侗族民居建筑围护结构热环境优化设计研究

孙会梅

（广州大学，广东广州 510006）

0 引言

黔湘桂三省交界处常年气温通常在12 月至次年2 月气候较为寒冷，温度较低，且低温延续时间长。该地区传统住宅以干栏式建筑为主，底层架空，体形系数较小，围护结构材料多为本土木材，因而保温性能差，导致供暖能耗巨大，同时室内热环境较差。因此改善侗族民居围护结构的材料保温性能是最有效途径。本文在进行实地调研的基础上，选取典型侗族民居住宅，针对建筑的构造形式和围护结构参数，在能耗模拟软件ECOTECT 平台下进行不同材料和构造的保温性能测试，并进行统计归纳，提出建筑保温优化建议。

1 侗族民居选取及概况

本文选取模拟的民居位于湖南省怀化市通道侗族自治县，通道县侗族民居建筑主要位于湖南怀化市最南端，复杂的山地地形，居民因地制宜，依山就势进行选址建造房屋，建筑除了满足基本物质生活需求，体现居民对自然环境的融合，建筑布局自由，根据山地特点变化，同时建筑受居民生活方式和民族文化影响，现状如图1 所示。

图1 民居现状

1.1 侗族民居平面图

该侗族民居属于南侗干栏式结构建筑，不同于其他民族吊脚楼底层只是局部的架空，“南侗”民居一般是三层，底层架空，主要的功能房间都集中在二层。二层入口处有一个通面宽的廊。“南侗”民居结构体系是穿斗式木构架，不同的划分方式决定民居的平面形式，相应的就全有不同的构架形式。围护结构使用的材料和构造门窗位置和数量等对室内的保温隔热效果不同，平面图如图2 所示。

图2 1～3 层平面

1.2 侗族民居围护结构

本文在对围护结构节能改造方案研究的基础上通过对热环境参数的控制以及结构材料的改变得出不同的分析结果，分析建筑的温度分布、能源消耗、材料的选择对建筑整体热环境舒适度的影响。

民居基本参数：建筑面积：360m2，总层数：三层，窗墙面积比：南向：0.169、北向：0.124、东向：0.09、西向：0.081；建筑体型系数：0.489，围护结构构造：外墙：红砖、混凝土、木材；屋面：木材、青瓦；地面：木材；门：木材、铝合金；窗：铝合金框、玻璃。

得失热分析：

（1）侗族民居围护结构选材上，墙体多为本地木材，夏季自然通风良好的情况无负面影响，但冬季木材传热能力强，室内温度降低快，保温性能弱。同时门窗构建会减低墙体的保温隔热性能，门窗和墙体存在缝隙以及门窗构造影响室内热环境。

（2）在构建安装时，墙体材料木板通常通过企口方式拼按，一般的民居则是直接用竹钉拼接，室内外的热量能够轻易地透过有缝隙的单层杉木板墙流动交换。

（3）材料受周围环境影响，长时间之后材料的性能会发生变化，比如木材的热胀冷缩、冷桥效应等影响。

1.3 通道县气候现状

通道县全年逐月最高温31℃，最低温3℃，全年逐月平均温度6～26℃，高温主要分布于6—9 月，低温主要分布于12 月到次年2 月，时长3 个月。通道县的全年逐月平均湿度77%～82%之间，普遍偏高，时长半年以上，通常来说人体在夏季的最佳相对湿度宜在40%～80%，冬季宜在30%～60%之间，由此可知该空气热环境状况不适于人体长期居住因此模拟测试通道县侗族民居热环境对于研究优化民居室内空气舒适度极为重要。

2 ECOTECT 能耗模拟

在ECOTECT 软件里建立侗族民居模型，根据围护结构构造做法赋予不同材质。ECOTECT 软件将计算不同材质的传热系数U 值，围护结构的传热性能直接影响室内外温度的互相传递，围护结构的改造目的就是减小传热系数以降低围护结构传热性能。建立围护结构的模型，模型外观都相同，模型如图3 所示。

图3 模拟模型

用ECOTECT 软件对其热环境进行模拟分析，基于怀化市市气候数据，分析能源消耗、不舒适度、围护结构得热、温度分布和热舒适度情况，最后以热舒适为目标选择最优的节能改造方案。

2.1 围护结构参数选择

墙体：根据前期通道侗族民居实践调研结果，侗族民居建筑的外墙共有三种形式：混凝土、红砖墙、木墙。目前外墙主要是底层混凝土和木材，二层和三层为木材和砖，以300mm 实心砖或空心砖和100mm 木材为主。外墙内部石灰粉刷或者刮腻子，部分砖外墙利用水泥抹面，多数外墙基本不做保温，结构构造简洁，尤其木材保温性能较差。

窗户：侗族民居中大部分建筑的门窗材料主要为木门窗和铝合金门窗以及玻璃窗。因此在Ecotect Analysis 2011 模拟软件分析中窗户的材质选择双层玻璃木制窗框（Double Glazed-Timber Frame）。

