传统民居围护体系“能量操作”模式研究

■ 王 旭 Wang Xu 宋德萱 Song Dexuan

传统民居围护体系“能量操作”模式研究

■ 王 旭 Wang Xu 宋德萱 Song Dexuan

传统民居作为当代人居环境中的“活体”，其生态经验对目前的生态可持续设计有重要的借鉴意义。传统民居的室内环境，一方面受到外部环境的直接影响；另一方面也通过围护体系的调节作用间接地受其影响。通过分析传统民居应对外部环境的不同应对措施，研究围护体系对能量不同的操作方式，推导出传统民居围护体系的4种生态原型。这些传统民居的“生态原型”可以适应我国大多数气候条件，并且具备较好生态性能。这是传统民居应对环境系统的负反馈机制，也是传统民居形成地域性特征的重要表现。

传统民居；能量；围护系统；原型

“在我国众多的建筑类型中，传统民居是伴随着人类的出现而产生的最早的建筑类型”[1]。长久以来，作为“设计者”、“营造者”及“使用者”，我国各族人民根据自己的生活习俗、生产需要等条件，结合本地的自然环境与资源，因地制宜、因材致用地营建住所，形成了不同地域特色的传统民居。传统民居在经历较大尺度的历史跨度后，仍然作为“建筑活体”而存在，并且在我国很多地区以“低能耗”的状态被使用着。

普遍意义上，传统民居围护体系的基本功能即是满足建筑的结构、防护等要求。作为“过滤器”或“掩护体”的围护体系，是民居建筑空间的“壳”，是空间得以界定的物质基础。从能量角度分析，传统民居围护体系也是地球圈中能量和物质材料流动的一个环节。围护体系与环境进行着物质、能量和信息的交换（图1），不断发生着诸如太阳热能的传递、空气的流动、雨水的循环等能量的输入和输出现象。可见，传统民居的生态性能，对外部环境资源的充分而合理的利用，必然表现在围护体系的形态、材料等方面。

1 应对“能量”的基本方式

世界由物质、能量以及信息组成。传统民居也无例外地存在于物质与能量系统组成的“能量场”中。传统民居围护体系的能量属性可以理解为外部环境系统能量资源的“功用性”在“有限的”围护体系上的反映。传统民居围护体系对于外界能量的利用程度及内部环境品质的保证具有重要意义。“围护系统”的效能性越高，则意味着传统民居通过围护体系所获得的可利用的外部资源越合理，也越能显示出传统民居的地域性特征。美国建筑史学家瑞纳·班纳姆（Reyner Banham）在其著作《温控环境的建筑》中认为：建筑及其构件是应对环境进行能量操控的调节装置。对于环境的控制可以归结到古代人类针对外界不利气候环境进行适应性调整的两种不同的方式[2]。

图1 传统民居围护体系与能量的关系

1.1 建造的方式

围护体系内空间的温度、湿度等环境品质，取决于围护物的材料以及围护物形式。这表明对环境的控制表现在建筑材料、建筑体形、建造方式等几个方面（图2，帐篷的环境性“行为”：①帐篷将风和雨排出在外；②反射大部分太阳辐射，保持室内热量，排除太阳热能，确保隐私）。这种空间被木材或砖石等坚实的物质所限定，罗杰埃在他的著作中把它视为建筑的“雏形”。例如，先人开掘山洞、建造树居，以摆脱外界不利气候条件的侵袭。由于这种方式的微观环境调控，其可选择性相对有限，因此，应对外部环境需要更多地考虑合理地利用形态、材料，形成适宜性的围护结构体系。

图2 建造的解决方式

1.2 能源的方式

古人在冬天点燃篝火获得温暖（图3，篝火的环境性“行为”：①热能和光能的辐射范围；②热空气和烟雾弥漫在下风向）。篝火提供的热量和光线以火焰中心为圆心向外辐射并逐渐减少。相对前一种原型，这种方式弥补了在个体环境调节方面的不足，提供给个人以更多的可选择性。

以上两种调节的方式，在人类早期的自然经验中广泛、平等地存在。因为围护体系的重点在于解决环境控制的问题，所以建造方式也就可以将其视为研究传统民居围护体系形成的最本原的因素。

