陜南鄉村新民居建筑立面熱環境優化

張 磊，馬喬璐，史 珂，趙敬源，馮 翠，郭成睿

(1.長安大學 建筑學院，陜西 西安 710061；2.西北綜合勘察設計研究院，陜西 西安 710003)

0 引 言

中國鄉村民居經過歷史文化和自然氣候的雙重雕琢，以其特有的空間形式、材料質地和濃厚的地域特征，貼切地展示各時代、各地方、各民族人民在適應自然、改善人居環境方面的經驗和智慧[1]。傳統民居通過持續的演進，結合新的材料演變成鄉村新民居[2]，但是鄉村民居的建設控制權都掌握在居民手中，因為缺乏科學地設計[3]，造成了人居環境低下且建筑耗能過高的問題[4]。陜南位于中國西北寒冷氣候區和南方炎熱氣候區之間，有夏季濕熱、冬季濕冷的典型地域氣候特征。鄉村新民居并沒有采取積極有效的方式回應這樣的氣候，民居內部仍然存在熱環境差的問題，極大地影響了村民的生活質量，成為陜南民居眾多問題中最亟待解決的問題。

朱軼韻等對陜南秦巴山地區的典型民居進行了熱環境測試研究，提出通過被動式手段增加通風來改善室內濕熱的環境[5-7]。胡冗冗認為民居的演變實質上是圍護結構的演變，對比了夯土墻與磚墻的物理特性，提出利用輕鋼屋面和輕質保溫材料來改善改善室內熱環境[8]。王雪等通過對陜南地區代表性民居室內外熱環境研究，提出了降低能耗的改善方法[9]。趙欽等以陜南地區典型磚混民居為例，采用 Ecotect軟件分析了各種被動式設計手段對室內熱舒適的影響[10]。田海寧根據民居形態，墻體，屋頂，地勢高差等因素分析提出了4種生態適應性優化策略[11]。

以往研究缺少聚焦于用新結構新材料改善鄉村新民居的熱環境。筆者重點分析建筑立面與熱環境之間的關系，并系統地提出優策略。通過科學的方法提高建筑的科技含量，最大限度地為居住者提供一個健康、舒適、生態的居住空間[12]。

1 熱環境實測

1.1 測試目的

陜南民居在演變過程中形態表皮越來越趨向一致，導致民居同質化現象嚴重。根據走訪調研發現人們普遍對這種新民居室內熱環境滿意度較低，在功能空間逐漸聚攏，體型系數逐漸縮小的情況下室內熱環境并未得到改善，作為建筑內外部環境的媒介，認為建筑的立面結構是影響熱環境的重要因素。

1.2 實測對象

測試對象為江安村典型的“一”字型新民居和“L”字型新民居。江安村位于陜南地區的安康市高新區，是陜南丘陵地形下的典型村落(圖1)。受地形的限制民居大多東西朝向，呈線性分布。共選取3個室內測點和1個室外測點進行實測。測點一建于1985年，面朝西向，為典型的“L”型布局，堂屋位于中間，兩邊連接的臥室，共5開間，廚衛等輔助用房處于拐角處，單層玻璃木窗，坡屋頂；測點二建于1998年，2019年再次進行翻修，為“L”型布局，廚衛等輔助用房處于拐角處，面朝西向，單玻鋁窗，共2層，5開間；測點三建于2010年，是江安村常見的“兄弟院”，兩家合住共用一個樓梯，共2層5開間，主要立面向東，采用單玻塑鋼窗，坡屋頂。

圖1 江安村村落布局Fig.1 Satellite map of Jiang’an Village

1.3 實測方案

測試在當地典型冬季1月11日～13日進行，主要測試空間為室外和臥室(表1)。空氣溫濕度儀每10 min自動記錄(距離地面1.5 m處)，風速選擇自然通風下室內記錄平均值[13]。

