高低，高到低分別為陽(yáng)臺(tái)、樓梯間、臥室、廚房、客廳、衛(wèi)生間。陽(yáng)臺(tái)由于自然通風(fēng)條件以及開(kāi)敞位置可知，其熱環(huán)境舒適度較高，其次是樓梯間和臥室，臥室作為人體夜間活動(dòng)最主要空間，室內(nèi)熱環(huán)境及其重要。但客廳作為白天人體活動(dòng)發(fā)生最多的場(chǎng)所，其舒適度更重要，因此客廳的熱環(huán)境舒適度急需改善，調(diào)節(jié)至人體最佳舒適度范圍，提高生活品質(zhì)。

3 提升熱環(huán)境舒適度建議

材料選取：圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的類型與圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的U 值相比對(duì)于建筑物能源消耗量降低的影響更大，外窗的改造更有利于能源消耗量的降低。

構(gòu)造設(shè)計(jì)：外墻和外窗的改造可以通過(guò)減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的U值、降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱能力、增加建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造層，如隔空層，空氣層等，以此降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的溫度變化，減少消耗，縮短全年室內(nèi)不舒適度時(shí)間，縮小圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱百分比，增加室內(nèi)舒適溫度時(shí)間，提高室內(nèi)熱舒適性。

圖4 舒適度百分比

季節(jié)交替影響：保溫性能越好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在冬天是有益的，但夏季有一定的劣勢(shì)。從不舒適度時(shí)間模擬結(jié)果我們可以看到，保溫性能越好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夏季反而是劣勢(shì)，但通風(fēng)良好情況下可增加夏季舒適度。其他因素：除了結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、構(gòu)造方式因素外，空間濕度、風(fēng)流速、人體著裝熱阻等也會(huì)影響人體舒適度。

4 總結(jié)

模擬軟件Ecotect Analysis 2011 對(duì)建筑熱環(huán)境分析主要是溫度、熱損失和得熱、房間負(fù)荷、熱舒適度、負(fù)荷與溫度對(duì)比等分析功能與技術(shù)，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行模擬后分析結(jié)果，不斷改變建筑物理特性的參數(shù)可以得出不同結(jié)果，進(jìn)而通過(guò)對(duì)比分析有效地改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的熱工性能。傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境舒適度對(duì)于人體生活、活動(dòng)及其重要，根據(jù)不同地區(qū)的氣候以及自然環(huán)境和人們的生活方式的差異，改善熱環(huán)境的方法也不同，因此針對(duì)民居住宅室內(nèi)熱環(huán)境研究不能只是從單一角度考慮，在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造時(shí)，影響人體熱舒適除了圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理特性和構(gòu)造方式之外，還要考慮空氣溫度、空氣濕度、空氣流速和服裝熱阻等值的影響。并且進(jìn)行模擬的數(shù)量少，得出的結(jié)論有限，應(yīng)模擬更多同類型的既有住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造。才能更加準(zhǔn)確得出相應(yīng)的結(jié)果，提出可行的改造建議。最終目的是達(dá)到建筑節(jié)能，但建筑節(jié)能往往是從建筑設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)就應(yīng)該納入考慮，包括建筑設(shè)計(jì)方案中的建筑布局、建筑材料選擇、建筑主動(dòng)式設(shè)計(jì)、建筑設(shè)備耗能等因素。