基于气候适应性的乡土民居建筑围护结构绿色节能优化研究

沈采，龚晓芳，潘子健

（盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051）

0 引言

近些年来，在国家乡村振兴战略的引导下，各界对美丽乡村的概念进行深入挖掘，乡村建设如火如荼。然而大力发展乡村建设的同时，农村居民住宅建筑能耗问题日益突出。从2017～2020年中国建筑能耗研究报告中可以看出[1-3]，全国建筑面积逐年扩大，农村居住建筑面积逐年减小，农村建筑能耗占比反而增大。这反映出当下农村建筑城镇化、能耗大的问题，意味着乡村民居建筑能源消耗结构需要及时更新、转型。此外，乡土民居建筑是扎根于“地域-气候-文化”体系下的产物，是人类在技术条件有限的情况下，适应自然气候条件而创造出的相对舒适的居住环境。我国国土广袤，不同地域的乡土民居建筑在形式结构上有极大差别，围护结构作为建筑能耗的主要来源，是创建绿色节能的生态化新型农村的主要抓手。本文以江苏省盐城市为研究对象，从气候适应性角度出发，结合该地区乡土民居建筑设计特征，研究其围护结构上的绿色节能优化策略，以期探索出适合盐城地区的新乡土民居建筑。

1 气候特征对室内热工环境的影响概述

盐城市位于江苏省中部，拥有江苏省内最长的海岸线，地理位置特殊，是我国南北交界线的最东端，在气候分区上，大致以苏北灌溉总渠为界，北为温带季风气候，属于寒冷地区；南为亚热带季风气候，属于夏热冬冷地区。另外，盐城市南北两端地势较高而中间低洼，是一片海岸平原。如今的盐城市仍有大片水域、滩涂和较多盐碱地。总体上，冬季盛行北风，夏季盛行东南风且降雨集中。盐城市夏季白天平均温度26℃左右，极端高温可达37℃；冬季白天温度7℃，极端低温可至-13℃。由于盐城地区空气潮湿，因此与同温度条件的北方城市相比，夏季更为闷热，冬季体感温度更低。

根据相关研究[4]，盐城乡土民居在夏季如果不考虑空调系统的作用，自然通风是房屋降热的主要措施。在连续高温的天气里，白天开窗通风会导致热风入侵，室内温度随之升高，屋面墙体吸热蓄热；夜间室外温度下降，而风力比起白天并不见增大，无法进行有效的室内通风，带不走白天积蓄的热量。因此，房屋的热工性能降低，通风能耗增大。在冬季，盐城地区没有集中供暖，虽然同时期温度相对北方较高，但空气潮湿阴冷，日照率远不及北方（见表1）。与此同时，相较于北方寒冷地区，盐城地区乡土民居建筑围护结构墙体保温性能差，门窗气密性低等问题都导致了房屋冬季热工性能差的问题，这也是本文研究的前提。

表1 北方部分城市与盐城市冬季1月日照率对比

2 乡土民居建筑围护结构现状分析

经实地调研，本文将盐城地区乡土民居建筑分为2类：一类是保留下来的老旧建筑，即称传统老房，包括未经修缮或经过简单修缮但保留一定原有特色的建筑；另一类是乡村居民的自建房、新盖房。在对建筑围护结构的研究中，主要对建筑屋面、墙体和窗户3部分进行研究，其中门面积占比少，本文中不做分析。

2.1 传统老房

盐城市传统民居建筑多为砖瓦房和草顶农舍（见图1），前者多经过小规模修缮，外墙被重新粉刷，部分居民还在屋顶上搭建金属板材以防下雨漏水；后者多受到毁坏，现存的极少数也荒废不用。现存传统住宅主要围护结构多为砖木混合的形式。墙体以青砖和红砖为主，外抹砂浆水泥或碎石，在后成陆地区即临海地区，墙体下部一般会设置30～50 cm的石料，在石料上砌砖，以防返碱侵蚀房屋。屋顶形式为坡屋顶，少数设有阁楼，并在坡面或山墙上开窗。过去30余年以来，原有的坡屋顶建筑旁边会有居民扩建的平屋顶房，作为阳台或晾晒平台使用，屋顶形式出现坡平混合的风貌。盐城地区民居建筑的门窗普遍较小，窗洞尺寸为740 mm×860 mm左右，正门门洞尺寸为2100 mm×1000 mm左右，而房门门洞普遍为1800 mm×800 mm，较为低矮。

