何 泉，劉大龍，朱新榮，楊 柳，劉加平

（ 1. 西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安 710055； 2. 陜西省西部綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 西安710055；3. 陜西省(西部)綠色建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055）

川西高原上的藏區(qū)包括了四川省甘孜藏族自治州全部、阿壩藏族羌族自治州的一部分、涼山彝族自治州一部分[1]，屬于文化意義上的康巴藏區(qū)．這里是生存環(huán)境最惡劣、最艱苦的藏區(qū)，地處橫斷山區(qū)，在地形、地貌上的突出特點(diǎn)是高原型的高山深谷區(qū)，地形跌宕起伏[2]，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)．當(dāng)?shù)卮蟛糠志用裰两袢砸蕾嚾紵讲褡鳛椴膳茉矗吆毖醯臍夂驐l件下薪柴燃燒很不充分，為了獲取燃料而過度砍挖植被的行為已造成嚴(yán)重的水土流失．區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境日趨惡化已成為誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要原因[3]．

2013—2014年，本課題組在四川省甘孜藏族自治州康定縣塔公鄉(xiāng)進(jìn)行了藏族民居冬夏兩季的熱環(huán)境測試研究，期望尋找優(yōu)化當(dāng)?shù)孛窬釉O(shè)計(jì)的思路，以降低采暖能耗，改善居住條件．

1 研究對象

1.1 川西高原氣候特征

康定縣位于四川省西部、甘孜藏族自治州東部，海拔高度約2 616 m．雖然緯度較低，但深處內(nèi)陸形成了它獨(dú)特的高原型大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7.1 ℃左右，極端最低溫度﹣14 ℃，最高29 ℃，年日照時(shí)數(shù)1 689.9 h，年總輻射量約470.3 kJ/cm2，年降水量832 mm，無霜期177 d[4]．因地形復(fù)雜，當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)出現(xiàn)明顯的垂直差異．測試點(diǎn)塔公鄉(xiāng)夏馬龍村距康定縣城約110 km，海拔高度約3 800 m．與康定縣城相比，塔公鄉(xiāng)由于海拔高，熱量資源更少，冬季漫長，春秋季短，基本無夏，但太陽輻射資源更豐富，根據(jù)文獻(xiàn)[4]粗略估計(jì)，塔公鄉(xiāng)的年日照時(shí)數(shù)約2 400 ～2 700 h，年總輻射量約 627～668.8 kJ/cm2．

1.2 測試對象

當(dāng)?shù)孛窬泳鶠椴厥降锓?，石木混合承重結(jié)構(gòu)，外墻為大約700 mm厚石墻，略有收分，內(nèi)部由木柱支撐，木梁放置在柱頭的橫木上或搭入外墻，梁上鋪椽子、木板，再夯實(shí)粘土，形成樓面和屋面．為防止雨水侵襲，在覆土平屋面上還架空了歇山式的瓦屋面．內(nèi)墻皆為木板隔墻．窗戶為單玻塑鋼窗．

冬季測試的民居A(圖1)為2010年建成的二層建筑，一層為出租客房，二層為主人家日常用房．除了客廳生有火爐燃燒木柴間歇式采暖，其他房間均無采暖設(shè)施．夏季測試的民居B(圖2)與民居A同處于夏馬龍村，一墻之隔，年代相近，建筑朝向接近，屬于同種結(jié)構(gòu)形式，所用建筑材料相同．與民居A的不同之處在于，建筑為三層，頂層南向局部加蓋了附加陽光間，頂部為半透明的PC陽光板．

圖1 冬季測試民居A南向外觀Fig.1 Southern appearance of House A measured in winter

圖2 夏季測試民居B南向外觀Fig.2 Southern aspect of House B measured in summer

2 測試方案

冬季測試時(shí)間為2013年12月24日10:30至12月25日10:00，測試過程為晴轉(zhuǎn)多云，測試房間包括二層的臥室 A1、A2、A3和客廳 A4（測點(diǎn)布置如圖3）．夏季測試時(shí)間為2014年7月23日07:00至7月24日07:00，測試過程為晴天，測試房間包括一層房間 B1、三層房間 B2、B3和附加陽光間B4(測點(diǎn)布置如圖4)．

