朱軼韻,趙婧竹,桑國臣,趙欽

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

陜南鄉(xiāng)村民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境測試分析

朱軼韻,趙婧竹,桑國臣,趙欽

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

陜南漢中地處我國南北氣候交接帶,建筑氣候?qū)儆谙臒岫涞貐^(qū)。為了解該地區(qū)鄉(xiāng)村建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀,以當(dāng)?shù)氐湫蛡鹘y(tǒng)生土民居和磚混民居為例,通過對冬季室外氣象參數(shù)及室內(nèi)空氣溫度、相對濕度等多項參數(shù)的現(xiàn)場測試,分析了陜南鄉(xiāng)村民居的冬季室內(nèi)熱舒適狀況與特點。分析結(jié)果表明:該地區(qū)冬季濕冷特征顯著,鄉(xiāng)村民居室內(nèi)熱環(huán)境較差,兩種民居室內(nèi)熱狀況特點有所差異,其中磚混民居室內(nèi)平均溫度略高,而生土民居室內(nèi)溫度穩(wěn)定性較好。本文根據(jù)室內(nèi)外熱環(huán)境分析結(jié)果,結(jié)合兩類民居建筑構(gòu)造特征,提出了適宜的節(jié)能構(gòu)造改進策略。

陜南; 漢中; 鄉(xiāng)村民居; 熱舒適; 室內(nèi)熱環(huán)境; 建筑適宜性

隨著我國經(jīng)濟水平的提高,人們對建筑室內(nèi)熱舒適的要求也越來越高。目前城鎮(zhèn)住宅建設(shè)按照國家相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)[1-2]已能夠滿足建筑的室內(nèi)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的節(jié)能要求。而同為居住建筑的鄉(xiāng)村住宅,長久以來一直是依靠經(jīng)驗傳承進行房屋自建,由于缺少對設(shè)計規(guī)范及節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的參照,很難滿足人們?nèi)找嫣岣叩氖覂?nèi)熱舒適要求。

陜南指位于陜西省西南部的漢中、安康和商洛三個地區(qū)的總稱,地處我國南北過度的亞熱帶北沿地區(qū),秦嶺屏障于北,巴山綿垣于南,經(jīng)濟基礎(chǔ)薄弱。本著減貧避災(zāi)致富百姓的原則,2011年5月,陜西省正式啟動了歷時十年、涵蓋240萬人口的陜南生態(tài)移民搬遷工程。因此,對該地區(qū)鄉(xiāng)村建筑相關(guān)基礎(chǔ)內(nèi)容研究具有重要的現(xiàn)實意義。漢中屬于夏熱冬冷地區(qū)[3],具有陜南地區(qū)的代表性氣候特征。學(xué)術(shù)界對該地區(qū)的室內(nèi)熱環(huán)境研究主要集中在夏季通風(fēng)除濕方面,而對冬季室內(nèi)熱環(huán)境受圍護結(jié)構(gòu)性能影響的研究相對較少。

為探究該地區(qū)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量,以及圍護結(jié)構(gòu)性能與構(gòu)造特點對室內(nèi)熱環(huán)境的影響,本文以當(dāng)?shù)氐湫偷膫鹘y(tǒng)生土民居和磚混民居為研究對象,進行冬季室內(nèi)外熱環(huán)境測試和分析,以期為發(fā)展地域適宜性新型民居提供參考依據(jù)。

1 測試方案

1.1 測試對象及測點布置

徐望鎮(zhèn)草塘村位于漢臺區(qū)東北部,距漢中市區(qū)13公里。村中居住建筑的室內(nèi)布局基本相同:房屋坐北朝南,單進深布局,一戶5間,中間為堂屋,左右兩側(cè)為臥室,最外側(cè)為雜物間等輔助房間。課題組于2014年1月15日至2014年1月17日對磚混民居和生土民居的室內(nèi)、外空氣溫度和相對濕度,以及當(dāng)?shù)靥栞椛鋸姸冗M行了測試。圖1、圖2分別給出了兩種民居的平面圖及室內(nèi)溫度測點布置,圖中“·”為室內(nèi)空氣溫濕度測點。

