苏南民居室内物理环境实测研究

郝石盟 宋晔皓 李珺杰 林正豪 韩冬辰 / HAO Shimeng, SONG Yehao, LI Junjie, LIN Zhenghao, HAN Dongchen

苏南民居室内物理环境实测研究

郝石盟 宋晔皓 李珺杰 林正豪 韩冬辰 / HAO Shimeng, SONG Yehao, LI Junjie, LIN Zhenghao, HAN Dongchen

本文基于在江苏常熟海虞镇选取的4户代表性民居进行的建筑信息调研、热舒适访谈、建筑测绘及物理环境测试，对其气候适应性进行了研究，为研究适应当地资源、气候的生态农宅提供基础。调研测试结果显示，该地民居建设量及建设成本逐年增高、生活能源依赖化石能源和电能、冬季热舒适问题较夏季突出、室内采光系数低等。在此基础上提出设计策略，坚持间歇式局部采暖的原则、从建筑设计出发积极应用被动式策略以及积极寻求可利用的热源。

热环境 光环境 民居 夏热冬冷地区

1　引言

苏南地区是我国农村经济发展最为迅速的地区之一，同时也是基于建筑物理性能研究民居可持续性要求最为迫切的地区。本文基于2012年2月及2012年8月在江苏省常熟市海虞镇开展的民居调研测试，对苏南地区典型民居热环境、光环境等建筑物理性能进行评价。调研内容涵盖建筑测绘、建造信息收集、建筑物理环境测试、热舒适访谈等方面。调研选取22户民居，进行建筑信息访谈及热舒适问卷调研，具体包括平面布局、审美习惯等。在此基础上选择了4户代表性民居进行建筑测绘及物理环境测试，测试内容包括民居中各主要功能房间的温度、湿度、风速等指标、PMV-PPD（PMV，Predicted Mean Vote，预测平均评价；PPD，Predicted Percent Dissatisfied，预测不满意率）、TSV（Thermal Sensation Vote）值；平面采光系数分布；墙体、屋面等围护结构红外热成像研究等。在此基础上梳理出苏南民居现存问题和初步设计策略，为今后在长三角地区开展绿色建筑研究提供基础资料。

海虞镇位于常熟市虞山北郊的长江南岸，地处东经120°48'，北纬31°49'，建筑热工设计分区中属于夏热冬冷地区。年均气温为15.4℃，极端最低气温-12.7℃，极端最高气温40.1℃。年总日照数2 130.2h，占可照时数的48%。年均降水量1 055.8mm，集中在4～9月，占全年降水量的71%（图1）。全年夏季主导风向为东南风，冬季为西北风，春秋季则东南与西北风交替出现①。

图1　江苏常熟海虞镇2012年气象资料（来源：www.accuweather.com）

2　研究方法

实地调研测试内容包括室内外温湿度逐时测定、室内照度及采光系数实测、热舒适调研、建筑测绘、基本信息及能耗调查、行为模式调查，等等。具体调研方法包括：

（1）文献调研：调研对象包括该地区的地理、气候、资源等。

（2）建筑测绘：对当地典型民居各层平面及围护结构构造进行测绘记录。

（3）入户访谈：访谈内容包括居住者基本信息、生活模式、能源消费等基本情况，以及热舒适主观评价等。

（4）物理环境测试：在当地典型民居布置测点，收集冬、夏两季室内外温湿度变化逐时数据；测定主要房间工作平面采光系数分布；对主要房间某一时刻风速、辐射温度、空气温度、湿度等环境指标进行记录，结合热舒适访谈得出的平均服装热阻，计算PMV值；利用红外热成像仪拍摄围护结构，分析太阳辐射对表面温度的影响，对热桥部位进行诊断。