圖3 被測民居A室內(nèi)測點(diǎn)位置Fig.3 The indoor measured spots of House A

圖4 被測民居B室內(nèi)測點(diǎn)位置Fig.4 The indoor measured spots of House B

測試內(nèi)容包括太陽輻射直射強(qiáng)度和散射強(qiáng)度、室外空氣溫濕度、主要房間的室內(nèi)空氣溫濕度．太陽輻射儀為國產(chǎn) TBD-1型輻射儀，儀器靈敏度為8.789 μV/(W·m-2)，水平置于其他建筑的平屋面上，周圍無遮擋物．室內(nèi)外參數(shù)采集間隔都為30 min．空氣溫度測試采用日本T&D公司TR7xU140E自記式溫/濕度計(jì)，溫度測量精度0.2 ℃．室外溫度測點(diǎn)均置于民居屋頂平臺背陰處，并以錫箔遮蔽．

測試目的是通過對比不同平面布局和開窗方式的各房間溫濕度，掌握建筑設(shè)計(jì)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，尋找科學(xué)設(shè)計(jì)當(dāng)?shù)孛窬拥姆椒ǎ?/p>

3 測試結(jié)果及分析

3.1 冬季測試結(jié)果及分析

3.1.1 室外氣象條件

測試期間記錄到的有效日照時(shí)間為9:30～15:30，日照時(shí)間內(nèi)太陽總輻射平均強(qiáng)度約為285 W/m2，最高值出現(xiàn)在24日11:00前后，約為491.52 W/m2(圖5)，太陽直射輻射強(qiáng)度約占總輻射強(qiáng)度的67%．室外空氣溫度范圍在﹣10.8～8.4 ℃，最高溫度出現(xiàn)在24日17:00，最低氣溫出現(xiàn)在25日07:00，平均氣溫為﹣2.5 ℃．室外空氣相對濕度隨之在13%～61%，15:00～15:30達(dá)到最低值，凌晨5:00～6:30達(dá)到最高值，平均濕度為42%(圖6)．從測試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)?shù)貧夂蚨緡?yán)寒、干燥，太陽輻射資源較豐富．

圖5 冬季室外水平面的太陽輻射強(qiáng)度曲線Fig.5 Solar radiation intensity on outdoor horizontal plane in winter

圖6(a) 冬季測試期間民居A室內(nèi)外溫度曲線Fig.6(a) Outdoor and indoor air temperature curves of House A in winter

圖6(b) 冬季測試期間民居A室內(nèi)外濕度曲線Fig. 6(b) Outdoor and indoor relative humidity curves of House A in winter

3.1.2 室內(nèi)空氣溫度

由圖 6(a)可知，東南角房間 A1溫度在 2.5～4.5 ℃，平均溫度為 3.6 ℃；西南角房間 A2溫度在0.2～7.4 ℃，平均溫度為2.8 ℃；西北角房間A3溫度在﹣0.2～2.1 ℃，平均氣溫為1.0 ℃；客廳A4溫度在3.0 ～11.6 ℃，平均溫度為7.3 ℃．

在室外晝夜溫差接近20 ℃的情況下，各房間的溫度比較平穩(wěn)，表明房間蓄熱能力充足，厚重外圍護(hù)結(jié)構(gòu)有效平抑了溫度波動(dòng)．以位于西北方向的臥室A3為例，氣溫主要受室外氣溫影響，最高室溫比室外氣溫延遲9h，最低室溫比室外氣溫延遲4 h，說明厚重石墻的熱惰性很大．但是各房間室內(nèi)空氣平均溫度都沒有超過3.6 ℃，間歇采暖的客廳A4最高溫度也未達(dá)到人體舒適要求，室內(nèi)溫度整體偏低，熱環(huán)境質(zhì)量低下，說明外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫能力不足．

二樓臥室A1和A2同為非采暖房間．A2除了南向窗口，還增設(shè)了西向窗口，其最高室溫比 A1略高，分析是由于西向開窗延長了下午太陽輻射得熱的時(shí)間，然而，增大了開窗面積也增加了夜間的熱損失，使得 A2的最低溫度和平均溫度均低于A1．由此可見，增設(shè)西向窗口能略提高房間最高溫度，但會(huì)降低最低溫度和平均溫度，對于使用時(shí)段主要在夜間的臥室是不利的．

