江南农村民居单体设计对保温隔热性能的影响研究

■席 飞，阮雪君，张乘风

(1.南京财经大学艺术设计学院，江苏南京 210023；2.南京机电职业技术学院，江苏南京 210000；3.南京林业大学艺术设计学院，江苏南京 210037）

江南传统砖木结构民居的单体建筑设计是影响其保温隔热性能的重要方面[1]，本文从单体建筑设计的体型系数、平面布置、自然通风、自然采光和太阳辐射量以及外围护结构的构成等角度分析其保温隔热性能的优缺点，以期寻找优化方式。为了更好地进行研究，本文选取了两处江南传统村落进行全面的调研，它们分别是江苏省昆山市周庄镇东浜村和浙江省嘉兴市嘉善县西塘镇翠南村，其民居以砖木结构为主[2]，并且由于大部分年代久远，民居居住热舒适度较差，急需对它的保温隔热性能进行提升。

1 体型系数

居住建筑体型系数在GB50176—2016《民用建筑热工设计规范标准》[3]中已有明确的定义，即“建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围体积的比值”，计算公式为：

S—建筑体型系数；

F0—建筑的外表面积（m2）；

V0—建筑体积（m3）；

注：建筑体形系数中所指的外表面积不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积，不包括女儿墙，也不包括屋面层的楼梯间与设备用房等的墙体。突出墙面的构件如空调板在计算时忽略掉，按完整的墙体计算即可。

根据对于两处江南传统村落中的砖木结构民居的测绘和计算，发现大多数民居（这里所说的是普通农家住宅，不是大型的官绅宅邸）的体型系数在0.5～0.55之间，刚刚满足《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[4]对于体型系数的规定。这是因为农村民居都是1～2层的低矮住宅，总高度较低，不利于体型系数变小，而且它们又缺乏设计，造型简单，建筑表面平整，凹凸变化较少，外表面积随之减少，这对体型系数的减少有利，两者综合使砖木结构民居的体型系数刚刚达标。但刚刚达标的体型系数无法提升民居的保温隔热性能。因为体形系数越大，说明同样建筑体积的外表面积越大，建筑的散热散冷面积随之增大，在冬季会增强室内热空气与室外冷空气的热对流，在夏季室外热量通过热传导和热辐射的面积增大，提高室内温度，不利于冬夏民居保温隔热。当冬夏采暖空调季到来时，采暖和制冷的效用会大大降低，建筑能耗随之上升，对建筑节能不利。因此在对传统砖木结构民居进行改进，营造生态木构民居时，使用阁楼适当提升民居总高度，规划中增加外立面凹凸，以设计的方式减小体型系数，达到节约建筑能耗，增强保温隔热性能的目标，科学合理，易于实现，不浪费人力物力。

表1 江南地区农村现有民居围护结构主要类型

2 平面布置

江南地区农村传统砖木结构民居的平面布置（这里所说的是普通农家住宅，不是大型的官绅宅邸）主要由庭院、厅堂、卧室、厨房等功能空间组成，是以厅堂文化为核心的平面布局，形成一民两暗的三开间，1～2层居所最为常见。其中厅堂在古代有会客、宴请、拜祭之用，占据了整个民居面积的三分之一，类似于现代住宅中的客厅，但由于传统民居面积小，功能空间种类划分少，因此厅堂在当代有时还承担餐厅、过道之用；主卧在厅堂面积不够之时，也会承担部分会客功能；次卧面积非常小并且还承担部分储藏功能；家中通常不设厕所，而放在庭院中。传统砖木结构民居的平面布置已不符合现代生活需求，需结合农村生活特性按照科学的室内设计手法对功能空间进行重新组合。

简化后的江南农村传统砖木结构民居平面组合形式如图1所示，多成一字型布置，其主要特点为：①8～10m长的庭院覆盖整个建筑纵深，形成狭长空间，有利于穿堂风进入主体建筑空间，起到藏风聚气的效果。②主体建筑相较庭院建筑较高，形成恰当的比例，在冬季可以吸收太阳辐射，使室内温度升高，在夏季可以抵御太阳辐射，在庭院内形成冷环境，便于夏季庭院纳凉。③民居平面进深较小，自然风本应贯穿民居内，但由于传统民居开窗过少、面积太小，进出风窗洞口面积设计不均，且开窗高度距离楼地面过高，造成自然通风无法覆盖整个建筑高度。这是生活在江南地区的先人，在没有采暖空调的年代，在没有科学的建筑保温隔热方法的年代，通过建筑平面的组合变化，改善着民居的热环境，但仍然很难达到冬夏室内人体热舒适度要求。

3 自然通风

传统砖木结构民居的单体建筑设计对于自然通风的影响主要包括村落基地自然通风和建筑内部自然通风两个方面，结合图2，图3可以看出：①江南地区主要城市冬季主导风向为西北风，夏季主导风向为东南偏南风，冬季风正好与南偏东20°～40°的建筑朝向相背，微风除湿，而夏季风与建筑长轴垂直，室内外冷热风循环降低夏季民居室内温度，形成穿堂风的通风效果。②传统砖木结构民居中设置有天井，天井内由于四周墙壁的遮挡，温度较低，院内冷空气在热压作用下流向室内，当它与外立面开窗形成高度差，高度差越大，风压通风的效果越明显。③传统砖木结构民居的坡屋顶自然通风效果好于平屋顶，试验表明，当坡度在30°时，屋面的风压为0，自然通风效果最好[5-6]。调研的两个传统村落翠南村和东浜村处在经济发达的平原地区，周边没有山脉地形可以利用，并且由于商业化造成村镇规划改造，影响了村落基地的自然通风。

