道口古鎮合院式傳統民居圍護結構現狀調查及熱工性能分析

文／張恒鈺 鄭州大學建筑學院 碩士研究生

唐 麗 鄭州大學建筑學院 教 授

引言

豫北地區是中原文化重要的空間載體，經過數千年的發展，積累了眾多值得傳承的建造技法和藝術形式。然而近年來的大拆大建導致當地很多具有歷史價值的傳統民居破壞嚴重，為了傳統建筑文化的保留與發展，亟須從歷史建筑保存尚好的區域開始調查研究并實施保護更新。筆者以豫北道口古鎮的一處保存較完好的傳統合院式居住建筑為研究對象，對其在2020—2021 年的冬季進行了熱工性能調研，并對結果進行分析解讀，為傳統民居保護性熱工性能更進一步改造提供一個方向。

1 道口古鎮地理氣候特點

道口古鎮地處河南北部，屬安陽市滑縣境內，因為地處黃河以北的太行山地區，所以平均海拔較河南中、南部高數百米。其所屬的氣候分區為寒冷地區，夏季炎熱，雨季地面易返潮，冬季干燥寒冷而且持續時間較長。道口古鎮年平均氣溫14℃；7月最熱，平均氣溫27℃；1月最冷，平均氣溫0.1℃。

2 道口古鎮傳統民居特點

道口古鎮依大運河而生，由于大運河的重要商業價值，為方便大運河港口貿易往來，巷子都從大運河開始垂直向外延伸到主街，是典型的街巷制布局。巷與巷之間的土地空間用于布置建筑，院落及建筑的平面形狀主要為矩形，采用北方傳統的合院式住宅形式。由于大運河流向原因，在這里，建筑群并沒有像北京四合院那樣呈現出正南正北的軸線排列，而是垂直于大運河河道沿西北-東南走向延伸。古時候這里商業十分發達，吸引了大運河沿線眾多商賈入駐，人群居住集中度很高。但是因為商業價值較高，所以用于居住的土地集約利用在這里尤為明顯，古鎮中的居住院落最多三進且十分狹窄，除了個別重要的公共建筑之外，大多數的院落正房只能露出一到兩個開間的寬度[1]。相較于典型的北京四合院，這里的倒座空間通常沿道路打開，以便作為沿街商鋪使用，使得當地的合院建筑具有了商住混合的屬性。

3 典型民居的特點及調查分析

在經過20 世紀末的少部分拆建損壞之后，當地政府漸漸意識到古鎮的重要歷史藝術價值，逐步開始實施保護措施。七年前，道口古鎮被我國國家文物局認定為歷史文化名鎮，并開始進一步加大保護力度，因此古鎮核心區仍有許多傳統建筑保留尚好，其中的傳統民居有七十七座之多，并且都已有上百年的歷史。在經過筆者的深入考察之后，本次調研選擇了古鎮核心區的一棟構造和形式都比較有代表性的三進院落式建筑，作為實測的對象。該建筑位于安陽市道口古鎮內順河北街東五號院（圖1），目前該建筑及院落保存均較為完好，其正房（測點三所在房間）入口朝向為北偏西41°。

圖1 平面圖（圖片來源：作者自繪）

3.1 平面布局

整個院落平面為矩形組合，院落空間與建筑單體平面、立面均為矩形，正因如此，此類傳統民居和院落的軸線關系較為明顯，使用空間十分規整且主次分明，符合傳統的設計理念并且具有建造簡單、施工階段耗費人力物力少的優點。

3.2 圍護結構

各個單體建筑均為磚木混合結構，外墻體為外側青磚包內側土坯，外墻體總厚度達560mm，窗墻比較小；建筑門框、窗框均為木質，門窗扇關閉時縫隙比較多；窗玻璃為單層印花玻璃，保證室內采光且能保護室內隱私；分隔一、二層的樓板為木材，縫隙較多且隔音性能較差；屋頂構造為傳統的小青瓦屋面，特殊之處是采用了當地燒制的望磚。構造詳圖見圖2、圖3。

圖2 窗詳圖（圖片來源：作者自繪）

圖3 坡屋頂詳圖（圖片來源：作者自繪）

結合各個部位構造材料層次，通過公式運算各圍護結構K 值：

4 熱舒適評價

4.1 評價概述

評價房間選取第二進院落中不同朝向、不同高度的廂房和正房，測點位置見圖1。測點二在一上層，無人使用，兩層房間之間的樓板為木樓板。測點三房間在數據實測過程中一直閑置，房主未曾進入過，內部也沒有任何家用電器[2]。測點選取時盡量位于房間中心部位并減少冷熱源對傳感器的影響，測點距墻大于500mm，各個測量點的高度均為距室內地面600mm[1]。

4.2 熱工性能

此次實測在2020—2021 年的冬季進行了四個月的連續測量，所用儀器均為符合國家標準的測試儀器。測量結束后，經過對數據進行觀察，筆者選擇了溫度波動比較有代表性的七個連續日數據進行下述熱工分析，此次分析數據一共672 組。

