对潮汕老屋节能改造策略的模拟研究

黄伟彬，王英姿

（汕头大学土木与环境工程系，广东 汕头 515063）

0 引言

现存的潮汕老屋因其整体环境难以满足当代人的居住要求，越来越多地被推倒或者废弃.根据实际调研，目前在用的潮汕地区村镇民宅中仅有约1/7的住宅沿袭了潮汕老屋的制式，而这其中在酷夏时节没有条件使用空调设备的家庭又占了大多数.鉴于潮汕老屋的形制，空间乃至材料构造都反映了本土居民的集体智慧，也是最能体现传统文化和地域特色的民宅，若通过合理的节能改造提升其环境质量，将非常具有社会和经济价值.研究以潮汕老屋典型样式“四点金”为例，采用Ecotect Analysis软件为研究平台，针对目前建筑节能改造常用的策略设置六组对照组和四项能耗模拟指标进行分析，进而对各对照组节能效果做模拟和评价，达成对节能改造设计策略的优选.

1 典型建筑方案选取及其环境参数设置

1.1 典型潮汕老屋建筑方案及模型构建

“四点金”是潮汕老屋典型形制之一，该建筑因其四角上各有一间其形如“金”字的房间压角得名.后面的大厅是祭祖的地方，两边的“大房”是长辈居住的卧室，门厅两侧的“下房”是晚辈与仆人的居室，天井左右有回廊的南北厅，有的还有两间小房，作厨房或柴草房，又称“格仔”.“格仔”与大房之间有通往外面的侧门，称“子孙门”，取多子多孙出入之间.建筑平面和尺寸如图1所示：

图1 潮汕地区“四点金”典型建筑平面尺寸（摘自陆琦先生所著《广东民居》，图中尺寸单位为木行尺）

1.2 建筑材质的设置

对于建筑中的非透明维护结构，如墙体以及坡屋顶.通过对传热系数，准入系数，太阳吸收系数，衰减系数，发射率以及延迟时间等参数进行设置.而对建筑中的透明围护结构，例如窗户等，则通过对传热系数，准入系数，太阳得热系数，可见光透过率，折射率以及发射率进行设置.上述各个参数的计算是先从建筑热工规范中获取各维护结构相关材料的热工属性，在Ecotect Analysis软件中将各种材料进行合成并计算得出.

1.3 区域属性的设置

区域属性设定可以根据实际情况，对系统类型，人数，设备发热量以及活动运行时间表等进行设置.设置参数有：居住者着装状况；湿度；风速；照明水平；人数与所进行活动；人员在室率；室内得热情况；冷风渗透率等.因为潮汕地区属于夏热冬暖地区，上述参数引用《公共建筑节能设计标准》中夏热冬暖地区的数据，其中也有些参数是需要根据老屋实际情况进行设置.以上通过对室内热环境条件的区域属性设置，能够大致真实反映潮汕老屋日常的室内热环境，从而实现对潮汕老屋进行室内热环境的模拟.

1.4 气象资料导入

气象资料来源于2005年中国气象局气象信息中心气象资料室和清华大学建筑技术科学系研究所开发了《中国建筑热环境分析专用气象数据集》.其中包含了大部分常用的逐时气象参数，气温、相对湿度、总辐射、散射辐射、风速、风向、云量与降雨量.通过气象资料的导入，实现对所属潮汕地区的潮汕老屋进行室外热环境的模拟.

通过以上步骤可以模拟出潮汕老屋“四点金”在潮汕地区气候环境下一年四季的基本能耗情况.

2 按节能改造策略设置的对照组

本文针对常用的节能改造策略，设置六组对照组.第一组是保留传统老屋现状的原始对照组，第二至五组对照组是考虑到居住者对于传统建筑形态完整性方面的需求，只是通过改变围护结构材质来减小建筑能耗，而保留其原有的建筑空间.第六对照组是考虑到老屋难以提供一个舒适的公共交流空间，通过添加隔断创造出一个封闭的厅室，使得潮汕老屋的空间布局更适合现代居住的需求.

1.第一组原始对照组采用的是古老的潮汕老屋墙体构造方式——“版筑”，其使用材料为贝灰、河砂、生土、三合土.采用内外抹灰的方式.屋顶材料为传统的粘土瓦屋顶，而窗户的种类采用单层铝合金窗.此对照组只起到对照的作用，没有特殊的目的和意义.

2.第二组对照组的墙体采用砖砌体，内外抹灰作为围护结构.屋顶材料为传统的粘土瓦屋顶.窗的种类依然是单层铝合金框架窗.因为砖砌体已经量产化和构造方式较“版筑”墙体更为流程化和规范化，相对应的造价会下降很多.此组对照组的目的是探究在经济方式下的墙体热工性能.

3.第三组对照组的墙体采用的是保温墙体，即带内保温隔热层的“版筑”墙体，既体现节材又体现节能的建筑设计理念，屋顶材料为传统的粘土瓦屋顶.窗的种类依然是单层铝合金框架窗，探究保温墙体对建筑保温节能性能的影响程度.

