黔东南苗族半干栏吊脚楼夏季热环境实测研究

吴崇山 单军 / WU Chongshan, SHAN Jun

1 引言

黔东南苗族居民在与所居山地环境的长期对话中，创造出独具特色的半干栏吊脚楼建筑。其居住层空间一半布置于山崖边，另一半支承于吊脚柱之上，悬置于山体之外，在逼仄的山地环境中向天空争取出生活空间，因此也有“半边楼”的称谓（李先逵，1983）。相比于传统全干栏结构，半干栏吊脚楼在复杂山地地形中的灵活性不言而喻。李先逵认为，苗族半干栏的创造大大丰富了人们对于干栏建筑的认识，是干栏建筑文化史中一次质的飞跃，其完美充当了干栏建筑向地居建筑进化过程中的过渡形态，具有里程碑意义（1992）。

半干栏吊脚楼以穿斗式木枋柱体系为主结构，嵌套其中的拼缝木板壁墙面，界定出居住空间内外并分隔出不同使用功能。覆盖其上的水平拼缝木板既作为居住层空间的屋面板又是阁楼层的地面，并与吊脚楼最顶端的双坡落水干摆瓦屋面一同构成通风性能良好的阁楼空间，用以储存并风干粮食作物等。居住层下，吊脚柱与山体夹持的狭长空间常作为储物间或牲畜棚，人畜分层的功能布局策略保证了居住层的卫生。

相较于砖混结构的当代农宅，吊脚楼民居对环境相对开放，其轻质维护界面更利于通风散湿，较好应对了西南山地夏季潮湿多雨的气候特点。为了更好地了解黔东南苗族半干栏吊脚楼建筑气候适应性特征，本研究采取现场实测的方法，试图定量分析其夏季室内热环境现状，并以此为基础提取其民居营建中的气候策略。

2 吊脚楼民居热环境实测研究

2.1 测试对象

台江县是黔东南苗族侗族自治州下辖苗族自治县，县域97%以上的人口均为苗族，有“天下苗族第一县”的美誉。台江县地处云贵高原东部苗岭主峰雷公山北麓、清水江中游南岸，北纬26°24′-26°53′，东经108°03′-108°31′之间，属亚热带季风湿润气候。年平均气温18.5℃，近十年最高气温39.2℃。年平均降水量1050～1120mm。年平均日照时数1030～1500小时，年总辐射137.4kcal/cm2。台江属于我国建筑热工设计分区Ⅲ区，即夏热冬冷地区。本文选取其下辖登鲁苗寨一栋建于1960年代的半干栏吊脚楼民居为研究对象，该建筑室内外现状、各层平面、剖面及测点布置如图1、2所示。该吊脚楼坐东朝西，背倚山崖，其平面为“一”字形，由3开间正房及其南面偏厦组成，共4开间。建筑共分为3层，底层为储物间、厕所等辅助空间；中间为居住层，分为堂屋、卧室、火塘间及厨房等不同功能房间；顶层为阁楼，用以储藏粮食及杂物等。主入口位于居住层南面，由该入口转入西面凹廊后，经由堂屋正门进入房间。吊脚楼围护结构由25mm厚杉木企口板拼合而成，屋面做法为黔东南地区较为常见的干摆瓦。大门为木质，白天长时间开启。窗分为两种，一为木格窗，无玻璃，关闭时通过室内可推拉的木板将窗口完全遮蔽；另一为木框普通单玻璃窗，可通过合页自由开启。卧室1、2、3及堂屋的窗属于前者，火塘间、卧室4及厨房的窗则属后者。

