湘西傳統(tǒng)民居夏季熱環(huán)境實(shí)測(cè)研究
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黃春華1，2劉盛2姜彬2湯林聲2
1中南大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院2湖南工業(yè)大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院
摘 要：本文以湘西傳統(tǒng)民居的典型代表窨子屋為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行夏季室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)并分析傳統(tǒng)民居建筑熱環(huán)境狀況，研究結(jié)果表明：在室外溫差較大的夏季，此類民居中厚重的蓄熱墻體能夠起到隔熱降溫的效果；高窄的天井白天主要為風(fēng)壓通風(fēng)，在夜間則為熱壓通風(fēng)，但在東側(cè)房間中通風(fēng)效果明顯較差；采用架空通風(fēng)地板和具有熱緩沖層作用的樓層等措施，使得傳統(tǒng)民居有著良好的氣候適應(yīng)性，對(duì)現(xiàn)代被動(dòng)式綠色建筑設(shè)計(jì)具有一定啟示。
關(guān)鍵詞：湘西熱環(huán)境測(cè)試傳統(tǒng)民居窨子屋
湘西地區(qū)是位于云貴高原東部的余脈武陵山區(qū)，大部分為丘陵地貌地區(qū)，是一個(gè)多民族聚居的山區(qū)，氣候特點(diǎn)為夏季酷熱冬季濕冷。湘西傳統(tǒng)民居與氣候環(huán)境融為一體，依山就勢(shì)，因地制宜，能夠有效地利用自然環(huán)境來(lái)達(dá)到適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻木幼…h(huán)境，特別是典型代表的窨子屋表現(xiàn)出了很好的氣候適應(yīng)性特征和質(zhì)樸的生態(tài)建筑的理念。因此，本文以湘西乾州古城一典型窨子屋為研究對(duì)象，在自然通風(fēng)條件下進(jìn)行熱環(huán)境實(shí)測(cè)，分析其室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀，以期尋找湘西傳統(tǒng)民居的氣候適應(yīng)性和改善其室內(nèi)熱舒適性的建議，為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境的改善提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1 典型民居夏季熱環(huán)境實(shí)測(cè)
1.1實(shí)測(cè)對(duì)象
本文選擇實(shí)測(cè)對(duì)象位于乾州古城區(qū)南門巷，是一典型的湘西地區(qū)民居。該宅建于20世紀(jì)20年代，正門朝南，形式為湘西洪江古商城一帶的窨子屋，具有窨子屋的典型特征：住宅四周為200-480 mm厚的青磚封火墻，面層加一層石灰砂漿，兩側(cè)墻體為馬頭墻，四周石墻把整個(gè)內(nèi)部木構(gòu)架圍成桶狀，內(nèi)部隔墻均采用杉木樘板，前后各設(shè)一天井，天井尺度都很狹小，人口處天井為半濕半旱天井，遮風(fēng)避雨，為湘西地區(qū)常見的做法。
建筑總占地面積約為208m2，庭院面積約為66 m2，平面呈長(zhǎng)方形，房屋中有大小不同的兩個(gè)天井，北側(cè)為后院，主要房間集中在中間，一層西側(cè)主要是廳堂，與天井相連成為開敞空間，東側(cè)由三間臥室組成，二層用于放置雜物以及儲(chǔ)藏糧食。房屋北側(cè)面臨4~6 m寬的南門巷，該巷民居沿著萬(wàn)溶江布置形成河街，前街后河，形成乾州特色的沿河帶狀城市（圖1）。
1.2實(shí)測(cè)方案
