巫朝敏, 張 紅, 喬振勇, 黎 力, 黃 渝

(四川省建筑科學(xué)研究院，四川成都 610036)

陜西漢中市位于陜西西南部，北靠秦嶺，南屏巴山，中部是漢中盆地，而漢中是長江的第一大支流漢水的源頭。整個(gè)漢中市的地域面積為27 246 m2，共有11個(gè)縣區(qū)。根據(jù)2014年人口普查可得到總?cè)丝跒?80萬人。

漢中的當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居是一種很實(shí)用的建筑，傳統(tǒng)民居對當(dāng)?shù)丨h(huán)境情況和亞熱帶氣候作出了最合適的建筑形式和技術(shù)反映，從而保證了民居冬季和夏季的舒適度。高源的碩士論文《西部濕熱濕冷地區(qū)山地農(nóng)村民居適宜性生態(tài)建筑模式研究》中探討了適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚝同F(xiàn)代需求的農(nóng)村民居的建筑模式。而潘曉博的碩士論文《陜南漢中地區(qū)傳統(tǒng)建筑元素解讀——以民居建筑為例》中特別研究了漢中地區(qū)傳統(tǒng)民居建筑的各類元素。而本文旨在對漢中傳統(tǒng)民居進(jìn)行整體分析以及評估傳統(tǒng)民居的熱舒適性。希望能夠在城鎮(zhèn)發(fā)展過程中，將傳統(tǒng)建筑的可持續(xù)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到新建建筑中，降低城鎮(zhèn)建筑的能耗。

1 研究方法

名詞“生物氣候建筑”是由Victor Olgyay提出的[1]，而且建造一個(gè)與氣候平衡的房子可以分為四個(gè)步驟：氣候研究，人類生物學(xué)，技術(shù)和建筑的表達(dá)，地域建筑的強(qiáng)烈地區(qū)保護(hù)主義。在許多方面上，他可以說是我們現(xiàn)在所說的“可持續(xù)建筑”[2]的先驅(qū)者。生物氣候設(shè)計(jì)會涉及到建筑平面布置(風(fēng)向、太陽照射方向、長寬比)，場地規(guī)劃(間距)，空氣流動，建筑開口(大小、位置、遮擋物)和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)(墻體、屋頂、建筑材料、保溫類型)。

本研究先要進(jìn)行假設(shè)，即最佳環(huán)境是具有最穩(wěn)定的條件下舒適區(qū)域內(nèi)。生物氣候設(shè)計(jì)的策略主要針對建筑的結(jié)構(gòu)和材料，因此，本論文主要評估圍護(hù)結(jié)構(gòu)(墻體、屋頂、建筑材料)的隔熱性能。研究漢中地區(qū)農(nóng)村傳統(tǒng)民居的通用數(shù)據(jù)主要包括氣候，熱舒適，建筑形式，類型和技術(shù)。最后，在評估最熱和最冷的一個(gè)月內(nèi)典型傳統(tǒng)建筑的熱環(huán)境及其變化情況。

2 氣候

陜西漢中具有亞熱帶氣候，漢中地區(qū)內(nèi)年平均氣溫可以達(dá)到14 ℃，相對濕度區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)南大北小，總體來說一年內(nèi)冬春季節(jié)較小，夏季較大，而年降雨量夏秋季節(jié)較大，冬春季節(jié)較小，整體而言漢中氣候的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可見圖1～圖5。

圖1 年平均氣溫(來源：ECOTECT軟件)

圖2 年相對濕度(來源：ECOTECT軟件)

圖3 年平均降雨量(來源：ECOTECT軟件)

圖4 風(fēng)速(來源：ECOTECT軟件)

圖5 日照總時(shí)數(shù)(來源：ECOTECT軟件)

可以看出，夏季最熱的月份是7月和8月，月平均氣溫可以達(dá)到26 ℃左右，且當(dāng)日氣溫波動可以達(dá)到將近8 ℃，冬季最冷月份是1月和12月，其月平均空氣溫度在0 ℃以上。日均溫度波動范圍7～9 ℃，而最大溫度波動變化出現(xiàn)在2～6月份。相對濕度在一年中波動58 %～88 %，其中夏秋季的相對濕度較大。

漢中地區(qū)的降水較低，多年平均降雨量大約在600 mm，而一年當(dāng)中主要降雨月份出現(xiàn)在夏秋季節(jié)。整個(gè)地區(qū)年平均風(fēng)速較小，且很少有大風(fēng)天，主要風(fēng)向是東，可以達(dá)到34.5 %。