图1 测试对象外观及室内现状

2.2 测试方案

测试时间为2018年8月12日0:00～14日24:00，晴天，实测期为台江地区典型夏季。测试仪器包括TBQ-2太阳能总辐射表、WSZY-1A温湿度自记仪、WWZY-1无线温度记录仪、WFWZY-1万向风速风温记录仪及HQZY-1黑球温度自记仪。记录数据包括水平面太阳总辐强度、空气温度、空气相对湿度、风速、黑球温度、物体表面温度等，测点如图2所示。水平面太阳总辐射强度每20min采集一次，其余数据均每10min采集一次。空气温度的连续实测点包括室外（自记仪放置于气象箱内，避免太阳直射），堂屋，卧室1～4，火塘间，入口凹廊（半室外空间，与堂屋毗邻），吊脚层贮藏间及阁楼，其布置点距地面高度均为1.1m。风速实测点位于堂屋、卧室1、入口凹廊、吊脚层贮藏间及阁楼处。物体表面温度测点布置于堂屋东、南、北壁面，堂屋水泥地面（接地）、木板地面（出挑），阁楼东、西坡屋面瓦底表面。

2.3 实测数据分析

2.3.1 水平面太阳辐射强度分析

测试期间日太阳辐射持续时间约为12h，平均太阳辐射强度为457.47W/m2，最大值出现在每天中午12:20～13:00，并保持在1050W/m2上下（图3）。测试周期内，日间云层活动复杂，导致太阳辐射值波动较为频繁，且振幅较大。

2.3.2 空气温度及相对湿度分析

（1）温湿度横向比较

测试期间，室外、半室外空间（入口凹廊）及居住层主要功能房间（堂屋、卧室1、卧室2）空气温度、相对湿度随时间变化关系如图4所示。由图可知，测试期间室外温度呈稳定周期性变化，且昼夜温差较大。经统计分析，其间室外平均温度为26.6℃，最高温度达37.9℃，最低为20.9℃，一日内最大温度波幅为17℃。日最低气温出现在6:00～7:00，最高气温则出现在15:00～17:00。入口凹廊是吊脚楼民居最具代表性的半室外空间，其不仅是居住层的出入口所在，也是居民日间重要起居场所。在9:00～16:30时段内，入口凹廊空气温度低于室外气温（图4）。经计算，测试期间该时段内其平均温度较室外气温低1.4℃。16:30之后，太阳开始落山，此时太阳高度角较低，屋檐已无法遮挡光线。太阳光直射入凹廊，迅速加热木板壁，温度疾升的木板壁通过传导及长波辐射的方式快速加温周围空气，使其温度在较短时间内达到峰值，且高于该日室外最高气温。19:00以后，太阳完全落山，此时木板壁通过长波辐射向外界释放热量，其表面温度陡降。失去热源的凹廊空气通过与室外空气不断对流换热其温度也迅速下降并与室外气温趋向一致。夜间其空气温度仅稍高于室外气温，且其二者变化趋势基本一致。堂屋是吊脚楼的核心空间，居民诸多日常生活、生产活动都在此展开，其使用频率为所有房间之最。由图4可知，堂屋温度波幅远小于室外及入口凹廊，其日间对气温峰值削减作用明显，而夜间温度则高于室外及入口凹廊，表现出较高的整体热稳定性。其原因如下：（1）堂屋南北、上下均有房间，有效发挥了热缓冲作用；（2）堂屋东壁面外与山体夹持的狭长空间终日不见阳光，致使其冷空气聚集，温度波动较小，日间对堂屋有一定降温作用；（3）“半楼半居”的半干栏建筑特色决定了堂屋地面“半落地、半悬挑”的独特形式（图2），而“落地”的水泥自流平地面与大地相接，具有良好的蓄热性能和较稳定的表面温度，这无疑增加了堂屋空间的整体热稳定性。卧室在夜间发挥着重要作用，而白天使用频率较低。由图4可知，卧室1日间峰值温度明显高于卧室2，且其峰值温度出现时间与入口凹廊一致，这表明其峰值温度决定于16:30之后太阳落山时的水平太阳直射。而卧室2未受太阳直接辐射，其温度决定于周边空气温度，决定方式为导热及对流换热。室外及卧室1均与卧室2直接毗邻，其二者空气温度均是卧室2温度的强影响因子。卧室2空气温度在15:00～19:00之间达到全天最大，而其中会出现两次显著波峰，反映出室外气温与卧室1温度的交替影响作用。从卧室1与卧室2日间温度变化的对比中可以看出，太阳辐射对室内温度的影响程度远高于室外空气温度，因此遮阳是吊脚楼民居气候设计中应重点关注的内容之一。夜间卧室2温度稍高于卧室1，且相对于卧室1表现出一定热延迟性，这与其地面形式有关：卧室1为楼层地面，其材质为木板；卧室2为水泥地面且与大地相连，热稳定性更高。