图3 能量的解决方式

2 围护体系能量传导规律

我们以“能量流”的原型为基准来分析传统民居围护体系。考虑外部环境能量及物质对传统民居建筑的输入与输出现象，正如杨经文指出的：“建筑设计是能量和物质管理的一种形式，其中地球的能量和物质资源在使用时被设计者组装成一个临时的形式，使用完毕后消失，那些物质材料或者再循环到建成环境中，或是被大自然所吸收”[3]。因此，传统民居的建造和使用实质上是对能量使用循环模式的一种营造，它能保持生态系统的相对稳定，对生态系统空间的压力最少，使来自建造过程和居住活动的能耗及废弃物最小化。

2.1 能量平衡

从能量与围护体系的关系分析，传统民居围护体系与周围环境和建筑内部之间都存在热传递现象。为了形成适宜的室内热环境，需要对建筑得热和失热进行动态平衡。建筑室内外的热交换主要包括九个方面：①通过墙和屋顶的太阳辐射得热；②通过窗的太阳辐射得热；③居住者的人体散热；④室内发热点散热；⑤壁面散热；⑥通过外围护结构的导热、对流与辐射向室外散热；⑦空气渗透和通风带走热量；⑧地面传热；⑨室内水分蒸发，水蒸气排出室外所带走的热量（潜热）（图4）。为让室内处于稳定的适宜温度，上面各项得热的总合等于失热的总合。由此建立热平衡公式，即1~5项之和应等于6~9项之和。

图4 传统民居中围护体系能量传递机理

2.2 能量“熵”减

根据热力学第二定律的描述，当能量从一个封闭系统通过时，该系统用于做功的能量会减少，也就是系统中“熵”会增加。一方面，纯粹孤立系统的能耗过程总是使得系统的无序度即熵增加，如太阳辐射导致传统民居内部环境系统温度持续升高；另一方面，通常开放系统具有基本的热力学特点，即能够产生并维持具备有“内部秩序”的“低熵”状态。围护体系在能量流动过程中体现出一定效率的同时，自身也能获得有序的时空结构。这说明对于能量的有效控制，可通过适宜性围护体系形态层面的优化，对能量进行输入输出，从而可使能效发挥最大的作用（图5），能量在壁面的传热过程。

围护体系的热熵值变化可分为两部分：首先，系统本身能量衰减的不可逆过程必然导致熵加（dis），此部分值永远为正；另一部分是系统本身与进行外界物质和能量交换引起的熵减（des），这个分项可以为负值。整个系统的熵变化计算式为：

ds（系统总熵变化）=dis(熵加)+des（熵减）公式（1）

孤立系统中，无内外交换能量引起的熵流变化，des=0，则ds=dis，说明孤立系统对于环境能量有序度基本无关。而在开放系统中，对于围护体系自身功能有序化有利的熵流des可小于零：

/des/ >dis, 则 ds<0 …………………………公式（2）

图5 传统民居壁面传热过程

上式表明，传统民居系统就能量的熵变化可以小于零，系统总熵的减少，能使民居系统保持低熵状态。与环境持续保持能量开放交流的被动方式即为这样的耗散结构。例如，湿热气候区域的传统民居采用特有的开放式建筑形式——干阑式建筑的架空处理，这使得建筑过量的得热及潮湿所拥有的“焓”能量大部分通过自然通风方式得以交换释放，并维持内部空间一定的舒适度区域。

3 围护体系的能量操作模式

《应变建筑》（吕爱民，2009）一文中指出，围护体系根据其功能的差别，可以定义为“盲界面”和“活界面”。并指出盲界面是对空间相对隔离的围护结构界面，即墙体、楼板或者屋面等。而对应的活界面则是能够对外界环境因子选择性过滤的围护结构界面。可见，“外界气候资源分布的共时性与历时性差异，要求传统民居对围护体系资源的利用过程中，特别强调因地制宜和因时制宜”[4]。

3.1 围护体系的调节

根据上述的分析，传统民居如何合理有效地通过围护体系对能量进行操控，以获得适宜的室内热环境，是本文研究的目的。我们可以将传统民居建筑围护体系的基本调节功能概括为：被动性调节与能动性调节两种方式。

