农村民居过渡季节室内热环境测试分析

■ 陈兴义 Chen Xingyi 李 婷 Li Ting

农村民居过渡季节室内热环境测试分析

■ 陈兴义 Chen Xingyi 李 婷 Li Ting

对豫北地区具有代表性的焦作市博爱县贵屯村传统民居和当地新建民居进行实地调研和温湿度测量，对新旧两种民居过渡季的保温效果进行对比分析，总结出传统民居和新型砖混民居建筑在过渡季节节能方面的优势与不足。在此基础上，对该地区的气象数据进行Weather Tool软件模拟分析，提出优化寒冷地区传统民居室内热环境的方案，并从空间布局、窗户、围护结构以及新能源利用方面对农村住宅建设提出建议，以期达到既延续当地传统民居外观特征，又能提高住宅舒适性的目的。

豫北地区；生土民居；砖混民居；室内热环境；节能分析

0 引言

随着国家建设新农村战略的不断推行，广大农村地区的民居有了较快的发展，出现了传统民居和新型民居并存的局面，但民居室内的热环境问题并未得到改善。我国建筑测试现场研究起步于20世纪90年代，目前已覆盖各个热工分区。1997年昆明理工大学李莉萍撰写了第一篇关于云南哈尼族民居室内热环境研究的论文[1]，尽管现在看来测试内容比较单一，连续测试时间只有1h，但它的发表却开创了一个新的研究领域。随后，刘加平、刘大龙、胡冗冗等对寒冷地区冬季热环境测试研究发现，传统生土民居具有高湿低温的特点，土坯围护结构具有良好的蓄热能力和热稳定性[2-5]；宋冰、杨柳等人对夏热冬冷地区冬季进行实测研究，发现传统民居防寒效果差，阴冷潮湿[6-8]；何文芳等人对吐鲁番夏季进行实测研究，提出应对高温、干燥、气闷的策略建议[9]。上述测试主要集中在不同热工分区的气温极端季节，较少涉及过渡季节。袁涛、李建东、王利端等人对自然通风条件下过渡季节办公建筑的热环境进行了研究[10-12]，但以上研究并未涉及过渡季节农村民居的热环境，而过渡季节时间占全年的1/2，民居在过渡季节的热环境问题同样重要。笔者拟从过渡季节入手，以豫北地区中小城市焦作市为研究对象，对该地区农村民居的室内热环境条件进行测试分析，了解当地民居的热工性能，为提高当地民居的热舒适性提出可行的建议。

1 概况

1.1 贵屯村气候概况

本文选择焦作市博爱县东部的贵屯村为研究对象，该地区地处内陆，属温带大陆性季风气候，日照充足，春季干燥多风，夏季炎热，雨量充沛，秋季舒爽，冬季严寒少雪。年平均气温12.8℃，年极端最高气温43.6℃，年极端最低气温-22.4℃，7月最热，月平均气温27～28℃；1月最冷，月平均气温-3～1℃。平均无霜期200d，降水量600～700mm，在《我国建筑热工设计分区》上属于寒冷地区。

1.2 被测建筑概况

为了使本次测试更具有对比性，选取贵屯村不同时代的新老建筑各一处，两栋建筑相毗邻，气候条件与室外环境相似，建筑朝向均为南北朝向。对两栋建筑分别进行热工测试。

1.2.1 生土民居

所选的生土民居为该地区20世纪70年代常见形式，主体房屋为3间，分别为卧室、客厅和厨房，其中客厅和厨房相通，卧室独立，房门开在客厅中央位置，南向带有独立庭院。建筑外墙墙基用实心黏土砖砌筑，主墙体用土坯砌筑而成。屋顶形式为硬山式双面坡屋顶，地面铺黏土砖。采用抬梁式构架，地面铺设黏土砖，屋门上挂有布帘，窗户为步步锦窗棂格。常住人口为一位老奶奶和她的小孙子。建筑平面布局具体功能分区如图1（1）所示。