门：建筑中木门窗的使用率在65%～87%，但是由于木门窗气密性较差，材质较薄，不利于保温，尤其在冬季会导致严重的冷风渗透，从而造成大量的热损失；夏季大量热量渗透室内，对室内的隔热性能较低。门的材质选择实松木框门（Solid Core-Timber）。

屋顶：建筑屋顶形式主要有两种：木制屋架坡屋顶和混凝土平屋顶。木屋架主要建造久远，一直作为屋顶主要选材，结合传统穿斗式构架，然后檩条上铺屋面瓦。只有近几十年来新建造的纯混凝土砖墙建筑采用平屋顶形式。

地板：民居建筑地面一般为两种构造形式，水泥地面加地砖和木材地面，由于当地经济条件有限和自然原因，大部分地面为木材地面，一般只有底层采用水泥地面。在模型里选择木材地面符合实际。

表1 模型建筑围护结构参数

2.2 模型热环境分析

通过Ecotect Analysis 2011 软件中的Weather Tool 和Solar Tool 两个分析板块进行建筑模拟，导入怀化市气象数据文件（Weather Data）。

在Ecotect 的热环境属性中赋予墙体、屋顶、门窗不同材质以及构造组成，增强民居围护结构的气密性，提高结构的保温隔热能力，改善民居室内舒适度。Ecotect Analysis 2011 的舒适度分析根据模型区域管理对话框中设置湿度、风速、照度、着衣量、人员数量和活动程度、室内得热、渗透率等指标。

根据热环境数据可知影响人体热舒适的因素主要包括以下几个方面：作为客体的室内物理特性（空气温度、湿度风流速）和作为主体的人员的因素（自身新陈代谢情况和着衣热阻）。在不同功能的区域热环境设置时将温度范围选择为18～26℃，这是人体舒适的温度范围；空气湿度选择全年12 个月平均值62.5%；空气流速选择0.5m/s。

只有当围护结构温度在19℃以上时，围护结构得热才会对室内热环境有影响，并且在温度大于28℃以上时，建筑围护结构得热才会对热环境影响更大，而通道县本地全年温度最高温暖的31℃，最低温度3℃。温度低于14℃时，室内热环境热量并非来自于结构，说明建筑围护结构影响较小，提高围护结构气密性，较少温度向外流失，损失热量。

从图4 可知每个房间区域的热环境舒适度关系以及高低，高到低分别为阳台、楼梯间、卧室、厨房、客厅、卫生间。阳台由于自然通风条件以及开敞位置可知，其热环境舒适度较高，其次是楼梯间和卧室，卧室作为人体夜间活动最主要空间，室内热环境及其重要。但客厅作为白天人体活动发生最多的场所，其舒适度更重要，因此客厅的热环境舒适度急需改善，调节至人体最佳舒适度范围，提高生活品质。

3 提升热环境舒适度建议

材料选取：围护结构改造的类型与围护结构改造的U 值相比对于建筑物能源消耗量降低的影响更大，外窗的改造更有利于能源消耗量的降低。

构造设计：外墙和外窗的改造可以通过减小围护结构的U值、降低围护结构的传热能力、增加建筑围护结构的构造层，如隔空层，空气层等，以此降低围护结构两侧的温度变化，减少消耗，缩短全年室内不舒适度时间，缩小围护结构失热百分比，增加室内舒适温度时间，提高室内热舒适性。

图4 舒适度百分比

季节交替影响：保温性能越好的围护结构在冬天是有益的，但夏季有一定的劣势。从不舒适度时间模拟结果我们可以看到，保温性能越好的围护结构在夏季反而是劣势，但通风良好情况下可增加夏季舒适度。其他因素：除了结构、材质、构造方式因素外，空间湿度、风流速、人体着装热阻等也会影响人体舒适度。

4 总结

模拟软件Ecotect Analysis 2011 对建筑热环境分析主要是温度、热损失和得热、房间负荷、热舒适度、负荷与温度对比等分析功能与技术，通过对模型进行模拟后分析结果，不断改变建筑物理特性的参数可以得出不同结果，进而通过对比分析有效地改进设计方案的热工性能。传统民居室内热环境舒适度对于人体生活、活动及其重要，根据不同地区的气候以及自然环境和人们的生活方式的差异，改善热环境的方法也不同，因此针对民居住宅室内热环境研究不能只是从单一角度考虑，在进行围护结构节能改造时，影响人体热舒适除了围护结构物理特性和构造方式之外，还要考虑空气温度、空气湿度、空气流速和服装热阻等值的影响。并且进行模拟的数量少，得出的结论有限，应模拟更多同类型的既有住宅建筑围护结构节能改造。才能更加准确得出相应的结果，提出可行的改造建议。最终目的是达到建筑节能，但建筑节能往往是从建筑设计开始时就应该纳入考虑，包括建筑设计方案中的建筑布局、建筑材料选择、建筑主动式设计、建筑设备耗能等因素。