■ 黃志甲 HUANG Zhijia 郝紅婷 HAO Hongting 程 建 CHEN Jian 魯月紅 LU Yuehong

0 引言

被動式防熱技術(shù)因具有改善室內(nèi)熱環(huán)境，降低建筑能耗的特點，長期指導著地域性傳統(tǒng)民居進行防熱構(gòu)件的設(shè)計和防熱設(shè)計策略的應(yīng)用[1]。隨著我國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，農(nóng)村建筑能耗增長、新民居沒有地域特色等問題逐漸顯現(xiàn)，因此，研究地域性傳統(tǒng)民居的建筑防熱設(shè)計，實現(xiàn)被動式防熱技術(shù)對降低農(nóng)村建筑能耗與突顯新民居地域特色，具有重要意義。

國內(nèi)外學者針對建筑防熱設(shè)計進行了大量研究：有的針對建筑遮陽、自然通風、蒸發(fā)冷卻和圍護結(jié)構(gòu)隔熱四種常用防熱設(shè)計策略，深入開展了文獻研究，詳細分析了這四種防熱設(shè)計策略在濕熱氣候區(qū)的應(yīng)用效果和存在的問題，探索了濕熱氣候區(qū)建筑防熱設(shè)計的發(fā)展方向[2]；有的定性分析了遮陽、通風、圍護結(jié)構(gòu)等對建筑防熱的影響[3、4]；有的通過對室內(nèi)環(huán)境的測試和模擬，分析并評價反射保溫涂層等新型防熱技術(shù)應(yīng)用到建筑中的效果[5、6]。上述研究表明，國內(nèi)外學者普遍關(guān)注建筑防熱設(shè)計對建筑物防熱效果的影響，較少關(guān)注具有地域特點建筑物的被動式防熱構(gòu)件對建筑物防熱效果的影響，極少會定量地分析各防熱構(gòu)件和防熱設(shè)計策略的貢獻率。

本文以徽州傳統(tǒng)民居為研究對象，分析夏季通過傳統(tǒng)民居圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量，并建立防熱構(gòu)件熱平衡模型，根據(jù)實測數(shù)據(jù)對不同防熱設(shè)計構(gòu)件防熱量進行分析，得到不同防熱構(gòu)件及其防熱設(shè)計策略的防熱效果貢獻率，量化了徽州傳統(tǒng)民居中的防熱設(shè)計，為徽州傳統(tǒng)民居防熱設(shè)計的傳承與創(chuàng)新提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 計算模型

1.1 建筑熱平衡模型

徽州傳統(tǒng)民居主要是通過屋頂、外墻、地壟、天井等圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件和室外環(huán)境進行熱量傳遞，建筑的熱平衡模型公式為：

式中，Qr—屋頂傳熱量；

Qd—天井傳熱量；Qw—外墻傳熱量；

Qf—地壟傳熱量；

ΣQ—傳入室內(nèi)總熱量。

1.2 防熱構(gòu)建熱平衡模型

1.2.1 構(gòu)件熱平衡模型

徽州傳統(tǒng)民居防熱設(shè)計體現(xiàn)在各防熱構(gòu)件中，而各防熱構(gòu)件又包括不同形式的防熱設(shè)計策略，如遮陽、反射、長波輻射、對流、墻體蓄熱、水體蒸發(fā)和自然通風等，綜合各防熱設(shè)計策略得到其熱平衡模型，其公式為：

Qi—通過構(gòu)件i進入室內(nèi)熱量。

1.2.2 外墻防熱設(shè)計計算模型

徽州傳統(tǒng)民居外墻主要的熱量來源是太陽輻射，常采用外遮陽、反射、長波輻射、對流換熱與蓄熱等防熱設(shè)計策略削減太陽輻射熱量進入室內(nèi)。將上述防熱設(shè)計策略相關(guān)參數(shù)代入熱平衡模型，可得外墻防熱設(shè)計計算模型公式：