3.1.1 被动性调节

传统民居围护体系的被动性调节功能主要体现在对外界不利气候因素（包括过量的日晒、日照、室外过冷或过热空气）的隔离。提高围护体系保温和隔热能力，保障室内热环境相对稳定的需求，这是围护体系基本功能性目的。构成围护的物质因子应具有良好热阻性能，同时也为保持室内热环境起到稳定性作用。而且，围护体系的隔热能力也是双向的，冬季防止室内热源热量流出，夏季防止室外热量过度地传入。

3.1.2 能动性调节

传统民居围护体系的能动性调节功能体现为对外界能量因素（包括阳光及空气流动）的开放与交换。当外部气候环境动态变化相对剧烈时，围护体系既需要满足夏季的隔热防热及对外通风，同时又要满足冬季白天引入太阳辐射热、晚上蓄热保温等随时间的变化要求。如南方传统民居中的支摘窗，在外部条件合适时，打开支摘窗可以接受外部环境资源；当不利的外部条件出现，如过多的日晒或者暴雨时，可以关闭支摘窗，以保护内部环境系统免受或少受外界不利因素的侵扰（图6）。

3.2 围护体系的能量操作原型

由于围护体系是将外部资源能量向传统民居内部空间导入的介质，这决定了围护体系对于传统民居的“资源的功用性”。同时，传统民居在满足基本居住需求的同时都应该尽可能缩减围护体系的量。因为在传统民居建造完毕后，围护体系的量相对稳定。此时的围护体系也就具备了“资源的有限性”[5]。因此，传统民居可以根据围护体系对能量的操作模式抽象成某些原型，这些原型必定是应对一定的地域性外部环境。其机理表现出将外界能量资源向内部传统民居空间转移或者隔绝的效用，即能量传递的功能性，以实现对外部环境资源有效和高效地利用。基于上述被动性与能动性调节方式的分析与归纳，参照我国不同地域的气候区划，我们可以得到以下4种应对外部环境的能量操作原型。

3.2.1 原型一：能量的阻隔

传统民居对于相对固定的围护体系部分，通过加大围护构热阻，提高自身保温隔热性能，这种模式主要分布于严寒地区。例如，西藏碉房位于青藏高原。由于海拔高，太阳辐射强，雨量稀少，气候干燥，冬季寒冷。气候环境变化骤烈，日较差及日夜温差大。当地的传统民居多依山而建，以平屋顶的屋面形式居多。建筑形态呈现封闭式天井或院落，具有较小的体形系数。加之当地植被短缺，主要建筑材料采用石块。内为密梁木楼层，其外部围护体系表现为石墙材质的楼房。民居外部比较严实，墙厚窗小，窗墙比常不到20%。这些围护系统的特征均倾向于防风、保温和减弱日晒的作用机理（图7（1））。

图6 传统民居支摘窗

3.2.2 原型二：能量的保持

通过使用热工性能良好的材料，以获得能量的保持，这种模式主要存在于寒冷地区。以窑洞为例，分布于陕北黄土高原，地形沟壑纵横交错。其气候环境特征表现为干旱少雨、阳光充足。当地富含生土资源，但木材资源缺乏。陕北的沿崖窑洞利用山地地形，采用土层保温蓄热，改善室内热环境。土壤具有较高的热惰性指标，厚重的土层起到一定的绝热作用。同时，因为其热惰性较大，外界的温度波动对民居的围护体系仅仅在一定范围内影响，在此范围外则温度较为稳定。因此，高热容的外围护体系使得民居的能量得以保持，形成一个良好的天然“冷”、“热”藏库，呈现冬暖夏凉的生态性能（图7（2））。

3.2.3 原型三：能量的交换

通过围护体系的通透性，强调与外界能量交换，通过交换削弱不利的能量因素（湿热的空气与热量），这种模式分布于温和地区。云南西双版纳“干阑”式民居地处亚热带气候带，年降雨量大，常年气温较高，湿度很大。其主要的建筑形态为底层架空的干阑式建筑。这种围护体系适应当地潮湿多雨的气候条件，其主要材料为就地取材的竹、木。架空层几排柱子支承上部建筑的重量，木或竹的楼面留缝，使较凉的空气从底层透入，改善微气候。上两层为居住空间，向外开窗，内侧为廊，连通各间。屋顶坡度较大，多采用“歇山式”以利屋顶通风。飘檐较远，重檐的形式有利于遮阳、防雨[6]。干阑式民居中央部分终日处于阴影区内，较为阴凉，为公共性活动用的区域。这种围护体系是通过能量的交换将民居中的焓湿降低，进而形成相对适宜的室内热环境（图7（3））。