本次測(cè)試時(shí)間在當(dāng)?shù)氐湫拖募?月10日進(jìn)行，當(dāng)天大部分時(shí)間為晴天，中午時(shí)分有小雨。主要測(cè)試空間為天井、廳堂、二樓、臥室（圖2～3）�？諝鉁貪穸葍x每10 min自動(dòng)記錄一次（距離地面1.5 m處），表面溫度每隔1h人工記錄一次，風(fēng)速選擇三個(gè)工況連續(xù)記錄。測(cè)試儀器及參數(shù)見表1。
2 測(cè)試結(jié)果與分析
2.1空氣溫度
測(cè)試期間，室外溫度波動(dòng)幅度最大，平均溫度為29.1℃，峰值為33.8℃，谷值為25.7℃，一日內(nèi)溫差為8.1 ℃。相對(duì)而言，室內(nèi)天井底、廳堂、臥室波動(dòng)幅度較小，溫度也較低，臥室最高溫度為29.1℃，比室外溫度低了4.7℃，溫差也僅為3.1℃，天井底最高溫度比室外低4.6℃，白天平均溫度低2.4℃(圖4)。
窨子屋中有大量室內(nèi)外的過(guò)渡空間，如天井、開敞式廳堂、檐下等灰空間，為了驗(yàn)證灰空間的熱緩沖效果，采用溫度作橫向比較。根據(jù)數(shù)據(jù)得出，天井底、臥室、廳堂的峰值要比室外最高溫度要低3.8℃～4.7℃。特別在午后，天井的降溫效果良好，天井底由青石條鋪筑又與地面直接相連，天井下部設(shè)排水系統(tǒng)，使天井底部保持在室內(nèi)最低溫度，整個(gè)白天的降溫效果明顯，夜間天井利用熱壓通風(fēng)，在22:00以后迅速降低到27℃，與室外溫度接近。一樓臥室由于處于整個(gè)石墻圍合中，只與天井有開口，其余三面均無(wú)開口，白天無(wú)陽(yáng)光直射，室內(nèi)通風(fēng)效果差，所以臥室比廳堂溫度低，但夜間由于通風(fēng)效果差，廳堂與天井通風(fēng)效果更佳，臥室反而處于較高溫度。
由于廳堂與天井底直接相連，廳堂溫度受到天井底影響，最高溫度比室外最高低3.8℃，在白天上午時(shí)段幾乎和天井底一致，午后由于受到陽(yáng)光輻射、廚房烹飪、室內(nèi)人員活動(dòng)等因素影響，在24:00之前，廳堂溫度都有超過(guò)臥室，溫差大約1℃，因此廳堂處與廚房應(yīng)隔離，可保持室內(nèi)較好的舒適性。此外，室外最高溫度出現(xiàn)在15:30左右，二樓峰值延遲僅20 min，臥室和廳堂峰值延遲約100 min左右，說(shuō)明二樓的熱緩沖和重質(zhì)的蓄熱墻體能夠起到良好的隔熱效果。
為了測(cè)試天井的熱壓通風(fēng)效果，故縱向比較天井溫度（圖5），根據(jù)數(shù)據(jù)可知，天井口與天井底的溫差很大，在白天特別明顯，天井口受到屋頂快速升溫的影響，在午后，超出室外溫度，由于熱壓通風(fēng)效率與溫度差成正比，加大了天井口與天井底的熱壓差，天井口局部空氣溫度升高密度變小，位于天井底部的空氣會(huì)向較熱的天井口移動(dòng)，廳堂內(nèi)的空氣則流向天井底部，加強(qiáng)了整體通風(fēng)效果。此外，白天二樓的氣溫比底層氣溫高出2℃左右，二樓作為放置雜物，人員流動(dòng)較少的空間，能夠很好地作為熱緩沖空間，一樓熱舒適度明顯高于二樓。
由此可見，在室外溫差較大的夏季，湘西民居中厚重的蓄熱墻體和內(nèi)部輕質(zhì)木墻構(gòu)成的兩套圍護(hù)結(jié)構(gòu)起到良好的隔熱降溫的效果，此外，深天井改善了室內(nèi)的采光效果也可以保證天井底部不受太陽(yáng)輻射的干擾，使天井底處于室內(nèi)較低溫度，提供了一個(gè)室內(nèi)外涼爽的熱緩沖區(qū)，特別在夜間，相鄰臥室等房間應(yīng)該加強(qiáng)與天井的通風(fēng)，可以獲得良好的降溫效果，也可看出在湘西地區(qū)此類天井應(yīng)保持狹窄的尺度，才能保證天井底部的充分遮陽(yáng)和低溫。在當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代底層住宅設(shè)計(jì)中，可以巧妙地將深天井引入戶型設(shè)計(jì)中，但應(yīng)注意周圍房間與深天井的平面組織布置，應(yīng)讓相鄰房間的門窗開向都朝向天井，能夠形成一個(gè)室內(nèi)到室外過(guò)渡的氣流循環(huán)系統(tǒng)，可以改善相鄰房間的室內(nèi)熱舒適性，也在文化層面上繼承當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居的地域傳統(tǒng)。在平面布局設(shè)計(jì)中，湘西傳統(tǒng)民居未注意廚房與廳堂的隔離，造成廳堂溫度在烹飪時(shí)間有所提高，將廚房加以隔離，可改善室內(nèi)熱環(huán)境和衛(wèi)生環(huán)境。
