江南農村民居單體設計對保溫隔熱性能的影響研究

■席 飛，阮雪君，張乘風

(1.南京財經大學藝術設計學院，江蘇南京 210023；2.南京機電職業技術學院，江蘇南京 210000；3.南京林業大學藝術設計學院，江蘇南京 210037）

江南傳統磚木結構民居的單體建筑設計是影響其保溫隔熱性能的重要方面[1]，本文從單體建筑設計的體型系數、平面布置、自然通風、自然采光和太陽輻射量以及外圍護結構的構成等角度分析其保溫隔熱性能的優缺點，以期尋找優化方式。為了更好地進行研究，本文選取了兩處江南傳統村落進行全面的調研，它們分別是江蘇省昆山市周莊鎮東浜村和浙江省嘉興市嘉善縣西塘鎮翠南村，其民居以磚木結構為主[2]，并且由于大部分年代久遠，民居居住熱舒適度較差，急需對它的保溫隔熱性能進行提升。

1 體型系數

居住建筑體型系數在GB50176—2016《民用建筑熱工設計規范標準》[3]中已有明確的定義，即“建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍體積的比值”，計算公式為：

S—建筑體型系數；

F0—建筑的外表面積（m2）；

V0—建筑體積（m3）；

注：建筑體形系數中所指的外表面積不包括地面和不采暖樓梯間隔墻和戶門的面積，不包括女兒墻，也不包括屋面層的樓梯間與設備用房等的墻體。突出墻面的構件如空調板在計算時忽略掉，按完整的墻體計算即可。

根據對于兩處江南傳統村落中的磚木結構民居的測繪和計算，發現大多數民居（這里所說的是普通農家住宅，不是大型的官紳宅邸）的體型系數在0.5～0.55之間，剛剛滿足《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》[4]對于體型系數的規定。這是因為農村民居都是1～2層的低矮住宅，總高度較低，不利于體型系數變小，而且它們又缺乏設計，造型簡單，建筑表面平整，凹凸變化較少，外表面積隨之減少，這對體型系數的減少有利，兩者綜合使磚木結構民居的體型系數剛剛達標。但剛剛達標的體型系數無法提升民居的保溫隔熱性能。因為體形系數越大，說明同樣建筑體積的外表面積越大，建筑的散熱散冷面積隨之增大，在冬季會增強室內熱空氣與室外冷空氣的熱對流，在夏季室外熱量通過熱傳導和熱輻射的面積增大，提高室內溫度，不利于冬夏民居保溫隔熱。當冬夏采暖空調季到來時，采暖和制冷的效用會大大降低，建筑能耗隨之上升，對建筑節能不利。因此在對傳統磚木結構民居進行改進，營造生態木構民居時，使用閣樓適當提升民居總高度，規劃中增加外立面凹凸，以設計的方式減小體型系數，達到節約建筑能耗，增強保溫隔熱性能的目標，科學合理，易于實現，不浪費人力物力。

表1 江南地區農村現有民居圍護結構主要類型

2 平面布置

江南地區農村傳統磚木結構民居的平面布置（這里所說的是普通農家住宅，不是大型的官紳宅?。┲饕赏ピ?、廳堂、臥室、廚房等功能空間組成，是以廳堂文化為核心的平面布局，形成一民兩暗的三開間，1～2層居所最為常見。其中廳堂在古代有會客、宴請、拜祭之用，占據了整個民居面積的三分之一，類似于現代住宅中的客廳，但由于傳統民居面積小，功能空間種類劃分少，因此廳堂在當代有時還承擔餐廳、過道之用；主臥在廳堂面積不夠之時，也會承擔部分會客功能；次臥面積非常小并且還承擔部分儲藏功能；家中通常不設廁所，而放在庭院中。傳統磚木結構民居的平面布置已不符合現代生活需求，需結合農村生活特性按照科學的室內設計手法對功能空間進行重新組合。

