兰州传统民居与新式民居冬季室内热环境对比研究

刘奔腾,温万元

(1.兰州理工大学设计艺术学院,甘肃 兰州 730050;2.东南大学城市与建筑遗产保护教育部重点实验室西北中心,甘肃 兰州 730050)

随着我国乡村振兴政策的提出,乡村传统民居与新式民居室内热环境成为诸多学者的研究重点。文献[1-6]中研究了陕西、宁夏、西藏等多地民居的室内热环境,为西北地区的相关研究建立了基础;杨真静等[7]对重庆江津区龙塘村夯土民居进行了温、湿度测试,发现夏季室内热环境要优于冬季;李效梅等[8]发现贵州传统石木结构民居传热系数、建筑能耗等指标不满足当地的规范要求,因此提出了相应的改善措施;郑锐锋等[9]通过对浙西南地区丹址村典型民居的室内热环境实测、满意度调查研究,提出了基于气候适应性的设计策略;郑文亨等[10]分别测试了桂北山区旧民居与新民居的夏、冬季环境参数,发现新旧民居室内热环境并没有显著差异,但整体而言,夏季湿环境均优于冬季;Allinson等[11]发现使用稳定夯土(SRE)能够明显降低室内相对湿度的波动;Cardinale等[12]基于实测数据评价了意大利南部的两类乡土建筑室内热环境舒适度。

兰州地处黄土高坡的重要节点,其传统民居受到西北文化、气候因素的影响,表现出独特的地域特点[13]。李金平等[14]对兰州落地炕与架空炕农房室内环境进行了对比研究,发现架空炕房间室内平均温度高于落地炕房间。近年来随着乡村经济的迅速发展,大量的砖瓦式新民居逐渐成为乡村民居的重要组成。部分学者也对兰州地区新式民居室内热环境进行了相关研究,如吴永诚等[15]基于Ecotect软件对兰州乡村被动式太阳房进行了模拟优化。根据相关研究分析,兰州冬季寒冷的气候特征对民居室内热环境产生了较大的影响,但有关传统民居与新式民居冬季室内热环境对比的文献数量较少。研究基于实测数据对比分析兰州青城古镇传统民居与新式民居冬季室内热环境的特点,并结合软件模拟探明影响因素,提出了各自的改善措施,为兰州地区乡村民居室内热环境的相关研究提供了参考和依据。

1 实测对象及方案

1.1 实测建筑概况

青城古镇位于甘肃省兰州市榆中县,是甘肃省保存较为完整的国家级历史文化名镇。当地的传统民居为典型的夯土墙建筑,新建民居多为砖混结构。通过前期调研,在村中选取了建筑体量相近,具有代表性的传统民居及新式民居各一栋,两栋民居建筑现状如图1所示,建筑概况如表1所列。

图1 现状照片

表1 建筑概况对比

1.2 实测方案

为了分析传统民居与新式民居室内热环境的现状及特点,选择冬季典型时段对室内外温、湿度进行实测。实测样本为传统民居主、次卧与新式民居主、次卧,共4个房间。测量时间选定为2020年12月25日19:00—12月29日19:00,该实测采用昼夜不间断测量,时间间隔为15 min。为了控制相对误差,在测量前已对自记式温、湿度仪器进行校准,并参考《建筑热环境测试方法标准》[16]中的建议选择合适的测点,将仪器置于距地面1～1.5 m的高度范围。建筑平面及测点布置如图2所示。

图2 平面图及测点图

2 两种民居冬季室内热环境对比分析

2.1 室外参数

此次测量时间是当地年气温较低阶段,实测期间天气多为阴天。所测传统民居与新式民居冬季室内外温、湿度变化如图3所示。对比图3的室外温、湿度曲线,发现实测期间室外温度整体稳定地呈周期性变化,相对湿度总体呈现与温度相反的周期性变化,但变化较为波动。测量期间室外最高温度3.2 ℃,对应时间12月26日16:30;最低温度-11.5 ℃,对应时间12月27日7:30;平均温度-5.9 ℃。室外最高相对湿度72%,对应时间12月29日9:15;最低相对湿度24.1%,对应时间12月26日16:30;平均相对湿度43.1%。

