徽州傳統民居中被動式防熱設計效果分析

■ 黃志甲 HUANG Zhijia 郝紅婷 HAO Hongting 程 建 CHEN Jian 魯月紅 LU Yuehong

0 引言

被動式防熱技術因具有改善室內熱環境，降低建筑能耗的特點，長期指導著地域性傳統民居進行防熱構件的設計和防熱設計策略的應用[1]。隨著我國新型城鎮化建設的加快，農村建筑能耗增長、新民居沒有地域特色等問題逐漸顯現，因此，研究地域性傳統民居的建筑防熱設計，實現被動式防熱技術對降低農村建筑能耗與突顯新民居地域特色，具有重要意義。

國內外學者針對建筑防熱設計進行了大量研究：有的針對建筑遮陽、自然通風、蒸發冷卻和圍護結構隔熱四種常用防熱設計策略，深入開展了文獻研究，詳細分析了這四種防熱設計策略在濕熱氣候區的應用效果和存在的問題，探索了濕熱氣候區建筑防熱設計的發展方向[2]；有的定性分析了遮陽、通風、圍護結構等對建筑防熱的影響[3、4]；有的通過對室內環境的測試和模擬，分析并評價反射保溫涂層等新型防熱技術應用到建筑中的效果[5、6]。上述研究表明，國內外學者普遍關注建筑防熱設計對建筑物防熱效果的影響，較少關注具有地域特點建筑物的被動式防熱構件對建筑物防熱效果的影響，極少會定量地分析各防熱構件和防熱設計策略的貢獻率。

本文以徽州傳統民居為研究對象，分析夏季通過傳統民居圍護結構的傳熱量，并建立防熱構件熱平衡模型，根據實測數據對不同防熱設計構件防熱量進行分析，得到不同防熱構件及其防熱設計策略的防熱效果貢獻率，量化了徽州傳統民居中的防熱設計，為徽州傳統民居防熱設計的傳承與創新提供了理論基礎和技術支撐。

1 計算模型

1.1 建筑熱平衡模型

徽州傳統民居主要是通過屋頂、外墻、地壟、天井等圍護結構構件和室外環境進行熱量傳遞，建筑的熱平衡模型公式為：

式中，Qr—屋頂傳熱量；

Qd—天井傳熱量；Qw—外墻傳熱量；

Qf—地壟傳熱量；

ΣQ—傳入室內總熱量。

1.2 防熱構建熱平衡模型

1.2.1 構件熱平衡模型

徽州傳統民居防熱設計體現在各防熱構件中，而各防熱構件又包括不同形式的防熱設計策略，如遮陽、反射、長波輻射、對流、墻體蓄熱、水體蒸發和自然通風等，綜合各防熱設計策略得到其熱平衡模型，其公式為：

Qi—通過構件i進入室內熱量。

1.2.2 外墻防熱設計計算模型

徽州傳統民居外墻主要的熱量來源是太陽輻射，常采用外遮陽、反射、長波輻射、對流換熱與蓄熱等防熱設計策略削減太陽輻射熱量進入室內。將上述防熱設計策略相關參數代入熱平衡模型，可得外墻防熱設計計算模型公式：

1.2.3 屋頂熱平衡公式

徽州傳統民居屋頂熱平衡與外墻熱平衡類似，民居屋頂熱量主要來源也為太陽輻射，采用反射、長波輻射、對流換熱與蓄熱等防熱設計策略削減太陽輻射熱量進入室內。將上述防熱設計策略相關參數代入計算模型，可得屋頂熱平衡公式：

1.2.4 天井熱平衡公式

對比徽州傳統民居外墻和屋頂，天井具有底部蓄水且與室外環境相連的特點，可通過水體蒸發、自然通風等防熱設計策略，將太陽輻射熱削減后進入室內，將以上參數代入計算模型，可得天井熱平衡公式：