2.1测试对象

图2　详细测试民居

调研小组选取22户进行了半结构式入户访谈，选点位置包括镇区附近6户、沿东泾12户、朱家宅基4户。在抽样民居中，最早的一栋民居建于1980年，1980年代之前的农房基本没有留存，1990年左右及2000年初建房活动较为频繁，70%以上的房屋为2～3层砖混结构。在此基础上选取其中4户具有代表性的民居进行建筑测绘及冬、夏两季物理环境测试。选取的4户民居A、B、C、D分别位于沿东泾53号、朱家宅基10号、朱家宅基13号、朱家宅基14号（图2）。

根据调研小组2012年2月的调研数据得知（图3）：民居A建于2000年，为两层砖混结构，坡屋顶，门窗为单层玻璃铝合金框，一层布置为辅助用房，二层为主要起居空间，坡屋顶下设有阁楼，作为储藏间使用；民居B建于1980年代，为一层建筑，坡屋顶，门窗为单层玻璃木框；民居C建于1990年代，为两层砖混结构，局部坡屋顶，主要起居空间在一层，二层为子女卧室，只在春节期间使用；民居D建于2000年，西侧为两层砖混结构，局部坡屋顶，子女居住，东侧为独立的一层建筑，老人居住，东西两侧有各有独立的厨房。

图3　民居建成年代及结构

2.2物理环境测试方案

图4　测试民居平面及测点位置

调研团队在测试期间采集了4栋民居的室外温湿度逐时数据、风速、相对湿度、黑球温度、拍摄围护结构热成像图、测定室内平面采光系数。具体测试方案为：主要房间及活动空间放置温度自记仪，对测试期内房间的温度变化进行监测，冬季测试时间为2012年2月14日0:00～16日23:40，夏季测试时间为2012年8月31日0:00～9月3日23:40，每隔20min采集一组数据。测点的布置覆盖居住者日常主要活动空间及各个主要功能用房，兼顾同一房间内不同位置的温度变化。民居A室内外布置测点6个，民居B布置测点5个，民居C布置测点6个，民居D布置测点6个（图4）。利用红外热成像仪对建筑围护结构表面温度分布及冷桥位置进行判断，红外热成像拍照时间为2012年2月14日及2012年8月29日；利用热舒适度分析仪选取各主要空间测定风速、干球温度、黑球温度、辐射温度等，结合热舒适的入户访谈，得出预测平均评价PMV及预测不满意率PPD，热舒适指标测定时间为2012年2月14日；采用全数字照度计测定主要房间的平面采光系数，考察自然光条件下室内照度水平是否满足日常活动要求，平面采光系数测定时间为2012年2月13日。测试工具有红外热成像仪（VarioCAM hr inspect 780/30mm）、温度自记仪（WZY-1）、温湿度自记仪（WSZY-1）、热舒适度分析仪（AM-101 PMV-PPD）、全数字照度计（XYI-Ⅲ Luxmeteru）等（表1）。

3　测试结果及分析

3.1基本信息

在调研选取的民居中，绝大多数民居采用L型布局，面阔三开间，西侧伸出部分一般布置厨房。

图5　住房调研结果

在建筑设计参考依据方面，56%的居民选择参考他人住房，自己进行设计，35%选择工匠设计，另有9%选择参考农村通用图集。房屋面积基本为200m2左右；家庭规模一般为1～5人，家庭成员基本在本地就业，外出务工学习的较少，老人在身体允许的情况下白天也在附近工厂做工，白天家中基本无人。对目前住房满意度的调研显示，65%的居民表示满意，20%表示一般，15%表示不满意。

在建房成本方面，1980年代建房花费在4～6万元左右，平均造价约280元/m2，1990年代建房花费8～10万元，平均造价约700元/m2，2000年以后建房花费15～30万元，平均造价约1 500元/m2；在建造费用承担能力方面，41%选择可以承受，24%选择一般，35%选择难以承受（图5）。

在空调数量方面，绝大多数家庭拥有至少1台空调，29%的家庭有1台，37%的家庭有2台，17%的家庭有3台。在电费支出方面，平均每户每月电费支出50元以下占35%，50～100元占23%，100～200元占18%，高于200元占24%（图6）。

