道口古镇合院式传统民居围护结构现状调查及热工性能分析

文／张恒钰 郑州大学建筑学院 硕士研究生

唐 丽 郑州大学建筑学院 教 授

引言

豫北地区是中原文化重要的空间载体，经过数千年的发展，积累了众多值得传承的建造技法和艺术形式。然而近年来的大拆大建导致当地很多具有历史价值的传统民居破坏严重，为了传统建筑文化的保留与发展，亟须从历史建筑保存尚好的区域开始调查研究并实施保护更新。笔者以豫北道口古镇的一处保存较完好的传统合院式居住建筑为研究对象，对其在2020—2021 年的冬季进行了热工性能调研，并对结果进行分析解读，为传统民居保护性热工性能更进一步改造提供一个方向。

1 道口古镇地理气候特点

道口古镇地处河南北部，属安阳市滑县境内，因为地处黄河以北的太行山地区，所以平均海拔较河南中、南部高数百米。其所属的气候分区为寒冷地区，夏季炎热，雨季地面易返潮，冬季干燥寒冷而且持续时间较长。道口古镇年平均气温14℃；7月最热，平均气温27℃；1月最冷，平均气温0.1℃。

2 道口古镇传统民居特点

道口古镇依大运河而生，由于大运河的重要商业价值，为方便大运河港口贸易往来，巷子都从大运河开始垂直向外延伸到主街，是典型的街巷制布局。巷与巷之间的土地空间用于布置建筑，院落及建筑的平面形状主要为矩形，采用北方传统的合院式住宅形式。由于大运河流向原因，在这里，建筑群并没有像北京四合院那样呈现出正南正北的轴线排列，而是垂直于大运河河道沿西北-东南走向延伸。古时候这里商业十分发达，吸引了大运河沿线众多商贾入驻，人群居住集中度很高。但是因为商业价值较高，所以用于居住的土地集约利用在这里尤为明显，古镇中的居住院落最多三进且十分狭窄，除了个别重要的公共建筑之外，大多数的院落正房只能露出一到两个开间的宽度[1]。相较于典型的北京四合院，这里的倒座空间通常沿道路打开，以便作为沿街商铺使用，使得当地的合院建筑具有了商住混合的属性。

3 典型民居的特点及调查分析

在经过20 世纪末的少部分拆建损坏之后，当地政府渐渐意识到古镇的重要历史艺术价值，逐步开始实施保护措施。七年前，道口古镇被我国国家文物局认定为历史文化名镇，并开始进一步加大保护力度，因此古镇核心区仍有许多传统建筑保留尚好，其中的传统民居有七十七座之多，并且都已有上百年的历史。在经过笔者的深入考察之后，本次调研选择了古镇核心区的一栋构造和形式都比较有代表性的三进院落式建筑，作为实测的对象。该建筑位于安阳市道口古镇内顺河北街东五号院（图1），目前该建筑及院落保存均较为完好，其正房（测点三所在房间）入口朝向为北偏西41°。

图1 平面图（图片来源：作者自绘）

3.1 平面布局

整个院落平面为矩形组合，院落空间与建筑单体平面、立面均为矩形，正因如此，此类传统民居和院落的轴线关系较为明显，使用空间十分规整且主次分明，符合传统的设计理念并且具有建造简单、施工阶段耗费人力物力少的优点。

3.2 围护结构

各个单体建筑均为砖木混合结构，外墙体为外侧青砖包内侧土坯，外墙体总厚度达560mm，窗墙比较小；建筑门框、窗框均为木质，门窗扇关闭时缝隙比较多；窗玻璃为单层印花玻璃，保证室内采光且能保护室内隐私；分隔一、二层的楼板为木材，缝隙较多且隔音性能较差；屋顶构造为传统的小青瓦屋面，特殊之处是采用了当地烧制的望砖。构造详图见图2、图3。

图2 窗详图（图片来源：作者自绘）

图3 坡屋顶详图（图片来源：作者自绘）

结合各个部位构造材料层次，通过公式运算各围护结构K 值：

4 热舒适评价

4.1 评价概述

评价房间选取第二进院落中不同朝向、不同高度的厢房和正房，测点位置见图1。测点二在一上层，无人使用，两层房间之间的楼板为木楼板。测点三房间在数据实测过程中一直闲置，房主未曾进入过，内部也没有任何家用电器[2]。测点选取时尽量位于房间中心部位并减少冷热源对传感器的影响，测点距墙大于500mm，各个测量点的高度均为距室内地面600mm[1]。

4.2 热工性能

此次实测在2020—2021 年的冬季进行了四个月的连续测量，所用仪器均为符合国家标准的测试仪器。测量结束后，经过对数据进行观察，笔者选择了温度波动比较有代表性的七个连续日数据进行下述热工分析，此次分析数据一共672 组。