1.3 計算條件

（1）利用圍護結構外表面太陽輻射反射比，建立反射作用模型。

（2）對流傳熱模型采用自然對流系數和受迫對流系數之和確定[7]。

（3）進入室內的熱量模型采用穩態傳熱模型。

（4）利用外墻陰影高度和太陽高度角之間的關系確定遮陽系數[8]，從而得到民居遮陽模型。

（5）外圍護結構的長波輻射模型包括圍護結構外表面分別和天空、地面之間的長波輻射換熱。

（6）室內水體的蒸發模型利用實測水體蒸發量及水的汽化潛熱得到[9]。

（7）天井自然通風模型由實測室內外溫差及換氣次數得到[10]。

2 結果分析

2.1 研究對象

本研究以徽州地區具有典型特征的傳統民居為研究對象，其結構采用當地傳統的上下兩層，由兩進的廳堂和兩側對稱分布的8間廂房組成。房屋外墻采用填充碎磚和黏土的空斗磚墻，起到蓄熱和保溫隔熱的作用；外墻內表面與建筑木骨架結構之間留有10cm的空氣層，起到隔熱作用；屋頂為雙坡瓦面，且與內拱頂之間留有空心區域，起到進一步隔熱的作用；天井高深而狹長，且底部存在蓄水，可作為室內冷源，起到減少太陽輻射熱量及加強室內自然通風的作用；地壟側邊留有通風孔，起到降低室內濕度的作用。本研究選取夏季典型日，即大暑日，對所選取的研究對象進行數據測試。

2.2 建筑熱平衡分析

徽州傳統民居室內總熱量主要由室外熱量通過屋頂、外墻、天井和地壟傳遞而形成，其傳熱量逐時變化如圖1所示，定義熱量從室外向室內傳遞為正，反之為負。

從圖1可以看出，室內總熱量(ΣQ)總體呈現先上升后降低的趨勢。①在 7：00 ～ 18：00 時，室內總熱量為正值，說明在太陽輻射的作用下，民居室內環境處于得熱狀態；同時，作為圍護結構的外墻、屋頂、天井和地壟，在這段時間內的傳熱量存在較大差異，即屋頂傳熱量(Qr)＞天井傳熱量(Qd)＞外墻傳熱量(Qw)＞地壟傳熱量 (Qf)。②在 18：00 ～次日 7：00時，室內總熱量為負值，說明在無太陽輻射的作用下，民居室內環境處于失熱狀態；同時，作為圍護結構的外墻、屋頂、天井和地壟，在這段時間內的傳熱量存在較小差異且均為負值。

進一步分析圖1可以看出，無論有無太陽輻射作用，地壟的傳熱量均為負值，說明地壟作為具有降低室內濕度作用的圍護結構，全天處于散熱狀態，不能作為防熱構件進行考慮。作為防熱構件的外墻、屋頂、天井，其累積傳熱量占室內累積總熱量的比例分別為：外墻7.0%、屋頂79.8%、天井13.2%，說明室內總熱量的累積主要是來自于屋頂熱量的傳遞。

2.3 防熱構件熱平衡分析

2.3.1 外墻熱平衡分析

圖2表示徽州傳統民居外墻熱量的逐時變化，可以看出，傳統民居外墻太陽輻射熱量與太陽運動軌跡密切相關，即：民居外墻在6：00左右出現太陽輻射熱量，11：00左右太陽輻射熱量達到最大，19：00左右太陽輻射熱量消失。上述過程中，太陽輻射熱量經多種防熱設計策略削減后，熱量傳入室內較小，夜晚（19：00～次日6：00）由于室外溫度低于室內溫度，表現為失熱。

進一步分析圖2可以看出：①外墻外遮陽防熱效果較好，在8：00與16：00時防熱效果最佳，這是因為相鄰建筑對傳統民居東墻與西墻的遮擋，使其具有良好的防熱效果；②外墻反射防熱效果最好，且反射熱量變化趨勢與太陽輻射熱量變化趨勢基本一致，也在11：00左右達到峰值，即防熱效果最佳，這是因為傳統民居獨特的外墻材質具有良好的反射效果；③外墻長波輻射防熱效果較差，這是因為夏季徽州地區的天空溫度、地面溫度與建筑外表面溫度相差較小，導致傳統民居外墻表面散熱效果較差；④外墻的對流換熱防熱效果一般，且在 8：00～ 11：00 這段時間內防熱效果較差，11：00以后防熱效果提高，在15：00左右防熱效果最佳，這是因為對流換熱效果和室外空氣溫度與傳統民居外墻表面溫度的差值有關；⑤墻體蓄熱防熱效果良好，這是因為傳統民居獨特的外墻材質與結構可以實現晝間儲蓄熱量，夜晚釋放熱量，總體處于蓄熱狀態，使其具有良好的防熱效果。

