龙胜农村民居夏季室内热环境的测试及分析

郑文亨，李倍宇，苏绍映，闻旭强，王嘉琪

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院,广西 桂林 541004)

龙胜位于桂林西北部,地处夏热冬冷区的最南端,主要为喀斯特地貌区。夏季平均气温26.8 ℃,平均相对湿度80.2%,平均风速1.88 m/s。龙胜农村民居以石材、木材搭建为主,属“干栏式”木构建筑体系[1]。目前传统民居热环境的研究受到广泛关注和重视，朱轶韵、王雪等提出结合地域气候特点提升民居构造[2-3]，郑锐锋、Joon-ho CHOI等提出利用机械除湿辅助自然通风已改善民居室内热环境[4]，白鲁建、杨真静、童丽萍、孙贺江等提出提高外围护结构热工性能可以有效提高室内热舒适[5-8]，宋晓吉等提出降低服装热阻可以提升夏季室内人体热舒适感[9]。

目前，对于桂林传统民居热环境的研究还较少，因此，本文选取龙胜黄洛红瑶长发村具有代表性的典型民居,对其室内外热环境进行现场测试,分析建筑朝向、构造和平面布局等因素对室内热环境的影响,通过合理利用被动方式措施改善该地区民居室内热环境,并为改善桂北农村民居环境提供参考。

1 研究对象

选取龙胜黄洛红瑶长发村中典型的传统干栏式民居(图1a)和新式民居(图1b)进行测试。传统民居为三层全木结构建筑,南北朝向,一层为架空层,二层为居住空间,三层为阁楼。新式民居是一栋“木+砖混合”结构的四层建筑,南北朝向,主体建筑为木结构,厨房为后期扩建的砖混结构；一层为大厅及厨房,二、三层为居住卧室和客厅,四层为阁楼。

图1 测试民居Fig.1 Tested residential

传统民居和新式民居的外墙均为50 mm厚的无保温杉木板，新式民居外墙刷有1 mm厚的保护漆；传统民居地板为100厚的杉木板,新式民居一层地面铺设有大理石瓷砖,二层以上的地面均为中空30 mm+双层100厚的杉木板；传统民居和新式民居屋面均为木框架外铺水泥瓦片,内铺油毡纸防水层。

2 研究方法

2.1 测试方法

从2018年7月6—11日对2栋典型民居进行测试，测试内容包括室内外空气温湿度、室内外风速、室内外CO2浓度及室内壁面温度。室内外空气温、湿度采用HOBO UX100-003和HOBO U23-001测量,进行24 h连续测试,数据采集时间间隔30 min；风速、CO2含量和壁面温度分别使用氧化碳监测仪、Swema 03万向微分仪和Testo 875i红外热成像仪测量,测量时间为8:00—18:00,数据采集时间间隔2 h。

测试仪器型号及具体参数见表1,民居平面图及测点布置见图2。由于当地村落为旅游景点,且测试的两所民居均对外开放参观,房屋主人为了安全考虑均不对外开放卧室空间,所以测试点布置在人员活动密集的公共活动空间。

表1 仪器型号与参数Tab.1 Instrument model and parameters

图2 民居平面及测点布置图Fig.2 Residential floor and measuring point layout

2.2 评价方法

本文采用操作温度作为民居室内热环境的评价指标。通过实测围护结构内表面温度计算出室内平均辐射温度MRT,进而得到室内操作温度T0。其中室内平均辐射温度MRT可按式(1)计算,室内操作温度T0可按下式(2)计算,操作温度上下限可分别按式(3)计算,

(1)

上式中,t1、t2、…tn为壁面表面温度,℃；S1、S2、…Sn为壁面表面面积,m2。

(2)

式(2)中Ta为空气温度。

T0,min/Icl=

(3)

T0,max/Icl=

(4)

式(3)、(4)中,T0,min/0.5、T0,max/0.5为Icl=0.5的可接受区域的操作温度下限和上限(℃)；T0,min/1.0T0,max/1.0为Icl=1.0的可接受区域的操作温度下限和上限(℃)；T0,min/Icl、T0,max/Icl为实际衣着Icl(当地居民的典型服装搭配为:短裙+长袖衬衫+拖鞋+长衬裙+内裤,服装热阻计为Icl=0.67)条件下可接受区域的操作温度下限和上限(℃)。