图1 传统老房现状

很多传统民居建筑没有得到很好的保护，且基于当时建造技术欠缺，后来修缮潦草简陋等因素，老旧民居建筑各类围护结构有歪列、残缺的现象，具体如下：

（1）房屋屋面结构粗糙。传统老房的屋面以木结构为主，在檩条上铺设木板或芦柴（将芦苇加工成柴子），再在其上铺泥灰，紧接着就挂瓦。这样的做法导致屋面防水性能差，每年夏季多雨季节都需要上房修缮。

（2）房屋墙体结构简单。居民住宅中，墙体构造除了基础墙体材料，只设置砂浆和涂料饰面层，保温隔热和防潮性能差，也很容易出现墙体外表面表皮脱落的现象，如图2、图3所示。

图2 墙体表面受到侵蚀

图3 墙体表皮脱落

（3）窗户热工性能差。窗户结构主要分为窗框和窗面2部分。传统乡土民居住宅的窗框大多采用木质材料，不设置遮阳与挡雨结构。如此受到长时间的日照与风雨侵蚀后，损坏严重。并且由于窗框直接插缝于砖石之中，仅做简单粘合，极易出现裂缝、变形（见图4），本身窗户构造的密封性能较差。窗面的材料一般为单片透明玻璃，厚度在3～5 mm，其传热系数与透光率高、遮阳系数低。

图4 窗框松散

2.2 乡村居民自建房

目前，农村自建房能够体现传统民居特色的不多，大多混合了新中式与欧式风格，甚至部分居民直接做成花园洋房的形式。墙面上铺贴瓷砖，屋顶以白色、黄色、红色和灰色为主，采用传统坡屋顶。有的居民自建房则偏于简单粗糙，为了扩大房屋使用面积，在建筑二层或原有建筑旁边搭建小型房屋，多以钢板为主要材料，其最大的特点为白色的钢板墙面与蓝色的钢板屋顶；有的居民为了追求华丽、气派，建造时选用大面积落地窗、飘窗和宽大的门，如图5所示。

图5 农村自建房现状样式

在窗户的建造上，出现蓝色玻璃和绿色玻璃，尺寸与形式不一；窗框材料的选择也以塑料和金属为多。围护结构总体存在以下问题：

（1）花园洋房式新住宅窗墙比过大，超过了JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的规定（见表2），同时只采用普通透明玻璃或有色玻璃，导致房屋热工性能较差。

表2 不同朝向外窗的窗墙比限值

（2）围护结构中用材不统一，常常出现各种形式材料混合拼凑的情况，由于材料之间传热系数等物理性能存在差异，容易出现热桥现象。

3 原有建筑围护结构中适应气候条件的构造设计

上述现状中，农村居民自建房所存在的问题归结为建造者在建筑规范和建筑节能上意识不到位，而老旧建筑的设计和建造受地区气候影响较深，其围护结构热工性能差主要归结于当时建造技术、经济水平、材料种类少等条件限制，以及没有得到良好修缮处理等原因，但部分建造设计在绿色节能优化策略的研究中具有一定的借鉴意义。

3.1 芦柴在屋顶上的应用

盐城地区芦苇资源丰富，取材方便，经济成本低，因此被大量加工成芦柴应用于屋面。芦柴的使用很大程度上决定了乡土民居屋顶的样式——由于芦柴笔直不可弯折，所以屋面线条平直[5]；为了避免芦柴外露沾雨吸水，屋面建造无挑檐，而是砖石倾斜一定角度形成三角形，如此叠涩压檐（见图6）。施工时，直接在檩条上铺设而不设置椽子，因此檩条之间距离比使用椽子时的距离要小，以防芦柴出现变形。铺设芦柴之后，再铺上泥灰，泥灰上挂瓦[6]，如图7、图8所示。由于芦苇杆本身是封闭空腔，制作成一束束芦柴后紧密排布在屋顶上，有天然保温隔热的效果，相较于普通屋顶中檩条加椽子的构造更加轻盈。芦柴屋顶的缺点在于易燃、易腐蚀。

图6 叠涩压檐

图7 芦柴屋面

图8 屋面结构示意

3.2 墙体的建造设计

3.2.1 墙基采用青石

盐城近半数地区为滩涂或后成陆土地，盐碱程度严重。这些地区的居民在建造房屋时，常采用青石做墙基，如图9所示，地表以上的石基高度一般在30～50 mm，而后在其上砌砖，墙厚小于石基厚。这类民居建筑不设置建筑台基，室内外高差小，一般在5～10 mm。盐城地区水域众多，河流交错，不少建筑临河而建，这些建筑的石基高度达1 m以上，如图10所示。石基的用料为常见石材，种类较多。由于石料的性质区别，有的石基受腐蚀风化严重，有的保存还较为完好。

