湘西传统石砌民居热环境分析及节能措施_何韶瑶.pdf

考察与研究么._二白._._-.-二 J-.一.-.8L二Le s*A n a lys i s o f th e T h erm a l E n v iro n m en t o fX ian g x l T rad i ti o n a l S t o n eH o u se s an d E n e rg y一 翻 v in g M e a s u r e s何韶瑶毛国辉H e S h a o y a oM ao G u o h u i摘要以湘西传统石砌民居建筑作为研究对象,并选择在最具冬冷夏热地区温度特点的时段对其进行温湿度监测,运用o r i g l n软件分析湘西典型石砌建筑室内外热环境温湿度数据模型,研究探讨传统石砌建筑的节能优势与不足,并在此基础上提出优化传统石砌 民居和新建 石砌 民居的节能设计策略 关健词湘西石砌建筑现状调查热工测试节能设计A B S T R A C TT h is a rt一 e e s tu d ie s X ia ng x itra d i t一 o na l ston e d w eli一 n g ho use s,w h e re the tem P e ratu rea ndm o 一stu rea rem e asu re dd uri n g theP eri o d s w i th th e m ost tyP 一ea l tem Pe ratureeha ra eteri sti e s of th ehot su m m e r an deo ldw inter zo ne,a ndtheind o or a ndo utdo o r the rm a le nv l ro nm en t a n d th eda tao ftem Pe ra tu re a nd m oisture ofthe tyP iea lX i a ng xsto ne bu 一 l d ing s a re ana l yze d w i th th e/ori g in 0sof tw a re.Itthe re by i n vestlg ate s the e ne rg y sav i ng a d va nta g es a nd d i sa dva nta ge s ofthe tra d i ti o na lsto ne bu 一 l d ing s.日a se d on the sethe ene rg y一sav i n g de sl g n stra teg ies fo rthe o P tlm 一 zatio n oftra d i tio nalsto ne b uild i n gs an dthe eo nstruet一 on o fn ewsto ne hou se s are ProP ose d.K E Y W O R D SX ian g xlsto ne b uild 一ng.P rese nt situ ation inve st一 g ation,the rm altest,en erg y一saving d e sign中图分类号T U 2 4 1 5文献标识码B文童编号10 00一 3 959(20 12)06 一 00 98 一 04一传统石砌建筑的研究价值将大量的石砌建筑弃之不用,实在令人惋惜 因此,我们认为有必要进行这方面的专题研究在全球倡导低碳生活方式的今天,将原有石砌建筑加以科学的改造和利用,不仅可保留湘西石砌民居这一优秀的低碳建筑文化遗产,还可降低C 0 2排放量,减少污染,减缓当地的生态恶化状况表1湘西民居建筑类型湘西地处云贵高原东北侧与鄂西 山地西南端之结合部,武陵山脉由东北向西南斜贯全境,地势西北高!东南低,西南地区石灰岩分布极广,多溶洞!伏流;西北石英砂岩密布.