编竹夹泥墙民居室内热环境与围护结构热特性分析

徐亚男，杨真静

(重庆大学 a.建筑城规学院;b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

编竹夹泥墙民居是夏热冬冷地区特有的传统民居类型，其建筑结构类似于现代框架结构，木柱、枋为承重构件，夹泥墙只起围护作用，屋面为冷摊瓦坡屋面，常以吊脚楼形式出现，与山地地形相适应[1]。在巴渝农村地区，该类民居平面形式多种多样，而在用地紧张的场镇中，多为纵向“一”字型，面宽3～4 m，进深可达十几米，层数多为1～2层，邻与邻间共用墙体，建筑间相互紧贴，建筑布局紧凑[2]。目前，关于我国夏热冬冷地区传统民居已有研究主要集中在空间形态、营造技术及建筑文化的传承与保护[3-5]，部分热湿环境相关研究都集中在砖、木结构[6-9]，对编竹夹泥墙的研究非常少。Phsanam[10]通过实验模型的方法对比了泰国的竹编双层涂泥墙、单层涂泥墙、竹编墙体的室内热环境。田瀚元[11]在梳理重庆传统民居时，发现编竹夹泥墙具有通而不透的特点。从仅有的研究来看，都缺乏对该类民居热环境的实地测量及形成机制分析，重庆作为全国城乡统筹试验区，积极响应国家加快建设美丽宜居乡村的要求。传统民居是农村建筑的重要类型，大量的编竹夹泥墙民居广泛存在于巴渝场镇中，因此，对重庆地区编竹夹泥墙民居的室内热环境研究是改善农村居住环境的重要内容，不仅可以为建设美丽宜居乡村提供室内热环境的比较基准，同时还为未来传统民居的节能设计和可持续发展提供参考数据。 文中以重庆编竹夹泥墙民居为研究对象，对夏季室内热环境参数进行测量，并结合围护结构的热特性和环境微气候分析其室内热环境的形成机制。

1 研究对象与研究方法

1.1 研究对象简介

重庆各古镇中有大量的编竹夹泥墙民居。其中，松溉古镇南临长江，地处丘陵地区，山体较多，地形复杂。镇内民居高低错落，排列有序，屋顶成片，显现出和谐的山、水、镇整体格局[12]。该地区在我国的热工分区中属于夏热冬冷地区，累年最热月平均温度为27.3 ℃，最冷月平均温度为7.2 ℃，累年月平均相对湿度均在70%以上(见图1)，年均降雨量1 030 mm，建筑设计必须满足夏季防热，兼顾冬季保温。

图1 永川区累年月平均温湿度Fig 1 Average annual temperature and relative humidity of Yongchuan district

图2 古镇总平及典型户位置Fig 2 Typical house location and site Plan Songji Town

被测民居位于古镇东南部，为一临江中间户(见图2)，墙体为50 mm厚的编竹夹泥墙，屋顶为冷摊瓦坡屋顶，围护结构保存比较完整，且长期有人居住。建筑朝向为南偏东30°，北侧是宽约3.5 m的石板街道，南侧为绿化坡地，紧邻长江。该建筑共2层，平街一层，下吊一层(见图3)，是重庆地区典型的吊脚楼建筑。一层主要房间为堂屋、卧室、厨房，下吊层为牲畜棚。堂屋、厨房接地，地面为三合土，卧室1下部一半接地，一半架空，卧室2下部全为下吊层，架空楼板为30 mm厚的松木板。除堂屋有1台吊扇外，其他房间均无降温通风设备。

图3 被测民居平面图、剖面图及测点布置Fig. 3 The plan, section and survey points of the surveyed dwellings

1.2 测试方案

热环境参数测量时间为2016年7月28日—8月6日，共10 d，测试内容为室内外空气温湿度、地面温度。测试点如图3所示，测试项目和主要使用仪器如表1所示。

表1 测试项目和主要设备Table 1 Test content and main equipment

2 测量结果

2.1 室外气象参数

测量期间室外天气可以明显分为2段(见图4)：前6 d高温连晴，平均温度为29.9 ℃，最高达到36.8 ℃，昼夜温差最大为12.1 ℃，除31日太阳辐射较低外，其他时间太阳辐射均比较接近；后4 d温度相对较低，太阳辐射减少，室外平均温度为28 ℃，最高为32.3 ℃，昼夜温差最大为7.0 ℃。