1.2.3 屋頂熱平衡公式

徽州傳統(tǒng)民居屋頂熱平衡與外墻熱平衡類似，民居屋頂熱量主要來源也為太陽輻射，采用反射、長波輻射、對流換熱與蓄熱等防熱設(shè)計策略削減太陽輻射熱量進入室內(nèi)。將上述防熱設(shè)計策略相關(guān)參數(shù)代入計算模型，可得屋頂熱平衡公式：

1.2.4 天井熱平衡公式

對比徽州傳統(tǒng)民居外墻和屋頂，天井具有底部蓄水且與室外環(huán)境相連的特點，可通過水體蒸發(fā)、自然通風等防熱設(shè)計策略，將太陽輻射熱削減后進入室內(nèi)，將以上參數(shù)代入計算模型，可得天井熱平衡公式：

1.3 計算條件

（1）利用圍護結(jié)構(gòu)外表面太陽輻射反射比，建立反射作用模型。

（2）對流傳熱模型采用自然對流系數(shù)和受迫對流系數(shù)之和確定[7]。

（3）進入室內(nèi)的熱量模型采用穩(wěn)態(tài)傳熱模型。

（4）利用外墻陰影高度和太陽高度角之間的關(guān)系確定遮陽系數(shù)[8]，從而得到民居遮陽模型。

（5）外圍護結(jié)構(gòu)的長波輻射模型包括圍護結(jié)構(gòu)外表面分別和天空、地面之間的長波輻射換熱。

（6）室內(nèi)水體的蒸發(fā)模型利用實測水體蒸發(fā)量及水的汽化潛熱得到[9]。

（7）天井自然通風模型由實測室內(nèi)外溫差及換氣次數(shù)得到[10]。

2 結(jié)果分析

2.1 研究對象

本研究以徽州地區(qū)具有典型特征的傳統(tǒng)民居為研究對象，其結(jié)構(gòu)采用當?shù)貍鹘y(tǒng)的上下兩層，由兩進的廳堂和兩側(cè)對稱分布的8間廂房組成。房屋外墻采用填充碎磚和黏土的空斗磚墻，起到蓄熱和保溫隔熱的作用；外墻內(nèi)表面與建筑木骨架結(jié)構(gòu)之間留有10cm的空氣層，起到隔熱作用；屋頂為雙坡瓦面，且與內(nèi)拱頂之間留有空心區(qū)域，起到進一步隔熱的作用；天井高深而狹長，且底部存在蓄水，可作為室內(nèi)冷源，起到減少太陽輻射熱量及加強室內(nèi)自然通風的作用；地壟側(cè)邊留有通風孔，起到降低室內(nèi)濕度的作用。本研究選取夏季典型日，即大暑日，對所選取的研究對象進行數(shù)據(jù)測試。

2.2 建筑熱平衡分析

徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)總熱量主要由室外熱量通過屋頂、外墻、天井和地壟傳遞而形成，其傳熱量逐時變化如圖1所示，定義熱量從室外向室內(nèi)傳遞為正，反之為負。

從圖1可以看出，室內(nèi)總熱量(ΣQ)總體呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢。①在 7：00 ～ 18：00 時，室內(nèi)總熱量為正值，說明在太陽輻射的作用下，民居室內(nèi)環(huán)境處于得熱狀態(tài)；同時，作為圍護結(jié)構(gòu)的外墻、屋頂、天井和地壟，在這段時間內(nèi)的傳熱量存在較大差異，即屋頂傳熱量(Qr)＞天井傳熱量(Qd)＞外墻傳熱量(Qw)＞地壟傳熱量 (Qf)。②在 18：00 ～次日 7：00時，室內(nèi)總熱量為負值，說明在無太陽輻射的作用下，民居室內(nèi)環(huán)境處于失熱狀態(tài)；同時，作為圍護結(jié)構(gòu)的外墻、屋頂、天井和地壟，在這段時間內(nèi)的傳熱量存在較小差異且均為負值。

進一步分析圖1可以看出，無論有無太陽輻射作用，地壟的傳熱量均為負值，說明地壟作為具有降低室內(nèi)濕度作用的圍護結(jié)構(gòu)，全天處于散熱狀態(tài)，不能作為防熱構(gòu)件進行考慮。作為防熱構(gòu)件的外墻、屋頂、天井，其累積傳熱量占室內(nèi)累積總熱量的比例分別為：外墻7.0%、屋頂79.8%、天井13.2%，說明室內(nèi)總熱量的累積主要是來自于屋頂熱量的傳遞。

