陕西汉中传统民居的可持续设计理念

2019-11-06巫朝敏乔振勇

四川建筑 2019年4期

巫朝敏, 张红, 乔振勇, 黎力, 黄渝

(四川省建筑科学研究院，四川成都 610036)

陕西汉中市位于陕西西南部，北靠秦岭，南屏巴山，中部是汉中盆地，而汉中是长江的第一大支流汉水的源头。整个汉中市的地域面积为27 246 m2，共有11个县区。根据2014年人口普查可得到总人口为380万人。

汉中的当地传统民居是一种很实用的建筑，传统民居对当地环境情况和亚热带气候作出了最合适的建筑形式和技术反映，从而保证了民居冬季和夏季的舒适度。高源的硕士论文《西部湿热湿冷地区山地农村民居适宜性生态建筑模式研究》中探讨了适应当地气候和现代需求的农村民居的建筑模式。而潘晓博的硕士论文《陕南汉中地区传统建筑元素解读——以民居建筑为例》中特别研究了汉中地区传统民居建筑的各类元素。而本文旨在对汉中传统民居进行整体分析以及评估传统民居的热舒适性。希望能够在城镇发展过程中，将传统建筑的可持续设计理念应用到新建建筑中，降低城镇建筑的能耗。

1 研究方法

名词“生物气候建筑”是由Victor Olgyay提出的[1]，而且建造一个与气候平衡的房子可以分为四个步骤：气候研究，人类生物学，技术和建筑的表达，地域建筑的强烈地区保护主义。在许多方面上，他可以说是我们现在所说的“可持续建筑”[2]的先驱者。生物气候设计会涉及到建筑平面布置(风向、太阳照射方向、长宽比)，场地规划(间距)，空气流动，建筑开口(大小、位置、遮挡物)和建筑围护结构(墙体、屋顶、建筑材料、保温类型)。

本研究先要进行假设，即最佳环境是具有最稳定的条件下舒适区域内。生物气候设计的策略主要针对建筑的结构和材料，因此，本论文主要评估围护结构(墙体、屋顶、建筑材料)的隔热性能。研究汉中地区农村传统民居的通用数据主要包括气候，热舒适，建筑形式，类型和技术。最后，在评估最热和最冷的一个月内典型传统建筑的热环境及其变化情况。

2 气候

陕西汉中具有亚热带气候，汉中地区内年平均气温可以达到14 ℃，相对湿度区内呈现南大北小，总体来说一年内冬春季节较小，夏季较大，而年降雨量夏秋季节较大，冬春季节较小，整体而言汉中气候的各项数据可见图1～图5。

图1 年平均气温(来源：ECOTECT软件)

图2 年相对湿度(来源：ECOTECT软件)

图3 年平均降雨量(来源：ECOTECT软件)

图4 风速(来源：ECOTECT软件)

图5 日照总时数(来源：ECOTECT软件)

可以看出，夏季最热的月份是7月和8月，月平均气温可以达到26 ℃左右，且当日气温波动可以达到将近8 ℃，冬季最冷月份是1月和12月，其月平均空气温度在0 ℃以上。日均温度波动范围7～9 ℃，而最大温度波动变化出现在2～6月份。相对湿度在一年中波动58 %～88 %，其中夏秋季的相对湿度较大。

汉中地区的降水较低，多年平均降雨量大约在600 mm，而一年当中主要降雨月份出现在夏秋季节。整个地区年平均风速较小，且很少有大风天，主要风向是东，可以达到34.5 %。

3 热舒适

热舒适指的是一种心理状态表示出对热环境的满意程度[3]。由美国制冷空调工程师协会赞助发起的一项研究，该研究汇集了从过去的研究中得到大量的数据库，并且开发和测试了自适应模型(包含生理和心理两方面)以及热感知的实证模型。而一般情况下，自适应模型中特定的集合点或者引导温度的控制策略，可能会增加模型内的室内人员给出的值的不确定性，主要因为室内人员的工作时间，工作强度，工作地点或者着装的不同。

热环境满意程度主要分为七个级别，而其中的热中立是指室内热环境给定一个特别的室内温度值，人们对该值满意程度投票为零的情况。本论文研究将采用Auliciems给出关于热中立和月平均干球温度的回归方程[4]：

Tn=17.6+0.31Tm

(1)

式中：Tn是室内温度；Tm是室外干球温度。

在回归方程中，Auliciems给出的热中立温度限制为18～28 ℃。而在图6中呈现出了12个月内夏季和冬季的最佳热舒适区域。图中可看出尽管冬季温度波动较小，但是被动式太阳能加热很有用且所得热量能够减少热损失以及降低室内平均温度。在夏季，通过防晒处理避免室内平均温度升高，且重型建筑能通过蓄热作用减少温度波动。

图6 夏季和冬季舒适区域(来源：ECOTECT软件)

