神農(nóng)架林區(qū)傳統(tǒng)鄉(xiāng)村建筑熱環(huán)境分析

文｜國(guó)家住宅與居住環(huán)境工程技術(shù)研究中心 劉旭曄；南開大學(xué) 戈旭

神農(nóng)架林區(qū)由于地理區(qū)位的優(yōu)勢(shì)，在歷史的長(zhǎng)河中融合了多種文化的精髓，同時(shí)又在當(dāng)?shù)鼐用竦纳钌a(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)下，形成了一套具有當(dāng)?shù)靥厣珎鹘y(tǒng)建筑風(fēng)貌。建筑多為“一”字型排布或曲尺形排布的二層建筑，建筑不設(shè)圍墻制造院落，通常在地勢(shì)相對(duì)平緩地帶背對(duì)著山體而布置。傳統(tǒng)鄉(xiāng)村建筑以土坯墻、木結(jié)構(gòu)為主，配以青瓦（參見(jiàn)圖1）。建筑整體采用自然通風(fēng)環(huán)境，由于神農(nóng)架地區(qū)獨(dú)特的自然氣候環(huán)境，使用自然通風(fēng)可以有效地對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行流通，對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行除濕和降溫，從而使建筑熱環(huán)境達(dá)到人體熱舒適指標(biāo)。

1 建筑熱環(huán)境現(xiàn)狀

通過(guò)用Ecotect軟件對(duì)神農(nóng)架林區(qū)傳統(tǒng)鄉(xiāng)村建筑進(jìn)行數(shù)字化建模，模擬出建筑在自然環(huán)境下全年的熱環(huán)境現(xiàn)狀。現(xiàn)狀設(shè)定分為建筑、人員和氣候三個(gè)部分：建筑設(shè)定采用神農(nóng)架地區(qū)傳統(tǒng)鄉(xiāng)村建筑為基礎(chǔ)，使其數(shù)字化呈現(xiàn)；人員信息采用神農(nóng)架地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的3口之家為基礎(chǔ)；氣候環(huán)境設(shè)定選用距離神農(nóng)架最近且氣候信息最為全面的宜昌氣象站數(shù)據(jù)為氣候環(huán)境基礎(chǔ)。

1.1 建筑參數(shù)設(shè)定：

墻體：神農(nóng)架地區(qū)傳統(tǒng)民居普遍外墻形式為夯土墻，依據(jù)實(shí)際材質(zhì)與厚度，設(shè)置墻體材質(zhì)為夯實(shí)粘土，厚度400mm。

屋頂：小青瓦為弧形瓦，單片厚度一般為10-20mm，考慮到俯仰瓦片搭接與上下瓦片搭接均使厚度增加，故設(shè)置屋頂材質(zhì)為50mm粘土瓦，25mm望板，75mm椽子。

首層樓板：首層地板一般用土夯實(shí)，再于其上鋪建混凝土。所以設(shè)置首層地板為1500mm夯土+ 100mm混凝土。

懸空樓板：傳統(tǒng)民居二層及以上樓板均為木樓板，故設(shè)置樓板材質(zhì)為20mm木鋪面+ 200mm木梁+ 10mm石膏板吊頂。

門窗：門窗的材質(zhì)也對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有很大影響，本模型中門采用預(yù)設(shè)的40mm厚木門。窗戶均為木質(zhì)框架的單層玻璃。

1.2 室內(nèi)人員設(shè)定：

如圖2所示，clothing=0.6表示屋內(nèi)人員衣著厚度為襯衣長(zhǎng)褲；房?jī)?nèi)人數(shù)臥室為1-2人，客廳為3人；活動(dòng)狀態(tài)均為靜坐。在室內(nèi)人員活動(dòng)時(shí)間表的設(shè)置方面，則假設(shè)住宅中有老中青三代人，睡覺(jué)時(shí)間與吃飯時(shí)間所有人都在家，上下午則部分60%的人員外出勞作或?qū)W習(xí)。