因地壳作用形成小片峰 东西部为低 山丘陵区,溪河纵横其间,两岸多冲积平原 1 该地区山多!石多,过去年代基于战争和防御的需要,建筑多就地取材,构筑了大量的石头建筑在现今湘西传统民居建筑的结构形式中,石砌建筑是混合结构建筑中的重要组成部分,其相对 良好的热工性能及简单 的结构形式,加之施工简便,适于湘西地区的各类建筑 长久以来,传统石砌建筑就地取材,经济实用,简便易行 然而,随着外来经济和文化的冲击,当地居民房屋逐步以混凝土空心砌块作为新建住宅的主体,而二地域气候特点及研究方法名称特 点木构建筑大多年代久远,在结构方面能充分发挥 木材性能,.天 人合一 0石砌建筑石材和砂浆砌筑,石材在湘西易就地取材,但 比较费时 费力青砖建筑青砖一般用于最近2 0 一 50年的建筑,施工较 慢,保温性较 好空心混凝土建筑一般 用于最近 1 0年 的建 筑,施 工方便,也较节能其他材料建筑由茅草!竹子等材料建成,但数量较少,气候特点湘西地区属云贵高原东北侧武陵山脉地带,地形自西北向东南呈三级递降,属中亚热季风湿性气候,年降雨量1 308 一1 675 m m,无霜期长,冬季少严寒,夏季少酷暑,山高露雾大 年平均温度1 5 e,一月份平均温度4 e,七月份平均温度2 7 e 1 本研究以湘西永顺县颗砂乡新寨村为对象,该地一年中最冷和最热时间段测试的温湿度数据具有典型性和代表性 作者单位:湖南大学 建筑学院(长 沙,4100 82)*湖南省 自然科学基金资助项 目(OgJ J 3 1 11)湖南省科学技术厅科技计划重点项目(20 1 1G KZO16)98新建筑#N7W A尺 CHIT仁 CT日 R 1 6龙0122样 本选择新寨村位于颗砂 乡中北部,全村总人口约2 120人,农田总面积1 532亩(约合102 hm 2)新寨村民居多采用木!石!砖!瓦等 当地盛产的建材,是一个以传统木构建筑为主,石!砖!砌块等建筑为辅的村落 全村建筑类型多样,既有保存几十年甚至上百年的木民居!石砌民居,也有红砖!混凝土空心砌块等新兴民居,但这些新兴 民居大部 分已丧失 了原有湘西传统 民居的特点 基于此,目前那些留存的木民居!石砌民居亚待修复与保护(表1)新寨村的石砌民居以大分散!小集中为主,我们选择代表湘西民居典型特点的石砌建筑样本进行了实地测绘 3间卷调查为进一步全面考察村内建筑 的基本现状!使用情况!热舒适度!光舒适度!能源消费构成等,我们采用了问卷调查的方式根据100份问卷调查(有效问卷78份)结果的统计分析:居住在传统民居内的村民,夏季时,90%的居民选择开窗通风的降温方式,8%选择户外乘凉,而采用电气化降温(如空调!电风扇)的仅为2%冬季采用烧炭取暖方式的占96%,无人使用电暖设备 虽然当地已经供电,但电费高达1.4元/度,56%的居民仅选择用 电照明,44%的人选择用电照明和看电视 9%的居 民仍保持进山拾柴作为做饭和取暖的主要能源川厨厨房房一一!.温度仪放置位置(辅助)j 匕5刀0 0鹭 基 基几 燕 燕滋 二于 绝公红赛 幸 器兰吮目土 0 0 0 0三石砌民居的构造特点简陋的木地板石砌民居根据使用及材料选取的不同,砌筑方法分为浆砌和干砌两种 永顺县及周边地区的建筑主要以溪沟和河床上散落的石头-俗称/基子岩 0)作为建筑材料,由于石头形状不规则,砌筑主要采用浆砌法f 2 本研究选择了一栋最具代表性的石砌建筑作为研究对象,该建筑建于20世纪50年代初,建筑为单层!