图6　空调数量及电费调研结果

表1　仪器型号及参数

表2　生活用能结构

在用能结构方面（表2），83%的家庭使用电能采暖，主要方式包括空调、电热扇、电褥子等，17%的家庭没有采暖措施；炊事用能方面78%的家庭使用液化气，57%的家庭使用电能，26%的家庭使用秸秆薪柴；洗澡用能方面以太阳能为主，占83%，电能和液化气均占11%，还有17%的家庭使用柴灶烧热水洗澡。

3.2室内热环境

图7　冬季测试期间各民居室内外温度　

图8　夏季测试期间各民居室内外温度

2012年2月测试期间的天气状况为14、15日雨，16日晴（图7）。室外空气温度最高值7.8℃，最低值1.8℃，平均值4.75℃；空气相对湿度最大值89.2%，最小值52%，平均值78.3%。4栋民居的室内平均温度差异不大，平均值为5～7℃，日波动幅度为0.5～2℃，最低温度4℃；室内湿度大于室外，平均约为80%；二层温度略低于一层，但差异不显著；炊事活动对提高室内空气温度有一定作用，炊事活动期间厨房温度升高1～4℃。根据文献调研（刘红 等，2011）②，若将该地区冬季80%可接受温度下限值定为14.3℃，除了一间使用空调的房间外，其他房间温度均在可接受范围之外。冬季在室内仍需穿厚衣物，即便如此仍感觉寒冷。冬季以间歇式局部采暖为主，取暖方式包括热水袋、电褥子、电热扇；由于长期的生活习惯和经济能力有限等原因，中老年人很少使用空调取暖，年轻人或经济能力较好的家庭偶尔使用空调；在白天太阳辐射条件较好的情况下，老人在户外通过晒太阳改善热舒适度。由于生活习惯及提升室内空气品质的需求，在白天室内有人的情况下，堂屋和厨房长时间开窗开门进行通风。

2012年8月测试期间均为晴天（图8），室外空气温度最高值36.4℃，最低值23.8℃，平均值28.4℃；相对湿度最大值87.0%，最小值43.8%，平均值75.2%。室内平均温度在28～30℃左右，日波动幅度约1.5～6℃，温度最高值达到35.1℃，二层温度高于一层1～2℃；室内平均湿度70%左右，在夜间高于室外。参考已有文献成果，若以29.6℃作为温度可接受上限值，一层70%左右的室内测点在可接受范围内，二层只有40%左右。夜间不能有效降温且室外相对湿度大，室内相对湿度一直较大。

表3　民居B主要房间PMV指标

表4　民居C主要房间PMV指标

民居C二层南侧连廊有大面积玻璃窗，相当于设置了阳光房（曲线C-2F living room）。在冬季白天阳光房作用明显，在室内温度最高时，阳光房温度比其他房间高3℃左右，但在夜间比其他房间低0.5～2℃；在夏季白天，阳光房最高温度同样高于其他房间3℃左右。而且该空间并未作为主要活动空间，只做晾晒衣物之用，对其他相邻房间温度没有明显的调节作用。

热舒适方面，测试小组于2012年2月14日上午8:30至下午15:30期间每隔1h对民居B（一层）和民居C（二层）各主要房间的湿度、风速、平均辐射温度等环境指标进行测定，并根据热舒适问卷计算当地居民冬季普遍穿着的服装热阻及新陈代谢水平，根据公式计算得出PMV值（表3、4）。结果显示在绝大部分时间，各主要房间的PMV值低于-2（介于“比较冷”和“冷”之间），只有民居B的厨房和堂屋的PMV值在午后略高于-2。热感觉投票TSVs（Thermal Sensation Vote）和热舒适投票TCVs（Thermal Comfort Vote）值分别为-1.9（接近“比较冷”）和2（“不舒适”）（图9）。在室内外均穿着较厚重衣物的情况下，58%的居民选择“适中”，17%选择“有点冷”，13%选择“比较冷”，12%选择“冷”；54%选择“舒适”，21%选择“稍不舒适”，4%选择“不舒适”，21%选择“很不舒适”，其中选择“很不舒适”的多数为60岁以上年龄组女性。