表1 室內測點基本信息Table 1 Basic information of measurement points

2 民居室內外實測數據分析

江安村冬季室外最高溫度為11 ℃，最低為-6.5 ℃，日溫度波幅為17.5 ℃，晝夜溫差較大。從3個室內測點的溫度趨勢來看，早上9：00逐漸開始升溫，在太陽輻射不斷升高的過程中民居室內的溫度也快速上升，在16：00～17：00達到頂峰，隨著太陽輻射的降低溫度也緩慢下降，到次日的7：00～8：00為每日溫度最低的時刻(圖2)。3個測點在不采取任何采暖措施的前提下，民居全天室內溫度遠未達到DBJ61-65—2011《陜西省居住建筑節能設計標準》所要求的冬季室內溫度18 ℃。

圖2 室內外各測點溫度變化趨勢Fig.2 Temperature variations at indoor and outdoor measuring points

室外空氣相對濕度變化范圍為15%～73%，出現“早高晚低”的特點(圖3)，濕度與溫度變化成反比[14]，日平均相對濕度為45%；新民居的整體結構對空氣濕度的調節效果顯著，符合《民用建筑熱工設計規范》(GB 50176—2016)所要求的的相對濕度30%～60%的標準。目前陜南民居冬季的室內熱環境最亟待解決的是保溫性較差的問題。不同朝向的窗墻比以及立面圍護結構的傳熱性對室內熱環境影響較大。

圖3 室內外各測點濕度變化趨勢Fig.3 Humidity variation at indoor and outdoor measuring points

3 民居立面對熱環境的影響

建筑立面設計是回應氣候，改善室內熱環境的重要措施。民居的立面包括建筑入口、建筑墻體、建筑屋頂、建筑門窗、基礎等多個構成要素，立面各要素根據面積比重對熱環境的影響為墻體>屋面>窗戶>門[15]，通過對江安村的實地調研，構建了民居立面信息，建立當地建筑立面基本原型(圖4)。

圖4 江安村建筑立面基本原型Fig.4 Basic prototype of building facades in Jiang’an village

3.1 窗墻比與熱環境的影響

要確保民居的保溫性就要合理控制窗墻比并減少立面各個要素的傳熱性從而減少熱量散失。通過調研發現民居立面南向窗墻比非常小，東西向開窗較多，這是由于地形的限制。江安村的民居都根據丘陵地形沿道路布置，167戶人家有87戶面朝東向，61戶面朝西向，11戶在南偏東45°到南偏西30°，8戶面朝北；建筑的主要立面朝向為東西向，南向的山墻面得熱較少，東西向由于冷風滲透熱散失較大，所以保溫性較差。

3.2 立面結構構造與熱環境的影響

江安村民居屋面為坡屋面的形式，大多為混凝土青瓦屋面，少量木架青瓦屋面，都未設置保溫層；層高以兩層居多；墻體多為多孔粘土磚與清水磚構成[16]；窗戶為普通單層玻璃，門多為單層鐵門，木門(表2)。通過計算得出現有民居立面各部分構造的傳熱系數，對比規范對該地區的傳熱系數的要求發現不足。

表2 江安村民居立面結構構造Table 2 Facade structure of folk dwellings in Jiang’an Village

陜南大部分新民居依然延續著傳統的營建方式，根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》(JGJ 134—2010)對立面各部分構造的要求來看，目前江安村建筑立面各個構造的性能遠不達標，故而亟需要對民居立面的熱工性進行優化。在兼顧經濟性的條件下，控制窗墻比，合理選擇墻身及門窗材料、增減墻身厚度仍然是當地建筑應對氣候的主要策略。