圖1 神農(nóng)架林區(qū)傳統(tǒng)民居風(fēng)貌

1.3 自然氣候設(shè)定：

氣象數(shù)據(jù)是所有分析的基礎(chǔ)。來(lái)源可靠和選址準(zhǔn)確是氣象數(shù)據(jù)選擇的兩大要點(diǎn)。本次氣象數(shù)據(jù)于EnergyPlus網(wǎng)站上下載。由于無(wú)神農(nóng)架林區(qū)的氣候數(shù)據(jù)，遂選取與其地理距離最近的宜昌站點(diǎn)的氣候數(shù)據(jù)作為本次分析的基礎(chǔ)（參見(jiàn)圖3）。

圖2 居住者室內(nèi)狀態(tài)

圖3 宜昌站點(diǎn)的氣候數(shù)據(jù)

2 建筑熱環(huán)境分析

2.1 逐月不舒適度分析

圖4展示了全年內(nèi)房屋所有分區(qū)每月不舒適時(shí)長(zhǎng)所占的百分比。由于冬冷夏熱的氣候特點(diǎn)，一年中有8個(gè)月不舒適時(shí)長(zhǎng)百分比占到50%以上，其中6個(gè)月達(dá)到70%以上。僅四月、五月、九月、十月4個(gè)月室內(nèi)舒適度較為理想。

2.2 被動(dòng)組分得失熱分析

圖5為全年房屋得失熱各組分所占比例圖。由圖可知，得熱主要來(lái)自藍(lán)色部分，即室內(nèi)的人類活動(dòng)，占76.2%；失熱主要來(lái)自綠色部分，即自然通風(fēng)，占59.9%，與圖中紅色部分，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱，占39.4%。太陽(yáng)直射光得熱與太陽(yáng)空氣得熱所占比例較小，如圖中黃色和墨綠部分所示，僅5.7%與8.0%，反映了當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源匱乏，后續(xù)改造中沒(méi)有必要采用太陽(yáng)能利用措施。

圖4 逐月不舒適度分析

圖5 全年房屋得失熱分析圖

圖6 逐月度日分析圖

圖7 最冷日逐時(shí)得失熱分析圖

2.3 逐月度日分析

逐月度日分析包括了兩部分，圖6左側(cè)中橫坐標(biāo)為月份，縱坐標(biāo)為度日數(shù)，顯示逐月度日數(shù)柱狀圖。圖6右側(cè)中橫坐標(biāo)為得失熱，縱坐標(biāo)為度日數(shù)，顯示逐月度日數(shù)與得失熱量相關(guān)聯(lián)的散點(diǎn)分布圖。左圖的數(shù)值為右圖散點(diǎn)的縱坐標(biāo)，顯示每月的采暖/制冷度日數(shù)，由室外氣象數(shù)據(jù)與采暖制冷的溫度限值共同決定，可以看出冬季采暖需求遠(yuǎn)高于夏季制冷需求。

2.4 最冷日逐時(shí)得失熱分析

圖7中顯示了最冷日，即1月8日，傳統(tǒng)民居的逐時(shí)得失熱。由圖7可知，得熱主要來(lái)自室內(nèi)人員活動(dòng)，而失熱主要由房屋自然通風(fēng)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱組成，太陽(yáng)輻射和太陽(yáng)空氣得熱影響很小。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)神農(nóng)架林區(qū)傳統(tǒng)鄉(xiāng)村建筑的數(shù)字化分析，總結(jié)得出現(xiàn)有傳統(tǒng)民居寒冷季節(jié)自然通風(fēng)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱嚴(yán)重。為了更好地營(yíng)造當(dāng)?shù)鼐用窠】怠⒁司拥木幼…h(huán)境，在舊屋修繕改造和新建民居時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮自然通風(fēng)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱這兩方面，從而改善民居室內(nèi)熱環(huán)境。對(duì)于地理區(qū)位因素及環(huán)境因素相類似地區(qū)的民居修繕與新建也有借鑒和指導(dǎo)意義。