图2 吊脚楼平面、剖面及测点位置示意

测试期间，室外空气相对湿度较高，平均值为75.8%，最高值可达93.2%，最低值为42%。其变化规律与空气温度的变化规律相反，即温度越低，相对湿度越高。堂屋、卧室1、卧室2相对湿度变化都较室外缓和，主要是由于其空气温度波幅较室外平缓。比较卧室1与卧室2室内空气相对湿度变化规律可以发现，在0:00～9:00时间段内，卧室2室内空气温度高于卧室1，而该时段内卧室2室内空气相对湿度同样高于卧室1，这说明卧室2室内绝对湿度高于卧室1。调查发现，测试期间卧室2的门窗始终处于关闭状态（有人出入时卧室门偶尔开启）；而卧室1在7:00～22:00时段内，窗户完全开启，22:00～次日7:00时段内窗户完全关闭，门则一直处于关闭状态（有人出入时偶尔开启）。这导致卧室1日间不断与室外进行着空气交换，生活中产生的湿气通过对流及时排出室外，避免了湿气沉积。而卧室2室内通风不畅，其湿气沉积较卧室1严重。由此可见，合理利用热压及风压组织通风换气对西南山地高湿地区民居设计具有重要意义。

图3 水平面太阳总辐射强度

图4 测试期间室外、半室外及主要功能房间温湿度变化曲线

测试期间各功能房间温度变化范围均小于室外及半室外空间（图5、6）。其中卧室2、卧室3温度振幅最小，分别为6.6℃及6.5℃；卧室1温度振幅最大，达12℃。各功能房间最低温度相对接近，其最大温差仅为1.4℃，因此决定温度范围大小的关键因素为温度最高值。卧室1温度最高值达35℃，在所有功能房间中最高。紧随其后的是火塘间及卧室4，其最高温分别为33.1℃及31.9℃。由平面关系可以看出，卧室1、火塘间及卧室4的房间西立面在每天16:30～19:00时段内均受太阳直射影响。卧室1西立面距檐口最近，其遮阴面积最小，受辐射面积最大，因此峰值温度最高。卧室4外走廊檐柱处有水平木构架及部分镶嵌木板壁，起到一定遮阳作用，使其受辐射面积减小，峰值温度降低。这更进一步反映出辐射得热对于房间温度的较大影响作用。卧室2、卧室3测试周期内均未受到太阳直射，因此其峰值温度最低，分别为30.1℃及30.2℃。

图5 居住层实测点温度范围

图6 居住层实测点相对湿度范围

与温度变化规律一致，各功能房间相对湿度波动范围均小于室外及半室外空间。卧室2、3由于其门窗终日关闭，在最低室内温度高于卧室1、4的情况下，室内相对湿度最高值仍高于卧室1、4。这再次验证了通风换气对于室内湿度的重要调节作用。

（2）温湿度纵向比较

测试期间阁楼及吊脚层温湿度变化规律极为接近，仅吊脚层日间最高温度出现时间较阁楼稍有推迟且峰值温度更高，这与16:30～19:00的太阳直射有关。温湿度波幅方面：室外温湿度波动最为剧烈；阁楼及吊脚层温湿度波幅较为接近，且较室外更为缓和；堂屋温湿度波动最为平缓。同时，阁楼及吊脚层一日内峰值温湿度出现时间较室外有所延迟，而堂屋一日内峰值温湿度出现时间较阁楼及吊脚层又有所延迟（图7）。以上诸现象说明，阁楼及吊脚层在垂直方向上对堂屋起到一定热缓冲作用，体现在其对堂屋峰值温湿度值的消减及出现时间的延迟。