4 陜南新民居立面優化設計

4.1 朝向優化

太陽輻射是影響室內溫度的重要因素[17]。在夏熱冬冷地區需要同時考慮建筑的夏季防熱與冬季得熱要求，選擇一個最佳的建筑朝向很關鍵。利用 Ecotect中的Weather Tool工具得到陜南地區的全年最佳朝向為南偏西22.5°，全年最不利朝向為正西向到西偏22.5°，相對有利的朝向范圍是南偏東45°到南偏30°(表3)；在這個范圍民居冬季可獲得較多的太陽輻射，能夠提高室內溫度，改善室內熱環境。民居建設的過程中需要結合實際地形盡可能的讓主要使用空間面向南側，或者將南側的山墻面延伸從而增加建筑得熱。

表3 陜南民居最佳朝向角度Table 3 Optimal orientation angles of dwellings in Southern Shaanxi

4.2 屋面優化

江安村民居的屋面形式為坡屋頂，在構造層次上均未設置保溫層，僅在木屋架上直接掛瓦作為防水層，或者屋頂為混凝土結構，砂漿找平上面掛瓦，這2種做法傳熱系數都很大。為加強屋面的保溫性能，應設置保溫層。常用的保溫材料有EPS板、擠塑聚苯板、膨脹珍珠巖等[18]。針對當地的氣候條件，從生態節能角度出發，在木屋架體系以及單層掛瓦屋面這2個構造層不變的前提下，采用厚爐渣混凝土構造的保溫層做法(圖5)，加入一定厚度的厚爐渣混凝土，調整屋面的構造層次[19]。更新后的屋面傳熱系數較小，屋頂的熱工性能得到改善。

圖5 屋面保溫構造Fig.5 Roof insulation structure

4.3 窗墻比優化

根據《民用建筑熱工設計規范》(GB 50176)附錄中對于適用于中國夏熱冬冷地區居住建筑的窗墻比相應規定，北向窗墻比不應超過0.3，東西向不應超過0.35，南向不應超過0.45[20]。但從實際調研分析來看該地區民居南向為山墻面，很少開窗或開小窗，要改善室內熱環境，應該在東西立面的窗戶上加裝百葉，減少冬季冷空氣的對流；在南向山墻面增加開窗面積，增加條形窗來得到太陽輻射[21]。在窗戶的構造方面，江安村現民居多使用鋁合金窗單層玻璃和木框單層玻璃，冬季熱量損失大，考慮到經濟原因，門窗可選取保溫性能好、價格便宜的塑鋼窗框，并采用在玻璃窗上貼透明聚酯膜的辦法降低窗的傳熱系數，門盡量選用有夾層的雙層保溫門[22]。

4.4 建筑墻體保溫更新設計

建筑墻體結構的熱工性能對室內熱舒適度有很大影響，在冬季可以有效地減少室內熱量的損失，維持室內溫度相對恒定[23]。考慮鄉村地區的實際情況，建筑層數多為1～2層，現代鄉村民居外墻大多為240 mm空心粘土磚[24]，但是室內的熱舒適環境并不符合居民的理想狀態，再加上國家從可持續發展的角度去考慮，已經禁止使用“粘土磚”了[25]，建議該地區可以使用頁巖多孔磚，加氣混凝土塊材等[26]。結合造價和實現的難易程度，采用磚混結構，多孔磚墻承重，外墻采用240 mm厚頁巖空心磚磚外粉厚水泥砂漿(圖6)，考慮到冬天抵御西北向的寒風，北向外墻為370 mm厚，內墻均為240 mm厚。

圖6 墻體保溫構造Fig.6 Wall insulation structure

5 結 論

1)在維持坡屋頂面層不變的情況下，在屋面的構造層增加40 mm厚爐渣混凝土作為保溫層，增加屋面保溫性，保證屋面構造材料的生態性。

2)優化窗墻比，南向山墻面的窗戶更改為條形窗，木窗框更換為塑鋼窗框并在窗戶上貼透明聚酯膜可以增加民居保溫性。

3)優化墻體構造時選用頁巖多孔磚替代粘土磚，加30 mm厚的聚苯板保溫層，將北向墻厚增至370 mm，對抵御冬季寒冷氣候有明顯效果。