測試選取的生土民居是舊式農(nóng)村居住建筑中常見的“房中房”形式,即臥室上方做吊頂棚,其余房間地面距離木屋頂4.2 m;堂屋尺寸為3.6 m×4.8 m,臥室尺寸為3.3 m×4.8 m;外墻為240 mm厚土坯墻;南向臥室窗戶為1.0 m×1.0 m,為單玻平開木窗,堂屋外門為單層木門,門上有通透窗格用于加強室內(nèi)采光及通風(fēng)。磚混民居是近年來當(dāng)?shù)亓餍械摹皟蓪訕恰毙率矫窬?堂屋、起居室尺寸為3.6 m×6 m,臥室尺寸均為3.3 m×6 m,一層層高為3 m,二層層高為3.3 m;南向臥室窗戶1.2 m×1.4 m,為單玻平開木窗;二層設(shè)置了通長的封閉陽臺。外墻墻厚為240 mm,內(nèi)墻墻厚為180 mm;屋頂形式為坡屋頂,采用木椽上直接掛瓦的做法,無保溫層;一樓堂屋門上掛厚塑料門簾,測試期間進行間歇式采暖,二樓臥室及起居室做吊頂層。

1.2 測試儀器

采用德國生產(chǎn)、TESTD157-H2型精度為±0.2 ℃的自記式溫濕度計,進行48小時測試,每隔30 min記錄1次。室內(nèi)空氣溫濕度測點位于房間中部、距地面1.5 m處,室外空氣溫濕度的測點布置在室外背陰處。太陽輻射強度的測點布置在室外空曠、四周無遮擋處,采用TBQ-D1型、靈敏度系數(shù)為8.789 μV/(W·m2)的太陽輻射電流表進行測試,每隔1 h記錄1次。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 太陽輻射強度

太陽輻射強度測試結(jié)果見圖3。由圖可知,測試日的日照持續(xù)時間約為9 h,太陽輻射強度平均值為290 W/m2,最大輻射值出現(xiàn)在中午14:00左右,約為550 W/m2。測試結(jié)果表明,該地區(qū)的冬季太陽能資源尚具有一定的利用潛力。根據(jù)文獻[4]～[8]對被動式太陽能熱利用條件的研究結(jié)果可知,該地區(qū)的民居建筑具備被動式太陽能采暖設(shè)計的資源條件。

2.2 室外空氣溫濕度

圖4為室外溫濕度逐時變化曲線。由圖4可見,室外溫濕度變化幅度較大,相對濕度隨空氣溫度的變化而變化,溫度升高時,相對濕度降低,反之亦然。室外空氣平均溫度約為4.6 ℃,最高溫度為8.3 ℃,最低溫度為2.4 ℃,分別出現(xiàn)在16:00和8:00左右;室外空氣平均相對濕度為71.3%,最高濕度可達84.3%,最低濕度為58.4%,分別出現(xiàn)在10:00和16:00。

2.3 室內(nèi)空氣溫濕度

人體熱感覺受室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、氣流速度及室內(nèi)平均輻射溫度四個環(huán)境要素綜合作用的影響[9]。在自然運行狀態(tài)下,室內(nèi)空氣溫度和相對濕度是影響人體熱感覺最重要的兩個因素。圖5為除磚混民居陽光間外,其余室內(nèi)測點的溫度變化曲線;圖6為除磚混民居陽光間外,其余室內(nèi)測點的相對濕度的逐時變化曲線。

由圖5可以看出,自然運行狀態(tài)下,室內(nèi)測點溫度波動不大。同時,室內(nèi)測點溫度較農(nóng)村住宅冬季室內(nèi)熱舒適溫度低[10]。室內(nèi)溫度的高低及其波動大小對室內(nèi)熱舒適程度都有較大的影響。比較兩類民居室內(nèi)空氣溫度變化曲線可知,磚混民居室內(nèi)空氣溫度高于生土民居,但生土民居的室內(nèi)溫度波動小于磚混民居的室內(nèi)溫度波動。

