道口古鎮(zhèn)合院式傳統(tǒng)民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查及熱工性能分析

文／張恒鈺 鄭州大學(xué)建筑學(xué)院 碩士研究生

唐 麗 鄭州大學(xué)建筑學(xué)院 教 授

引言

豫北地區(qū)是中原文化重要的空間載體，經(jīng)過(guò)數(shù)千年的發(fā)展，積累了眾多值得傳承的建造技法和藝術(shù)形式。然而近年來(lái)的大拆大建導(dǎo)致當(dāng)?shù)睾芏嗑哂袣v史價(jià)值的傳統(tǒng)民居破壞嚴(yán)重，為了傳統(tǒng)建筑文化的保留與發(fā)展，亟須從歷史建筑保存尚好的區(qū)域開(kāi)始調(diào)查研究并實(shí)施保護(hù)更新。筆者以豫北道口古鎮(zhèn)的一處保存較完好的傳統(tǒng)合院式居住建筑為研究對(duì)象，對(duì)其在2020—2021 年的冬季進(jìn)行了熱工性能調(diào)研，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析解讀，為傳統(tǒng)民居保護(hù)性熱工性能更進(jìn)一步改造提供一個(gè)方向。

1 道口古鎮(zhèn)地理氣候特點(diǎn)

道口古鎮(zhèn)地處河南北部，屬安陽(yáng)市滑縣境內(nèi)，因?yàn)榈靥廃S河以北的太行山地區(qū)，所以平均海拔較河南中、南部高數(shù)百米。其所屬的氣候分區(qū)為寒冷地區(qū)，夏季炎熱，雨季地面易返潮，冬季干燥寒冷而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。道口古鎮(zhèn)年平均氣溫14℃；7月最熱，平均氣溫27℃；1月最冷，平均氣溫0.1℃。

2 道口古鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居特點(diǎn)

道口古鎮(zhèn)依大運(yùn)河而生，由于大運(yùn)河的重要商業(yè)價(jià)值，為方便大運(yùn)河港口貿(mào)易往來(lái)，巷子都從大運(yùn)河開(kāi)始垂直向外延伸到主街，是典型的街巷制布局。巷與巷之間的土地空間用于布置建筑，院落及建筑的平面形狀主要為矩形，采用北方傳統(tǒng)的合院式住宅形式。由于大運(yùn)河流向原因，在這里，建筑群并沒(méi)有像北京四合院那樣呈現(xiàn)出正南正北的軸線排列，而是垂直于大運(yùn)河河道沿西北-東南走向延伸。古時(shí)候這里商業(yè)十分發(fā)達(dá)，吸引了大運(yùn)河沿線眾多商賈入駐，人群居住集中度很高。但是因?yàn)樯虡I(yè)價(jià)值較高，所以用于居住的土地集約利用在這里尤為明顯，古鎮(zhèn)中的居住院落最多三進(jìn)且十分狹窄，除了個(gè)別重要的公共建筑之外，大多數(shù)的院落正房只能露出一到兩個(gè)開(kāi)間的寬度[1]。相較于典型的北京四合院，這里的倒座空間通常沿道路打開(kāi)，以便作為沿街商鋪使用，使得當(dāng)?shù)氐暮显航ㄖ哂辛松套』旌系膶傩浴?/p>

3 典型民居的特點(diǎn)及調(diào)查分析

在經(jīng)過(guò)20 世紀(jì)末的少部分拆建損壞之后，當(dāng)?shù)卣疂u漸意識(shí)到古鎮(zhèn)的重要?dú)v史藝術(shù)價(jià)值，逐步開(kāi)始實(shí)施保護(hù)措施。七年前，道口古鎮(zhèn)被我國(guó)國(guó)家文物局認(rèn)定為歷史文化名鎮(zhèn)，并開(kāi)始進(jìn)一步加大保護(hù)力度，因此古鎮(zhèn)核心區(qū)仍有許多傳統(tǒng)建筑保留尚好，其中的傳統(tǒng)民居有七十七座之多，并且都已有上百年的歷史。在經(jīng)過(guò)筆者的深入考察之后，本次調(diào)研選擇了古鎮(zhèn)核心區(qū)的一棟構(gòu)造和形式都比較有代表性的三進(jìn)院落式建筑，作為實(shí)測(cè)的對(duì)象。該建筑位于安陽(yáng)市道口古鎮(zhèn)內(nèi)順河北街東五號(hào)院（圖1），目前該建筑及院落保存均較為完好，其正房（測(cè)點(diǎn)三所在房間）入口朝向?yàn)楸逼?1°。