3 熱舒適

熱舒適指的是一種心理狀態(tài)表示出對熱環(huán)境的滿意程度[3]。由美國制冷空調(diào)工程師協(xié)會贊助發(fā)起的一項(xiàng)研究，該研究匯集了從過去的研究中得到大量的數(shù)據(jù)庫，并且開發(fā)和測試了自適應(yīng)模型(包含生理和心理兩方面)以及熱感知的實(shí)證模型。而一般情況下，自適應(yīng)模型中特定的集合點(diǎn)或者引導(dǎo)溫度的控制策略，可能會增加模型內(nèi)的室內(nèi)人員給出的值的不確定性，主要因?yàn)槭覂?nèi)人員的工作時(shí)間，工作強(qiáng)度，工作地點(diǎn)或者著裝的不同。

熱環(huán)境滿意程度主要分為七個(gè)級別，而其中的熱中立是指室內(nèi)熱環(huán)境給定一個(gè)特別的室內(nèi)溫度值，人們對該值滿意程度投票為零的情況。本論文研究將采用Auliciems給出關(guān)于熱中立和月平均干球溫度的回歸方程[4]：

Tn=17.6+0.31Tm

(1)

式中：Tn是室內(nèi)溫度；Tm是室外干球溫度。

在回歸方程中，Auliciems給出的熱中立溫度限制為18～28 ℃。而在圖6中呈現(xiàn)出了12個(gè)月內(nèi)夏季和冬季的最佳熱舒適區(qū)域。圖中可看出盡管冬季溫度波動較小，但是被動式太陽能加熱很有用且所得熱量能夠減少熱損失以及降低室內(nèi)平均溫度。在夏季，通過防曬處理避免室內(nèi)平均溫度升高，且重型建筑能通過蓄熱作用減少溫度波動。

圖6 夏季和冬季舒適區(qū)域(來源：ECOTECT軟件)

4 建筑技術(shù)

漢中地區(qū)的傳統(tǒng)民居的聚居是沿著街道兩邊線性排列著三合院或者四合院，三合院和四合院都是由土坯、磚石和木料等當(dāng)?shù)夭牧?，均設(shè)有天井。漢中東關(guān)正街的民居特點(diǎn)在論文《漢中市東關(guān)正街歷史街區(qū)保護(hù)研究》中均有提及。不論是三合院或者四合院，總體布局較為緊湊，使用的材料均為樸實(shí)簡潔之材，面寬多為3～5開間，每開間一般為3 m，整個(gè)院落進(jìn)深一般可以達(dá)到9～12 m，廂房多在中軸線的兩側(cè)對稱布置，后墻多為直立高聳且采用厚重的土坯或者青磚。因?yàn)楹显哼M(jìn)深較大，一般為兩層，一層用于住人，二層用于儲物或者住人。

墻體和屋頂材料選擇上，多采用的是可重復(fù)利用和可循環(huán)的材料。墻體或者屋頂?shù)闹饕Y(jié)構(gòu)材料多為土坯、木材或者磚石，這些都是可以生物降解而對環(huán)境無害的。

民居的主要結(jié)構(gòu)是木梁柱形式。為了達(dá)到防潮防腐，避免木柱直接置于土內(nèi)而是均安置于石柱基礎(chǔ)上。外圍護(hù)墻體的厚度一般為300～420 mm，利用當(dāng)?shù)氐狞S土夯實(shí)而成或者開采片巖做成磚石墻，再利用黃泥或者砂漿進(jìn)行連接，墻體具有良好的保溫效果。合院的內(nèi)部隔間的墻體采用木板進(jìn)行劃分。合院的二層樓面采用木板，屋頂采用木結(jié)構(gòu)框架，形式多為雙坡，在木結(jié)構(gòu)上布置青瓦，陰瓦置于木椽上，陽瓦再覆蓋其上。為了防止夏季的太陽直射室內(nèi)增加室內(nèi)熱負(fù)荷，屋頂一般會有挑檐，出挑1～1.5 m。合院的天井作用有兩個(gè)，一個(gè)是采光，另一個(gè)是為了收集屋頂?shù)挠晁４送?，天井?lián)通了合院的整個(gè)通道，可對室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)降低熱負(fù)荷。