传统三开间形式,建筑面积约 11 3m/,东边建有一披屋为灶屋(图1)建筑采用浆砌法砌筑,屋顶采用木质构架,石灰坐浆小青瓦坡屋面,两边山墙各有一个百叶换气窗 建筑坐北朝南,立面极其简朴,南向一 门两窗,上部出檐 为防止北风侵入,该地石砌民居建筑大部分北向不开窗 该建筑的构造特点为:墙体:石砌外墙有围护和承重双重作用,墙体厚约400 m m,使用石灰泥浆将石块粘结垒砌而成,厚重的墙体为夏季湘西永顺颗砂乡新寨村某石砌民居d外观匕 平面c立面厚重的石墙墙体墙体与屋架交接处 多有缝 隙隔热提供了良好条件 内部隔墙全部使用泥土坯墙砌筑,墙厚200 m m;所有墙体内外均采用黄泥找平后外罩白石灰浆(图2)逗屋顶:椽子直接搭在山墙上,其他部分采用木屋架的传统做法,屋顶简单,椽间的小青瓦用砂桨粘接固定,由于墙体与屋架交接处多有缝 隙,因此冬季失热较多(图3)地面:室内地面由木板搭接而成,具有一定的防潮作用,但处理措施简陋,卫生条件较差(图4)室外地面用泥土做了夯实处理 四保温隔热效果测试研究认为,人的体感不是单纯受到温度或湿度因素的影响,而是两者综合作用的结果 通过实验测定,最宜人的室内温湿度是:冬天温度1 8 e-2 5 e,湿度30%一80%;夏天温度2 3 e 一28 e,湿度30%一 60%在此范围内9 5%以上的人会感到舒适1T 3 4:该研究的测试数据由R 日 LO G 智能型温湿度自记仪测得,夏季测试时间段为2009年8月1 一8日,冬季测试时间段为2009年1月1 7 22日,仪器布置在测试房间主卧室内 编号:A房间),夏季室内外温湿度比较A房间室内温度在2 4 e 一2 8 e,满足人的体感舒适指数 当室外温度最高达37 e 时,虽然室外温度变化幅度很大,但A 房间室内温度基本保持在衡定状态,因为室外温度经过围护结构的衰减,6/2 012NE闪ARCHIT ECTUR#新建筑9 9变得相对稳定 这也说明了石砌建筑夏季防热性能非常好(图5)当A房间室内湿度在7 5%一 9 5%之间,超过了人体舒适湿度值的30%一 60%,而室外湿度在4 5%一肠%之间时,虽然南面的窗户与百叶窗和屋顶空隙处形成了一定的空气对流,但测试结果表 明室内通风效果并不佳,室内仍然潮湿昏暗(图6)2冬季室内外沮湿度比较A 房间室内温度在一 1e 一12e 之间,平均温度只有7e 左右,当室外温度最低为一 1e 时,室内温度也随之降至O e 以下这表明冬季A 房间室内温度随室外温度变化而变化,石砌建筑冬季保温性能较差原因是建筑布置为单进深,堂屋与卧室仅有一简陋木门相隔,进出堂屋门开关频繁,致使户外冷空气经常侵入居室 同时热空气从四壁不断流失,导致室内温度过低,人体感觉不舒适(图7)A房间室内湿度在50%一 90%,室外湿度则在45%一 95%,但大多时间都在70%以上,说明该地冬季室外湿度较大,室内外湿度相差不大 这是因为建筑南向虽然有一个1 500 m m x 1 500 m m 的窗,但房间进深较大,窗地比仅为.76 考虑到湘西冬季湿冷,而房间窗地比较小的状况,需改善室内采光和通风效果(图8)五湘西传统石砌建筑节能优劣势节能优势测量数据与问卷调查的结果表明,湘西传统石砌民居具有如下优势(1)节能性 湘西传统石砌民居凭借坡屋顶形成的通风隔热间层,以及厚重石墙体具有的良好热惰性,能带走和阻隔多余热量,创造凉爽的室内环境 石材 的热工性能和蓄热性能好于砖!砌块等建筑材料,其对温度波的衰减和延迟效果比砖等砌块材料作为围护结构的效果要好 通过改进施工技术,以及增加建筑整体的气密性,可进一步提升石砌建筑的节能效果(2)耐久性 石材耐压!耐磨!防渗!防潮,耐久性能非常好 由细砂!石灰!糯米浆!夏季室内外温度夏季室内外湿度冬季室 内外温度冬季室 内外湿 度 !.洲0 0.一一 L一一厂厂厂 爪爪爪爪日日 俩俩一一 裤裤裤厂厂厂 两两两 .万万万万万万万阿阿阿-月月日日日日日1 l l l 耐耐耐 尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸口口日日日 厂厂 戈戈 沙一戈戈 了.入入入 一一一 广广 仁仁 入入 广广 只只只洲洲 田田尸尸尸尸 勺勺 可 丫丫 网网/飞#民民 厂洲洲 闪闪,训训 巧巧)A 房 间 卧 卫卫晓 度一写写 习习 一一阿阿阿 阅阅)童外谧度度度度度度度度度度度)rl l l,-.