晉南傳統民居的室內熱環境測試及節能分析——以襄汾丁村民居為例

石謙飛，李少穎

（太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原 030024)

隨著社會的發展，節能環保已成為當代建筑設計中著重考慮的方面。我國傳統民居在當時允許的技術條件范圍內，已體現出節能、生態、舒適這三方面的考慮。目前，我國北方鄉村住房的建設活動缺乏科學的理論指導，建筑質量低下，且在建造和使用過程中能耗及污染嚴重。如多數農宅采用燃煤取暖，建筑保溫性能差，采暖效率低，導致資源浪費，并且加重農戶的經濟負擔。故本文以丁村傳統民居作為研究對象，結合晉南地區氣候特點，取其精華去其糟粕，旨在對今后傳統民居的節能改造和新建民居的節能設計有所啟示。

1 晉南地區概述

晉南地區位于山西省南部，包括臨汾市和運城市。本次研究選擇的丁村位于襄汾縣（東經111.43°，北緯35.86°)，地處半干旱半濕潤季風氣候區，屬溫帶大陸性氣候，四季分明，雨熱同期。氣候的主要特征是冬季寒冷干燥，降雪稀少；春季干旱多風；秋季陰雨連綿；夏季酷熱多暴雨，伏天旱雨交錯。年平均溫度12.2℃，最冷月平均氣溫為-4.5℃，最熱月平均氣溫為26℃，年降雨量510mm，無霜期180～210d。

2 丁村新舊民居現狀對比

2.1 傳統民居現狀［2］

本次研究選擇具有代表性的“丁村26號院”，該院落建筑距今約有100年歷史，現為一對中年夫婦和一對老年夫婦居住，在可供調研的院落中屬于較普遍的一座，平面圖如圖1所示。

圖1 26號院平面圖

2.1.1 平面布局

傳統四合院式布局，三進院落，有正方、倒座、東西廂房圍繞中間庭院形成的院落。第一進院落狹長，最初是長工居住，現已廢棄。老年夫婦居住第二院落，中年夫婦居住第三院落。

2.1.2 圍護結構

墻體。外墻體厚度約700mm，中間是夯實的土坯，外層裱泥草或者用青磚砌筑，外墻體有側腳。無其它保溫措施。

門窗。門窗框均為木質，經初步改造將原來紙糊的窗子加上了玻璃。

2.1.3 屋頂及隔層

屋頂為兩坡或高低坡，出挑較遠。用內部利用木板吊頂形成的隔層不但可以儲物，更有隔熱通風效果。

2.1.4 采暖方式

主要使用帶風箱的爐灶，與火炕相連，利用其余熱加熱炕面。主要為燃料柴火、農作物秸稈等，也常使用煤炭。

2.2 自建民居現狀

為了使兩個測試的對象更具有可比性，本次測試選取的對比對象是同村的自建民居（2010年建成)，它與所研究的傳統民居在同一村落，故可作為在同樣環境和條件下進行的對比研究，平面圖如圖2所示。

圖2 自建民居平面圖

2.2.1 平面布局

四合院式布置，主要居住房間坐北朝南，樓梯于戶外通向二層，二層閑置。東西廂房及倒座用于存放農作物及勞動工具。

2.2.2 圍護結構

墻體。外墻為360mm厚磚墻，內墻為240mm厚磚墻，沒有任何保溫措施。

門窗。門窗構造簡單，密封性差。多采用單層平板玻璃，不利于保溫隔熱，鋼、鋁等金屬框材料易形成冷熱橋。

2.2.3 屋頂及隔層

屋頂為兩坡，出挑較淺。混凝土預制板搭建，起坡較平緩。二層可儲物、住人且兼具隔熱通風的效果。

2.2.4 采暖方式

火爐取暖或者自家燒暖氣，主要燃料是煤炭柴火、農作物秸稈等。有時候使用空調或電暖器等調節室溫。

2.3 現狀調查

通過調查問卷的形式，對二者的使用情況、能源消耗等問題進行了解。根據100份問卷（有效78份傳統民居32份，自建民居46份)統計結果顯示，傳統民居內的村民夏季90%選擇開窗通風降溫，75%選擇戶外乘涼，而采用電氣化降溫的比例為9%。在自建民居中這一的比例分別是82%，58%和40%。冬季，傳統民居90%采用農作物的秸稈柴火等作為炊事和取暖的能源，60%使用煤炭、蜂窩煤等，6%采用電熱設備。自建民居中這一比例是80%，90%和56%在調查中，居民對當前室內熱環境的基本滿意程度分別是86%和70%。