圖4 為三個受測房間在測量期間的逐時溫度曲線，各數據采樣點間隔時間為15 分鐘。實測結果顯示，測點一在連續一周的測試期間，氣溫最小是4.3℃，最大是10.1℃。每天的最高氣溫呈現出不斷下降的趨勢，這是因為臨近冬至，北半球日照時間逐日縮短的原因。根據實測數據，有超過98%的時間濕度在50%～70%之間，測試期間這樣的溫濕度條件下人體會感到十分寒冷，距離達到人體舒適甚遠，分析原因主要是古鎮所在地冬季室外氣溫很低。數據顯示，測點一房間的室溫在連續七天的時間里，始終比測點三房間室溫高出4℃～5℃，這是因為戶主的居住生活產生了熱量。三個房間溫度波動趨勢幾乎一致，但測點一的溫度曲線有多個短暫波峰出現，是居住者進行炊事或短暫開啟取暖器造成的。與此同時，這些短暫溫度波峰在達到峰值后迅速回落，可以顯示室內溫度在戶主關閉取暖器后迅速降低，表明圍護結構在沒有人工采暖時，無法長時間保持室內溫度，室內熱能向外傳遞速度很快[6]。測點二溫度始終比測點三高2℃左右，這是下層測點一房間的熱量通過木樓板及其中的間隙傳遞到上層造成的。

圖4 逐時溫度（圖片來源：作者自繪）

圖5 為18 日10 點至19 日10 點，間隔一小時的室內外干球溫度曲線，共24h，這些室外溫濕度參數取自中國氣象數據網河南站官方發布的當日氣象信息。數據顯示，室外空氣溫度波動的規律類似于正弦函數規律[3]，在一天的周期里，受測房間的氣溫波動范圍分別為1.8℃、1.0℃和1.4℃，而當日室外氣溫變化幅度達到了9℃。室外平均氣溫為2℃，與無人使用的測點三房間平均氣溫相同。測點一氣溫始終是三個房間中的最高值，測點二介于測點一和三之間，這是因為測點一房間中人的活動產熱并通過木樓板傳遞到上層。經簡單計算可知，室外氣溫振幅是測點三氣溫振幅的6.4 倍，這說明傳統建筑圍護結構具備良好的熱惰性指標，可以讓室內溫度保持較高的穩定度[7]。如果能充分發揮墻體的蓄熱能力，再加之以合適的保溫、斷熱等減少熱損失的措施，那么該建筑的居住舒適感受將得到很大的提升。

圖5 逐時溫度（圖片來源：作者自繪）

4.3 評價指標計算

在收集了第一手實測數據之后，便能利用人體熱舒適評價模型對實測建筑室內居住舒適度進行量化描述[3]。本文采用目前常用的PMV 模型對測量結果進行計算，以得出較為科學的室內舒適性評價結果。通過對戶主夫婦調查的實際情況，確定當日戶主著裝的平均熱阻為2clo。戶主在家中大部分時間為靜坐或看電視，這種狀態下的的代謝率為1met。環境平均輻射溫度計算公式如下：

式（1）中各參數指代如下：Tg：黑球溫度℃；Ta：空氣溫度℃；Va：風速m/s；ε：發射率，黑球發射率取0.95；D：測量儀器的直徑，此次選用的測試儀器為常規尺寸150mm。

由于此次實測風速的測量值均為零，所以這個公式中可直接取Tmrt=Tg。根據以上已知取值以及前文所述室內實測環境參數，經過PMV 計算工具計算后，本人繪制了24 個小時的逐時室內舒適指標曲線（圖6）。可見室內PMV 值始終低于-2，室內PPD 值始終高于76%，這些數據意味著室內居住人員在測試期間身體感覺很冷，對于戶主這樣的老年人來說身體感受更是如此[7]。

圖6 甲房間PMV、PPD（圖片來源：作者自繪）

結語

道口古鎮是豫北地區的著名古鎮之一，有許多重要的空間形態和建筑遺存值得保護，但如何在改造中進行合理干預，做到既保護古民居的原真性又切實提升居民的生活品質，這是值得探究的問題。本次實測研究之后，我們認識到道口古鎮當地冬季室外氣候惡劣，而古鎮傳統居住建筑現有構造方式不能滿足冬季保溫的需求，室內居住生活環境并不適宜。而道口古鎮由于當前當地經濟、社會等因素的制約，青年群體居民不愿留在老家生活，所以古鎮中生活的人大多為老幼人群，他們的身體素質對寒冷的忍耐能力比青年人群更差，所以更需要為他們提供溫暖的室內生活環境。分析發現，當地建筑存在的關鍵問題是圍護結構氣密性過差以及老舊門窗保溫隔熱能力不足，需要進行改造。研究還發現，道口古鎮的傳統外墻和屋頂做法具有很好的熱惰性指標，可以大大降低室外到室內的溫度諧波振幅，可在改造時予以保留并修繕，這樣做既能發揮舊建筑的優點，又能保證傳統建筑的原真性。