图4 室外气象参数Fig. 4 Outdoor meteorological parameters

2.2 室内温湿度

测试期间，室内温度紧随室外温度变化，室内温度波幅平均比室外小2.5 ℃，室内外温差较小。7月28日—8月2日为高温时段，室内平均温度为29.4 ℃，比室外低0.5 ℃。8月2日—6日为低温时段，平均温度为27.8 ℃，仅比室外低0.2 ℃。室内温度波峰波谷分别出现在16:00左右和7:00左右，相对室外延迟时间约1 h。

图5为室内各房间与室外温差。正值表示室内温度高于室外，出现在夜间；负值表示室内温度低于室外，出现在白天。夜间的室内温度略高于室外。其中，卧室2温度平均比室外温度高0.3 ℃。卧室1和堂屋空气温度接近，平均比室外温度高0.8 ℃。白天的室内温度低于室外。其中，堂屋温度平均比室外低1.1 ℃。卧室1和卧室2温度平均比室外低4.0 ℃、3.6 ℃。编竹夹泥墙民居以防热为主，高温天气更具有典型性，因此选择连晴高温且温度较为稳定时段中的一天，即7月30日为典型日，对室内热环境进行分析。

图5 室内与室外温度差Fig. 5 Temperature difference between indoor and outdoor

典型日民居室内外温湿度如图6所示。室外平均温度为30.9 ℃，分别比堂屋、卧室1和卧室2温度高0.2 ℃、0.8 ℃、0.9 ℃。室外温度峰值为36.8 ℃，分别比堂屋、卧室1和卧室2温度高2.3 ℃、3.8 ℃、3.2 ℃。2个卧室温度近似，最大差值仅0.8 ℃。

湿度曲线与温度曲线趋势相反，相对室外波动较小。室内相对湿度夜间低于室外，白天高于室外，6:00时室外湿度达到最大值87%，卧室与堂屋依次在7:00、8:00达到最大值86%、85%。随着温度升高，室内外相对湿度逐渐下降，室内相对湿度在17:00左右达到最低值，平均湿度为71%，昼夜相对湿度差为30%。

图6 典型日室内空气温湿度Fig. 6 Indoor air temperature and humidity in typical day

3 室内热湿环境评价

3.1 评价标准

目前，重庆大多数农村传统民居未使用空调降温设备，付祥钊[13]提出的夏热冬冷地区夏季室内温度不能高于30 ℃的可居住性标准，《农村居住建筑节能设计标准》(GB/T 50824—2013)中夏热冬冷地区夏季室内计算温度取30 ℃的规定[14]，《既有居住建筑节能改造技术规程》在对夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造方案的室内热环境评估时也把30 ℃作为良好等级的上限。因此，文中对被测民居的评价以30 ℃作为农村住宅室内适应性舒适温度的上限。

3.2 热湿环境评价

用累积频率来分析室内热湿环境，各房间的温度累积频率为房间温度小于等于设定温度的时数占总时数的百分比[15]。将测量结果逐时处理，并从最低温度到最高温度按步长为1 ℃取整，依次计算小于等于各整数温度的时数占总时数的百分比即累积频率。测量期间堂屋、卧室1和卧室2温度低于30 ℃的累积频率分别为70%、75%和76%，将近3/4的时间室内温度低于舒适温度上限30 ℃，室内热环境较能接受。

为进一步明确室内舒适时间分布，将所测结果按照07:00—19:00为白天、19:00—07:00为夜间分别计算温度累积频率结果，如图7所示。夜间温度跨度为25 ℃～32 ℃，白天温度跨度为26 ℃～36 ℃, 夜间各温度累积频率明显大于白天，昼夜分化明显。白天堂屋和卧室温度累积频率曲线较为平行，堂屋温度低于30 ℃的累积频率为46%。卧室1和卧室2温度累积频率曲线几乎重合，低于30 ℃的累积频率分别为57%、55%。夜间堂屋、卧室1和卧室2房间低于30 ℃的累积频率分别为93%、94%和96%，接近白天累积频率的2倍。堂屋和卧室1温度累积频率曲线较为一致。从昼夜分段评价来看，白天室内低于30 ℃的时间仅有50%左右，夜间室内低于30 ℃的时间超过90%，因此夜间室内舒适度好于白天。