客廳A4為直接受益式房間，南向窗墻面積比約 0.6，平均溫度比其他各南向房間高出 3.7～4.5 ℃，最高溫度比其他南向房間高出4.2～7.3 ℃，但最低溫度接近于其他南向房間．這反映出直接受益窗的矛盾：在白天由太陽輻射造成升溫現(xiàn)象雖然明顯，窗戶夜間散熱也非常嚴(yán)重．

3.1.3 室內(nèi)相對濕度

由圖6(b)可知，房間A1相對濕度在32%～47%，平均濕度為39.4%；房間A2相對濕度在22%～51%，平均濕度為36.9%；房間A3相對濕度在31%～44%，平均濕度為 40.1%；客廳 A4相對濕度最低，在14%～31%之間波動(dòng)，平均濕度為25%．

A2和A4在白天的相對濕度基本在30%之下．文獻(xiàn)[5]指出，舒適的相對濕度在30%～70%之間，因此A2和A4都需要增濕措施來提高舒適度，尤其是A4，濕度最低．通過分析可知，室內(nèi)各房間的空氣相對濕度受開窗面積的影響明顯．一方面，窗戶的密閉性差，所以隔濕能力差；另一方面，窗戶面積大受到太陽輻射和玻璃夜間散熱的影響也大．A4窗墻面積比超過0.6，白天受太陽輻射影響溫度較高，而且住戶用火爐間歇式采暖，造成空氣極為干燥．

3.2 夏季測試結(jié)果及分析

3.2.1 室外氣象條件

測試期間記錄到的有效日照時(shí)間為 7:00～19:30，日照時(shí)間內(nèi)太陽總輻射平均強(qiáng)度約為759.72 W/m2，最高值出現(xiàn)在13:30，約為970 W/m2（圖7)，太陽直射輻射強(qiáng)度約占總輻射強(qiáng)度的86%．在夏季測試時(shí)段，室外空氣溫度范圍在 10～18.8℃，平均溫度為13.9℃，最低溫度出現(xiàn)在23日7:00，最高溫度出現(xiàn)在16:00(圖9)．室外空氣相對濕度隨之在45.2%～79.9%，15:00達(dá)到最低值，凌晨 7:00達(dá)到最高值(圖8)，平均濕度為66.3%．

由測試數(shù)據(jù)可知，當(dāng)?shù)叵募練夂驔鰷?，濕度適宜，太陽輻射資源豐富．當(dāng)?shù)貨]有人工制冷的需求，反而在夜晚至清晨會(huì)有采暖需求，在進(jìn)行調(diào)查的45戶民居中，有69%的住戶采用取暖設(shè)備，其中26%的住戶采用電暖器取暖，74%的住戶采用煤爐取暖．

圖7 夏季室外水平面的太陽輻射強(qiáng)度曲線Fig.7 Solar radiation intensity on outdoor horizontal plane in summer

3.2.2 室內(nèi)空氣溫度

由圖8(a)可知，西、南、北向同時(shí)開窗的一層房間B1溫度在10.9～15 ℃，平均溫度最低，為13.5 ℃；屋頂附加陽光間B4在10.6～33.6 ℃，平均溫度最高，為18.5 ℃；東、南、西三面開窗的房間B2溫度在15.5～17.6 ℃，平均溫度為15.9 ℃；陽光間內(nèi)側(cè)的房間B3在15.3～18.7 ℃，平均溫度為16.5 ℃．

可見，北向開窗降低了房間的平均溫度，東、西、南向開窗均有利于提高夏季室內(nèi)平均溫度．

附加陽光間B4溫度波動(dòng)劇烈，16:00出現(xiàn)超過30 ℃的高溫，7:00室溫則降至10 ℃左右，接近室外氣溫，因此僅適合于間歇式使用，適用時(shí)段大約在9:00～12:00以及18:00～23:00．除了陽光間B4外，其他各房間均沒有出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，且室溫均比較平穩(wěn)，這反映出厚重圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的熱惰性．借助于陽光間所起到的集熱和氣候緩沖的作用，房間B3全天溫度都較為舒適．

3.2.3 室內(nèi)相對濕度

由圖8(b)可知，房間B1相對濕度在61.2%～74.9%，平均濕度為67.6%；房間B2相對濕度在50.9%～57.8%，平均濕度為54.8%；房間B3相對濕度在52.3%～59.6%，平均濕度為56.7%；屋頂?shù)母郊雨柟忾gB4相對濕度在28.9%～69%，平均濕度為52.3%．