图3 冬季室内外温、湿度变化

2.2 冬季室内热环境对比分析

初步分析图3中传统民居与新式民居冬季室内温度的变化曲线,发现传统民居与新式民居主卧的室内温度明显高于次卧,这是因为两种民居主卧均有火炉供热,而次卧使用频率较低,均无供暖设备。在12月25日19:00—12月27日7:00期间,新式民居主卧供暖力度较低,室内温度便明显低于传统民居主卧。综合分析说明,供暖设备能够明显地提高室内温度,且供暖力度对室内温度影响较大。进一步分析传统民居与新式民居次卧的温度变化曲线,发现在无供暖设备的情况下,新式民居室内温度整体高于传统民居。初步分析是因为传统民居门窗材质落后、工艺简陋,造成建筑密封性较差,无法抵挡冬季的冷风渗入,进而导致了室内温度较低。

节选传统民居与新式民居室内供热力度相近的时间段,对各房间室内温、湿度相关指标进行了具体的对比分析。12月27日10:00—12月28日10:00期间,传统民居与新式民居室内温、湿度指标如表3所列。

表3 节选冬季室内外温、湿度指标

表3对比了各房间温度、相对湿度的平均值及波动情况,发现有供暖设备的房间室内温度要高于无供暖房间;新式民居的室内温度要高于传统民居,但传统民居室内温、湿度波动比新式民居更为稳定;同时,各房间相对湿度均小于40%，说明传统民居与新式民居室内空气都偏干燥,应注意为室内空间加湿,以改善室内湿度环境。

3 室内热环境改善措施

3.1 影响因素重要性分析

为了进一步研究并讨论传统民居与新式民居的优缺点及改进措施,研究使用Ecotect Analysis模拟软件对两种民居在自然通风工况下建筑围护结构的失热、通风失热及区域间失热进行模拟,并计算单位面积失热量。通过分析建筑失热情况,探明了传统民居与新式民居冬季室内热环境的影响因素,并提出相对应的改善措施。

建筑单位面积全年失热量如表4所列。表4数据显示:传统民居与新式民居失热最多的部分为围护结构失热,其次为空气渗透失热及区域内失热。经过对比分析发现传统民居与新式民居的热工性能各有优劣。传统民居建筑门窗等密封性较差,造成空气渗透失热较多,单位面积失热量达66.71 kWh/m2,是新式民居的4倍;新式民居由于墙体导热系数较高,导致与围护结构失热较多,单位面积失热量达892.66 kWh/m2,是传统民居的2.7倍。因此，两种民居都应当采取相应的改进措施。

表4 建筑失热情况

3.2 室内热环境改善措施

(1) 传统民居室内热环境改善措施 根据实测数据显示,当地传统民居在室内没有供暖设备的情况下,冬季平均温度仅为2.0 ℃,室内舒适度无法满足居民需求,需要进行改善。结合软件的模拟结果,发现传统民居空气渗透失热量较高,说明建筑无法有效地隔绝室外冷空气的渗入,这是导致传统民居冬季室内温度偏低的重要原因。通过对当地传统民居的实况调研,建议从以下方面进行改进:

① 改进传统民居的门窗材料,将原本的塑料布、窗户纸改进为玻璃材料,并加强木门的密封性,提高建筑隔绝冷空气的能力；

② 为正面木质墙体加装保温隔热层,以降低围护结构导热系数、提高围护结构保温性,从而优化围护结构及空气渗透失热情况。

(2) 新式民居室内热环境改善措施 新式民居的建造使用了更好的建筑材料及工艺,能够提升建筑整体的密封性,有效地防止空气渗透失热。但实测数据及软件模拟结果表明,新的墙体材料导热系数较高,导致围护结构失热量较大,使新式民居室内温、湿度的变化不如传统民居稳定。应当从以下角度对新式民居墙体进行改进:

① 在原有墙体的基础上,加设保温隔热板,降低围护结构整体的导热系数；

② 选择导热系数更低的墙体材料,如加气混凝土等,其具有良好的保温性能,导热系数为黏土砖的1/5～1/4，能够有效地降低围护结构失热,提高室内热环境舒适度。

4 结论

通过对比分析兰州青城古镇传统民居与新式民居冬季室内热环境实测数据及软件模拟结果,得出以下结论:

(1) 借助夯土材质的热稳定性优势,兰州地区传统民居冬季室内热环境变化比新式民居更为稳定。

(2) 新式民居冬季室内温度高于传统民居,但二者都需要设置供暖设备,才能达到较为舒适的温度范围。

(3) 传统民居与新式民居冬季室内空气较为干燥,应设置加湿设备以提高室内相对湿度,改善室内湿度环境。

(4) 兰州地区传统民居室内热环境的改善应该从提高建筑门窗密封性、正面木质墙体保温隔热性两个方面进行;新式民居的改善应该从加装墙体保温隔热材料,或选择导热系数更好的墙体材料这两个角度进行。