3 结果与分析

3.1 室内外空气温度

室内、外温度测试结果(图3)显示：测试期间室外最低温为22.1 ℃,出现在7月11日6:00左右,最高温为35.0 ℃,出现在7月11日14:00左右,平均温度26.2 ℃,平均日较差7.1 ℃。新式民居和传统民居室内最高温分别为32.3 ℃和34.7 ℃,最低温分别为22.6 ℃和22.2 ℃,平均温度分别25.9 ℃和26.0 ℃。

室内各测点温度结果(表2)显示：

(1)与新式民居相比,传统民居的室内平均温度稍高,温度波动更大。其主要原因在于两民居的围护结构的气密性不同[13],新式民居的围护结构气密性优于传统民居。

(2)新式民居二层客厅的平均温度高出一层的大厅和厨房约0.9 ℃。主要原因是房屋的空间布局不同，且在房屋结构上二层的楼板向外延伸了80 mm,对一层的外墙起到了一定的遮阳效果,相比一层房间二层客厅接收到的太阳辐射更多。

图3 测试期间室内外空气温度Fig.3 Indoor and outdoor air temperature during the testing

表2 民居室内温度 ℃

3.2 室内外空气相对湿度

测试期间室内外相对湿度结果(图4)显示：室外空气相对湿度为49.7%～98.0%,平均值87.4%,平均日较差22.4%；室内空气相对湿度为36.5%～100.0%,平均日较差54.1%。

室内各测点相对湿度结果(表3)显示：与新式民居相比,传统民居的室内平均相对湿度略低,湿度波幅略高。这主要是由于两民居围护结构不同引起的，其中，新式民居一层地面铺设有大理石瓷砖,部分墙面贴有装饰瓷砖,而传统民居地面和墙面均为杉木板，木材的吸湿性高于瓷砖,且木材气密性远低于瓷砖,更有利于室内余湿渗透到室外；此外,传统民居房屋的窗墙比约为58.7%,新式民居房屋的窗墙比约为64.8%,但在测试期间,传统民居房屋按实际开启外窗面积计算的窗墙比约为47.8%,新式民居房屋按实际开启外窗面积计算的窗墙比约为36.9%,传统民居更大程度上利用了外窗的自然通风来调节室内湿环境。

图4 测试期间室内外空气相对湿度Fig.4 Relative humidity of indoor and outdoor air during the testing

表3 民居室内相对湿度 %

3.3 室内外风速及CO2浓度

传统和新式民居室内外风速测试结果(图5)显示：测试期间室外最高风速为0.36 m/s,最低风速为0.05 m/s,日平均风速为0.14 m/s。新式民居和传统民居的室内平均风速分别为0.07 m/s和0.14 m/s,室内风速最小值和最大值分别出现在8:00左右和14:00左右。

室内各测点风速结果(表4)显示：与新式民居相比,传统民居室内各测点的平均空气流速略高。这是由于测试期间传统民居可开启外窗面积大于新式民居的可开启外窗开启面积,自然通风效果较好。

图5 测试期间室内外风速Fig.5 Indoor and outdoor wind speed during the testing

从图6可知：测试期间传统民居室内CO2平均浓度低于新式民居,传统民居室内CO2平均浓度波动较小,新式民居室内CO2平均浓度波动较大。根据美国劳伦斯伯克利实验室最新实验研究[11]表明,室内CO2浓度从600×10-6升高至1000×10-6的过程,人体舒适感逐渐降低。由本文测试结果可知,2种民居室内CO2浓度均低于600×10-6,都满足人体舒适要求,但传统民居的舒适感更佳，这是因为传统民居室内平均风速高于新式民居。由此可见,自然通风在维持民居室内CO2浓度方面作用明显。

表4 民居室内风速 m/s

图6 测试期间室内CO2浓度Fig.6 Indoor CO2concentration during the testing

3.4 外围护结构内壁面温度与平均辐射温度

由外围护结构的内表面温度测试结果(图7)可知：同一时刻传统民居室内各朝向的壁面温度均高于新式民居同朝向的壁面温度。这主要是由于新式民居使用的新木材色泽浅,表面较为光滑,对太阳辐射的吸收率较小[14],而传统民居的木材陈旧,色泽暗,表面较为粗糙,对太阳辐射的吸收率较大；另外，同一建筑中西外墙内壁面温度最高,南外墙和东外墙的分别次之,北外墙内壁面温度最低。