2.3.2 屋頂熱平衡分析

圖3表示徽州傳統民居屋頂熱量的逐時變化，可以看出，傳統民居屋頂太陽輻射熱量同樣與太陽運動軌跡密切相關，即：民居屋頂在7：00左右出現太陽輻射熱量，11：00左右太陽輻射熱量達到最大，18：00左右太陽輻射熱量消失；且 7：00 ～ 18：00屋頂傳入室內的熱量為正值，18：00～次日7：00傳入室內的熱量為負值。相比傳統民居外墻，屋頂太陽輻射熱量出現與消失的時間呈現延遲與提前的現象；同時，通過屋頂進入室內的熱量遠遠大于通過外墻進入室內的熱量，這是因為外墻與屋頂在傳統民居中所處的位置不同。

圖1 傳統民居傳熱量隨時間變化曲線圖

圖2 傳統民居外墻熱量隨時間變化曲線圖

進一步分析圖3可以看出：①屋頂反射防熱效果最好，其反射熱量在11：00左右達到峰值，即防熱效果最佳，這是因為徽州傳統民居特有的黏土制青瓦具有較高的反射系數；②屋頂的長波輻射防熱效果較差，這是因為在夏季，徽州地區的室外環境溫度與屋頂表面溫度相差較小；③屋頂的對流換熱防熱效果一般，白天時對流換熱均為失熱過程，而夜晚均為得熱過程，這是因為白天在太陽輻射作用下，民居屋頂外表面溫度高于室外空氣溫度，而夜晚太陽輻射作用消失，導致民居屋頂外表面溫度低于室外空氣溫度；④屋頂蓄熱防熱效果良好，這是因為徽州傳統民居具有的內拱頂結構與黏土制青瓦之間存在空心區域，起到了蓄熱作用。

2.3.3 天井熱平衡分析

圖3 傳統民居屋頂熱量隨時間變化曲線圖

圖4 傳統民居天井熱量隨時間變化曲線圖

圖4 表示徽州傳統民居天井熱量的逐時變化，可以看出，傳統民居天井集中出現太陽輻射熱量的時間為10：00 ～ 16：00，這是因為傳統民居天井具有特殊的結構與位置；同時，水體蒸發熱量出現時間與太陽輻射熱量出現時間基本一致，這是因為天井底部水體蒸發與太陽輻射具有較強的相關性。進一步分析可以看出，在白天，天井自然通風熱量表現為得熱，夜晚時則表現為失熱，這是因為白天室外空氣溫度高于室內空氣溫度，夜間恰好相反。

2.3.4 防熱效果貢獻率分析

為評價徽州傳統民居各防熱構件及其防熱設計策略的防熱效果貢獻能力，以各防熱構件的防熱效果與傳統民居總防熱效果的比值（即防熱效果貢獻率ηi）作為評價指標，其計算公式為：

其中，防熱構件的防熱效果為各構件的太陽輻射熱量與傳入室內熱量之差，傳統民居總防熱效果為民居太陽輻射總熱量與傳入室內總熱量之差。則各防熱設計策略防熱效果貢獻率為：

根據公式（6）（7），可得到徽州傳統民居各防熱構件及其防熱設計策略的防熱效果貢獻率（表1）。從表1可以看出，外墻、屋頂和天井的防熱效果貢獻率分別為48.7%、39.7%和11.6%。同時，外墻外遮陽、反射、長波輻射、對流換熱、墻體蓄熱的防熱效果貢獻率分別為14.1%、18.6%、0.8%、2.9%、12.3%；屋頂反射、長波輻射、對流換熱、屋頂蓄熱的防熱效果貢獻率分別為21.3%、1.2%、7.3%、9.9%；天井水體蒸發、自然通風的防熱效果貢獻率分別1.3%、10.3%。

表1 傳統民居防熱效果貢獻率

綜合以上分析，在徽州傳統民居防熱構件中，外墻的防熱效果貢獻率最大，而天井在民居的防熱中能起到很好輔助作用；在徽州傳統民居防熱設計策略中，外墻和屋頂反射的防熱效果貢獻率最大，天井具有的水體蒸發與自然通風特性可以進一步提高民居的防熱效果。

3 結語

本研究通過對夏季徽州傳統民居圍護結構傳熱量的分析，建立了防熱構件熱平衡模型，分析了徽州傳統民居中的防熱設計，可指導傳統民居防熱設計的傳承與創新。研究表明：在外墻和屋頂的防熱設計策略中，反射的防熱效果最好，長波輻射的防熱效果最差，外遮陽、蓄熱和對流換熱防熱效果一般；在天井防熱設計策略中，自然通風的防熱效果優于水體蒸發；在夏季徽州傳統民居防熱構件中，外墻的防熱效果貢獻率最大，天井起到較好的輔助防熱效果。