由圖6可知,除測點1,4外,其余測點空氣平均相對濕度都為70%左右,接近40%～70%的舒適范圍的上限[11]。因此,測試結(jié)果表明,雖然冬季室內(nèi)溫度并不很低,但是該地區(qū)民居冬季室內(nèi)濕冷特征顯著,室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量較差。

3 新舊民居圍護結(jié)構(gòu)比較分析

3.1 圍護結(jié)構(gòu)熱工性能

秦巴山區(qū)鄉(xiāng)村民居的演變,主要體現(xiàn)在圍護結(jié)構(gòu)的材料上。新式建筑大都由粘土磚、樓板、混凝土等材料取代生土、木頭等材料,材料的變化賦予居住建筑更強的承載能力,也使得“二層樓”(即在二樓樓板上方設(shè)置坡屋頂)成為新建建筑的主流。同時窗戶形式、面積的改變,使得建筑的熱工性能有所改善、室內(nèi)的熱環(huán)境質(zhì)量有所提高。然而,在圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、室內(nèi)空間合理布局等方面,新老民居并沒有明顯區(qū)別。因此,整體圍護結(jié)構(gòu)熱工性能尚有很大的改進必要與提升空間。

在自然運行狀態(tài)下,室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定性主要受圍護結(jié)構(gòu)蓄熱性能的影響[9]。由于生土材料的蓄熱系數(shù)較粘土磚大,在墻體厚度相同的情況下,生土民居室內(nèi)溫度波動較小。

3.2 圍護結(jié)構(gòu)氣密性

舊式生土民居房屋密閉性較新式磚混民居差,這是因為漢中的氣候條件使得當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)建筑注重通風(fēng)。屋頂構(gòu)造做法是在檐口處留有空隙以便與門上通透的窗格形成通風(fēng),并且屋頂瓦隙不閉嚴(yán),當(dāng)?shù)鼐用窳?xí)慣在家時門窗打開,形成了穿堂風(fēng)。這樣,雖然在夏季有很好的通風(fēng)效果,但是冬季導(dǎo)致室內(nèi)空氣滲透比較嚴(yán)重,這是造成生土民居堂屋室內(nèi)溫度接近室外溫度的主要原因。

3.3 被動式太陽能熱利用

舊式民居在向新式民居的演變過程中,窗戶的尺寸及形式在發(fā)生變化,舊式民居窗口(1.0 m×1.0 m)面積小,不利于室內(nèi)的太陽得熱;新式民居窗口(1.2 m×1.4 m)面積加大,室內(nèi)的太陽得熱必然加大。從圖5中可以看出同為不采暖房間的臥室測點2比測點7的平均溫度增加了3 ℃。因此,通過增大南向窗口面積,能夠有效地增加太陽得熱。

新式磚混民居二樓所設(shè)的封閉陽臺(測點5),具有一定的被動式集熱功能(可視為陽光間)。從圖7中的測試溫度變化情況可見,該測點的最高溫度可高達24.3 ℃,日平均溫度為9.4 ℃。因此,在民居建筑中增設(shè)附加陽光間將有助于改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量。

4 結(jié) 論

1)該地區(qū)冬季溫度低,相對濕度大?，F(xiàn)有民居的圍護結(jié)構(gòu)熱工性能較差,室內(nèi)熱環(huán)境差。民居室內(nèi)熱環(huán)境的營造,過度依賴于采暖設(shè)施。

2)磚混民居的建筑氣密性較好,但其蓄熱性能不及生土民居,因此磚混民居室內(nèi)溫度略高,而生土民居室內(nèi)溫度波動較小。

3)雖然當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源并不豐富,但具有一定的利用潛力。因地制宜的結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源與氣候特點,通過提高民居建筑的集熱、蓄熱及圍護結(jié)構(gòu)熱工性能,可有效改善冬季室內(nèi)熱狀況。

[1]中國建筑科學(xué)研究院.(JGJ134-2010) 夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) [S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[2]中國建筑科學(xué)研究院. (JGJ26-2010)嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[3]中國建筑科學(xué)研究院. (GB 50176-93)民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范 [S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1993.

