徽州传统民居冬季热环境优化分析

0 引言

徽州传统民居是我国传统民居的重要流派，是祖先勤劳与智慧的结晶。徽州位于我国夏热冬冷地区，在炎热的夏季主要通过天井通风、街巷遮阳、围护结构隔热等措施解决夏季防热问题；但在寒冷的冬季，由于建筑气密性差，没有合理的采暖、保温措施，使得徽州传统民居室内寒冷潮湿，严重影响人体热舒适性。

国内外许多学者都曾对各地的传统民居进行过大量研究。Baran等[1]对土耳其传统民居中所蕴含的气候适应性技术进行了详细的分析和优化，并将其运用到现代建筑上。Kim等[2]对朝鲜传统民居的热环境适应性进行了研究，指出传统民居的门窗、屋檐等围护结构在设计时考虑了当地气候，有利于营造出一个良好的室内环境，并将其与现代建筑进行比较分析。Ooka[3]对日本传统民居冬夏季室内热环境进行了实测，对比测试结果，指出泥制外墙和土制地板有很好的储热性能，能达到调节建筑室内温湿度的作用，且采用芦苇建造的屋顶具有良好的保温性能。于佳[4]对西藏林芝地区传统民居及藏式新民居分别进行了实测结果定量分析和数值模拟分析，指出在无采暖措施情况下，该地区民居冬季室内热环境质量较差，并根据传统民居与新式建筑的对比分析，提出改进措施。陈晓扬等[5]对宏村典型传统民居的进行了实测，结合CFD 模拟分析徽州传统民居室内的环境特征，指出建筑隔热性能较好，但保温和通风较差。宋冰等[6]对西递传统民居冬季室内热环境进行了实测分析，指出围护结构热工性能差、室内通风换气不畅、无辅助采暖是导致徽州传统民居室内寒冷潮湿的主要原因。张莹等[7]对宏村、卢村传统民居冬夏季温湿度进行实测，指出传统民居的夏季防热效果好，但冬季建筑的保温效果差，并从墙体、门窗、天井、屋顶等方面提出改进措施。石团团[8]对徽州传统民居冬季室内环境进行测试，指出徽州传统民居冬季室内昏暗、阴冷潮湿、气密性较差，并结合厢房“地笼”设计太阳能地板辐射采暖系统，改善室内热环境。

为进一步研究不同因素对传统民居冬季室内热环境的影响，以更好地解决徽州传统民居冬季室内热舒适性问题，本文在前人研究的基础上，通过实测掌握传统民居冬季室内环境的现状，结合软件进行冬季室内热环境仿真模拟，分别在有无内热源工况下，分析换气次数、围护结构热工性能对室内热环境的影响。

1 冬季热环境实测

1.1 研究对象

本研究选择安徽泾县查济古村的典型清代民居建筑——馀庆堂为研究对象。该民居坐北朝南，为二进五厢，平面布局东西对称（ 图1）。第一进天井位于围墙与房屋之间，外墙为青砖空斗墙；第二进天井位于民居中心、两厅堂之间；厅堂两侧为厢房，厢房的天花板、地板和四周内墙均为木板。

图1 馀庆堂平面布置图

1.2 实测分析

本研究起止时间为2015年1月25～27日（小雨），选取馀庆堂第一进进行实测。采用温湿度测量计(KANNA-HI9065)进行温湿度测试，得到1月26日建筑各区域空气温度（图2）。采用CO2示踪气体衰减法进行气密性测试，计算得到三种工况下的换气次数，即：门洞全关的厅堂内换气次数为10.0次/h，门窗全开的厢房内换气次数为12.5次/h，门窗全关的厢房内换气次数为2.5次/h。采用热舒适仪(METRELMI6201)测得热舒适度PMV=-3，人体感觉为“冷”；PPD=100%，不满意度高。

由图2可知，冬季传统民居的室外空气平均温度为7.9℃，厅堂为8.2℃，厢房为8.6℃，温度低，且建筑室内外温度相差较小。由实测结果分析得知：徽州传统民居冬季防寒效果差，受外部环境扰动大，室内寒冷潮湿，热舒适性差。造成这一结果的原因主要有3个：①冬季天井通风和门窗的冷风渗透导致建筑气密性差，室内换气次数大；②民居围护结构的传热系数较大，保温、蓄热性能差；③当地居民缺乏合理的采暖措施。

2 冬季热环境模拟

为分析不同因素对传统民居冬季室内热环境的影响程度，本文采用数值模拟分析法，建立传统民居室内热

图2 馀庆堂室内外实测空气温度

环境模型，分别在有无内热源工况下，分析换气次数、围护结构热工性能等对室内热环境的影响程度。

2.1 模拟方法

为使模拟结果更符合实际情况，本文基于Fluent软件的流场分析优势和Trnsys软件的模块化瞬态分析优势，构建Fluent和Trnsys耦合平台。通过Fluent软件计算出室外风速与室内换气次数的数值关系，拟合出二者之间的数学方程，作为Trnsys中建筑动态换气次数的数学模型，导入Trnsys进行耦合分析。

2.2 模拟方案

在无辅助内热源工况下，分析换气次数、围护结构热工性对室内热环境的影响程度。如表1所示，CASE0为根据实际情况建立的建筑模拟方案，其中，建筑围护结构传热系数为实测值，换气次数为模拟所得的动态换气次数；CASE2对建筑围护结构热工性能进行了改进。

在有辅助内热源工况下，分析换气次数、围护结构热工性对室内热环境的影响程度。如表2所示，CASE3只增设了内热源；CASE4在对建筑气密性进行改进的基础上，增设了内热源；CASE5在对建筑围护结构热工性能进行改进的基础上，增设了内热源。

