基于桂北干欄式民居熱工優化的冬冷夏熱地區生態建筑設計

□ 鐘繼敏

1 介紹

廣西干欄式民居因勢隨形、錯落有致，虛實結合、布局靈活，底層架空、輕盈通透。目前多分布于多山的桂北、桂西北、桂東北地區，壯、侗、瑤、苗、毛南族均普遍采用。具有底層架空排濕隔熱、頂層挑高通風透氣、披檐突出遮陽擋雨等特點[1]。桂北屬于冬冷夏熱地區，包括桂林、柳州、賀州、河池等近廣西一半的區域。這些地區冬季寒冷、夏季濕熱，既需要考慮夏季排濕隔熱，又需要考慮冬季采暖保溫。桂北干欄式民居充分利用建筑的自身條件，能很好地實現遮陽、通風、排濕要求，滿足夏季熱工性能要求。但對于當地濕冷冬季氣候，還不能實現良好的防寒保暖效果。如圖1所示。

圖1 桂北現有傳統干欄式住宅通風保溫效果示意圖

如何合理利用干欄式民居隔熱的優點，解決其冬季不保暖的缺點，實現冬暖夏涼的室內熱工環境？這是一個非常有意義的課題。希望通過對桂北傳統干欄式民居熱工性能改良，開發一種被動式節能、適應夏熱冬冷地區的新型生態建筑模型。探索適合桂北居住建筑的低技節能技術，可為發展廣西綠色生態居住建筑另辟蹊徑，既可應用于桂北既有民居改造、新建居住建筑，也可推廣應用于我國夏熱冬冷地區居住建筑。

建筑保溫隔熱屬于建筑節能研究的重要內容，世界各國紛紛制定了建筑熱工性能方面的政策法規及標準。1967年美國開始將有效溫度指標ET納入美國采暖通風空調工程師協會，以確定室內熱舒適區的范圍；1976年德國頒布了《建筑物熱保護條例》；2000年法國提出了提高建筑熱工性能的措施；1972年丹麥科技大學Fanger教授建立人體熱平衡方程，并由此提出熱舒適理論，形成用以確定室內熱舒適度的評價指標“預測平均評價PMV”和“預測不滿意百分比PPD”；我國也先后頒布了《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》《建筑門窗玻璃幕墻熱工性能計算規程》（JGJ/T 151—2008）等；2017年廣西頒布《廣西壯族自治區民用建筑節能條例》，對新建、既有建筑節能及綠色建筑推廣做了明確規定。

國內外開發了熱工性能分析軟件，對數據進行模擬測試分析，進行建筑熱工性能方案優化設計。國外，常用的有美國勞倫斯伯克力國家實驗室開發的Optics、THERM、WINDOW系列軟件，瑞士的Informind Ltd軟件，比利時Physibel實驗室的BISCO軟件，德國的ENVI-met軟件等。國內，有廣東省建筑科學研究院開發的粵建科MQMC軟件、清華大學建筑技術科學系環境與設備研究所開發的DeST軟件、中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所研發的PKPM軟件等。

國外，Giulio Allesina等在“Easy to implement ventilated sunspace for energy retrofit of condominium buildings with balconies”文中分析了一種公寓建筑立面節能改造的模型。利用透明的塑料卷片沿著陽臺周邊安裝，在炎熱季節移開，便于換氣；寒冷季節則將陽臺空間包圍起來，形成溫室空間[2]。Amir Nezamdoost等在“Assessing the energy and daylighting impacts of human behavior with window shades,a life-cycle comparison of manual and automated blinds”文中設計了六種不同形式的百葉系統，包括四種手動百葉系統和兩種自動百葉系統。通過實驗數據分析，發現前四種手動百葉系統與后兩種自動百葉系統的節能效果類似，甚至有時更有效[3]。何江等人在《一種具有蒸發冷卻效果的遮陽百葉裝置的研制》文中介紹了一種具有噴水裝置的多孔遮陽百葉系統。多孔材料制成的百葉板在夏季可以吸收噴出的水分，有效降低自身溫度，達到良好遮陽效果[4]。

國內，孫雁等《典型渝東南土家族聚落夏季風環境及吊腳樓夏季熱環境模擬研究》文中利用CFD軟件對黔江后壩鄉進行通風模擬研究，分析出其底部架空、通風閣樓、屋檐外廊遮陽等建造方式對自然通風、除濕、降溫有所幫助。吳崇山等在《貴州苗族吊腳樓居住建筑冬季室內熱舒適現場調研》文中對貴州臺江苗族吊腳樓冬季室內熱環境進行現場測試，分析比較，得出吊腳樓民居與普通農宅比較的優劣。優勢為其外圍合結構相對開放，增加換氣次數，室內濕度、污染物濃度均低于普通農宅；劣勢為其保溫、蓄熱、氣密性不如普通農宅，冬季室內平均溫度低于后者，需要間歇式火源供暖[5、6]。