1.2.2 砖混民居

被测2层砖混民居建筑为近年所建，外墙采用240mm普通实心黏土砖砌筑，内隔墙为120mm；内墙做20mm厚的石灰砂浆抹灰，外墙南立面为白色瓷砖。屋顶为钢筋混凝土平浇筑的平屋顶。1楼南向窗户为塑钢推拉玻璃窗，并安装窗纱，无遮阳措施。2楼南向墙体做塑钢玻璃阳光间。建筑层高约为3.5m，地面铺设地板砖（图1（2））。

2 测试方案

本次测试目的是为了研究新旧民居建筑在过渡季节的热环境状况，因此测试时间选在秋季，具体时间为2014年11月16日9∶00～11月18日9∶00连续48h测试。测试期间天气状况良好，均为晴天。

测试内容包括新旧民居建筑室外空气温湿度，室内各房间温湿度以及室内热舒适度。空气温度测试采用日本自记式温湿度计，室外温度测点置于室外背阴处，并用锡箔筒遮盖，室内热环境测试采用CASSLER IAQ室内热舒适仪，测点布置详见图1（1）和（2）。自记式温湿度计测试间隔时间为10min，热舒适仪测试时间间隔为10min。

3 测试结果与分析

3.1 室外空气温湿度情况

生土民居和砖混民居相距不到1km，因此可视二者的室外热环境相同，两民居采用相同的室外温湿度数据。

室外空气温湿度如图2所示，室外平均气温9.6℃。室外温度变化较大，范围在3.8~16℃，最高气温16℃出现在16日下午15∶00左右，最低气温3.8℃出现在18日清晨7∶00左右，平均日温波幅为10.8℃。

室外空气相对湿度变化范围为21.6%~82.3%，平均相对湿度为52.1%，室外相对湿度变化范围较大，在17日15∶00达到相对湿度最小值21.6%，16日9∶00相对湿度达到最大值82.3%，相对湿度变化曲线刚好与室外温度变化曲线相反。

3.2 生土民居室内温湿度情况

生土民居室内外空气温度变化如图3所示，室外空气温度波动幅度较大，平均日较差10.8℃，最低气温3.8℃，最高气温16℃。相比之下室内温度波动幅度则大大缩小，并明显高于室外空气温度，全天维持在11℃以上。室外气温最高值出现在15∶00左右，而室内房间的最高值均出现在18∶00左右，这表明土坯墙有较好的蓄热能力和热稳定性。

客厅全天室温平均值为12.9℃，峰值为14.2℃，谷值为11.3℃，温度波动2.9℃。厨房全天室温平均值为12.9℃，峰值为14.4℃，谷值为11.4℃，温度波动3℃。卧室全天室温平均值为13.1℃，峰值为15℃，谷值为11.5℃，温度波动3.5℃。

图2 室外空气温湿度变化曲线

由于客厅和厨房处在一个大通间内，两个功能分区间没有墙体的阻隔，较之于客厅和卧室间空气流动较为快速，热量传递也较为频繁，因此二者的温度变化曲线走势基本一致。而卧室与客厅之间有一道砖墙阻隔，温度变化曲线走势与客厅、厨房稍有不同。在夜晚22时至次日清晨8时之间，卧室的空气温度要稍高于客厅和厨房的温度，这是因为卧室晚间有人居住，室内人体散热所致。

生土民居室内外空气相对湿度变化如图4所示，虽然室外空气相对湿度波动幅度较大，但各房间内的湿度均稳定在37%~59%之间，说明夯土墙有良好的调湿能力。

生土民居的厨房白天湿度低，夜间湿度高，而卧室恰恰相反，白天湿度高，晚上湿度低，客厅处于二者之间。客厅屋门挂有布帘，窗户也基本不开，通风换气不顺畅，太阳辐射的作用也因为悬挂的布帘，而大打折扣。