图1 江南地区农村传统民居平面布置图

图2 江南地区主要城市全年风向频率图

图4 冬夏传统民居太阳辐射示意图

建筑内部自然通风在两个传统村落翠南村和东浜村的民居中的利用主要依靠传统的建筑设计手法如：天井和巷道能够利用风压和热压制造自然风的循环，传统镂空纹样的门窗和隔断也利于自然风的通行，形成了良好的建筑内部自然通风。但由于江南农村传统民居平立面设计不合理且不符合当代生活需求，室内通风效果无法达到人体舒适风速要求。

综上所述，江南地区农村现有砖木结构民居的村落基地自然通风和建筑内部自然通风效果均无法达到生态建筑规定的人体舒适通风参数，在冬季带走了室内的热量，在夏季无法形成室内外冷热量的迅速交换以降低温度，需在今后对于江南农村生态木构民居的营造中做重点改造。

4 自然采光和太阳辐射量

两个江南传统村落砖木结构民居冬夏自然采光和太阳的热量主要依靠挑檐和建筑的左右间距来调整：夏季太阳入射角较高，民居挑檐阻挡了太阳光直射南北立面，而较小的左右间距又阻挡了太阳光直射东西立面，使整个民居处在周边建筑和挑檐的阴影之中，减少了民居夏季太阳辐射的热量，降低了室内温度；在冬季太阳入射角低，太阳光可以直射入民居一楼，增加民居一楼太阳辐射的热量，为民居一楼冬季室内温度的上升打下基础（图4）[7]。但由于多年的积累和建造，村落中的民居数量已经饱和，无法利用传统的建造手法营造新建建筑，并且新建民居对于传统的村落规划造成了破坏，影响了传统砖木结构民居对太阳辐射的利用。

与此同时，起源于农耕文明的两个传统村落，以室外劳作为主，居民对于室内采光要求较低，通常只有接待客人、作起居用的堂屋（即客厅）利用天井和开敞的布置（3面围合1面敞开）自然采光较好；而卧室由于作晚间休息用，只开一扇窗甚至不开窗，再加上挑檐的设置、较小的左右间距等设计要素，造成自然采光效果差，室内光线严重不足，阴暗潮湿等缺点，急需改进。因此，在未来进行生态木构民居营造时，要找到采光和太阳辐射量的平衡点，在提升民居保温隔热性能，降低建筑能耗的同时，也要注重建筑室内的采光效果。

5 围护结构

在两个江南传统村落中，民居的主要承重方式为结合了梁柱和穿斗两种形式的五檩硬山砖木混合结构[8]。砖木结构民居墙体一般用青砖围合，浑水墙饰面，砖与砖之间不勾缝；砌筑墙体的粘结材料一般用灰浆，也有用石灰与黄土搅拌的混合灰泥等[9]。青砖墙体传热系数大，冬季阻挡不了室内热空气向室外冷空气的热对流，但其热惰性指标高，夏季室内受到外界高温影响所产生的温度波动小，因此以青砖作为外围护结构的主要材料夏季隔热效果优于冬季保温效果。但青砖这种材料本身烧结工艺复杂、能耗高、产量小、成本高、难以实现自动化和机械化生产，并且以黏土为原料的青砖，严重破坏耕地和土地资源，国家已经明令禁止使用，因此青砖不是一种符合生态建筑发展，利于建筑保温隔热的墙体外围护结构材料。

砖木结构民居屋面构造主要是在大木作屋顶结构的基础上先铺设望板、望砖作为屋面基层，然后进行划线、分楞、安装瓦口板和筑脊等步骤，最后是铺灰和铺瓦。铺灰的主要材料为稻草或是麻丝，形成一种原始的保温结构，但其屋面年久失修，铺灰编织稻草的保温层受到雨水的侵蚀而破损，空气渗透严重，需要改造。铺瓦时先铺设望砖，然后将青瓦正反交错铺叠两层，两块青瓦之间铺叠时，遵循“压七露三”的原则，即70%为遮盖部分，30%为裸露部分。最终完成屋面建造。

图5 江南地区农村传统民居外围护结构实景图

民居的外窗主要是各式镂空纹样与麻纸组合而成的木窗与5mm单层玻璃与木边框组合的木窗较为常见。两种类型窗户玻璃的传热系数、太阳透射率和遮阳率均不符合《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》规定，且玻璃与木边框连接处基本不使用密封条，很多热量从缝隙中流失，再加上建造技术的局限性，整樘窗户的密封与保温隔热性能相对较弱。因此在营造江南地区生态木构民居的外窗时，要从外窗的气密性能、玻璃与边框的传热系数、太阳透射率、遮阳率窗墙比等因素进行改进[10]。传统砖木结构民居外围护结构如图5所示。

从对江南传统村落民居外围护结构的调查研究[11]，具体分类如表1所示，其三种主要外围护结构的保温隔热性能均较差，因此需对该地区农村民居的围护结构的保温隔热性能进行重点优化与提升。

6 结语

综上所述，本文调研的两处江南农村传统的砖木结构民居通过建筑单体设计的体型系数、平面布置、自然通风、太阳辐射量的利用使民居在冬季温度有所提升，夏季温度有所下降，但砖木结构民居的外墙、屋面和外窗三种主要外围护结构热工性能差，未能从根本上减弱热传递的三种方式：热对流、热传导和热辐射对于民居室内温度的影响，民居温度达不到夏热冬冷的江南地区室内冬季18℃～24℃，夏季22℃～26℃的人体室内舒适温度指标值，需对本文分析的传统砖木结构民居单体设计的缺点加以改进，从而为江南地区农村生态木构民居的营造打下提供理论支持[12-13]。