堂屋西侧木地面（楼层屋面，底部为吊脚层）日温度波幅最大，最高温度出现在每天17:00～18:00时段内，峰值温度高达40℃以上，远高于堂屋其它表面温度及室内气温，这与该时段其表面接受太阳直射有关。其他时段内其表面温度始终与室内气温接近，并稍低于室内气温。堂屋水泥地面（与大地相接）日温度波幅最小，这归因于大地良好蓄热性能及热稳定性。每天9:00～21:00时段内，其表面温度低于室内气温，并在18:00左右二者差值达到最大，最大差值可达3～4℃。日间，水泥地面通过与室内空气层的传导及辐射换热，堂屋峰值气温得到有效消减。堂屋东壁面日温度波幅大于水泥地面但小于南、北壁面。测试周期内，其表面温度始终低于堂屋空气温度，但仅在每天12:00～18:00时段内二者差值较为明显，其他时段二者温度则较为接近，这与其东侧与山体夹持的日影区有关。白天室内气温较高时，沉积于其东侧日影区内的冷空气有效消减了其内表面峰值温度，造成其表面温度与室内气温间的差值。与水泥地面调节室内气温的原理一致，堂屋东壁面同样有助于降低日间气温并消减其峰值。堂屋南、北壁面温度波动规律较为一致，其波动剧烈程度仅次于木地面。二者表面温度在9:00～21:00时段内与堂屋空气温度几乎一致，而在21:00～次日9:00时段内高于室内温度。这是由于夜间堂屋大门关闭，通过长波辐射向室外直接散热的方式受到一定阻碍，而此时室内空气通过窗户及木板壁间隙与室外空气存在一定的对流换热，因此该时段南、北壁面温度稍高于室内气温（图8）。

图7 测试期间吊脚楼各楼层典型房间温湿度变化曲线

图8 测试期间堂屋壁面及地面温度随时间变化关系

室内平均辐射温度可由下式求得（朱颖心 等，2010）：

其中tr为平均辐射温度，tg为黑球温度，v为风速。tg及v分别由黑球温度计及风速仪记录得到。

每天18:00～21:00时段内，堂屋平均辐射温度与空气温度相对接近，而其他时段室内温度则明显高于平均辐射温度（图9）。经统计计算，测试周期内，18:00～21:00时段外，堂屋室内温度平均高于其平均辐射温度1.6℃。这是由于吊脚楼民居拥有良好的遮阳设计，白天太阳高度角较高时，出檐较深的瓦屋面阻挡了直射光线，使房屋外壁面免于太阳辐射，房间壁面紧靠与室内空气的接触传导得热，其升温幅度较小，加之水泥地面及东壁面稳定且较低的表面温度，在此时段内房间整体平均辐射温度较低。18:00～21:00时段内，受16:30之后太阳直射影响，房间壁面温度上升，致使房间整体平均辐射温度升高，与室内气温接近。太阳落山后壁面开始降温，至21:00左右，其温度再次明显低于室内气温。夜间随着房间外界面以长波辐射的方式向外界空气散热，房间各界面温度达到最低，也直接带动了整体平均辐射温度的下降，其与室温的差值也被逐渐拉大。

图9 测试期间堂屋平均辐射温度、空气温度随时间变化关系

图10 东西坡屋面瓦面温度及阁楼层气温随时间变化关系

较低的平均辐射温度有助于居民获得更为舒适的热体验，房间壁面通过冷辐射影响人们冷热感觉，使人们获得更接近中性的实感温度。

测试期间，阁楼层东、西坡屋面瓦底表面温度（以下简称东、西瓦面温度）及阁楼气温随时间变化关系如图10所示。东瓦面最高温度出现在每天12:00左右，此时太阳高度角为全天最高，屋面东坡受太阳辐射更为充分。西瓦面最高温度出现在15:30～18:00之间，此时太阳偏西，屋面西坡太阳入射角更小。东、西瓦面温度最高值接近，并维持在37℃～40℃的温度区间内。阁楼气温一日内波动幅度远小于东、西瓦面温度。在9:00～19:30时段，东、西瓦面温度高于阁楼空气温度，其最大温差可达8℃～10℃，并通常出现在中午12:00东瓦面温度最高时。此时良好的通风将热空气及时带出室外，削弱了高温瓦面对于阁楼空气的加热作用。晚19:30～次日9:00时段内，东、西瓦面温度低于阁楼气温。此时，东、西坡屋面通过对天空长波辐射快速散热，其表面温度下降迅速。由于屋面东坡外的山体一定程度上阻隔了东坡面向天空辐射的路径，其散热不如西坡面充分，夜间瓦面温度较西屋面更高。综上所述，良好的通风条件，有效削减了白天阁楼层室内峰值温度；轻质、低蓄热的干摆瓦屋面则有利于夜间瓦体的快速降温。