2.3 防熱構(gòu)件熱平衡分析

2.3.1 外墻熱平衡分析

圖2表示徽州傳統(tǒng)民居外墻熱量的逐時變化，可以看出，傳統(tǒng)民居外墻太陽輻射熱量與太陽運動軌跡密切相關(guān)，即：民居外墻在6：00左右出現(xiàn)太陽輻射熱量，11：00左右太陽輻射熱量達到最大，19：00左右太陽輻射熱量消失。上述過程中，太陽輻射熱量經(jīng)多種防熱設(shè)計策略削減后，熱量傳入室內(nèi)較小，夜晚（19：00～次日6：00）由于室外溫度低于室內(nèi)溫度，表現(xiàn)為失熱。

進一步分析圖2可以看出：①外墻外遮陽防熱效果較好，在8：00與16：00時防熱效果最佳，這是因為相鄰建筑對傳統(tǒng)民居東墻與西墻的遮擋，使其具有良好的防熱效果；②外墻反射防熱效果最好，且反射熱量變化趨勢與太陽輻射熱量變化趨勢基本一致，也在11：00左右達到峰值，即防熱效果最佳，這是因為傳統(tǒng)民居獨特的外墻材質(zhì)具有良好的反射效果；③外墻長波輻射防熱效果較差，這是因為夏季徽州地區(qū)的天空溫度、地面溫度與建筑外表面溫度相差較小，導致傳統(tǒng)民居外墻表面散熱效果較差；④外墻的對流換熱防熱效果一般，且在 8：00～ 11：00 這段時間內(nèi)防熱效果較差，11：00以后防熱效果提高，在15：00左右防熱效果最佳，這是因為對流換熱效果和室外空氣溫度與傳統(tǒng)民居外墻表面溫度的差值有關(guān)；⑤墻體蓄熱防熱效果良好，這是因為傳統(tǒng)民居獨特的外墻材質(zhì)與結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)晝間儲蓄熱量，夜晚釋放熱量，總體處于蓄熱狀態(tài)，使其具有良好的防熱效果。

2.3.2 屋頂熱平衡分析

圖3表示徽州傳統(tǒng)民居屋頂熱量的逐時變化，可以看出，傳統(tǒng)民居屋頂太陽輻射熱量同樣與太陽運動軌跡密切相關(guān)，即：民居屋頂在7：00左右出現(xiàn)太陽輻射熱量，11：00左右太陽輻射熱量達到最大，18：00左右太陽輻射熱量消失；且 7：00 ～ 18：00屋頂傳入室內(nèi)的熱量為正值，18：00～次日7：00傳入室內(nèi)的熱量為負值。相比傳統(tǒng)民居外墻，屋頂太陽輻射熱量出現(xiàn)與消失的時間呈現(xiàn)延遲與提前的現(xiàn)象；同時，通過屋頂進入室內(nèi)的熱量遠遠大于通過外墻進入室內(nèi)的熱量，這是因為外墻與屋頂在傳統(tǒng)民居中所處的位置不同。

圖1 傳統(tǒng)民居傳熱量隨時間變化曲線圖

圖2 傳統(tǒng)民居外墻熱量隨時間變化曲線圖

進一步分析圖3可以看出：①屋頂反射防熱效果最好，其反射熱量在11：00左右達到峰值，即防熱效果最佳，這是因為徽州傳統(tǒng)民居特有的黏土制青瓦具有較高的反射系數(shù)；②屋頂?shù)拈L波輻射防熱效果較差，這是因為在夏季，徽州地區(qū)的室外環(huán)境溫度與屋頂表面溫度相差較??；③屋頂?shù)膶α鲹Q熱防熱效果一般，白天時對流換熱均為失熱過程，而夜晚均為得熱過程，這是因為白天在太陽輻射作用下，民居屋頂外表面溫度高于室外空氣溫度，而夜晚太陽輻射作用消失，導致民居屋頂外表面溫度低于室外空氣溫度；④屋頂蓄熱防熱效果良好，這是因為徽州傳統(tǒng)民居具有的內(nèi)拱頂結(jié)構(gòu)與黏土制青瓦之間存在空心區(qū)域，起到了蓄熱作用。