簡化后的江南農村傳統磚木結構民居平面組合形式如圖1所示，多成一字型布置，其主要特點為：①8～10m長的庭院覆蓋整個建筑縱深，形成狹長空間，有利于穿堂風進入主體建筑空間，起到藏風聚氣的效果。②主體建筑相較庭院建筑較高，形成恰當的比例，在冬季可以吸收太陽輻射，使室內溫度升高，在夏季可以抵御太陽輻射，在庭院內形成冷環境，便于夏季庭院納涼。③民居平面進深較小，自然風本應貫穿民居內，但由于傳統民居開窗過少、面積太小，進出風窗洞口面積設計不均，且開窗高度距離樓地面過高，造成自然通風無法覆蓋整個建筑高度。這是生活在江南地區的先人，在沒有采暖空調的年代，在沒有科學的建筑保溫隔熱方法的年代，通過建筑平面的組合變化，改善著民居的熱環境，但仍然很難達到冬夏室內人體熱舒適度要求。

3 自然通風

傳統磚木結構民居的單體建筑設計對于自然通風的影響主要包括村落基地自然通風和建筑內部自然通風兩個方面，結合圖2，圖3可以看出：①江南地區主要城市冬季主導風向為西北風，夏季主導風向為東南偏南風，冬季風正好與南偏東20°～40°的建筑朝向相背，微風除濕，而夏季風與建筑長軸垂直，室內外冷熱風循環降低夏季民居室內溫度，形成穿堂風的通風效果。②傳統磚木結構民居中設置有天井，天井內由于四周墻壁的遮擋，溫度較低，院內冷空氣在熱壓作用下流向室內，當它與外立面開窗形成高度差，高度差越大，風壓通風的效果越明顯。③傳統磚木結構民居的坡屋頂自然通風效果好于平屋頂，試驗表明，當坡度在30°時，屋面的風壓為0，自然通風效果最好[5-6]。調研的兩個傳統村落翠南村和東浜村處在經濟發達的平原地區，周邊沒有山脈地形可以利用，并且由于商業化造成村鎮規劃改造，影響了村落基地的自然通風。

圖1 江南地區農村傳統民居平面布置圖

圖2 江南地區主要城市全年風向頻率圖

圖4 冬夏傳統民居太陽輻射示意圖

建筑內部自然通風在兩個傳統村落翠南村和東浜村的民居中的利用主要依靠傳統的建筑設計手法如：天井和巷道能夠利用風壓和熱壓制造自然風的循環，傳統鏤空紋樣的門窗和隔斷也利于自然風的通行，形成了良好的建筑內部自然通風。但由于江南農村傳統民居平立面設計不合理且不符合當代生活需求，室內通風效果無法達到人體舒適風速要求。

綜上所述，江南地區農村現有磚木結構民居的村落基地自然通風和建筑內部自然通風效果均無法達到生態建筑規定的人體舒適通風參數，在冬季帶走了室內的熱量，在夏季無法形成室內外冷熱量的迅速交換以降低溫度，需在今后對于江南農村生態木構民居的營造中做重點改造。

4 自然采光和太陽輻射量

兩個江南傳統村落磚木結構民居冬夏自然采光和太陽的熱量主要依靠挑檐和建筑的左右間距來調整：夏季太陽入射角較高，民居挑檐阻擋了太陽光直射南北立面，而較小的左右間距又阻擋了太陽光直射東西立面，使整個民居處在周邊建筑和挑檐的陰影之中，減少了民居夏季太陽輻射的熱量，降低了室內溫度；在冬季太陽入射角低，太陽光可以直射入民居一樓，增加民居一樓太陽輻射的熱量，為民居一樓冬季室內溫度的上升打下基礎（圖4）[7]。但由于多年的積累和建造，村落中的民居數量已經飽和，無法利用傳統的建造手法營造新建建筑，并且新建民居對于傳統的村落規劃造成了破壞，影響了傳統磚木結構民居對太陽輻射的利用。