圖1 平面圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

3.1 平面布局

整個(gè)院落平面為矩形組合，院落空間與建筑單體平面、立面均為矩形，正因如此，此類(lèi)傳統(tǒng)民居和院落的軸線關(guān)系較為明顯，使用空間十分規(guī)整且主次分明，符合傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念并且具有建造簡(jiǎn)單、施工階段耗費(fèi)人力物力少的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

各個(gè)單體建筑均為磚木混合結(jié)構(gòu)，外墻體為外側(cè)青磚包內(nèi)側(cè)土坯，外墻體總厚度達(dá)560mm，窗墻比較?。唤ㄖT(mén)框、窗框均為木質(zhì)，門(mén)窗扇關(guān)閉時(shí)縫隙比較多；窗玻璃為單層印花玻璃，保證室內(nèi)采光且能保護(hù)室內(nèi)隱私；分隔一、二層的樓板為木材，縫隙較多且隔音性能較差；屋頂構(gòu)造為傳統(tǒng)的小青瓦屋面，特殊之處是采用了當(dāng)?shù)責(zé)频耐u。構(gòu)造詳圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 窗詳圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖3 坡屋頂詳圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

結(jié)合各個(gè)部位構(gòu)造材料層次，通過(guò)公式運(yùn)算各圍護(hù)結(jié)構(gòu)K 值：

4 熱舒適評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)概述

評(píng)價(jià)房間選取第二進(jìn)院落中不同朝向、不同高度的廂房和正房，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。測(cè)點(diǎn)二在一上層，無(wú)人使用，兩層房間之間的樓板為木樓板。測(cè)點(diǎn)三房間在數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)過(guò)程中一直閑置，房主未曾進(jìn)入過(guò)，內(nèi)部也沒(méi)有任何家用電器[2]。測(cè)點(diǎn)選取時(shí)盡量位于房間中心部位并減少冷熱源對(duì)傳感器的影響，測(cè)點(diǎn)距墻大于500mm，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的高度均為距室內(nèi)地面600mm[1]。

4.2 熱工性能

此次實(shí)測(cè)在2020—2021 年的冬季進(jìn)行了四個(gè)月的連續(xù)測(cè)量，所用儀器均為符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試儀器。測(cè)量結(jié)束后，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，筆者選擇了溫度波動(dòng)比較有代表性的七個(gè)連續(xù)日數(shù)據(jù)進(jìn)行下述熱工分析，此次分析數(shù)據(jù)一共672 組。

圖4 為三個(gè)受測(cè)房間在測(cè)量期間的逐時(shí)溫度曲線，各數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)間隔時(shí)間為15 分鐘。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，測(cè)點(diǎn)一在連續(xù)一周的測(cè)試期間，氣溫最小是4.3℃，最大是10.1℃。每天的最高氣溫呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)榕R近冬至，北半球日照時(shí)間逐日縮短的原因。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，有超過(guò)98%的時(shí)間濕度在50%～70%之間，測(cè)試期間這樣的溫濕度條件下人體會(huì)感到十分寒冷，距離達(dá)到人體舒適甚遠(yuǎn)，分析原因主要是古鎮(zhèn)所在地冬季室外氣溫很低。數(shù)據(jù)顯示，測(cè)點(diǎn)一房間的室溫在連續(xù)七天的時(shí)間里，始終比測(cè)點(diǎn)三房間室溫高出4℃～5℃，這是因?yàn)閼糁鞯木幼∩町a(chǎn)生了熱量。三個(gè)房間溫度波動(dòng)趨勢(shì)幾乎一致，但測(cè)點(diǎn)一的溫度曲線有多個(gè)短暫波峰出現(xiàn)，是居住者進(jìn)行炊事或短暫開(kāi)啟取暖器造成的。與此同時(shí)，這些短暫溫度波峰在達(dá)到峰值后迅速回落，可以顯示室內(nèi)溫度在戶主關(guān)閉取暖器后迅速降低，表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)在沒(méi)有人工采暖時(shí)，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持室內(nèi)溫度，室內(nèi)熱能向外傳遞速度很快[6]。測(cè)點(diǎn)二溫度始終比測(cè)點(diǎn)三高2℃左右，這是下層測(cè)點(diǎn)一房間的熱量通過(guò)木樓板及其中的間隙傳遞到上層造成的。