4.第四组对照组的墙体采用的是“版筑”墙体，屋顶材料为带铝箔纸隔热的粘土瓦屋顶.窗的种类依然是单层铝合金框架窗，探究隔热屋顶对建筑保温节能性能的影响程度.

5.第五组对照组的墙体采用的是“版筑”墙体，屋顶材料为传统的粘土瓦屋顶.窗的种类是双层低导热系数铝合金框架窗.以此来探究低导热系数窗对建筑保温节能性能的影响.

6.第六组对照组是在原始对照组的基础上，通过在后厅和廊下的交界处添加上一道双层低导热系数玻璃隔断，使得后厅成为一个封闭的空间，成为家庭成员互相交流的舒适空间.探究在这种较大程度满足功能性的建筑的热工性能优劣.

3 对照组能耗模拟及数据分析

潮汕老屋在实际使用过程中对能源的使用消耗存在不使用空调等设备的被动式和使用空调等设备的主动式两种建筑方案类型.其中，在被动式建筑方案类型下，逐月不舒适度分析指标是最具代表性的节能效果指标；而在主动式建筑方案类型下，得失热分析指标更具参考意义.

3.1 逐月不舒适度分析指标（不使用空调等主动设备的情况下）

这里使用的舒适温度的算法是区域舒适段的舒适温度算法，其中的舒适温度区域设置在18℃到26℃的区间内.本文主要以净小时数这个参数来衡量舒适度是否满足要求，净小时数是计算所有不舒适温度与舒适温度的相减的值的总和.因为这比单纯统计达不到舒适温度的时间总和要更能说明不舒适的程度.计算的数据如图2-图7所示：

图2 第一对照组的逐月不舒适度分析图

图3 第二对照组的逐月不舒适度分析图

图4 第三对照组的逐月不舒适度分析图

图5 第四对照组的逐月不舒适度分析图

图6 第五对照组的逐月不舒适度分析图

图7 第六对照组的逐月不舒适度分析图

比较结果如下：

1）通过第一组对照组和第二组对照组的比较，比对图2和图3表明两种建筑类型的逐月不舒适分析图的曲线和数值是基本一致，说明在不安装空调等主动式设备的被动式建筑中，将原本的“版筑”墙体替换成为砖砌体，室内热环境在冬季和夏季期间并未见显著的提升.

2）通过第一组对照组和第三组对照组的比较，使用带隔热夹层的内保温墙体相较于“版筑”墙体来说，两者的区别不是很大，而且有其季节性的区别，在冬季，“版筑”墙体的不舒适净小时数比带隔热夹层的内保温墙体要少一些，从图2“版筑”墙体不舒适净小时数的1.4小时到图4带隔热夹层的内保温墙体不舒适净小时数的1.7小时中可以看出：在冬季，被动式建筑中“版筑”墙体的物理性能要优于带隔热夹层的内保温墙体.而在夏季，从图2“版筑”墙体不舒适净小时数的3.1小时到图4带隔热夹层的内保温墙体不舒适净小时数的2.8小时中可以看出：夏季的隔热夹层会起到一些作用.以上表明，两者在热工性能的区别是非常小的.

3）通过第一组对照组和第四组对照组的比较，在夏季，采用带铝箔纸隔热的粘土瓦屋顶相较于采用普通的粘土瓦屋顶在逐月不舒适度分析方面有一定的改进.从图2“版筑”墙体不舒适净小时数的3.1小时到图5带铝箔纸隔热的粘土瓦屋顶不舒适净小时数的2.9小时中可以看出来：在冬季，两者在热工性能方面是区别不大的.

4）在第一组对照组和第五组对照组中，采用双层低导热系数铝合金框架窗对不舒适净小时数是影响不大的，从图2和图6可以看出来，不舒适净小时数在数值方面，波动不大.因为潮汕老屋的窗户普遍都是800 mm的小气窗，所以即使采用低导热系数的隔热窗也对室内热工性能影响不大.为了使得住宅的造价更加经济合理，选择用普通的单层铝合金框架窗是更为合理的.

5）通过第一组对照组和第六组对照组的比较，在夏季，从图2原始对照组不舒适净小时数的3.1小时到图7第六对照组中不舒适净小时数的2.7小时中可以看出：在夏季，多加一个密闭空间具有隔热的作用.在冬季，从图2原始对照组不舒适净小时数的1.4小时到图7第六对照组不舒适净小时数的1.2小时中可以看出来，多加一个密闭空间也是有保温的作用的.

3.2 得失热分析指标（使用空调等主动设备的情况下）

得失热分析指标包括围护结构导热的得失热；综合温度产生的热量；太阳直射辐射得热；冷风渗透得失热；内部人员与设备得热；区域得失热）所占比例.其中本文的研究重点是探讨如何降低围护结构导热的得失热在总得失热所占比例，模拟后计算结果如图8-图13所示：

图8 第一对照组得热分析图

图9 第二对照组得热分析图

图10 第三对照组得热分析图

图11 第四对照组得热分析图

图12 第五对照组得热分析图

图13 第六对照组得热分析图

比较分析结果如下：

1）在第一对照组和第二对照组的比较中，代表墙体保温性能的围护结构得失热的数值上面，在冬季，从采用传统“版筑”墙体的70.6%到采用砖砌体墙体的76.3%，说明在冬季，采用传统“版筑”墙体的老屋更能阻止热量流失，使屋内热环境更加舒适.而在夏季，从图8围护结构得失热中的11.9%到图9围护结构得失热中的15.9%，可以得出传统“版筑”墙体比砖砌体墙体更节能，综上所述，在主动式建筑方案中，采用传统“版筑”墙体的老屋在空调能耗方面要更为节能.