3 丁村傳統民居和自建民居的冬季保溫夏季隔熱效果測試

圖3為測量期間襄汾縣冬季某天天氣情況及傳統民居與自建民居室內溫度的對比。

圖3 冬季室內外溫度

以上測試均在冬季不采暖時進行。由圖可知，傳統民居的室內平均溫度均高于自建民居，且當天最低氣溫-11℃（4：00—6：00)時，傳統民居室內溫度為0℃，而自建民居的室內溫度僅為-3℃。當天最高氣溫4℃（下午4：00)時，傳統民居室內溫度為3℃，而新建民居室內溫度為1℃。值得指出的是，此次測試是在該傳統民居經過初步改造之后進行的，即已將本用紙糊的木框加上玻璃，在很大程度上提高了傳統民居的保溫效果。在冬季采暖時進行測試發現，傳統民居使用柴火或做飯的余熱加熱火炕，可使得室內溫度保持在12～18℃之間，而且炕面溫度達到30℃以上，室內環境較為舒適［3］。

我們根據初步的測量結果，并通過計算對傳統民居和自建民居的冬季能耗（采暖期)進行了分析，得出表1所示。

表1 能耗分析

由該表1可以看出，在外界條件基本相同的情況下，傳統民居的耗熱量指標略低于自建民居。注：自建民居有時候還會使用電暖設備取暖，并未計入表中。

圖4為測量期間襄汾縣夏季某天天氣情況及傳統民居與自建民居室內溫度的對比：

圖4 夏季室內外溫度

由圖4可以看出，在不使用電器降溫措施（電風扇和空調)的前提下，多數時候傳統民居室內溫度低于自建民居。在某些時段（13：00-16：00)傳統民居室內溫度會略高于自建民居。同時還可發現，自建民居在8：00—20：00區間內室內溫度要低于室外溫度；而傳統民居在6：00—22：00區間內室內溫度要低于室外溫度。這說明，傳統民居的圍護結構能有效阻止太陽熱輻射向室內的傳遞，室內更涼爽。

4 晉南傳統民居的節能優劣勢分析及借鑒

4.1 選址布局

4.1.1 院落

晉南地區屬于寒冷ⅡB區［1］，為了增強建筑的保溫，圍合的院落具有良好的封閉性，擋住冬季北方的寒流，且庭院較開敞，以求獲得更多的太陽輻射能量。春夏季院內或者墻壁上綠色植物郁郁蔥蔥，既美化了環境了又達到遮陽效果，還有調節院落小氣候的功能。

4.1.2 體形系數

體形系數的物理意義是單位建筑體積占外表面（散熱面)的多少，是影響建筑能耗的重要因素。由于通過圍護結構的傳熱耗熱量與傳熱面積成正比，顯然，體形系數越大，說明單位建筑空間的熱散失面積越大，能耗就越高［4］。經計算，本次研究的傳統民居的體形系數為0.64，而自建民居依然沒有明顯的改善為0.58，大大超過成熟的多層住宅。所以，建議當地政府有組織有規劃地進行新農村建設，盡可能采用兩戶或者多戶聯立式布置，適當增加房間進深和層數，規矩建筑平面，以降低體形系數，不能任其自建，如本次調研的自建民居。

4.2 圍護結構

4.2.1 窗墻比和大屋檐

各朝向的開窗方式不同，南向開窗面積大（窗墻比0.34)以收集更多的太陽熱量，北向及東西山墻為了減少冬季熱損失，不開窗。冬至日太陽入射角為30°左右庭院開敞，南窗上沿距地面2.7m。經計算，太陽光射入屋內最遠可達4m以上，冬季正午室內陽光充沛。夏季太陽入射角高，由于大屋檐的遮擋作用，陽光不易射入室內。

4.2.2 雙層門窗

傳統民居的木雕門窗氣密性不好，是冬季熱量流失的主要途徑。為了解決這個問題，前人在木框門窗內又設置一層實木板，形成雙層門和雙層窗，這樣既保溫又具有防御功能，但其缺點是影響室內的采光。在新建民居中，建議采用雙層塑鋼門窗并使用夾膠玻璃。若使用木框門窗，門窗縫隙處采用企口對接。有研究比較了圍護結構對節能的影響，其中外窗占60%，外墻占32%，屋面占8%，外窗的總能耗（傳熱、輻射和滲透)比例占57%～63%［5］，所以外窗的節能改造是整個傳統民居節能改造的重中之重。