4 建筑技术

汉中地区的传统民居的聚居是沿着街道两边线性排列着三合院或者四合院，三合院和四合院都是由土坯、砖石和木料等当地材料，均设有天井。汉中东关正街的民居特点在论文《汉中市东关正街历史街区保护研究》中均有提及。不论是三合院或者四合院，总体布局较为紧凑，使用的材料均为朴实简洁之材，面宽多为3～5开间，每开间一般为3 m，整个院落进深一般可以达到9～12 m，厢房多在中轴线的两侧对称布置，后墙多为直立高耸且采用厚重的土坯或者青砖。因为合院进深较大，一般为两层，一层用于住人，二层用于储物或者住人。

墙体和屋顶材料选择上，多采用的是可重复利用和可循环的材料。墙体或者屋顶的主要结构材料多为土坯、木材或者砖石，这些都是可以生物降解而对环境无害的。

民居的主要结构是木梁柱形式。为了达到防潮防腐，避免木柱直接置于土内而是均安置于石柱基础上。外围护墙体的厚度一般为300～420 mm，利用当地的黄土夯实而成或者开采片岩做成砖石墙，再利用黄泥或者砂浆进行连接，墙体具有良好的保温效果。合院的内部隔间的墙体采用木板进行划分。合院的二层楼面采用木板，屋顶采用木结构框架，形式多为双坡，在木结构上布置青瓦，阴瓦置于木椽上，阳瓦再覆盖其上。为了防止夏季的太阳直射室内增加室内热负荷，屋顶一般会有挑檐，出挑1～1.5 m。合院的天井作用有两个，一个是采光，另一个是为了收集屋顶的雨水。此外，天井联通了合院的整个通道，可对室内进行通风降低热负荷。

民居的窗户形式多采用的木窗，木窗框架上贴有纱纸。这些窗户多开向内院，便于通过天井进行采光和通风(图7)。

图7 窗户形式(资料来源：曹喆拍摄)

合院的天井空间是汉中民居的一个特色，作为室内庭院空间，夏季居民可以在庭院内阴凉处享受凉爽的室内环境，冬季居民也可在庭院下晒太阳或者主动采用烤火取暖。

5 热环境评价和分析

汉中传统民居主要是以合院形式出现，合院的布局中独院式是四合院的基本构成单元，独院式的合院以庭院为中心四周主要功能房间分为门房、厢房、正房和后院。屋顶则采用双坡屋顶，坡向庭院和合院外侧。一个简单独院单元，其开间为9 m，进深为21 m，一层高为3 m，两层为6 m(图8)。汉中传统合院建筑中其他多进式的合院基本上是由这种独院式合院进行组合而成。

图8 独院式四合院模型

热环境分析的目的是获得该四合院的自然情况下热行为的代表图像，而且该热行为不受到主动供热或者供冷条件影响。在不受到主动供热供冷条件下，假定房间内的自然通风换气次数为2 次/h，房间内人员数量为2人。根据现在汉中市传统建筑与现状建筑之间的结构情况，设计两种屋顶形式，一种是传统民居的双坡屋顶，一种是平屋顶，另设有两种墙体形式，一种是土坯和木框架结构，厚度为300 mm，一种是300 mm厚的砖石混凝土结构。双坡屋顶选用的材质是木框架加传统阴阳瓦片，而平屋顶的材质是细石混凝土、防水层、钢筋混凝土，白石灰，总厚度为10 cm。将上述三种情况分别组合，组合1为土坯墙体和双坡屋顶，组合2为砖石墙体和双坡屋顶，组合3为砖石墙体和平屋顶，然后对三种不同组合情况进行分析研究。

冬季的一月份中，组合2和组合3的昼夜温度范围为0～8 ℃，而组合1的昼夜温度范围变化为5～10 ℃，而冬季一月份的时候室外的温度变化范围是-1～7 ℃，见图9(a)。

夏季的七月份中，组合2和组合3的昼夜温度范围是22～32 ℃，而组合1的昼夜温度变化为25～28 ℃，有趣的是夏季7月份室外温度波动范围为22～30 ℃，见图9(b)。

由此可见，在冬季最冷月份，组合1的室内温度情况要比组合2和组合3高，且温度波动范围较小只有5 ℃，而在最热月的7月份时，组合1的室内温度情况又要比组合2和组合3要低，且温度波动范围为3 ℃。整体而言组合1的室内热舒适性要比组合2和组合3更佳。

6 结论

在推进城镇化建设，新农村改造的进程中，居民们不断建造着新的居住用房，且更多的趋于一致的采用了砖石墙体和平屋顶形式，而逐渐地将传统的民居拆除，不但浪费了大量建筑材料且新建的“砖盒子”建筑能耗较大，因此，更应该推行的是传统民居形式，并对传统民居进行保护以及更佳的节能改造工作。从上述的热环境评价分析中，得出传统民居的土坯墙体和双坡屋顶组合形式，能够更好地适应当地的气候环境，达到节能效果的同时创造较好的室内热环境，给予居住者较好的热舒适性。