2）在第一对照组和第三对照组的比较中，在夏季，从图8围护结构得失热占总得失热的11.9%到图10围护结构得失热占总得失热的10.8%，说明在夏季，隔热层还是起到一定作用.在冬季，从图8围护结构得失热占总得失热的70.6%到图10围护结构得失热占总得失热的52.2%可以看出：在冬季，使用带隔热夹层的内保温墙体更能防止室内热量流失，使屋内热环境更加舒适.综上所述，在主动式建筑方案中，使用带隔热夹层的保温墙体相较于传统“版筑”墙体来说是有积极作用的.

3）在第一对照组和第四对照组的比较中，在夏季，从图8围护结构得失热占总得失热的11.9%到图11围护结构得失热占总得失热的8.5%中可以看出，在防止屋内冷空气传导和外界热流流入方面，隔热屋顶起到很大作用.而在冬季，从图8围护结构得失热占总得失热的70.6%到图11围护结构得失热占总得失热的56.8%中可以看出来：在保温方面，隔热屋顶发挥积极的作用.综上所述，隔热屋顶相较于传统粘土瓦屋顶在保温隔热层面有巨大的优势.

4）在第一组对照组和第五组对照组中，从图8和图12可以看出来，维护结构导热的得失热在数值方面，波动不大.故选择用普通的单层铝合金框架窗是更为合理的.

5）在第一组对照组和第六组对照组中，从图8围护结构得失热占总得失热的11.9%到图13围护结构得失热占总得失热的12.4%中可以看出.在夏季，虽然添加一道低导热系数隔断，增强冷空气通过隔断进行热传导，对室内热环境带来不利影响，但是因为同时封闭后面上房两面墙的热传导，对室内热环境有利.综合这两方面原因，所以在保温隔热性能方面没有很大的变化.在冬季，从图8围护结构得失热的70.6%到图13围护结构得失热的59.8%中可以看出：因为有了后厅这个封闭的空间，使得后面的空间连成整体，极大地增强老屋整体的保温性能.

4 绿色改造策略优选

通过匹配到主动式和被动式的不同衡量指标，比较分析后优选出针对被动式建筑和主动式建筑的不同改造策略：

4.1 针对被动式建筑状态

墙体选择传统“版筑”建造方式更为合适.采用带铝箔纸隔热的粘土瓦屋顶也能起到一定作用的.是否安装节能窗也有其季节性的考量，夏季会使住户的不舒适感增强，冬季则相反.为了使得住宅的造价更加经济合理，选择用普通的单层铝合金框架窗是合理的.而增加一个厅室空间，对建筑总体的隔热保温效果也具有加强作用.

4.2 针对主动式建筑状态

增加隔热层的保温墙体比传统墙体在节能性能方面更好.采用了带铝箔纸隔热的粘土瓦屋顶会带来巨大的空调能耗节约.换装节能窗并不能给室内热环境带来积极的影响.对厅室加装低导热系数玻璃隔断，不仅带来功能性改进，同时其空间所产生的平均能耗是要小于其他空间的.

5 结论和展望

通过以Ecotect Analysis软件为工具进行热工模拟的方法，对潮汕老屋各围护结构的材料构造进行节能改造，提出两个针对不同建筑类型的方案，以逐月不舒适度分析指标和得失热分析指标为评价标准.综合节能效果、使用功能以及经济成本等因素，对潮汕老屋最有效合理的改造策略如下：

1）对没有使用空调等主动设备的被动式建筑而言，使用现有“版筑”墙体比其他墙体优势巨大，不需要对现有墙体进行推倒重建，只需要进行适当的结构加固措施，比如加设钢筋网，外涂砂浆等.另外粘土瓦屋顶进行隔热改造以及封闭厅室空间这两项建筑围护结构改进措施是值得采用的.

2）对使用空调等主动设备的建筑而言，不建议对传统墙体进行拆除，建议可增设隔热层.另外对传统粘土瓦屋顶进行隔热改造（带铝箔纸隔热的粘土瓦屋顶）以及封闭厅室空间都是较好的建筑改进措施.

本研究发现，潮汕老屋原本的墙体材料和构造做法就具有一定的节能作用，再通过因地制宜地对建筑材料使用和空间封闭性能等影响民居热环境状态的关键要素进行改造提升，将达成较好的节能效果.潮汕老屋本就是与所处自然地域的独特环境相适应、相协调的建筑形式，其完全可以通过适宜的改造策略实现“绿色”发展，从而在新时代获得生机.