图7 温度累积频率Fig. 7 Temperature accumulation frequency

夏季各房间的湿度累积频率为房间湿度小于等于设定湿度的时数占总时数的百分比。对测量结果进行统计，堂屋、卧室相对湿度小于等于60%的累积频率仅为5%、6%，说明绝大部分时间内室内相对湿度是高于60%，室内湿环境并不理想。

在测量期间对该镇村民进行了热感觉主观评价调查，共获得40份有效问卷。在实际热感觉投票中，稍热占60%，很热和不热分别占22.5%和15%，感觉凉快只占2.5%，大多数居民表示可以接受编竹夹泥墙民居的室内热环境，与测量统计结果较为一致。

4 围护结构热工性能与室外微气候分析

通过对室内热湿环境的分析与评价可知，编竹夹泥墙民居的室内热湿环境白天略差，夜间较好，为探究其室内热湿环境形成机制，分析其围护结构及室外微环境。

4.1 围护结构热工性能

编竹夹泥墙为传统手工技艺，为定量化掌握编竹夹泥墙的热工性能，对编竹夹泥墙进行了实验室测量和现场测量。试件由农村传统匠人用当地的泥土、竹篾制作，分别测量其自然干燥状态和完全干燥状态下的当量导热系数[16]。所谓编竹夹泥墙的当量导热系数是指将编竹夹泥墙试件看作完全相同外形尺寸的均匀材质的体块，在相同的边界条件下，该体块与试件具有相同的传热量，此等效体导热系数就可以看作墙体的当量导热系数。通过测量得到编竹夹泥墙在自然干燥状态下的当量导热系数为0.18 W/(m·K)，完全干燥状态下当量导热系数为0.12 W/(m·K)。按自然状态下的测量结果计算，在常见厚度为30 mm～50 mm情况下，编竹夹泥墙的热阻为0.17 m2·K/W～0.28 m2·K/W。被测民居墙体厚50 mm，其热阻值取0.28 m2·K/W。

现场测量时，仍选择该典型民居，测其墙体内外表面温度及热流。选择室外气候较为稳定时段，室内外温度比较稳定，近似按照稳态传热计算，得出编竹夹泥墙的平均热阻R为0.30 m2·K/W，和实验室测试结果极为接近。考虑到实验室测量和现场测量中，墙体厚度测量及温度记录仪等存在误差，对于常见厚度为50 mm的编竹夹泥墙体，其热阻值取2种测量结果的平均值0.29 m2·K/W更准确。

编竹夹泥墙民居的屋面为冷摊瓦坡屋顶，小青瓦约为10 mm厚，瓦片有微小弧度，双层瓦间约有5 mm厚空气间层，瓦下为间隔150 mm左右的椽子，其物理性能如表2所示，瓦屋面的总热阻值为0.15 m2·K/W。

表2 瓦屋面热阻计算Table 2 Tile roof thermal resistance

编竹夹泥墙民居的门为单层松木板，厚约20 mm，窗为传统木窗，没有玻璃，窗扇同样为20 mm厚松木板，计算得到门窗木板的热阻为0.14 m2·K/W。

典型户的堂屋、厨房、走道地面材料为三合土，三合土材料为石灰、砂、粘土按照一定比例混合，厚约为150 mm，热阻为0.22 m2·K/W，并与大地相接。卧室2下方下吊一层，导致卧室地面不同于堂屋，为架空楼面。架空楼板为30 mm厚的松木板，根据材料性能计算架空楼板的热阻为0.216 m2·K/W，并直接与室外空气相接触。

将民居的围护结构热性能与《农村居住建筑节能设计标准》进行比较，各结构的热工性能实现率如表3所示。

表3 围护结构热工性能实现率Table 3 Thermal performance realization rate of envelope

4.2 室外微气候

微气候受地面植被、土壤和地形影响，适度地协调微气候与建成环境，可以降热保温，减少能耗，节约资源，提供自然舒适的居住环境[17]。典型户北侧是狭窄的石板街道，南侧为绿化坡地，紧邻长江，绿化及水体对环境均有降温作用。分别对街道、绿化坡地上方的空气温度进行测量，结果如图8所示。坡地上空空气温度始终低于街道。街道上空气平均温度为29.1 ℃，比坡地上空气平均温度高1.1 ℃，最大温差可达2.5 ℃，尤其在波峰及波谷处。由此可见，绿化及水体对环境的降温效果明显。