2.2相對(duì)濕度
根據(jù)相對(duì)濕度實(shí)測(cè)點(diǎn)的濕度值可以得出（圖6），夏季室外相對(duì)濕度呈現(xiàn)“日低夜高”的變化，介于74%～99%之間，總體來(lái)看，平均相對(duì)濕度從室外(93.5%)到臥室(94.1%)、二樓(96.7%)、廳堂(98.2%)、天井底(98.6%)依次升高，室內(nèi)相對(duì)濕度一直保持89%以上的高濕度水平，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE55-2010 和《室內(nèi)熱環(huán)境條件》提供的濕度限制范圍，當(dāng)計(jì)算溫度高于27℃時(shí)，相對(duì)濕度不應(yīng)高于55%，對(duì)于湘西地區(qū)傳統(tǒng)民居而言，夏季室內(nèi)相對(duì)濕度處于非常高的水平，當(dāng)全天室內(nèi)溫度大部分時(shí)間高于27℃時(shí)，人體會(huì)出現(xiàn)濕熱的感覺(jué)。因此，在湘西傳統(tǒng)民居中，如何利用隔濕防潮技術(shù)降低室內(nèi)相對(duì)濕度，改善室內(nèi)熱舒適性，是值得探討的內(nèi)容。
此外，臥室由于采用了架空通風(fēng)地板的處理，在全天大部分時(shí)間內(nèi)臥室的濕度都低于直接與地面接觸的廳堂，尤其在夜間，當(dāng)室外相對(duì)濕度上升到99.9%時(shí)，其他房間相對(duì)濕度也全部達(dá)到99.9%，只有臥室相對(duì)濕度能夠保持穩(wěn)定。天井底的濕度一直保持最高，在測(cè)試當(dāng)天由于有下小雨，一直處于潮濕狀態(tài)，而且天井狹小不受陽(yáng)光的輻射，加上被動(dòng)降溫作用，天井底溫度卻最低，處于較陰涼狀態(tài)。廳堂由于臨近天井底，相對(duì)濕度隨著天井底的變化而波動(dòng)，相對(duì)濕度與天井底相近。在二樓處，由于有部分陽(yáng)光直射，白天溫度較高，通風(fēng)較好，二樓在白天相對(duì)濕度最低(93.8%)，因此，在夏季中二樓是所有房間中最理想的儲(chǔ)物和晾曬場(chǎng)所。
由此可見，傳統(tǒng)民居中架空地板與室外保持良好的通風(fēng)，具有良好的隔濕、防潮的效果，值得現(xiàn)代民居借鑒，現(xiàn)代民居與地面直接接觸的底層房間也可通過(guò)地板架空與室外相通，保持良好的通風(fēng)。
2.3自然通風(fēng)
方案通過(guò)對(duì)通風(fēng)條件較好的民居西側(cè)的天井門、天井、正門三個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，期望了解當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居室內(nèi)自然通風(fēng)狀況。測(cè)試采用每隔30 s連續(xù)記錄風(fēng)速并觀察風(fēng)向，自然通風(fēng)測(cè)試工況分為三個(gè)工況：測(cè)試一為開啟天井門和正門，測(cè)點(diǎn)位置也為兩門；測(cè)試二為關(guān)閉正門，測(cè)點(diǎn)位置為天井和天井門，測(cè)試一和測(cè)試二均在正午高溫時(shí)刻進(jìn)行；測(cè)試三為開啟所有門，測(cè)點(diǎn)位置為兩門和天井口，在夜間20:00開始進(jìn)行。假設(shè)南風(fēng)為正，北風(fēng)為負(fù)，天井處由下往上風(fēng)速為正，由室外往天井底為負(fù)，3次實(shí)測(cè)風(fēng)速結(jié)果如圖7所示。