綜上，國內外對建筑節能技術方面的研究有很多，比如：針對如何利用封閉陽臺形成溫室，達到嚴寒季節保溫效果的分析，針對內外遮陽、手動與自動遮陽各自節能效果的分析等，皆提供了一些值得參考的節能模型。很多地區對于我國干欄式民居熱工性能方面的研究及實踐已有所涉獵，但對于廣西干欄式民居的熱工性能研究相對滯后。針對桂北地區干欄式民居夏季通風性能、冬季保溫性能的分析，還不夠深入。其相對于其他民居，值得推廣應用的優勢以及需要改善的劣勢，還缺乏具體分析。因此，對其進行研究分析，并將成果應用于廣西現代居住建筑中，形成適應當地氣候、低技術、低成本的被動式綠色建筑節能技術，顯得尤為必要且緊迫。

2 桂北傳統干欄式民居熱工性能分析

傳統桂北干欄式民居，夏季不使用空調，室內溫度仍涼爽宜人，被稱為“會呼吸的建筑”。干欄式民居是如何利用建筑自身條件，很好地實現遮陽、通風、排濕的要求呢？下面通過其平、立、剖面分析成因。

2.1 桂北傳統干欄式民居的平面分析

建筑多為三層，底層架空不住人，主要用于飼養牲畜、囤放工具等。二層為主要功能空間，布置有堂屋、火塘、廚房、餐廳、臥室、雜物間。三層則用于堆放谷物、雜物，當家中子女較多時，也布置少量臥室，一般為年幼子女居住。現重點分析二層的平面布置，通過對桂北地區干欄式民居的實地測繪，發現其二層平面呈現以下有利于通風透氣的特點。

桂北地區位于廣西與湖南、貴州交界處，氣候冬冷夏熱。為了適應夏天炎熱的氣候，這一帶的干欄式住宅多有半敞開式的堂屋。堂屋布置在房間中心位置，一面敞開，形成堂屋與陽臺連成一體的平面形態。通風透氣、寬敞舒適，極好地適應了悶熱的夏季氣候。堂屋還兼具會客、家庭聚會、兒童玩耍、手工勞作等功能，是住宅中最為重要的功能空間。沿堂屋依次展開有廚房、臥室、雜物間，如圖2所示。這種以半敞開式堂屋為中心的平面布局形式，能夠有效形成穿堂風。

圖2 以半敞開式堂屋為中心的平面布局

2.2 桂北傳統干欄式民居的立面分析

架空底層、通長陽臺、山墻窗戶形成通風換氣系統。架空的底層、通透的陽臺為虛，木板封閉的墻體為實，如圖3所示。虛實形成對比，不僅形成豐富的陰影變幻，同時具有更重要的實際功能。底層架空設計，可以排走南方常有的濕氣，保持二層干爽。與敞廳相連的陽臺大多做成一整排通長陽臺，陽臺上部出挑的屋檐可遮陽擋雨，通透的陽臺也形成很好的通風換氣通道。山墻頂部與屋檐交接處的三角形屋架部位多漏空，形成高側窗，便于通風透氣。頂部外露的穿斗式屋架，也很好地展示了建筑結構。

2.3 桂北傳統干欄式民居的剖面分析

天井、頂層貯藏空間結合形成建筑空腔，有利于采光通風。堂屋上方開天井，天井與頂層貯藏空間結合，形成建筑空腔，如圖4所示。這種剖面形式聰明地利用了煙囪效應，形成整個房屋的對流。頂層山墻開窗，帶走匯聚在房屋頂部的熱空氣，室外新鮮的冷空氣則從窗戶和陽臺補充進來。桂北地區的干欄式民居夏季涼爽舒適，與建筑這種完美的室內換氣系統是密不可分的。這也是值得我們學習推廣的一種被動式通風節能方式。

通過上述分析，總結出桂北干欄式民居夏季通風透氣的主要成因有：

（1）以半敞開式堂屋為中心的平面布局，易于組織穿堂風。

（2）架空底層、通長陽臺、山墻窗戶形成通風換氣系統。

（3）堂屋上方天井與頂層貯藏空間形成建筑空腔，利用煙囪效應，排氣通風。

2.4 桂北傳統干欄式民居冬季熱工性能分析

雖然桂北傳統干欄式民居在夏季具有良好的通風透氣性能，但是在冬季卻并不具有良好的保溫性能。根據實地測繪，桂北傳統干欄式民居冬季室內多濕冷，需要借助烤火設施取暖。其主要成因如下：

（1）桂北傳統干欄式民居外墻多使用木質板條圍護，寒冷的季候風會通過板條之間的縫隙帶走大量室內熱量。

（2）頂層山墻窗戶常年開敞，或僅以木條封閉，密閉效果極差。冬季，穿堂風會帶走大量室內熱空氣，保溫效果差。

根據以上冬季不保溫的成因分析，做出兩項應對措施：

（1）外墻采用自保溫砌體。

（2）頂層山墻窗戶增設手動可調百葉系統。

基于桂北傳統干式民居熱工性能優化后的方案如圖5所示。

3 四種民居建筑熱工性能分析

以廣西三江侗族自治區弄團村某單體民居建筑為分析實例。建筑占地面積為136m2，用地平整，周邊環境優美。基地南面臨村級公路，北面為風景優美的山林，東面有小溪穿過，西面緊臨一棟三層高住宅。建筑周邊環境如圖6所示，紅色虛線方框內為研究對象。設計四種建筑：建筑A（帶隔熱層的廣西傳統干欄式民居）、建筑B（不帶隔熱層的廣西現代新農村民居）、建筑C（帶隔熱層但不帶可調百葉系統的新型民居）、建筑D（帶隔熱層及可調百葉系統的新型民居）。

