徽州傳統民居冬季室內熱環境影響因素分析

陳青 龔城 黃志甲

安徽工業大學建筑工程學院

0 引言

鄉村振興戰略要求農房設計的鄉土特色和地域特點，保護傳承傳統建筑文化。傳統民居既是傳統智慧和文化的體現，又與當代居住環境的需要相矛盾。徽州傳統民居具有顯著的地域特色，營造時采用了大量與當地氣候相適應的被動式技術[1-3]，但其冬季熱環境差[4-5]，導致徽州傳統民居傳承只停留在形式上“改徽建徽”，影響其在安徽農村地區的發展傳承。因此，探究徽州傳統民居冬季熱環境的影響因素，對于傳承徽州建筑文化，實現具有地域特色的鄉村振興具有重要意義。

徽州傳統民居作為中國傳統民居重要代表之一，其室內熱環境引起研究者廣泛的興趣。相關研究主要集中在夏季熱環境，冬季熱環境分析較少[6-7]。在冬季熱環境研究方面，石團團等通過ECOTECT 軟件對徽州傳統民居熱環境模擬得出，徽州傳統民居在冬季防寒效果較差[8]。宋冰等通過測試室內熱環境參數，發現了傳統民居冬季室內陰冷潮濕[4]，但學者們并未進一步尋找冬季室內熱環境影響因素。在冬季熱環境改善方面，黃志甲等通過Fluent 和TRNSYS 軟件耦合模擬得出，提高圍護結構熱工性能對冬季室內熱環境作用最為明顯[9]。龔城等通過TRNSYS 軟件模擬分析得出，提高天井的氣密性對冬季室內熱環境改善的效果明顯[10]，現有研究無法提供影響室內熱環境因素的重要性排序。

針對以上研究不足，本文主要選取具有典型徽派建筑特色的民居“馀慶堂”為研究對象，采用現場實測結合熱平衡理論分析的方法進行徽州傳統民居冬季室內熱環境形成機理分析，找出徽州傳統民居冬季室內熱環境的影響因素，提供影響室內熱環境因素的重要性排序，為徽州傳統民居冬季熱環境的優化設計提供理論指導，以求改善當地民居冬季室內熱舒適。

1 模型與方程

1.1 研究對象

選取具有典型徽派建筑特色的民居“馀慶堂”為研究對象，該建筑位于安徽省涇縣查濟村，坐北朝南，是一棟帶有一字型天井的兩進五開間建筑。研究區域限定在馀慶堂其中的一進，如圖1 所示，南北進深9.66 m，東西寬約16.58 m，建筑總高6.86 m，其中一層高為3.3 m，為居住空間，二層閣樓用于儲藏。建筑外墻均為空斗磚墻結構，外粉石灰。屋頂為雙坡青瓦屋面，其中只有廳堂上屋面內有望板。南北外墻上分別有1.14 m 寬，2.06 m 高的木制外門。廳堂為砂石混凝土筑地面，廂房地面為30 mm 厚杉木板，下有400 mm高架空地壟，天井為青石板地面，上空尺寸（天井口）為14.40 m×0.60 m。