3.3 砖混民居室内温湿度情况

3.3.1 空气温度

图3 生土民居室内外空气温度变化曲线

图4 生土民居室内外相对湿度变化曲线

砖混民居室内外空气温度变化如图5所示，砖混民居室内各房间空气温度明显高于室外空气温度，各房间的平均温度均高于11℃。其中1楼各个房间的温度要明显高于2楼各个房间的温度，房间温度的整体走势平缓，波动幅度小。1楼处于南向客厅的逐时温度略高于1楼北向卧室的逐时温度，这是因为南向采用塑钢推拉玻璃窗，无遮阳措施，中午太阳辐射通过窗户，直射客厅，房间温度升高。

从图5可以看出2楼客厅的温度波动幅度较大，而且昼间温度明显高于夜间温度。这是因为2楼客厅为阳光间，有大面积的单层玻璃，透光率高，导热系数大，阳光间温度的升高主要依靠太阳辐射的作用，但阳光间的保温性差，夜间太阳辐射减弱，阳光间的温度也随之降低。因此要改善现有阳光间存在的缺陷，可以考虑增加阳光间夜间保温措施，比如使用双层玻璃，安装保温窗帘，增强保温性能等。由此可见，被动式太阳房房间温度受太阳辐射影响明显。2楼西户最高温度出现时间比2楼客厅延迟2h左右，这是由于西户房间西面墙体上开有窗户，下午太阳辐射通过窗户进入室内，导致房间温度升高。

图5 砖混民居室内外空气温度变化曲线

图6 砖混民居室内外相对湿度变化曲线

从图5还可以看出2楼3个房间温度在两天内的变化规律，其中，2楼西户的温度最低，尤其是每天9∶00～16∶00，在此期间，均低于同层其它两个房间约1.5℃左右，这是因为该房间南向和东向均为实体墙，白天没有阳光直射，直到16∶00之后，太阳辐射通过窗户进入室内，房间温度才得以升高，但仍低于其它两个房间，在凌晨7∶00达到最低值。2楼北屋虽然没有阳光直射，但其房间较小，北向窗户也较小，有利于保温，故其温度变化幅度最小。这说明房间的朝向、房间及窗户的大小位置关系等对室内热环境有较大影响。

3.3.2 相对湿度

砖混民居室内外空气相对湿度变化如图6所示。室内湿度受使用者活动影响较大，2楼各房间几乎很少有人使用，故其湿度变化相对较为稳定，1楼各房间使用较为频繁，故其相对湿度较大。分析可见，房间温度越高，相对湿度越低。由于过渡季节当地住宅一般关闭窗户，屋门也挂有布帘，因此除阳光间外，其它房间相对湿度的变化受室外相对湿度变化的影响较小，主要受室内温度变化的影响，相对湿度随着温度的降低而增大。

4 砖混建筑和生土建筑室内热环境对比分析

建筑的空间布局及围护结构材料及厚度等对建筑室内热环境有较大影响，为了比较砖混建筑和生土建筑的室内热环境情况，将测试两天所得数据放在同一张图表上进行分析。

4.1 温度

砖混建筑和生土建筑1层室内空气温度变化曲线如图7所示。在测试的48h内，室外平均气温9.6℃，砖混建筑室内平均温度13.7℃，高于室外温度4.1℃。在两者室内外平均温度差方面，砖混建筑比生土建筑高出1.1℃，这说明砖混建筑的热工性能要优于生土建筑。

图7 新旧民居1层室内空气温度变化曲线

图8 新旧民居室内空气相对湿度变化曲线

这是因为砖混建筑的墙体有内外粉刷层加以保护，增强了围护结构的保温性能；另外，砖混建筑为2层，传统的生土民居为1层，2层屋顶有效地遮挡了太阳对1楼空间的辐射，改善了室内热环境。此外2楼阳光间的设立也对提高日间室内空气温度起到一定作用。