2.3.4 风速

测试期间，室外风速变化范围为0.02～3.22m/s，平均值为1.17m/s。吊脚楼各测点风速大小分布情况如图11所示。由图可知，同为半室外空间的入口凹廊及吊脚层平均风速及最高风速均大于其他室内测点。堂屋白天门窗全开，夜晚仅保持窗户打开并关闭大门，室内风速最高可达0.53m/s，平均风速为0.11m/s，均远小于入口凹廊。其一是因为堂屋进深较大，易形成涡流降低风速；其二则是由于堂屋内各室内门紧闭，未能组织较为通畅的风路。阁楼层平均风速及最高风速均大于堂屋，再次证明了其较好的通风性能。卧室1白天仅打开窗户而紧闭卧室门，夜晚则门窗均保持关闭，因此室内风速较低，平均值仅为0.04m/s。

2.3.5 热环境评价

PMV（Predicted Mean Vote，预测平均热感觉投票）-PPD（Predicted Percentage Dissatisfied，预测不满意百分比）指标可综合评价空气温度、相对湿度、风速及壁面辐射等因素对人体室内热感觉的综合影响，并能够代表同一室内热环境下大多数人的冷热感觉判断，是室内环境品质的重要评价依据。其中PMV指标采用9级标度，分别为：-4（很冷）、-3（冷）、-2（凉）、-1（微凉）、0（适中）、1（微暖）、2（暖）、3（热）、4（很热），以表征人体不同冷热感觉层级。PMV可以通过空气温度、相对湿度、风速、平均辐射温度、人体新陈代谢率及人体服装热阻计算得出（朱颖心 等，2010）。

本研究取人体轻微活动状态下的新陈代谢率1.2met（Metabolic Equivalent of Task，代谢当量），并依据当地居民着装习惯，将服装热阻值clo定为0.54（短袖、长裤、单鞋）。将实测所得热环境参数代入计算式，可求得测试周期内各时间点PMV值。以测试周期内第二天（2018年8月13日）全天PMV值为典型样本，并将其作为因变量，各时间节点（间隔为10min）作为自变量，求得堂屋、卧室1、入口凹廊PMV值随时间变化关系（图12）。由图可知，入口凹廊一日内PMV值振幅最大，最高值甚至突破4.0，而最低值仅有-1.5左右。堂屋一日内PMV值振幅最小，并始终保持在-0.5～2.0的范围内。卧室1一日内PMV值振幅介于入口凹廊与堂屋之间，其最高值突破3.0，最低值约为0.5左右。

图11 各测点风速大小分布情况

图12 一日内典型房间PMV值随时间变化关系

如果将PMV值处于-2.0～2.0的区间视作可接受热感觉区间，-1.0～1.0的区间视作较舒适热感觉区间，-0.5～0.5的区间视作舒适热感觉区间，＞2.0及＜-2.0的区间视作不可接受热感觉区间。那么，堂屋、卧室1、入口凹廊一日内PMV值分别处于上述区间的不同时间段可统计得出、各时间段持续时长占全天总时长的比例也可通过计算求得，其结果详见表1。