與此同時，起源于農耕文明的兩個傳統村落，以室外勞作為主，居民對于室內采光要求較低，通常只有接待客人、作起居用的堂屋（即客廳）利用天井和開敞的布置（3面圍合1面敞開）自然采光較好；而臥室由于作晚間休息用，只開一扇窗甚至不開窗，再加上挑檐的設置、較小的左右間距等設計要素，造成自然采光效果差，室內光線嚴重不足，陰暗潮濕等缺點，急需改進。因此，在未來進行生態木構民居營造時，要找到采光和太陽輻射量的平衡點，在提升民居保溫隔熱性能，降低建筑能耗的同時，也要注重建筑室內的采光效果。

5 圍護結構

在兩個江南傳統村落中，民居的主要承重方式為結合了梁柱和穿斗兩種形式的五檁硬山磚木混合結構[8]。磚木結構民居墻體一般用青磚圍合，渾水墻飾面，磚與磚之間不勾縫；砌筑墻體的粘結材料一般用灰漿，也有用石灰與黃土攪拌的混合灰泥等[9]。青磚墻體傳熱系數大，冬季阻擋不了室內熱空氣向室外冷空氣的熱對流，但其熱惰性指標高，夏季室內受到外界高溫影響所產生的溫度波動小，因此以青磚作為外圍護結構的主要材料夏季隔熱效果優于冬季保溫效果。但青磚這種材料本身燒結工藝復雜、能耗高、產量小、成本高、難以實現自動化和機械化生產，并且以黏土為原料的青磚，嚴重破壞耕地和土地資源，國家已經明令禁止使用，因此青磚不是一種符合生態建筑發展，利于建筑保溫隔熱的墻體外圍護結構材料。

磚木結構民居屋面構造主要是在大木作屋頂結構的基礎上先鋪設望板、望磚作為屋面基層，然后進行劃線、分楞、安裝瓦口板和筑脊等步驟，最后是鋪灰和鋪瓦。鋪灰的主要材料為稻草或是麻絲，形成一種原始的保溫結構，但其屋面年久失修，鋪灰編織稻草的保溫層受到雨水的侵蝕而破損，空氣滲透嚴重，需要改造。鋪瓦時先鋪設望磚，然后將青瓦正反交錯鋪疊兩層，兩塊青瓦之間鋪疊時，遵循“壓七露三”的原則，即70%為遮蓋部分，30%為裸露部分。最終完成屋面建造。

圖5 江南地區農村傳統民居外圍護結構實景圖

民居的外窗主要是各式鏤空紋樣與麻紙組合而成的木窗與5mm單層玻璃與木邊框組合的木窗較為常見。兩種類型窗戶玻璃的傳熱系數、太陽透射率和遮陽率均不符合《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》規定，且玻璃與木邊框連接處基本不使用密封條，很多熱量從縫隙中流失，再加上建造技術的局限性，整樘窗戶的密封與保溫隔熱性能相對較弱。因此在營造江南地區生態木構民居的外窗時，要從外窗的氣密性能、玻璃與邊框的傳熱系數、太陽透射率、遮陽率窗墻比等因素進行改進[10]。傳統磚木結構民居外圍護結構如圖5所示。

從對江南傳統村落民居外圍護結構的調查研究[11]，具體分類如表1所示，其三種主要外圍護結構的保溫隔熱性能均較差，因此需對該地區農村民居的圍護結構的保溫隔熱性能進行重點優化與提升。

6 結語

綜上所述，本文調研的兩處江南農村傳統的磚木結構民居通過建筑單體設計的體型系數、平面布置、自然通風、太陽輻射量的利用使民居在冬季溫度有所提升，夏季溫度有所下降，但磚木結構民居的外墻、屋面和外窗三種主要外圍護結構熱工性能差，未能從根本上減弱熱傳遞的三種方式：熱對流、熱傳導和熱輻射對于民居室內溫度的影響，民居溫度達不到夏熱冬冷的江南地區室內冬季18℃～24℃，夏季22℃～26℃的人體室內舒適溫度指標值，需對本文分析的傳統磚木結構民居單體設計的缺點加以改進，從而為江南地區農村生態木構民居的營造打下提供理論支持[12-13]。