图9 普通住宅青石基

图10 沿河住宅石基

3.2.2 空斗墙的运用

盐城地区地震灾害少，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速值为0.10 g，当地传统建筑的墙体有大量使用空斗墙的情况。过去使用空斗墙一般都是该用户受到经济条件的制约，为了节省材料而不得已采用的做法，并未意识到空斗墙因为中空而具有较好的保温隔热作用。

4 新型乡土民居建筑围护结构的优化方案

结合现有研究成果，总结近年来主被动绿色建筑技术与这些技术的流行度及节能效果后发现[7-8]，被动式低能耗建筑的研究大致分为建筑能耗影响因子分析对比、被动式低能耗建筑设计分析、室内热环境、机电设备选择和可再生能源利用等方面。在被动式绿色节能技术气候适应性围护结构与建筑遮阳技术流行度强，节能效果更为可观（见表3）；主动式节能技术中，地水源热泵与建筑智能化技术流行度高，效果好，但实施难度更大。根据盐城地区的农村建筑优化需充分考虑冬季采暖与夏季防热的要求，夏季还需利用季风条件，通过自然通风降温下进行的情况。本文则以被动式节能技术为主要入手点，主张结合盐城地区自身建筑材料、气候环境、室内热环境原理共同作用于建筑围护结构、材料，以创造人在室内的舒适感受[9]，从而构建新型乡土民居建筑围护结构的优化。

表3 绿色节能方法及效果总结

4.1 屋顶优化

现今常见的屋顶绿色节能形式分为3种：种植屋面、通风屋面和蓄水屋面[10-11]。由于盐城地区房屋的传统屋顶形式均为人字形两面坡屋顶，所以将蓄水屋顶排除于考虑范围之内，优化改造的重点置于屋面的绿化种植和通风设计上。绿化屋顶适应盐城地区夏热冬冷的特点，夏季炎热时，茂密的植物可以阻隔太阳光与太阳辐射，从而减少建筑与外界环境的热传递，并利用植物的蒸腾作用降低屋顶温度，也有利于减少湿度；冬季植物凋零，使屋顶重新直接接触阳光。因此，在屋面的节能优化中，提倡使用“通风两面坡屋顶”和“绿化平屋顶”2种形式。由于绿化屋顶的技术已经较为成熟，运用于多处，本文不多赘述。

根据芦柴在盐城地区的优势，继续采用芦柴作为屋顶的围护材料，易燃的缺点可以通过对芦柴进行加工来解决；解决易腐蚀的问题，则需要提高屋顶防水性能，但过去的建造技术往往达不到防水要求，芦柴吸水锁水从而受到腐蚀，沾水后使用寿命大打折扣，需将防水层置于保温层上，隔离芦柴与外部环境，避免芦柴吸水导致保温性能下降[12]。盐城地区以五檩梁架房屋居多，以此为例，优化方式为用支架撑起另一块屋面，中间为30 mm高空气间层，间层下的屋面在中间立柱两端各开800 mm×600 mm的洞口。其中，间层上下芦柴的位置分别位于支架上端与檩上，裸露可见。优化改造前房屋通风不通畅，仅仅通过正门与窗户远不能满足夏季通风要求。设置空气间层以后，一方面，能够利用空气间层缓解太阳直射，形成二次传热，使屋面得到直接的降温；另一方面，当存在这样的空气间层时，屋内外的风热压起作用，使空气流动，并带走屋内的热量，形成凉爽的自然风。由于空气间层上下屋板均铺盖芦柴，保温隔热性能进一步增强。考虑到冬季寒风侵入，可以再在檐下设置电动挡板，需要时启动挡板，将洞口封上，如图11展现出优化前后房屋的通风效果，从而优化的通风屋顶既能夏季隔热又能冬季保温。