根據(jù)測(cè)試一結(jié)果得出，正門和天井門都為南風(fēng)，天井門平均風(fēng)速為0.48 m/s，正門風(fēng)速則達(dá)到了0.78 m/s；由測(cè)試二結(jié)果可知，當(dāng)關(guān)閉正門時(shí)，天井處風(fēng)向?yàn)橛缮贤�，平均風(fēng)速為0.15 m/s，天井門處依舊為南風(fēng)，平均風(fēng)速為0.4 m/s。結(jié)合兩者結(jié)果可知，白天巷道內(nèi)的氣流通過(guò)正門和天井進(jìn)入住宅，流經(jīng)廳堂和天井底，然后在天井門處出風(fēng)，通風(fēng)方式為風(fēng)壓通風(fēng)為主，在民居西側(cè)形成良好的自然通風(fēng)條件。
根據(jù)測(cè)試三結(jié)果得出，在夜間狀況，天井門處平均風(fēng)速為0.12 m/s，為北風(fēng)進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，正門處仍為南風(fēng)進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，平均風(fēng)速為0.14 m/s，天井處由白天進(jìn)風(fēng)狀態(tài)變化為0.15 m/s平均風(fēng)速的出風(fēng)狀態(tài)。因此，可以看出在對(duì)于具有天井的民居西側(cè)院落空間而言，在夜間的自然通風(fēng)為熱壓通風(fēng)狀態(tài)，熱壓通風(fēng)效果與溫度差相關(guān)，但夜間室內(nèi)整體通風(fēng)效果較差。
通過(guò)民居坐南朝北的房間布局，在白天充分利用當(dāng)?shù)厥彝夂庸蕊L(fēng)，在夜間則利用天井的熱壓通風(fēng)，高深的天井有著良好的熱壓通風(fēng)動(dòng)力，在民居西側(cè)天井院落空間中能夠充分營(yíng)造出一定的室內(nèi)通風(fēng)效果。雖然湘西地區(qū)傳統(tǒng)民居周邊有著尚佳的風(fēng)環(huán)境，但是在東側(cè)臥室由于未考慮自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)，臥室布局和開窗的不合理布置，導(dǎo)致民居?xùn)|側(cè)通風(fēng)效果差。以往研究表明，濕熱地區(qū)民居在夏季室內(nèi)風(fēng)速達(dá)到0.3～1 m/s范圍內(nèi)，人們可以感到愉快，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示臥室內(nèi)風(fēng)速幾乎為0，臥室側(cè)夜間室內(nèi)自然通風(fēng)效果與實(shí)測(cè)溫度相一致，臥室側(cè)通風(fēng)效果弱于廳堂側(cè)，可以嘗試通過(guò)重新調(diào)整房間的平面布局和添加臥室側(cè)房間南北向開窗，使東側(cè)房間與天井和室外能夠貫通，可改善東側(cè)房間室內(nèi)風(fēng)環(huán)境。
2.4表面溫度垂直分布
在7月10日8:00-20:00間，由分布在屋頂、二樓臥室、一樓臥室的表面溫度測(cè)試結(jié)果（圖8）可以得出：二樓的熱緩沖作用明顯，溫度隨著高度的降低而逐漸降低。屋頂表面溫度最高為35.7℃，波動(dòng)范圍為9.4℃；二樓臥室地面最高溫度為30.9℃，波動(dòng)范圍為4.9℃；一樓臥室地面最高溫度為27.8℃，波動(dòng)范圍為2.7℃。由于二樓的屋頂表面溫度直接受到太陽(yáng)輻射影響，白天二樓溫度急劇升高，整個(gè)二樓為封閉的輕質(zhì)薄板結(jié)構(gòu)，雖在夜間這種結(jié)構(gòu)能夠利于散熱，但在白天則溫度升高快。墻面和地面的變化較為相近，但是墻面平均溫度比地面要高出1.3℃，一樓墻面由于為木質(zhì)樘板，蓄熱能力較差，地面溫度由于與大地連接，相對(duì)穩(wěn)定。但是一樓廳堂平均地面溫度要比臥室地面溫度低0.6℃，這是因?yàn)榕P室的架空地板未與大地相連，以及臥室通風(fēng)效果較差，易受到了空氣溫度的影響。