可以看出，當(dāng)?shù)孛窬佑休^好的夏季室內(nèi)濕環(huán)境：陽光間B4相對濕度隨著室外空氣濕度的波動(dòng)起伏明顯，波幅在40.1%，其他房間相對濕度均處于50%～75%之間波動(dòng)，基本可以滿足舒適要求．與冬季狀況相似，夏季室內(nèi)空氣濕度同樣體現(xiàn)出受開窗面積的影響較大．

圖8(a) 夏季測試期間民居B室內(nèi)外溫度曲線Fig.8(a) Outdoor and indoor air temperature curves of House B in summer

圖8(b) 夏季測試期間民居B室內(nèi)外濕度曲線Fig. 8(b) Outdoor and indoor relative humidity curves of House B in summer

4 結(jié)論

根據(jù)對康定縣塔公鄉(xiāng)夏馬龍村民居的冬夏季測試研究，得到了以下結(jié)論：

(1) 川西高原冬季嚴(yán)寒、夏季溫涼，熱量資源明顯不足，全年均有采暖需求，這樣整年的采暖能耗累積起來就會(huì)很大．由于地處高海拔地區(qū)，當(dāng)?shù)靥栞椛滟Y源非常豐富，屬被動(dòng)式太陽能利用的適宜氣候區(qū)[6]，通過太陽能利用可有效地提高民居的室溫，減少對薪柴的過度消耗．在夏季利用被動(dòng)式方法，完全可以不設(shè)置輔助熱源．但在冬季氣候條件下，必須采用輔助熱源，建議在條件允許的地區(qū)考慮主動(dòng)式和被動(dòng)式相結(jié)合的太陽能利用方式．

(2) 傳統(tǒng)民居厚重石墻具有較好的蓄熱性能，但其保溫能力不足，是造成冬季室內(nèi)寒冷的主要原因；單玻塑鋼窗保溫密閉性能差，夜間散熱和冷風(fēng)滲透也是造成傳熱損失的重要途徑．為增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫能力，建議引入一些高效的現(xiàn)代保溫材料，以彌補(bǔ)地方材料之不足，例如，墻體和屋面可增設(shè)聚苯板等保溫層，窗戶更換為保溫密閉性更好的雙層塑鋼窗．

(3) 無論冬夏，大面積南向窗戶均可以顯著提高房間的最高溫度和平均溫度，使室溫接近舒適溫度；北向開窗會(huì)降低室內(nèi)溫度，使得室內(nèi)更寒冷；在南向開窗的房間增設(shè)東、西向窗戶，夏季有利于提高室溫至舒適溫度，但冬季會(huì)降低房間的平均溫度和最低溫度．因川西高原冬季的熱環(huán)境問題更突出，權(quán)衡利弊，民居應(yīng)優(yōu)先考慮冬季的得熱和保溫，因此宜增加南向窗墻面積比，而其他三個(gè)朝向在滿足采光和通風(fēng)需求的前提下，盡量不開窗或減少開窗面積．當(dāng)?shù)孛窬哟皯羝毡闆]有采取夜間保溫措施，造成了直接受益窗冬季夜間散熱明顯．這需要在當(dāng)?shù)卮罅ζ占氨粍?dòng)式太陽房知識，指導(dǎo)居民自行安裝保溫窗簾或保溫窗板．

(4) 夏季，直接受益式房間沒有出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，但附加陽光間在午后會(huì)出現(xiàn)過熱，凌晨又出現(xiàn)低溫，所以只可作為間歇式利用的空間．不過陽光間內(nèi)側(cè)房間可全天保持較為舒適穩(wěn)定的溫度，在夏季完全不需要設(shè)置輔助熱源，這種房間布局是川西高原民居應(yīng)推廣的形式．

(5) 冬季各房間普遍濕度偏低，特別是客廳，相對濕度基本維持在30%之下，非常有必要采取增濕措施；夏季各房間濕度較為適宜，只有陽光間平均濕度較低，考慮到陽光間為間歇式利用，在溫度適宜的時(shí)段內(nèi)也能滿足濕度舒適的要求，所以不需額外的增濕措施．

References

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