圖3 虛實結合的建筑立面

圖4 具有煙囪效應的建筑剖面

圖5 桂北傳統干欄式住宅保溫隔熱性能優化方案示意

圖6 研究對象周邊環境實地照片

3.1 四種建筑設計

3.1.1 四種建筑平、立面圖

根據實測基地數據，設計出四種建筑的平、立面圖，如圖7所示。

3.1.2 室內換氣量計算

每戶居住人口以5人考慮，根據人均居住面積查到，每小時最小換氣次數=0.5，因此建筑B、C、D的最小換氣次數取0.5。因為建筑A頂層有不封閉開口，結合主導風向、建筑朝向考慮，換氣次數取5。

由公式n=Q/V，推導公式Q=nV。

式中：n為空間的換氣次數，單位次/h；Q為通風量，單位m3/h；V為房間容積，單位m3。

根據四種建筑的平立面圖，分別計算出各自換氣量：

建筑A：根據輸入的圖紙尺寸，計算機計算出

VA=1341.94m3

QA=nVA=5×1341.94=6709.70m3/h

建筑B：根據輸入的圖紙尺寸，計算機計算出

VB=1243.87m3

QB=nVB=0.5×1243.87=621.94 m3/h

建筑C：根據輸入的圖紙尺寸，計算機計算出

VC=1581.33m3

QC=nVC=0.5×1581.33=790.67 m3/h

建筑D：根據輸入的圖紙尺寸，計算機計算出

VD=1581.33m3

QD=nVD=0.5×1581.33=790.67 m3/h

3.1.3 供暖和制冷工況

為了對比建筑A、B、C、D在相同條件下各自的供暖供冷能耗，四種建筑均選用相同能耗的單元式房間空調器。其中，建筑D設置有百葉，夏季為了獲得最大自然風，設計百葉開啟角度為90o（最大值）；冬季利用屋頂保溫層百葉閉合、形成溫室空間保溫，設計百葉開啟角度為0o（最小值）。

3.2 四種建筑熱工性能分析

以上四種建筑，選用斯維爾軟件做模擬能耗計算。

3.2.1 試驗結果

根據圖7四種建筑平、立面圖，建立的斯維爾三維模型如圖8所示。四種建筑的全年負荷瀏覽如圖9所示。通過計算機模擬分析，得出的全年能耗如表1所示。

表1 四種建筑模型全年能耗表

3.2.2 試驗結果分析

通過實驗數據分析，四種建筑全年供冷能耗從優至劣排序為：建筑D、建筑C、建筑A、建筑B。全年供暖能耗從優至劣排序為：建筑C、建筑B、建筑D、建筑A。全年建筑總能耗從優至劣排序為：建筑D、建筑C、建筑A、建筑B。

圖7 四種建筑建筑平、立面圖

圖8 四種建筑斯維爾三維模型

圖9 四種建筑全年負荷瀏覽圖

可見，帶有隔熱層的建筑A、C、D其供冷能耗和全年總能耗均明顯優于未帶隔熱層的建筑B。讓人驚訝的是，未帶隔熱層的建筑B，雖然劣于帶隔熱層的建筑C；卻優于帶隔熱層的建筑A、D。由此判斷，建筑供暖電耗與建筑材料、百葉設置有關。

4 結語

通過四種建筑能耗模型設計及計算機能耗模擬比對分析，得出以下結論：

（1）通過建筑A、C、D與建筑B的比對分析，帶有隔熱層的建筑，其建筑能耗明顯優于未帶隔熱層的建筑。

（2）通過建筑A與建筑B、C、D的比對分析，傳統木質外圍護結構的建筑，其建筑能耗明顯劣于采用保溫隔熱外墻的鋼筋混凝土建筑，但略優于未采用保溫隔熱外墻的鋼筋混凝土建筑。

（3）通過建筑C、D與建筑A、B的比對分析，采用保溫隔熱外墻的建筑，其建筑能耗明顯優于未采用保溫隔熱外墻的木質或鋼筋混凝土建筑。

（4）通過建筑D與建筑C的比對分析，設置百葉的建筑，其建筑能耗略優于未設置百葉的建筑，且能耗大小與百葉設置位置、朝向、開啟角度密切相關。

綜上，可以得到一種較為理想的多層生態民用建筑形式：

（1）帶有隔熱頂層。

（2）隔熱頂層開窗，并設置百葉，冬季百葉建議開啟角度為0o，夏季百葉建議開啟角度為90o。

（3）外墻采用自保溫砌塊。