4.2.3 墻體

土坯墻有很好的保溫隔熱性能，能很好地適應冬季寒冷的氣候和早晚溫差變化對室內熱環境的影響。但其缺點是占用過多的面積，如本次測量的傳統民居，建筑面積為48.2m2，室內使用面積僅不到30m2。所以在新建民居中建議使用復合保溫墻體，提高建筑使用面積的同時增強了維護結構的熱工性能。晉南地區地下水位高且水的鹽堿度高，所以在墻面與地面的交界處注意防水、防潮的處理。

4.3 屋頂及隔層

室內利用木板吊頂形成隔層，具有通風隔熱和儲藏的功能。架空屋頂的做法有效地遮擋了太陽對居住空間的輻射，極大地改善了室內熱環境。圖5表示屋頂傳熱的過程，當室外綜合溫度將熱量傳給間層的上層板面時，上層將所接受的熱量Q0向下傳遞，在間層中借助于空氣的流動帶走部分熱量Qa，其余部分Qi傳入下層。這種利用空氣隔層來降低室溫的效果不但與屋頂材質的導熱性有關更與間層的氣流速度、氣進口溫度和間層高度有密切關系［6］。建議在新建民居中增加隔熱層，間層高度高于250mm后隔熱效果的增長已不明顯，所以隔熱層控制在250mm以內就能滿足通風隔熱需求。

圖5 屋頂熱傳遞

4.4 取暖方式

火炕是北方傳統民居冬季的普遍采暖設施，利用做飯的余熱加熱炕面，從而提高室溫。經測試，在室外溫度-10℃的夜里，室內炕面溫度可達30℃以上。土炕的構成如圖6所示，內部一排一排的磚砌隔斷支撐草泥板炕面，炕連接火爐與煙囪，灶火產生的高溫煙流經炕下的煙道，與煙道壁進行熱量交換進而加熱炕面，達到采暖的目的［7］。同時，粘土具有蓄熱量大散熱均勻的特點，對人體的健康有利。但是土炕在現代的使用中并不廣泛由于其體積龐大、不易挪動等缺點正日益被淘汰。但是我們可以將這一原理與現代的地暖相結合，即將煙道布置在地板下，達到節能兼舒適的目的。

圖6 火炕剖視圖

4.5 充分利用可再生資源

1)雨水。利用雨水收集系統一方面可以調節室內溫度，使室內冬暖夏涼，另一方面可以灌溉和沖廁。

2)太陽能。房屋南部設置太陽能集熱器，用來加熱水或輔助室內采暖，入口處設置陽光間。

3)沼氣。合理利用沼氣系統、動物糞便和人的排泄物經過發酵后通過導氣管進入廚房的沼氣燃具、燈具，可供平時做飯或照明。

4)當地材料。小麥、玉米、水稻是當地主要農作物，而農作物秸稈是很好的生態建材［8］，可制作成草磚廣泛運用于建筑的非承重結構，具有很好的保溫性能。

5 結語

隨著人們生活水平的不斷提高，對室內聲、光、熱環境要求越來越高，傳統民居已經無法滿足要求。在今后的鄉村住宅更新建設中，應從選址布局、圍護結構、屋頂隔層、取暖方式、新能源利用等方面對新建民居提出節能改進措施。除此之外，亦應延續當地民居的文化特征和外觀特征，達到既能保留傳統民居形態，又能提高居住舒適性的目的。

［1］GB50178-1993.建筑氣候區劃標準［S］.北京：中國計劃出版社，1994.

［2］李秋香.丁村［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［3］趙西平，劉元，劉加平.秦嶺山地傳統民居冬季熱工性能分析［J］.太原理工大學學，2006，9：565-571.

［4］趙華，金虹.北方寒冷地區鄉村住宅本土生態技術研究［J］.哈爾濱工業大學學報，2007，2：235-237.

［5］閆海仙，杜震宇.寒冷地區民居的自主節能改造［J］.晉中學院學報，2011，3：94-96.

［6］柳孝圖 建筑物理［M］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［7］李世芬，張小崗，宋盟官.華北平原民居適宜性建造策略與方法探討［J］.華中建筑，2008，7：165-169.

［8］佚名.輕質建材——稻草板［J］.技術與市場，2005，12A：19-20.