圖1 馀慶堂平面圖

1.2 計算方程

1.2.1 熱平衡方程

徽州傳統民居冬季傳熱項包括太陽輻射得熱、圍護結構傳熱、地面傳熱、通風傳熱、內部熱源散熱。

由熱力學第一定律可知，系統能增等于所有傳熱項之和，徽州傳統民居傳熱滿足能量守恒定律，民居熱平衡方程為：

式中：Qr為太陽輻射得熱量；Qc為圍護結構耗熱量；Qg為地面傳熱量；Qv為通風耗熱量；Qi為內部熱源散熱量；△Qs為系統能增。

徽州傳統民居冬季傳熱項包括：

1）太陽輻射得熱量，即圍護結構外表面吸收的太陽輻射得熱量，包括了兩部分，一是直接通過天井口的太陽輻射得熱量，二是外墻和屋頂吸收的太陽輻射得熱量。

2）圍護結構耗熱量，是指通過外圍護結構傳遞到室外的熱量，包括外墻和屋頂。

3）地面傳熱量，通過地面傳遞到室內的熱量，包括天井、廂房和廳堂地面。

4）通風耗熱量，由通風帶入室外的熱量，主要考慮天井通風耗熱。

5）內部熱源散熱量，室內熱源散熱帶給室內的得熱量，包括人員，照明和室內用電設備散熱。

1.2.2 計算條件

1）計算所用數據均為2016 年1 月23 日（0:00～23:30）測得，測試及計算時間間隔均為30 min。測試項包括：墻壁溫度、地面溫度、室內外溫度、太陽輻射率、自然通風量等。各傳熱項計算方法及常規系數取值參考相應文獻。

2）太陽輻射得熱量通過外壁面熱平衡計算，圍護結構耗熱量通過內壁面熱平衡計算，缺少實測數據的采用穩態計算法。

3）地面傳熱量直接用穩態計算法，通風傳熱根據實測自然通風量計算。

2 結果與分析

建筑室內熱環境主要受室外氣候條件和建筑設計兩方面的影響，徽州傳統民居地處夏熱冬冷地區，氣候適應性策略和被動式設計使得民居冬冷夏涼。

傳統民居的室內空氣溫度主要受圍護結構傳熱和自然通風換熱方式來決定。因此對于徽州傳統民居，天井通風和外圍護結構熱工特性是決定民居冬季室內熱環境的關鍵因素。

2.1 熱平衡分析

影響冬季徽州傳統民居室內熱環境的傳熱項包括太陽輻射得熱量、圍護結構耗熱量、地面傳熱量、通風耗熱量、內部熱源散熱量。圖2 所示為建筑逐時各傳熱量變化，從圖中可以看出太陽輻射得熱量、內部熱源散熱量、地面傳熱量為得熱項，圍護結構耗熱量和通風耗熱量為失熱項。得熱方面，太陽輻射得熱在10:00～15:00 之間最大。失熱方面，通風耗熱量是室內最大失熱項。就該冬季典型日計算而言，最大得熱時刻出現在14:00，最大失熱時刻出現在6:00。

圖2 建筑逐時傳熱量變化

2.2 傳熱貢獻率分析

為表征傳熱項對室內環境的影響力大小，引入“傳熱貢獻率”，即平衡項中某項傳熱量占總得熱量或失熱量的百分比，值的大小表明影響力大小，正值表示得熱，負值表示失熱。

從圖3 中可以看出，通風傳熱占到了總失熱量的71.3%，是第一大失熱項，可見通風傳熱對民居冬季室內熱環境的副作用最大。外圍護結構傳熱是第二大失熱項，占比28.7%。得熱項中，內熱源、太陽輻射、地面傳熱得熱占比分別為38.4%、37.7%和24.0%。綜上可知，徽州傳統民居冬季寒冷的主要原因是通風耗熱量太大。

圖3 徽州傳統民居冬季傳熱貢獻率

2.3 改進方案

改善徽州傳統民居冬季室內熱環境的手段在于減少失熱項帶來的失熱量，增大得熱項提供的得熱量，同時考慮權重大的一項為優化設計的重點。在減少失熱項方面，民居可通過減少通風量和增大圍護結構保溫性能來減少失熱量，因為通風傳熱是最大失熱項，所以相比于改善圍護結構保溫性能，減少天井通風引起的耗熱更為重要。在增大得熱項方面，太陽輻射得熱也可通過被動設計強化。

徽州傳統民居冬季熱環境的優化設計中，通過增加開合式天井[10]，對建筑圍護結構氣密性進行優化。冬季開合式天井關閉，減少通風傳熱，增大溫室效應。夏季開啟，以便于建筑的通風降溫，徽州傳統民居室內熱環境改善效果明顯。

3 結論

通過現場實測結合熱平衡理論分析的方法，進行徽州傳統民居冬季室內熱環境影響因素分析，得出以下幾條結論：

1）徽州傳統民居冬季濕冷的主要原因是通風耗熱量過大。

2）通過安裝開合式天井，優化建筑氣密性，徽州傳統民居冬季室內熱環境改善效果明顯。