图8 街道、绿化坡地温度对比Fig. 8 Street and green slope temperature comparison

5 讨 论

编竹夹泥墙民居主要取材于竹、木、土，不仅具有重量轻、易搭建、就地取材等优点，更容易与吊脚楼形式结合，适应山地地形。通过分析可知，编竹夹泥墙民居室内热环境昼夜分化明显且堂屋温度高于卧室，分析民居围护结构热特性及周围微环境，得到室内热环境形成机制，如图9、图10所示。

1)屋面、墙体的热性能较差。屋面、墙体的热阻仅达到标准的14%、56%，且热惰性差。白天室外大量热量迅速作用到室内，而夜间室外温度降低后，室内热量也可以及时通过屋面、墙体向外散热。因此，白天室内温度较高，但夜间下降较快，夜间室内温度小于等于30 ℃的累积频率为白天的2倍，舒适度高。此种昼夜分化的热环境表现与人们白天外出劳作、夜间才使用房间的传统生活模式较为一致。

2)室外微气候影响。民居南北两侧因微环境不同，北侧室外温度要高于南侧，北侧温度作用于堂屋，南侧温度作用于卧室，这是堂屋温度高于卧室的原因之一。此外，场镇布局紧凑，街道狭窄，建筑间相互遮挡，且外窗面积较小，可以减少太阳辐射的影响，对室内热环境具有积极的调节作用。

3)生活模式影响。民居户门朝北，开启面积约占其所在立面的65%，从早上打开，直到晚上才关闭，太阳辐射、石板路面的热辐射通过开口直接加热室内空气。夜间户门关闭，影响堂屋散热。卧室2朝南，窗墙比为25%，白天卧室通过开口的得热比堂屋要少，夜间又可以通过开口向外散热。这是堂屋温度高于卧室的原因之二。

图9 白天热量传入室内Fig. 9 Heat transfer during the day

图10 夜间房间散热Fig. 10 Heat transfer at night

图11 典型日室内地面温度Fig. 11 Floor temperature in typical day

4)吊脚形式影响。吊脚形式导致堂屋卧室地面不同。为分析地面对室内热环境的贡献，分别测量了堂屋、卧室2的地面温度，结果如图11所示。堂屋地面温度昼夜波动较为平缓，全天均明显低于卧室，尤其在日间，平均值为27.5 ℃，日较差为1.2 ℃。卧室2地面温度波动较大，平均值为28.6 ℃，日较差为2.6 ℃，超过了堂屋地面日较差的2倍。这是因为架空楼板的热阻仅0.216 m2·K/W，并直接与室外空气相接触，受室外环境影响明显。但吊脚空间外是绿化坡地和水体，微环境良好，可使吊脚空间上方的卧室在白天时温度不会过高，夜间温度迅速降低，提供舒适的夜间热环境。

6 结 论

1)编竹夹泥墙民居围护结构的热工性能较差，50 mm厚的编竹夹泥墙热阻为0.29 m2·K/W，仅满足《农村居住建筑节能设计标准》规定的56%，小青瓦坡屋顶为建筑热性能最薄弱部位，热阻为0.15 m2·K/W，仅达到标准规定的14%。门窗的热阻为0.14 m2·K/W，分别达到相关规定的78%、88%； 夏季编竹夹泥墙民居室内热环境昼夜分化明显：白天较差，卧室、堂屋温度低于舒适温度上限30 ℃的累积频率分别为55%、46%；夜间较好，卧室、堂屋低于30 ℃的累积频率分别为96%、93%,与当地人们的主观感受较为一致。

2)吊脚楼带来的架空楼板热性能差，增加了建筑与外环境的接触面积，使建筑更易受室外环境的影响，但与良好的微环境结合，可以帮助室内温度在白天不会太高，在夜间迅速降温，有效解决湿热地区非空调建筑的夜间舒适性问题。

3)编竹夹泥墙民居昼夜分化的热环境表现与人们白天外出劳作、夜间才使用房间的传统生活模式较为一致，体现了传统民居热环境营造的生态智慧。