圖4 逐時(shí)溫度（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖5 為18 日10 點(diǎn)至19 日10 點(diǎn)，間隔一小時(shí)的室內(nèi)外干球溫度曲線，共24h，這些室外溫濕度參數(shù)取自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)河南站官方發(fā)布的當(dāng)日氣象信息。數(shù)據(jù)顯示，室外空氣溫度波動(dòng)的規(guī)律類(lèi)似于正弦函數(shù)規(guī)律[3]，在一天的周期里，受測(cè)房間的氣溫波動(dòng)范圍分別為1.8℃、1.0℃和1.4℃，而當(dāng)日室外氣溫變化幅度達(dá)到了9℃。室外平均氣溫為2℃，與無(wú)人使用的測(cè)點(diǎn)三房間平均氣溫相同。測(cè)點(diǎn)一氣溫始終是三個(gè)房間中的最高值，測(cè)點(diǎn)二介于測(cè)點(diǎn)一和三之間，這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)一房間中人的活動(dòng)產(chǎn)熱并通過(guò)木樓板傳遞到上層。經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算可知，室外氣溫振幅是測(cè)點(diǎn)三氣溫振幅的6.4 倍，這說(shuō)明傳統(tǒng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具備良好的熱惰性指標(biāo)，可以讓室內(nèi)溫度保持較高的穩(wěn)定度[7]。如果能充分發(fā)揮墻體的蓄熱能力，再加之以合適的保溫、斷熱等減少熱損失的措施，那么該建筑的居住舒適感受將得到很大的提升。

圖5 逐時(shí)溫度（圖片來(lái)源：作者自繪）

4.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

在收集了第一手實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之后，便能利用人體熱舒適評(píng)價(jià)模型對(duì)實(shí)測(cè)建筑室內(nèi)居住舒適度進(jìn)行量化描述[3]。本文采用目前常用的PMV 模型對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，以得出較為科學(xué)的室內(nèi)舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果。通過(guò)對(duì)戶主夫婦調(diào)查的實(shí)際情況，確定當(dāng)日戶主著裝的平均熱阻為2clo。戶主在家中大部分時(shí)間為靜坐或看電視，這種狀態(tài)下的的代謝率為1met。環(huán)境平均輻射溫度計(jì)算公式如下：

式（1）中各參數(shù)指代如下：Tg：黑球溫度℃；Ta：空氣溫度℃；Va：風(fēng)速m/s；ε：發(fā)射率，黑球發(fā)射率取0.95；D：測(cè)量?jī)x器的直徑，此次選用的測(cè)試儀器為常規(guī)尺寸150mm。

由于此次實(shí)測(cè)風(fēng)速的測(cè)量值均為零，所以這個(gè)公式中可直接取Tmrt=Tg。根據(jù)以上已知取值以及前文所述室內(nèi)實(shí)測(cè)環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過(guò)PMV 計(jì)算工具計(jì)算后，本人繪制了24 個(gè)小時(shí)的逐時(shí)室內(nèi)舒適指標(biāo)曲線（圖6）?？梢?jiàn)室內(nèi)PMV 值始終低于-2，室內(nèi)PPD 值始終高于76%，這些數(shù)據(jù)意味著室內(nèi)居住人員在測(cè)試期間身體感覺(jué)很冷，對(duì)于戶主這樣的老年人來(lái)說(shuō)身體感受更是如此[7]。

圖6 甲房間PMV、PPD（圖片來(lái)源：作者自繪）

結(jié)語(yǔ)

道口古鎮(zhèn)是豫北地區(qū)的著名古鎮(zhèn)之一，有許多重要的空間形態(tài)和建筑遺存值得保護(hù)，但如何在改造中進(jìn)行合理干預(yù)，做到既保護(hù)古民居的原真性又切實(shí)提升居民的生活品質(zhì)，這是值得探究的問(wèn)題。本次實(shí)測(cè)研究之后，我們認(rèn)識(shí)到道口古鎮(zhèn)當(dāng)?shù)囟臼彝鈿夂驉毫?，而古?zhèn)傳統(tǒng)居住建筑現(xiàn)有構(gòu)造方式不能滿足冬季保溫的需求，室內(nèi)居住生活環(huán)境并不適宜。而道口古鎮(zhèn)由于當(dāng)前當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)等因素的制約，青年群體居民不愿留在老家生活，所以古鎮(zhèn)中生活的人大多為老幼人群，他們的身體素質(zhì)對(duì)寒冷的忍耐能力比青年人群更差，所以更需要為他們提供溫暖的室內(nèi)生活環(huán)境。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)亟ㄖ嬖诘年P(guān)鍵問(wèn)題是圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性過(guò)差以及老舊門(mén)窗保溫隔熱能力不足，需要進(jìn)行改造。研究還發(fā)現(xiàn)，道口古鎮(zhèn)的傳統(tǒng)外墻和屋頂做法具有很好的熱惰性指標(biāo)，可以大大降低室外到室內(nèi)的溫度諧波振幅，可在改造時(shí)予以保留并修繕，這樣做既能發(fā)揮舊建筑的優(yōu)點(diǎn)，又能保證傳統(tǒng)建筑的原真性。