現(xiàn)代建筑中也存在頂層受太陽(yáng)輻射，夏季溫度過(guò)高的問(wèn)題，傳統(tǒng)民居中二樓處作為熱緩沖層，全天溫度都較高，若將二樓全部用作隔熱緩沖層，則犧牲掉整一層，可對(duì)二樓稍加改造重新利用，湘西地區(qū)夏季濕熱的氣候條件決定此類民居中屋頂構(gòu)造不宜過(guò)分保溫隔熱，因此應(yīng)該加強(qiáng)屋頂透氣與遮陽(yáng)，可以考慮增加通風(fēng)屋頂，更換輕質(zhì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)等措施，白天作為頂層的第一層熱緩沖層，夜間則通過(guò)與室外熱壓通風(fēng)降低溫度來(lái)改善頂層熱環(huán)境，也可將冷負(fù)荷較小的次要房間置于頂層，作為第二緩沖層。
2.5表面溫度縱向分布
夏季高溫情況下，根據(jù)室內(nèi)外地面測(cè)試結(jié)果(圖9)可知，室外地面溫度急劇上升，在正午時(shí)，打開天井門，天井地面有部分面積受到太陽(yáng)輻射，溫度也逐漸升高，但未受太陽(yáng)熱輻射的天井地面溫度比受日照直射室外地面低將近11 ℃，天井墻體溫度一直處于較低穩(wěn)定狀態(tài)。一樓開敞廳堂與天井連接，受天井被動(dòng)降溫的作用，全天通風(fēng)效果良好，這種灰空間因遮陽(yáng)作用，太陽(yáng)輻射少，白天地面溫度平均溫度為25.7℃，天井一樓廳堂墻體與地面相連溫度變化一致，但是墻體蓄熱能力不足地面，所以略高于地面溫度。
因?yàn)槲绾筇炀舷聹夭畲�，在天井自然通風(fēng)的作用下，天井墻體水分蒸發(fā)帶走大量熱量，降低了墻體溫度，天井處濕度升高，天井墻面溫度保持相對(duì)穩(wěn)定。現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，可以借鑒將厚重的蓄熱墻體與天井這類灰空間地面相連，在夏季白天受到太陽(yáng)輻射影響，可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，溫度明顯比臥室空氣溫度低2~4℃，可以對(duì)室內(nèi)起到很好的被動(dòng)降溫作用。
3 結(jié)論
1)湘西傳統(tǒng)民居通過(guò)一系列被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)，營(yíng)造了夏季良好的室內(nèi)熱環(huán)境。在夏季高溫的白天，窨子屋由厚重的蓄熱墻體和內(nèi)部輕質(zhì)木墻構(gòu)成的兩套圍護(hù)結(jié)構(gòu)起到了良好隔熱降溫的效果。
2)在夏季風(fēng)環(huán)境較好的白天，湘西傳統(tǒng)民居高窄的天井主要為風(fēng)壓通風(fēng)，在夜間則為熱壓通風(fēng)，有著獨(dú)特的“煙囪效應(yīng)”，而且天井內(nèi)的排水、蓄水系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)溫濕度，成為熱緩沖的灰空間，改善室內(nèi)熱環(huán)境，可借鑒到現(xiàn)代底層住宅設(shè)計(jì)中。湘西傳統(tǒng)窨子屋民居中還應(yīng)加強(qiáng)相鄰房間與天井的通風(fēng)措施，形成了一個(gè)室內(nèi)到室外過(guò)渡的氣流循環(huán)系統(tǒng)。
3)在湘西濕熱的氣候條件下，室內(nèi)相對(duì)濕度很高，底層臥室采用架空通風(fēng)地板的措施達(dá)到了一定的隔濕防潮效果，值得現(xiàn)代民居借鑒，但其高濕度的環(huán)境仍需隔濕防潮技術(shù)才能改善。
4)有著二樓的傳統(tǒng)民居，溫度呈垂直梯度分布，二樓能夠起到熱緩沖層的作用，改善一樓的熱舒適性，同時(shí)可以考慮增加通風(fēng)屋頂，更換輕質(zhì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)等措施加強(qiáng)二樓的通風(fēng)換氣，以改善二樓自身熱環(huán)境。