4.2 相对湿度

生土建筑和砖混建筑1层室内空气相对湿度变化曲线如图8所示，在测试的48h内，室外平均相对湿度52.1%，砖混建筑室内平均相对湿度为39.1%，生土建筑室内平均相对湿度为47.1%。二者都处于ISO 7730[13]推荐的过渡季节舒适区30%～70%范围内。从测试数据可以看出，生土建筑室内平均相对湿度略高于砖混民居室内相对湿度，这是因为，生土建筑的气密性比砖混建筑要差，与室外空气交换便利，因此生土民居室内的相对湿度较高。

5 基于Weather Tool的气候分析

本文采用Ecotect 的子软件——Weather Tool气象数据分析工具，对豫北地区的气象数据进行计算机模拟，找出适合当地气候的优化方法，改善本地区的人居环境。

图9是豫北地区全年焓湿图，图10 是豫北地区11月焓湿图，假设人的活动状态为静坐。图中黄色多边形所示区域为舒适区域，从全年来看，豫北地区全年温湿度状态点主要分布在舒适区域之外，集中在右上方和左侧，由此可见，该地区冬季干冷，夏季湿热。过渡季节空气状态点主要集中焓湿图的左下角,即干球温度低，相对湿度低，表现为过渡季节比较干燥，温度较低。图11、12为豫北地区全年逐时数据太阳直射辐射图和散射辐射图，图中黄线密集，说明豫北地区全年日照时间较长，太阳辐射较高。因此，具有冬季利用太阳能采暖和热水供应的潜力。

图9 豫北地区全年焓湿图

图10 豫北地区11月焓湿图

图11 逐时数据-直射辐射图

图12 逐时数据-散射辐射图

为了分析豫北地区农村民居过渡季节的被动式设计潜力，笔者依次在焓湿图中对使用6种单一的被动式技术措施后产生的潜在效应进行模拟，探究其对建筑热舒适的影响。图13中黄色区域为该地区过渡季节理论舒适区，红色部分为采用该项被动式技术后达到的舒适范围。

通过观察过渡季节各被动式技术的改善效果，可以发现，并不是所有被动式技术对提高过渡季节舒适区域都有明显的效果。被动式太阳能技术和自然通风在过渡季节提高舒适区域范围效果显著；使用高热熔材料和同时使用高热熔+夜间通风技术提高过渡季节舒适区域的效果差异不大，因而可以考虑仅仅使用高热熔材料；直接蒸发降温技术和间接蒸发降温技术提高的舒适区域，对过渡季节豫北地区农村民居的作用不明显。由此可以得出结论，过渡季节采用被动式太阳能技术、使用高热熔材料、改善室内的自然通风状况，能提高建筑的舒适性。

6 豫北农村民居热工性能测试结论及改进建议

通过对豫北地区新旧民居室内外热环境进行现场测试，了解到该地区民居过渡季节室内热环境质量能够基本满足当地居民的生活要求，但仍有需要改进的地方。根据测试分析结果，提出以下建议：

（1）豫北地区新型砖混民居与传统生土民居相比，室内功能布局更加多元化，更加合理，基本能够满足现代农村居民的生活方式。但新型砖混民居前后两户民居南北之间的建筑间距较小，影响了北向房间的采光通风和太阳辐射得热，据测量，此测试民居与南北相邻的民居间距只有4m，很难满足室内的采光需求。

图13 过渡季节单一被动式技术焓湿图分析

（2）新型砖混民居2楼被动式太阳房温度波动较大，温度波动幅度为3.2℃，是室内波幅最小房间的4倍。在围护结构整体的热量损失中，门窗失热率占到40%。单层玻璃的总传热系数在6.40W/（m2·K）左右，为实心墙体的4倍[14]。因此，窗的保温性能对室内热环境和能耗影响极大。测试民居中太阳房及其它窗户的玻璃均为普通单层玻璃，窗户缝隙较大，气密性较差。为了改善室内热环境，可以选用保温性能的窗体材料，比如吸热玻璃，或选用双层玻璃、中空玻璃，提高保温效果，也可增设保温窗帘，减少夜间散热。