山口l l l l l1 1 1.,!的的的,乙.一一二二二!尸尸 一八 厂 一一)厂厂 厂厂厂 厂厂J J J J J J J J J J J J J#!.,!一一一户 V V V.-一一一一一一一 侧侧侧一一-房 间 卧 室 祖祖玻.沪沪沪 J J J J J 叼叼叼叼叼_ _ _立外砚度度度度度度度度度度一一一丫丫 l 水泥等材料混合而成的特殊砂浆粘结形成的石砌民居可屹立数百年而不倒塌(3)适应性石材作为当地一种普通的建筑材料,在能耗!温室气体!空气和水污染及生态资源开采方面,石砌建筑的环保性远优于砖混结构和钢结构 即使拆迁重建,石材也可 以回归 自然或循环利用2传统石砌建筑的不足(1)砌筑工艺原始化!简单化 石材开采劳动量大!砌筑石墙技术比较复杂 调研结果表明,在一般的石砌建筑中,砌筑用工量 占总用工量的1/4 以上石砌建筑的抗拉强度很低,同时由于加工工艺的要求,常需采用较大截面的石材,导致 了石砌建筑体积大,自重也大 由于技术条件和施工手段的限制,致使不少普通石砌民居存在做工粗糙的现象,如墙体与屋顶衔接部位常留有大最缝隙,造成冬季室内热量大量散失 5图5)(2)设计模仿化多年来沿袭下来的亲邻互帮的建造模式使村民建房时互相模仿,平面布局类似,且造型单一 加之负责建造的匠人缺乏对地形!通风方面的考虑,如室内窗地比较小,且开窗位置不合理等,导致室内采光及通风效果较差,对于多阴雨天气的湘西地区,室内常处于 阴暗潮湿的状态,易滋生霉菌腐蚀木地板,且不利于人体健康(3)能源单一化进山砍柴和使用蜂窝煤是当地居民 做饭取暖的主要能源构成方式,能源利用的原始化与单一性不利于提升当地居民的生活品质六新农村石砌建筑节能改进意见侧 蛆异8-18 一 28 一6 礴8 58 名8 一 78 书时 间时 间.)!-一A房间卧室温度度度_ _ _室 外 温 度度度瓜瓜瓜凌.九九九 气入 气 成!_ 厂 归 八八训训口.针 对对对口口二门l l l1 1 11 一一一-砂中叭叭私私私 价 斗 饥 卜 一一厂厂厂厂厂 切切对 !外 林 一一声声声声声声声声裔裔裔裔裔裔写写写丫丫丫丫.-一一A A A A A A A A A房阿卧衰湿尸尸阅阅阅一一 室 外 空 气 视 度度1 一 1 7卜1 8,一 1 91 一 0时 间时 间通过对 问卷调查 与实测数据 的分析表 明:夏季,居 民对室内热舒适感觉的评价是/比较凉快 0;冬季,居民对室内热舒适感觉的评价是/寒冷潮湿0 冬季室内温度大多在2 5e 一10e之间,有时甚至在Oe 以下可以看出,该地区乡村住宅冬季室内热环境很差 因此,针对石砌建筑的这些不足,保存和提炼其合理性,应以低技和经济的手法提出优化改造新农村石砌民居的设计策略,环境措施湘西地区气候条件复杂,除季风气候显 著外,由于地形复杂,局地气候也 相对多样 因此,建筑选址之初,既要留心区域性的大气候,也要关注房屋基址小范围的局地气候(1)朝向冬季太阳高度角较低,且太阳主要照射方向为南向,建筑应尽量坐北朝南.以保0 5 n 5 n sn-x,1 1侧朝尸100新建筑#NEW ARCHIT 1 CTURE6/2012小青瓦25 阳 m 厚水泥石灰浆20 一30 m 印 厚泥 土石膏板吊顶室 萨 户,加开小窗育权夕蘸 二冲冲冲冲一加开z z z片片片片权权冲冲冲冲权权一一一一 钾钾 冲冲尸气一,今 夏天延缓和阻止热空气进入室内尸叫卜 通风示意图加 今冬天延缓和阻止冷气进入室内坡屋顶改造示意冬!夏季保温 隔热及通风示意9 9证采暖季节南向墙体获得足够的太阳能量 夏季通风对于湿热地区居住建筑的散热!