3.3室内光环境

室内采光系数主要由窗墙比、玻璃透射率、洁净度、室内界面反射比、房间进深等因素决定。调研民居中，窗户多使用彩色玻璃窗，玻璃洁净度较差，且由于私密性的要求，卧室在白天也关闭窗帘，这些因素造成了该地民居室内照度普遍偏低。2012年2月13日下午测试小组对民居C主要房间操作面平面采光系数进行了测试结果显示，除靠近窗口、门口位置及二层阳光房外，绝大部分室内空间的采光系数低于《建筑采光设计标准》（GB50033-2013）中规定的卧室、厨房采光系数的最低限值，沿房间进深方向照度的衰减较大（图10）。此外，为满足在家中从事生产活动的需要，很多民居在一层加建了生产用房，直接遮挡了一层的光照，且该地区宅基地较为紧凑，民居之间的相互遮挡也使室内照度进一步降低。

图9　常熟2月热感觉投票TSVs与热舒适投票TCVs

图10　民居C主要房间平面采光系数分布（左为一层平面，右为二层平面）

图11　红外热成像（a～d拍摄于2012年2月，e～h拍摄于2012年8月）

3.4红外热成像

测试小组于2012年2月14日14:30及2012年8月29日18:00，通过红外热成像仪对测试民居围护结构表面温度进行测定（图11）。在冬季阴天情况下，各民居立面表面温度差别不大，约为7～8℃，民居B略高于其他3栋，这是由于民居B没有采用陶瓷饰面以及其院落较为开放造成的，冷桥主要集中在门窗周围及墙基处。在夏季晴天状态下，经过一天的太阳辐射影响，热量主要蓄积在檐口下方，比其他地方高3～5℃。檐廊起到了明显的降低立面温度的作用，檐廊遮挡下的墙面温度比无遮挡的墙面低3～4℃。

3.5结论

基于对调研测试数据的分析，苏南地区的民居建设及物理性能呈以下特点：

（1）民居建设量、建设成本增加：由于该地经济较为活跃，民居更新较快，1990年左右及2000年初建房活动较为频繁，1980年代之前的民居基本无留存；建造规模、建造材料和平面布局较为类似；建房成本逐年增加，从1980年代至2000年，建房成本增加了4倍多，1/3的居民表示对建房费用难以承受。

（2）生活能源较依赖化石能源和电能：83%的家庭拥有至少1台空调，采暖降温以电能为主；炊事活动主要使用液化气；洗澡用能以太阳能为主；由于该地区较少从事农业，生物质能源用量较小。

（3）夏季室内高温高湿，冬季低温高湿，冬季室内热舒适问题更加突出：室内平均空气温度冬季为5～7℃，最低达4℃；夏季为28～30℃，最高达35.1℃，冬夏季室内湿度均较大。冬季二层温度略低于一层；夏季二层温度高于一层1～2℃，分别以14.3℃和29.6℃为80%可接受下限和上限。在不使用空调的情况下，冬季所有房间温度在可接受范围之外，夏季40%～70%的房间在可接受范围。在冬季白天主要居室内测定的PMV值大多低于-2，热感觉投票和热舒适投票值分别为-1.9和2，女性和老年人对低温的耐受度更差。

（4）室内光舒适度差：绝大多数房间室内工作面采光系数低于《建筑采光设计标准》（GB50033-2013）规定的最低限值，房间内照度较低且沿进深方向衰减较大。

（5）进行炊事活动时室内温度略有提高；阳光房在冬季白天对室内温度有一定的提升作用，但在夏季导致室内温度过高；檐廊对降低立面辐射温度的作用明显。

4　改善苏南民居室内物理环境的设计策略

如前文所述，该地区民居冬季室内舒适问题更加突出。由于对热工指标的限定是建立在封闭系统、房间采暖和稳定热源基础上的，因而单一改善围护结构的策略在该地区收效不佳。首先，当地居民冬季开门开窗的生活习惯以及日常生产生活中对半室外空间的高利用率，使得该地区建筑应该被视为开放系统；其次，“间歇式局部采暖”的方式是对人采暖而非房间采暖；第三，要同时解决夏热和冬冷两个问题，对墙体性能的要求是矛盾的。因此，改善该地区民居室内物理环境的关键在于：一是研究适合当地生活方式的采暖模式，二是寻找恰当的热源，在此基础上围绕热源和生活模式组织建筑布局，三是解决冬夏矛盾的问题。