图7 4种能量操作的原型图

3.2.4 原型四：能量的通过

对应的可变围护体系部分，通过围护体系界面“应变”等方式，满足在外部气候条件变化较大时，其围护结构体系具备一定的可变性，这种模式主要分布于夏热冬冷地区。例如，浙江民居位于江南地区，全年气候湿润、雨量充沛。太阳过量的辐射集中在夏季的 7、8 月份。此地区湿度较大，常年平均相对湿度在 80%左右，具有明显的梅雨季节。针对冬季湿冷、夏季闷热的气候条件，当地民居首先解决建筑的防热问题，同时兼顾冬季保温措施。当地的传统民居形态多为狭小内天井型的合院建筑。夏季，高深的院墙阻挡直射阳光的入射量，遮阳作用显著，天井处于阴影之中。厅堂檐墙多可拆卸，与开放的天井组合，空间纵向贯通。这种围护结构体系具有很好的导风作用，这种能量通过的模式可以在夏季带走庭院和室内的湿气，并给民居带来舒适性的微风（图7（4））。

综合以上的分析与归纳，我们可以看出，不同地域环境中的传统民居，围护体系在负反馈机制下，呈现出不同的能量操控方式。其实质是对外部资源最合理化的使用。通过ECOTECT软件生成的数据，对不同地域传统民居进行分析，将数据整理对比得以验证出：在被动模式下，不同地域特色的传统民居应对外部环境表现出不同的效能（图8）。

4 结语

传统民居在当代仍然具有积极的现实意义。但当前许多对传统建筑的继承过于注重形式层面的继承，而忽略对传统民居“原型”及其本源的把握。以至于仅仅将传统民居当作“模型”去仿制，而忽视传统民居生态性的“内涵”。我们应该从更深层次上认识到人们最基本的需求与建筑存在的意义。从传统建筑的生成和演变过程中，发掘其合理应对能量的内在“生态”内涵。建立“人、建筑、自然”三者动态平衡的认识观。这是传统建筑所蕴涵的长久生命力与精神所在，也是我们进行建筑可持续设计的根本原点与最终目标。

图8 不同气候区划传统民居的被动措施（根据ECOTECT软件数据整理）

[1]张涛.国内典型传统民居外围护结构的气候适应性研究[M].西安:西安建筑科技大学,2012.

[2]黄舟.生态建筑类型学研究初探[D]. [硕士论文].武汉:华中科技大学,2005.

[3]李保峰,李钢.历史的转折点[J].城市建筑,2006(7):7.

[4]吕爱民.建筑围护结构的资源属性[J],华中建筑,2003(6):27.

[5]吕爱民.建筑围护结构的资源属性[J].华中建筑,2003(6):28.

[6]谢浩.我国传统民居气候设计的启示[J].住宅科技,2007(6):51.

Study on the "Energy Operation" Mode of the Enclosing System of Traditional Dwellings

The ecological experience of traditional dwellings, as "living body" of contemporary living environment, can be used for important reference for nowadays ecology sustainable design. In respect of the indoor environment of traditional dwellings, on one hand it is directly inf uenced by external environment, on the other hand it is indirectly in f uenced by the enclosing system through its function of adjusting. By analyzing various measures of traditional dwellings for dealing with external environment and studying various energy operation modes of the enclosing system, it deduced 4 varieties of ecological prototypes of enclosing system of traditional dwellings. These "ecological prototypes" of traditional dwellings can adapt to the most of climate conditions of China and have favorable ecological performances. This is both the negative feedback mechanism of traditional dwellings to environmental systems and important manifestation of regional features formed by traditional dwellings.

traditional dwellings, energy, enclosing system, prototype

2016-01-10）

国家“十一五”科技支撑计划项目资金支持，课题编号：2008BAJ08B04-5。

王旭，同济大学建筑城规学院博士研究生、讲师，国家一级注册建筑师；宋德萱，同济大学建筑城规学院教授、博士生导师，中国建筑学会建筑技术专业委员会副主任委员，中国绿色建筑专业委员会委员，国家一级注册建筑师。