2.3.3 天井熱平衡分析

圖3 傳統(tǒng)民居屋頂熱量隨時間變化曲線圖

圖4 傳統(tǒng)民居天井熱量隨時間變化曲線圖

圖4 表示徽州傳統(tǒng)民居天井熱量的逐時變化，可以看出，傳統(tǒng)民居天井集中出現(xiàn)太陽輻射熱量的時間為10：00 ～ 16：00，這是因為傳統(tǒng)民居天井具有特殊的結(jié)構(gòu)與位置；同時，水體蒸發(fā)熱量出現(xiàn)時間與太陽輻射熱量出現(xiàn)時間基本一致，這是因為天井底部水體蒸發(fā)與太陽輻射具有較強的相關(guān)性。進一步分析可以看出，在白天，天井自然通風熱量表現(xiàn)為得熱，夜晚時則表現(xiàn)為失熱，這是因為白天室外空氣溫度高于室內(nèi)空氣溫度，夜間恰好相反。

2.3.4 防熱效果貢獻率分析

為評價徽州傳統(tǒng)民居各防熱構(gòu)件及其防熱設(shè)計策略的防熱效果貢獻能力，以各防熱構(gòu)件的防熱效果與傳統(tǒng)民居總防熱效果的比值（即防熱效果貢獻率ηi）作為評價指標，其計算公式為：

其中，防熱構(gòu)件的防熱效果為各構(gòu)件的太陽輻射熱量與傳入室內(nèi)熱量之差，傳統(tǒng)民居總防熱效果為民居太陽輻射總熱量與傳入室內(nèi)總熱量之差。則各防熱設(shè)計策略防熱效果貢獻率為：

根據(jù)公式（6）（7），可得到徽州傳統(tǒng)民居各防熱構(gòu)件及其防熱設(shè)計策略的防熱效果貢獻率（表1）。從表1可以看出，外墻、屋頂和天井的防熱效果貢獻率分別為48.7%、39.7%和11.6%。同時，外墻外遮陽、反射、長波輻射、對流換熱、墻體蓄熱的防熱效果貢獻率分別為14.1%、18.6%、0.8%、2.9%、12.3%；屋頂反射、長波輻射、對流換熱、屋頂蓄熱的防熱效果貢獻率分別為21.3%、1.2%、7.3%、9.9%；天井水體蒸發(fā)、自然通風的防熱效果貢獻率分別1.3%、10.3%。

表1 傳統(tǒng)民居防熱效果貢獻率

綜合以上分析，在徽州傳統(tǒng)民居防熱構(gòu)件中，外墻的防熱效果貢獻率最大，而天井在民居的防熱中能起到很好輔助作用；在徽州傳統(tǒng)民居防熱設(shè)計策略中，外墻和屋頂反射的防熱效果貢獻率最大，天井具有的水體蒸發(fā)與自然通風特性可以進一步提高民居的防熱效果。

3 結(jié)語

本研究通過對夏季徽州傳統(tǒng)民居圍護結(jié)構(gòu)傳熱量的分析，建立了防熱構(gòu)件熱平衡模型，分析了徽州傳統(tǒng)民居中的防熱設(shè)計，可指導傳統(tǒng)民居防熱設(shè)計的傳承與創(chuàng)新。研究表明：在外墻和屋頂?shù)姆罒嵩O(shè)計策略中，反射的防熱效果最好，長波輻射的防熱效果最差，外遮陽、蓄熱和對流換熱防熱效果一般；在天井防熱設(shè)計策略中，自然通風的防熱效果優(yōu)于水體蒸發(fā)；在夏季徽州傳統(tǒng)民居防熱構(gòu)件中，外墻的防熱效果貢獻率最大，天井起到較好的輔助防熱效果。