综上所述，改善苏南民居室内物理环境的设计策略包括：

（1）坚持间歇式局部采暖的原则。这种“局部空间，局部时间”的采暖原则符合现有的生活模式且有利于将采暖能耗保持在较低水平。建筑设计应密切结合行为学调查及热舒适调查，细化各主要房间采暖时段和采暖需求，制定适度的热舒适指标。

（2）从建筑设计出发，积极应用被动式策略。测试证明设置阳光房和檐廊在该地区是较为有效的被动式策略，但应通过可变性设计解决冬夏季矛盾的问题。在总平面布局上考虑建筑间互相遮挡的问题，通过平面布局解决私密性的要求，而非以悬挂窗帘或使用有色玻璃的方式实现，提高室内照度。在尽量减少能源消耗的前提下提高室内舒适程度。

（3）积极寻求可利用的热源。通过调整主要房间朝向、开窗、房间布局，采用直接受益式太阳能采暖；提高现有采暖方式效率；炊事余热存在利用的可能性，在布置厨房位置时应兼顾这一点。

注释

① 气象数据摘自常熟市海虞镇总体规划（2010-2030）基础资料汇编。

② 本文中引用的可接受温度上下限数据源自刘红、李百战、马晓磊所著文章《夏热冬冷地区非采暖空调室内可接受温度范围》中对南京城市住宅的研究数据，且文章中的数值为新有效温度（ET*），本文将其粗略作为空气温度上下限值。

[1] 刘红，李百战，马晓磊. 夏热冬冷地区非采暖空调室内可接受温度范围[J].土木建筑与环境工程，2011（04）.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50033-201建筑采光设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3] 朱颖心.建筑环境学[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4] 宋晔皓，郝石盟. 基于建筑物理性能的夏热冬冷地区农房可持续设计的问题与对策初探.建筑我们和谐的家园[C]//2012年中国建筑学会年会论文集(上册).北京：中国建筑学年会，2012.

[5] ASHRAE.55-2010.ANSI/ASHRAE Standard[S]. Atlanta: American Society of Heating Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Inc, 2010.

本文由国家自然科学基金“基于建筑物理性能的夏热冬冷地区绿色农宅建筑设计策略研究”（编号：51278262）及华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室开放课题“苏南民居可持续性能及绿色设计策略研究”（编号：2011KA06）资助。

郝石盟，清华大学建筑学院，华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室

宋晔皓，清华大学建筑学院教授

李珺杰，清华大学建筑学院

林正豪，清华大学建筑学院

韩冬辰，清华大学建筑学院

2015-02-09

FIELD ASSESSMENT OF INDOOR PHYSICAL ENVIRONMENT OF VERNACULAR HOUSES IN SOUTHERN JIANGSU

Based on seasonal field measurements and investigations on indoor physical environment of four representative vernacular houses in southern Jiangsu, including building information, thermal comfort, building surveying and mapping, indoor physical environment, this paper is proposed to make a comparative study on indoor environment quality of these houses, for a better understanding of climate responsive design strategies in this area. The results reveal the increasing amounts and costs of construction, and the dependence of fossil fuels in recent years. Indoor thermal and lighting environment is far from satisfactory especially in winter. Several design strategies are proposed, which emphasize on the traditional "interval and spot heating" principle, a proper room layout and indoor heat sources.

Thermal Environment, Lighting Environment, Vernacular House, Hot Summer and Cold Winter Climate Zone