计算Fluent软件拟合出的室外风速与厢房换气次数耦合方程y=-0.27X2+1.08X+2.50，可得动态换气次数。建筑原围护结构中，外墙的传热系数实测值为2.06 W/(m2·K)，内墙为 1.86W/(m2·K)，屋顶为 3.99W/(mm2·K)；围护结构传热系数1.0 W/(m2·K)为安徽省居住建筑节能设计标准中围护结构热工参数的限定值；换气次数1.5次/h为安徽省居住建筑节能设计标准中换气次数的标准值；辅助内热源50W/m2为住宅建筑冬季采暖热负荷的限定值。

表1 无内热源工况下各方案

表2 有内热源工况下各方案

2.3 模拟结果分析

分别在无辅助内热源工况和有辅助内热源工况下，控制换气次数、围护结构热工性，建筑厢房内的空气温度如图3 、4所示。

2.3.1 无内热源模拟分析

（1）由CASE1结果分析得知，保持其他因素不变，控制换气次数为1.5次/h时，室内空气温度为9.0℃，相比CASE0提高了0.6℃。由此可见，仅对厢房气密性的改进，室内热环境无明显改善。这主要是由于厢房门洞全关工况下，厢房内换气次数较小，因而对厢房进行单一的气密性优化时，对室内热环境的影响较小。

图3 无内热源工况下各方案厢房温度

图4 有内热源工况下各方案厢房温度

（2）由CASE2结果分析得知，保持其他因素不变，控制围护结构传热系数为1.0W/(m2·K)时，室内空气温度为12.5℃，相比CASE0提高了4.1℃。由此可见，通过对厢房围护结构热工性能的改进，室内热环境有很大的改善。这是因为建筑原有围护结构的热工性能较差，因而在改进围护结构的热工性能时，厢房室内热环境也会有一定的改善。

综上分析：随着建筑换气次数和围护结构传热系数的减小，厢房内空气温度都会有一定幅度的上升，即降低室内换气次数、提高围护结构热工参数均可在一定程度上提高厢房气温；且建筑围护结构热工性能的改进效果远远优于建筑气密性的改进效果。

2.3.2 有内热源模拟分析

（1）由CASE3结果分析得知，保持其他因素不变，控制辅助内热源为50W/m2时，室内空气温度为11.6℃，相比CASE0提高了3.2℃。由此可见，如增设辅助内热源，对室内热环境的改善效果一般。这主要是由于建筑围护结构热工性能及建筑气密性差，导致过多的热量散发到室外，室内热环境改善效果不明显。

（2）由CASE1、CASE2、CASE3对比分析可得，改变建筑换气次数、围护结构热工性能和内热源，可分别提高室内温度0.6℃、4.1℃和3.2℃。可见改进围护结构热工性能对室内热环境的改善效果最佳，其次是增设内热源，而提高建筑气密性对室内热环境的影响最小，改善效果明显低于其他方案。

（3）由CASE4结果分析得知，保持其他因素不变，控制建筑换气次数为1.5次/h，内热源为50W/m2时，室内空气温度为12.7℃，相比CASE3提高了1.1℃。由此可见，在改进建筑气密性的基础上再增设内热源，对室内热环境有改善作用，但效果不明显。这主要是由于建筑换气次数的改进，降低了室内外空气对流换热，减少了室内热量的损失。

（4）由CASE5结果分析得知，保持其他因素不变，控制围护结构传热系数为1.0W/(m2·K)，内热源为50W/m2时，室内空气温度为16.1℃，相比CASE3提高了4.5℃。由此可见，在改进建筑围护结构热工性能的基础上再增设内热源，能够较大程度地改善室内热环境。这主要是由于建筑围护结构热工性能的改进，增大了墙体热阻，减少了室内热量的损失。

综上分析：相比于只增设内热源，分别在提高围护结构热工参数和建筑气密性的基础上，再增设内热源，对室内热环境均有进一步的改善作用，且提高围护结构热工参数的改善效果更为明显。

3 结语

综上所述，通过对徽州传统民居冬季室内热环境的模拟，我们可以得出以下结论：在无内热源状态下，改进围护结构热工性能对室内热环境的改善效果最佳，其次是增设内热源，而提高建筑气密性对室内热环境的影响最小；若在提高围护结构热工参数的基础上再增设内热源，则室内热环境的改善效果会最好。

参考文献：

[1]Baran M, Yildirim M, Yilmaz A. Evaluation of ecological design strategies in traditional houses in Diyarbakir in Turkey[J]. Journal of Cleaner Production, 2011,19:309-319.

[2]Kim TJ, Park JS. Natural ventilation with traditional Korean opening in contemporary house[J]. Building and Environment, 2010,45:51-57.

[3]Ooka R. Field study on sustainable indoor climate design of a Japanese traditional folk house in cold climate area[J].Building and Environment, 2002,37:319-329.

[4]于佳. 西藏林芝地区民居冬季热环境研究[D]. 武汉:华中科技大学,2011.

[5]陈晓扬,仲德崑. 宏村徽州传统民居过渡季节室内环境分析[J]. 建筑学报, 2009,(S2):68-70.

[6]宋冰,杨柳,刘大龙等. 西递徽州民居冬季室内热环境测试研究[J]. 建筑技术,2014,45(11):1033-1036.

[7]张莹,钟杰. 徽州传统民居室内环境分析[J]. 华中建筑,2011(05):66-69.

[8]石团团. 徽州传统民居冬季室内热环境研究[D]. 安徽:安徽工业大学,2015.