图11 屋顶优化前后对比

4.2 墙体优化

如需保留盐城地区乡土民居建筑原有的风貌特色，在不改变建筑物墙体外观的条件下，无法使用传统外墙外保温的做法。因此优化改造只可在外墙内保温和外墙自保温方案上进行选择。乡土民居的建造材料种类多，应用木材、砖材和天然石材等，使用内保温构造极易在门窗、梁、板、柱等处出现热桥，在冬季易发生内表面冷凝结露现象[13]。因此，内保温构造仅适用于对既有传统乡土民居建筑的维护修缮上[14]。在墙体自保温构造的研究中，近年来秸秆砖[15]在墙体材料中应用的研究成果较多。秸秆砖是以秸秆为主要原料生产的，一般以草砖[16]为主体，通过表面抹灰来提升防火、防潮性能。针对盐城地区而言，芦柴与秸秆相似，也可以应用于砖石的生产中。为了保证不改变建筑物外观，对芦柴、秸秆的应用应该有区别于传统打压紧实处理的草砖形式，而是将其进行研磨处理，作为一种添加剂按照一定的比例掺入砖石原料中，烧制形成轻质砖材[17-18]。这样的轻质砖材具有较好的保温隔热、吸声性能，且由于结构特性抗震级别提高，属于绿色环保建材，如图12所示。

图12 秸秆建材

同时根据盐城地区乡土民居的建造特点，可以继续空斗墙的应用，空斗墙的主要砌筑方式主要有一眠一斗、一眠二斗、一眠三斗和无眠空斗4种形式，如图13所示，其中单位用砖量从左到右依次减少，因此后者的坚固性较前者更差，但墙体中的空气层更多，保温隔热性更好。由于空斗墙的结构性能欠佳，建造时去除无眠空斗的形式，而采用实体墙与空斗墙相结合的方式，以增强墙体的坚固性。

图13 空斗墙的4种形式

4.3 窗户优化

4.3.1 窗户材料性能对建筑能耗的影响

窗户的节能主要有传热系数、气密性和光热等性质。传热系数是衡量温差导致的热流量指标，窗户的传热系数越大，则隔热性能越差，能耗就越大。夏季白天，外窗主要通过太阳光与太阳辐射获得热能，使室内升温，其中辐射带来的热量一部分透过玻璃直接进入，一部分被窗户吸收后再以辐射和对流的方式再传入室内。冬季太阳辐射较弱，室内温度高于室外，外窗的能耗主要通过窗户热传递而产生的能耗和空气渗透的能耗[19-20]。因此，窗户的隔热性能和气密性是直接影响建筑室内热环境的重要因素，而影响窗户隔热性能与气密性的主要因素是窗框及窗面材料的光热性能（见表4、表5）。此外，窗户的形状、位置也是绿色优化过程中需要考虑的因素。

表4 几种常见窗玻璃的光热参数

表5 各种门窗框材性能比较

4.3.2 窗户的优化设计

针对窗户，应通过降低外窗传热系数、避免太阳辐射、减少空气对流等措施有效地减少热量损失。所以，建筑物外窗的节能可以从调控传热系数、可见光透过率、气密性和遮阳系数等方面入手。对于门窗的开启方式应采用平开方式。推拉门窗在窗框下滑轨来回滑动，有滑轮的空隙，窗扇上下形成明显的对流交换，冷、热空气的对流形成较大的热损失。对流的大小、热损失的大小和窗扇空间大小成正比，用任何隔热型材做窗框都不能达到节能效果。

结合表5的数据来看，窗户的优化设计中应使用中空玻璃和木材窗框，并且进行一定的遮阳设计，以保证不改变建筑外观的同时达到节能减排的效果。遮阳设施分为内遮阳和外遮阳2种，内遮阳一般是安装窗帘、纱幕；传统的外遮阳设施主要是遮阳板、百叶窗、绿化遮阳等。外遮阳设施可调节性小，并且在结合高性能中空玻璃窗户的设计之后，遮阳设施对夏季室内热环境改善的贡献率降低，因此，应该考虑适当弱化遮阳设施的功能，增强其美观效果，具体考虑为平开窗格栅并与玻璃分开。

5 结语

根据盐城地区的气候特点，研究了该地区乡土民居建筑中围护结构的特征，分析现有建筑围护结构中影响建筑热环境的因素，结合部分原有的建材和构造，提出新型绿色节能设计手法。在对现有乡土民居绿色优化研究时，应该主要分为2个方向：对于急需修缮的老旧建筑而言，改造过程中应尽量保留其原有特色，保护并传承盐城地区的地区风貌；其次，在此基础上结合原有的围护结构构造设计手法，进行相应的绿色节能优化。对于年代较近的自建房，其围护结构在构造上的改造有一定的局限性，可以考虑较为保守的优化方式，如设计植被绿化。在未来乡村振兴的建筑建设上，提出的新型乡村绿色优化建设思路主要分为2大部分：使用当地原材料芦苇，对屋顶和墙体进行改造；大量利用“空气层”。封闭的空气层具有优良的保温隔热性能，大量使用在建筑中能有效优化建筑室内的热工性能。