传统民居为木门窗，无密封措施，气密性不好，热量损失更大，建议传统民居窗户使用保温薄膜提高窗的热阻，减少窗户的散热和传热系数。

（3）土坯墙有良好的保温性能，能够调节室外早晚温差变化对室内热环境的影响，但其缺点是墙体过厚，占用过多面积。豫北地区在热工分区上属于寒冷地区，冬季漫长而寒冷，新型砖混民居240mm实心黏土砖恐难抵御冬季低温。因此为了提高节能效果，节省建筑面积，减轻建筑体量，增强建筑的热工性能，建议使用黏土多孔砖砌筑保温外墙体。

（4）充分利用可再生能源。农作物秸秆是很好的生态建材，当地的农作物是小麦和玉米，可以把玉米秸秆和小麦秸秆制成草砖，制成稻草板，这种新型墙体材料质轻、隔音、隔火耐热、强度高[15]，用于非承重结构，代替传统的黏土实心砖，可节约能源，提高房屋舒适性。

[1]李莉萍.云南典型哈尼族民居热环境和光环境研究[J].云南工业大学学报,1997(04):69-74.

[2]高翔翔,胡冗冗,刘加平,唐方伟.北方炕民居冬季室内热环境研究[J].建筑科学,2010(02):37-40.

[3]胡冗冗,王鹏,杨柳,刘加平.关中乡村民居冬季热工性能对比分析研究[C].2010年建筑环境科学与技术国际学术会议.中国江苏南京:2010.8.

[4]刘大龙,刘加平,何泉,翟亮亮.银川典型季节传统民居热环境测试研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2010(01):83-86.

[5]胡冗冗,李万鹏,何文芳,刘加平.秦岭山区民居冬季

室内热环境测试[J].太阳能学报,2011(02):171-174.

[6]宋冰,杨柳,刘大龙,洪祖根.西递徽州民居冬季室内热环境测试研究[J].建筑技术,2014(11):1033-1036.

[7]李亚亚.夏热冬冷地区居住建筑冬季室内热舒适研究——以杭州、合肥为例[D].西安:西安建筑科技大学,2013.

[8]曹珍荣,龚光彩,何春雯.夏热冬冷地区农村居住建筑冬季室内热环境测试[J].暖通空调,2013(S1):279-282. [9]何文芳,白卉,刘加平.吐鲁番地区民居夏季热舒适测试研究[J].太阳能学报,2014(06):1093-1097.

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[11]王利端,狄育慧,刘颖.西安市过渡季节办公建筑室内热环境研究[J].洁净与空调技术CC&AC,2012(3):12-14.

[12]王利端.西安市办公建筑室内热环境现状研究[D].陕西:西安工程大学,2012.6.

[13]ISO.ISO Standard 7730 Ergonomics of the thermal environment-analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria[S]. Geneva:ISO,2005.

[14]刘念雄,秦佑国.建筑热环境[M].北京:清华大学出版社,2005.

[15]王少南.新型轻质建材——稻草板[J].中国建材,1984(06):51.

Test and Analysis of Indoor Thermal Environment in Rural Residential in Transitional Season

We investigated and measured the temperature and humidity of traditional and new residential houses in Guitun Village, Bo'ai County, Jiaozuo City, north of Henan Province, we also compared and analyzed the heat preservation effect of old and new residential houses and summarized the advantages and disadvantages of traditional residential houses and new brick-concrete residential building in energy saving during the transitional seasons. On this basis, the weather data of this area is simulated and analyzed by Weather Tool software, and the scheme of optimizing the indoor thermal environment of the traditional residential areas in the cold area is put forward, and the suggest for rural residential construction is put forward from the aspects of space layout, windows, enclosures and new energy utilization in order to inherit the local traditional residential house’s appearance characteristics and also improve the comfort of residential house.

north of Henan Province, traditional house, brick-concrete house, indoor thermal environment, energy-saving analysis

2016-11-24）

陈兴义，河南理工大学建筑与艺术设计学院教授；李婷，河南理工大学建筑与艺术设计学院在读研究生。