民居的窗戶形式多采用的木窗，木窗框架上貼有紗紙。這些窗戶多開向內(nèi)院，便于通過天井進(jìn)行采光和通風(fēng)(圖7)。

圖7 窗戶形式(資料來源：曹喆拍攝)

合院的天井空間是漢中民居的一個(gè)特色，作為室內(nèi)庭院空間，夏季居民可以在庭院內(nèi)陰涼處享受涼爽的室內(nèi)環(huán)境，冬季居民也可在庭院下曬太陽或者主動采用烤火取暖。

5 熱環(huán)境評價(jià)和分析

漢中傳統(tǒng)民居主要是以合院形式出現(xiàn)，合院的布局中獨(dú)院式是四合院的基本構(gòu)成單元，獨(dú)院式的合院以庭院為中心四周主要功能房間分為門房、廂房、正房和后院。屋頂則采用雙坡屋頂，坡向庭院和合院外側(cè)。一個(gè)簡單獨(dú)院單元，其開間為9 m，進(jìn)深為21 m，一層高為3 m，兩層為6 m(圖8)。漢中傳統(tǒng)合院建筑中其他多進(jìn)式的合院基本上是由這種獨(dú)院式合院進(jìn)行組合而成。

圖8 獨(dú)院式四合院模型

熱環(huán)境分析的目的是獲得該四合院的自然情況下熱行為的代表圖像，而且該熱行為不受到主動供熱或者供冷條件影響。在不受到主動供熱供冷條件下，假定房間內(nèi)的自然通風(fēng)換氣次數(shù)為2 次/h，房間內(nèi)人員數(shù)量為2人。根據(jù)現(xiàn)在漢中市傳統(tǒng)建筑與現(xiàn)狀建筑之間的結(jié)構(gòu)情況，設(shè)計(jì)兩種屋頂形式，一種是傳統(tǒng)民居的雙坡屋頂，一種是平屋頂，另設(shè)有兩種墻體形式，一種是土坯和木框架結(jié)構(gòu)，厚度為300 mm，一種是300 mm厚的磚石混凝土結(jié)構(gòu)。雙坡屋頂選用的材質(zhì)是木框架加傳統(tǒng)陰陽瓦片，而平屋頂?shù)牟馁|(zhì)是細(xì)石混凝土、防水層、鋼筋混凝土，白石灰，總厚度為10 cm。將上述三種情況分別組合，組合1為土坯墻體和雙坡屋頂，組合2為磚石墻體和雙坡屋頂，組合3為磚石墻體和平屋頂，然后對三種不同組合情況進(jìn)行分析研究。

冬季的一月份中，組合2和組合3的晝夜溫度范圍為0～8 ℃，而組合1的晝夜溫度范圍變化為5～10 ℃，而冬季一月份的時(shí)候室外的溫度變化范圍是-1～7 ℃，見圖9(a)。

夏季的七月份中，組合2和組合3的晝夜溫度范圍是22～32 ℃，而組合1的晝夜溫度變化為25～28 ℃，有趣的是夏季7月份室外溫度波動范圍為22～30 ℃，見圖9(b)。

由此可見，在冬季最冷月份，組合1的室內(nèi)溫度情況要比組合2和組合3高，且溫度波動范圍較小只有5 ℃，而在最熱月的7月份時(shí)，組合1的室內(nèi)溫度情況又要比組合2和組合3要低，且溫度波動范圍為3 ℃。整體而言組合1的室內(nèi)熱舒適性要比組合2和組合3更佳。

6 結(jié)論

在推進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)，新農(nóng)村改造的進(jìn)程中，居民們不斷建造著新的居住用房，且更多的趨于一致的采用了磚石墻體和平屋頂形式，而逐漸地將傳統(tǒng)的民居拆除，不但浪費(fèi)了大量建筑材料且新建的“磚盒子”建筑能耗較大，因此，更應(yīng)該推行的是傳統(tǒng)民居形式，并對傳統(tǒng)民居進(jìn)行保護(hù)以及更佳的節(jié)能改造工作。從上述的熱環(huán)境評價(jià)分析中，得出傳統(tǒng)民居的土坯墻體和雙坡屋頂組合形式，能夠更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境，達(dá)到節(jié)能效果的同時(shí)創(chuàng)造較好的室內(nèi)熱環(huán)境，給予居住者較好的熱舒適性。

(a) 冬季一月最冷天室內(nèi)溫度

(b) 冬季7月最熱天室內(nèi)溫度圖9 組合1、2和3冬季最冷月和夏季最熱月室內(nèi)溫度