[4]謝琳娜. 被動式太陽能建筑設(shè)計氣候分區(qū)研究 [D]. 西安: 西安建筑科技大學(xué), 2006. Xie Linna. Climate division for passive solar buildings [D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology, 2006.

[5]孫喆. 夏熱冬冷地區(qū)多層住宅被動式太陽能設(shè)計策略研究 [D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2005. Sun Zhe, Design strategies for the passive-solar energy design(PSED) used in multi-storied house in summer-hot and winter-cold area in China [D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2006.

[6]熊小萌. 中國夏熱冬冷地區(qū)綠色建筑技術(shù)應(yīng)用問題研究 [D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2006. Xiong Xiaomeng. Application study of green architecture technology used in summer-hot and winter-cold area in China [D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2006.

[7]胡冗冗, 李萬鵬, 何文芳, 等. 秦嶺山區(qū)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境測試 [J]. 太陽能學(xué)報, 2011, 32(2): 171-174. Hu Rongrong, Li Wanpeng, He Wenfang, et al. Study on winter indoor thermal environment of the folk houses in Qinling Mountains[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2011, 32(2): 171-174.

[8]趙欽, 劉蓬晨, 朱軼韻, 等. 基于熱舒適改善的陜南鄉(xiāng)村民居被動式建筑設(shè)計策略 [J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報, 2014, 30(3): 315-319. Zhao Qin, Liu Pengchen, Zhu Yiyun, et al. Rural residence passive design strategies in Southern Shaanxi based on improving thermal comfort [J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2014, 30(3): 315 -319.

[9]劉加平. 建筑物理 [M]. 第4版. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2009.

[10]朱軼韻, 劉加平. 西北農(nóng)村建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境研究 [J]. 土木工程學(xué)報, 2010, 43(S2): 400-403. Zhu Yiyun, Liu Jiaping. Research on the indoor thermal environment of rural architecture in winter in northwestern areas [J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(S2): 400-403.

[11]楊柳. 建筑氣候?qū)W [M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2009.

(責(zé)任編輯 楊小麗)

Test analysis of winter indoor thermal environment of the rural houses in Southern Shannxi

ZHU Yiyun,ZHAO Jingzhu,SANG Guochen,ZHAO Qin

(Faculty of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Hanzhong in Southern Shaanxi is located in the climate changed belt of the north and south in China, falling into the hot-summer and cold winter place. The indoor thermal environment of the typical earth and brick rural houses in Hanzhong is analyzed on the basis of the in-situ test to know the present situation of rural houses in winter. By measuring the in-situ test of multiple parameters such as outdoor meteorological parameters and indoor temperature, relative humidity, thermal comfort situations and characteristics of typical residents in this region are analyzed. The analysis results show that it is humidity and cold in winter apparently, the thermal environment in rural indoor houses is poor, and there are some differences of indoor thermal state features in two kind of rural houses, of which the indoor average temperature in the rural brick houses is slightly higher, while the indoor temperature stability in the rural earth houses is better. According to the analysis results of indoor and outdoor thermal environment and combined with the characteristics of the two rural houses, some appropriate improvement strategies for configuration of saving sources are put forward in this paper.

Southern Shaanxi; Hanzhong; rural houses; thermal comfort; indoor thermal environment; architecture adaptation

1006-4710(2015)03-0306-04

2015-03-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(51378424);陜西省教育廳自然專項科研基金資助項目(2012JK0901);陜西省教育廳自然科學(xué)基金資助項目(2013JK0945)。

朱軼韻,女,副教授,博士,研究方向為綠色建筑、建筑節(jié)能。E-mail:zyyun@xaut.edu.cn。

TU111.4

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