图4 为三个受测房间在测量期间的逐时温度曲线，各数据采样点间隔时间为15 分钟。实测结果显示，测点一在连续一周的测试期间，气温最小是4.3℃，最大是10.1℃。每天的最高气温呈现出不断下降的趋势，这是因为临近冬至，北半球日照时间逐日缩短的原因。根据实测数据，有超过98%的时间湿度在50%～70%之间，测试期间这样的温湿度条件下人体会感到十分寒冷，距离达到人体舒适甚远，分析原因主要是古镇所在地冬季室外气温很低。数据显示，测点一房间的室温在连续七天的时间里，始终比测点三房间室温高出4℃～5℃，这是因为户主的居住生活产生了热量。三个房间温度波动趋势几乎一致，但测点一的温度曲线有多个短暂波峰出现，是居住者进行炊事或短暂开启取暖器造成的。与此同时，这些短暂温度波峰在达到峰值后迅速回落，可以显示室内温度在户主关闭取暖器后迅速降低，表明围护结构在没有人工采暖时，无法长时间保持室内温度，室内热能向外传递速度很快[6]。测点二温度始终比测点三高2℃左右，这是下层测点一房间的热量通过木楼板及其中的间隙传递到上层造成的。

图4 逐时温度（图片来源：作者自绘）

图5 为18 日10 点至19 日10 点，间隔一小时的室内外干球温度曲线，共24h，这些室外温湿度参数取自中国气象数据网河南站官方发布的当日气象信息。数据显示，室外空气温度波动的规律类似于正弦函数规律[3]，在一天的周期里，受测房间的气温波动范围分别为1.8℃、1.0℃和1.4℃，而当日室外气温变化幅度达到了9℃。室外平均气温为2℃，与无人使用的测点三房间平均气温相同。测点一气温始终是三个房间中的最高值，测点二介于测点一和三之间，这是因为测点一房间中人的活动产热并通过木楼板传递到上层。经简单计算可知，室外气温振幅是测点三气温振幅的6.4 倍，这说明传统建筑围护结构具备良好的热惰性指标，可以让室内温度保持较高的稳定度[7]。如果能充分发挥墙体的蓄热能力，再加之以合适的保温、断热等减少热损失的措施，那么该建筑的居住舒适感受将得到很大的提升。

图5 逐时温度（图片来源：作者自绘）

4.3 评价指标计算

在收集了第一手实测数据之后，便能利用人体热舒适评价模型对实测建筑室内居住舒适度进行量化描述[3]。本文采用目前常用的PMV 模型对测量结果进行计算，以得出较为科学的室内舒适性评价结果。通过对户主夫妇调查的实际情况，确定当日户主着装的平均热阻为2clo。户主在家中大部分时间为静坐或看电视，这种状态下的的代谢率为1met。环境平均辐射温度计算公式如下：

式（1）中各参数指代如下：Tg：黑球温度℃；Ta：空气温度℃；Va：风速m/s；ε：发射率，黑球发射率取0.95；D：测量仪器的直径，此次选用的测试仪器为常规尺寸150mm。

由于此次实测风速的测量值均为零，所以这个公式中可直接取Tmrt=Tg。根据以上已知取值以及前文所述室内实测环境参数，经过PMV 计算工具计算后，本人绘制了24 个小时的逐时室内舒适指标曲线（图6）。可见室内PMV 值始终低于-2，室内PPD 值始终高于76%，这些数据意味着室内居住人员在测试期间身体感觉很冷，对于户主这样的老年人来说身体感受更是如此[7]。

图6 甲房间PMV、PPD（图片来源：作者自绘）

结语

道口古镇是豫北地区的著名古镇之一，有许多重要的空间形态和建筑遗存值得保护，但如何在改造中进行合理干预，做到既保护古民居的原真性又切实提升居民的生活品质，这是值得探究的问题。本次实测研究之后，我们认识到道口古镇当地冬季室外气候恶劣，而古镇传统居住建筑现有构造方式不能满足冬季保温的需求，室内居住生活环境并不适宜。而道口古镇由于当前当地经济、社会等因素的制约，青年群体居民不愿留在老家生活，所以古镇中生活的人大多为老幼人群，他们的身体素质对寒冷的忍耐能力比青年人群更差，所以更需要为他们提供温暖的室内生活环境。分析发现，当地建筑存在的关键问题是围护结构气密性过差以及老旧门窗保温隔热能力不足，需要进行改造。研究还发现，道口古镇的传统外墙和屋顶做法具有很好的热惰性指标，可以大大降低室外到室内的温度谐波振幅，可在改造时予以保留并修缮，这样做既能发挥旧建筑的优点，又能保证传统建筑的原真性。