由表1可知，堂屋PMV值全天均处于可接受热感觉区间，处于较舒适及舒适热感觉区间的时长比率也分别高达72.9%及58.3%，可以说一日内堂屋热环境品质均保持较高水平。卧室1的PMV值处于可接受热感觉区间的时长比率为78.5%，处于较舒适及舒适热感觉区间的比率分别为59.7%及46.5%。值得说明的是：卧室1使用时段内（22:00～次日7:00），其PMV值均处于舒适热感觉区间，具有较高的热舒适度。入口凹廊PMV值处于可接受热感觉区间的时长比率为74.3%，稍低于卧室1，但处于较舒适及舒适热感觉区间内的比率仅为36.8%及21.5%，明显低于堂屋及卧室。同时，其24.3%的不可接受热感觉区间时长比率也为三者中最高。由图12及表1可知，入口凹廊不可接受热感觉时段主要集中在13:00～18:50，这与该时段太阳辐射有直接关系。同样由图12及表1可以看出，20:00～22:00时段内入口凹廊PMV值始终处于舒适热感觉区间，相较于堂屋及卧室其拥有该时段内最高热舒适度，因此入口凹廊是居民晚饭后乘凉的理想选择，这也体现出半室外空间对于居民日常生活的积极意义。

3 结语

该半干栏吊脚楼民居在夏季整体防热较好，这首先得益于其合理的房间布置。水平维度上，日间使用频率最高的堂屋被布置于居住层正中，其左右分别布置若干卧室及火塘间。在日间室外温度较高时，卧室及火塘间能有效发挥热缓冲作用；垂直维度上，居住层上、下分别布置阁楼及吊脚层，由于其各自良好的遮阳及通风条件，气温变化较室外平缓，同样充当了居住层的热缓冲空间。而主要在夜间使用的卧室则靠外布置，并尽量与室外毗邻。白天无人使用时，其能够有效发挥热缓冲作用，帮助消减堂屋峰值气温。夜间则通过长波辐射直接向外界散热，室内气温下降迅速，保证了室内的舒适效果。

遮阳、通风是半干栏吊脚楼设计中最为重要的气候策略，也是其朴素绿色经验的直接体现。测试结果表明，太阳辐射得热对室内温度的升高作用明显强于空气传热；而适当通风换气有助于将生活中产生的湿气尽快排出室外，使室内相对湿度保持在更接近舒适区的范围内。因此建议日间尽量打开卧室门、窗，以增加卧室及堂屋单位时间内的换气次数并提升其室内空气流速，加速沉积湿气的排出并提高各功能房间整体热舒适性。

该吊脚楼堂屋水泥地面（接地）与东壁面在日间拥有稳定且较低的表面温度，能够通过辐射及传导两种方式降低堂屋室内温度，并帮助消减16:30～19:00太阳直射时段（西晒）室内峰值温度。水泥地面由于与大地相接，拥有良好蓄热能力及热稳定性；而东壁面外与山体夹持的日影区长期冷空气沉积，有助于日间东壁面内表面低温的维持。二者均为半干栏吊脚楼民居重要的气候策略。

通风阁楼结合干摆瓦屋面的设计对于吊脚楼夏季整体防热具有积极意义。当夏季白天太阳高度角较大时，瓦屋面承受了高强度太阳辐射，此时瓦体内外表面升温迅速，其温度远超室外气温。瓦体内表面通过长波辐射及接触导热迅速加热阁楼层空气，受热不均的空气因热压产生气流，而阁楼层良好的通风条件保证了热气流能迅速排出室外，一定程度上缓解了阁楼层白天过热的问题。夜间，瓦屋面以长波辐射的方式向天空迅速释放热量，其内表面温度低于阁楼层气温，并不会对居住层夜间热舒适产生影响。

堂屋及卧室在其使用时段内均具有较高热舒适度。入口凹廊（半室外空间）在白天大部分时间内（16:30～19:00西晒时段除外）扮演居住层气候缓冲空间的角色，而在20:00～22:00时段内，拥有较高热舒适度，是居民饭后乘凉的理想选择。

测试结果表明，夏季夜间吊脚楼民居整体热舒适度较高，大部分时间内其室内PMV值均保持在0以下（冷感）。建议适当增加吊脚楼外围护结构保温性能，这样不仅不会过多影响夏季夜间房间整体热舒适性，还可大幅度提升冬季吊脚楼室内热环境品质。