图7 外围护结构内壁面温度Fig.7 Inner wall temperature of the outer protective structure

将上述4个朝向的外围护结构内壁面温度的平均值作为民居围护结构的内壁面温度tn,通过式(1)和(2)分别计算得到民居室内辐射温度MRT和室内操作温度T0,结果(图8)显示：测试期间新式民居和传统民居的室内平均辐射温度分别为25.9 ℃和26.8 ℃,温度波幅分别为10.3 ℃和8.6 ℃,室内平均辐射温度最高值出现在16:00左右,最低值出现在8:00左右。

通过式(3)和(4)计算得到传统民居室内可接受区域的操作温度上下限分别为28.3 ℃和25.2 ℃,新式民居室内可接受区域的操作温度上下限分别为27.8 ℃和24.7 ℃,可见两民居的可接受区域的操作温差相同,但传统民居的可接受区域的操作温度区间高于新式民居。另外，传统民居室内操作温度在可接受区间范围内的时间占测试总时长的63.9%,新式民居室内操作温度在可接受区间范围内的时间占测试总时长的52.8%,说明传统民居适应热湿环境的能力优于新式民居。

图8 民居室内平均辐射温度MRTFig.8 Residential indoor average radiation temperature MRT

4 龙胜农村民居建筑气候适宜性的分析

通过对该地区的新、旧民居夏季室内热环境现场调研与测试发现,当地民居初步利用了建筑朝向[15]、平面布局、遮阳[16]、门窗和结构构造[17]等气候适宜性技术。然而,民居室内热环境受建筑平面布局、房屋结构等多因素综合影响，因此，为了改善龙胜农村民居室内热环境，也应因地制宜结合当地气候环境特点和房屋结构特点[18]。

4.1 建筑朝向

夏季桂北地区炎热潮湿,主导风向为东南风，而建筑朝向的选择既要满足室内通风要求,也要兼顾室内的采光与遮阳，因此,龙胜地区民居建筑朝向宜选择南北朝向或东南朝向,合理利用外窗可以充分利用夏季主导风以改善室内气流，如上午打开东外窗可引入室外阳光满足室内的采光需要，下午关闭西外窗可防止灼热的阳光直射进入室内,避免加剧室内温升,从而改善其室内热环境。

4.2 平面布局

该村的建筑朝向多为南北朝向,建筑平面布局紧密、间距较小,不能形成良好的通风廊道，造成了多数民居东、西朝向的自然通风效果不佳；同时，受地形的影响,夏季主导风在建筑水平方向上的流动受到很大的阻碍。为了充分利用夏季主导风,使室内形成良好的风环境,民居平面布局宜采用迎风朝向的横向排列,并且处在迎风面后方的民居应结合地形适当抬高建筑的基础,形成前低后高的错落布局；此外,宜适当增大东、西朝向的建筑间距,使房屋间形成良好的室外风场。

4.3 外墙和外窗

龙胜农村传统民居多数使用杉木搭建,气密性和热工性能较差，应在建造民居时减小外墙木材的连接空隙,尽量使木材间紧密衔接以提高外墙的气密性能，并在外墙的外表面涂抹浅色保护漆,可以有效减少外墙吸收太阳辐射,从而降低室内平均辐射温度,改善室内热舒适性。

本文测试及分析结果表明,外窗对民居室内热环境影响较大。龙胜地区民居的外窗多为平开木框单层透明玻璃窗,无外遮阳措施。因此，为了改善该类民居室内的热环境,可在外窗布置遮阳板。

5 结论

(1)龙胜地区夏季湿热,农村民居特点鲜明,但受地形限制,当地民居结构简单且布局不合理,难以形成有效的通风,室内热环境较差。

(2)龙胜地区当地民居外围护结构的热工性能和气密性较差。为了改善其夏季室内热环境，应结合龙胜当地气候特点,采取不同朝向开窗、窗户遮阳、室内空间布局和提高墙体热工性能等综合的措施。