降温具有十分重要的作用,因此建筑的朝向应结合 当地的主导风向综合考虑(2)加强绿化 绿化可 以明显地改善庭 院微气候,对保持室内热稳定也有 明显作用 院落内种植乔木,墙边种植攀爬植物,夏天遮挡阳光直射,利用植物的蒸腾作用还能带走多余热量冬季可防止北风侵袭并减小风速,减少建筑的热损失(3)太阳能和沼气利用太阳能热水器和沼气的利用在我国农村是经济可行的方法,同时也是利用再生能源经济有效的技术 沼气池在农村可独家使用也可几户合用,据有关资料介绍,一 口s m/的沼气池基本可满足一家 日常烧饭!烧水等的需求,一年可产沼气350 m 3左右,而造价仅1 000余元,它所产生的热值相当于节省8 0 一1 0 0 0 kg 的煤 沼气每年比液化气至少可节约燃料费500元,两年就可收回投资成本而每平方米太阳能热水器年均能源替代量为15 0 18 0 k g 标准煤,冬季充足的热水供应也是生活水平提高的一个标志 2构造措施建筑围护结构主要包括屋顶!外墙!门窗和地板等部件 建筑围护结构热工性能的好坏直接影响建筑的舒适性,改造传统民居建筑节能处理的重要部位,提高建筑围护结构的热工性能是实现建筑舒适性的基本条件(1)屋顶与 吊顶 小青瓦的蓄热系数小,建筑屋顶构造也比较简陋,因此屋顶得失的热量会大大影响室内的热舒适环境 改造屋顶构造,以及建构具有热缓冲功能的屋顶可以有效地减弱和延缓室外温度变化对室内热工环境的影响,使室内温度更趋稳定 屋顶的改造措施,以两层本地产 的芦苇箔作为泥土的固定结合/筋0,与泥土共同形成隔热层,不仅利用了土壤 良好的热工性能,而且使建筑的气密性大大增强 增加吊顶,轻钢龙骨石膏板 吊顶具有质量轻!强度高等优点,且稳定性好!不易老化,施工简便 在室内增加 吊顶可提高房间的舒适度,美化室内环境 改造后坡屋顶与室内吊顶之间的空气间层成为室外热量传入室内的缓冲层,它能使室内温度保持在适宜的范围内,减弱室外温度波动产生的影响(2)墙体 和门窗 重点在于填补墙体与屋顶衔接部位的缝隙,减少冷空气的进入和热量流失 门窗采用气密性较好的塑钢门窗,并使用夹胶玻璃 若采用木 门窗,门窗缝隙处采用企口对接,增加建筑的气密性,并且在北 向墙体上加开一高窗,以改善南北向的通风夏季,自然通风好的建筑室内外空气形成对流,可以及时地将室内热量和湿气带走,改造后的屋顶形成的空气间层,也可有效地带走屋顶多余的热量(图9)冬季利用石墙的热惰性和屋顶空气间层可阻止冷气进入室内(图10)(3)地面 石材质地坚硬平滑,不易吸收热辐射 为减少地面的热反射,庭院地面宜采用夯实的泥土与麻面的石材结合,部分用麻石硬化庭院,创造 良好的室外环境,使石砌民居建筑的风格更加统一 七结语湘西地区的乡村住宅建筑与地域文化经济紧密联系,并在不断演进变化 对乡村住宅建筑的研究,旨在借鉴传统乡村住宅建筑的经验,并与当代建筑创作实践相结合通过对湘西传统石砌民居建筑室内热环境的测量与分析研究,指出目前石砌建筑的保温性能较差,冬季室内热环境不佳等问题 通过对建筑局部改造!设置隔热层!组织好通风!利用绿化及改善庭院地面等做法,采用较少的采暖措施,使居住者达到热舒适状态 这些研究和分析为新型民居的设计提供了量化依据与科学认识,同时为改善现有民居的生活条件提供了依据与思路 口注释参见:月 从斗月占 八 佑 训E S I 曰 刀 以夕 厂 口55一 2004.Th e r m a lE n v 一 ro n m e n ta l C o n d 一t一 o n s fo r H um a no e e u P a n C y.A tlanta:A m eriean So eiet yof Hea t i ng R efrige 7ati nga n d A 一 r一C o nd i ti o n i n gE ng i n ee rs,I n e.A P ri l 1 99 3 今考文献=1 何韶瑶,毛国辉,初伟君等.湘西传统木民居节能效果测试与研究.建筑学报,20 1 0(3):96一 9 9.=2 1 吕文明,吴春明.湘西石头建筑中外建筑,20 07(8):36一 38 3 8刘晶.夏热冬冷地区自然通风建筑室内热环境与人体热舒适的研究 重庆:重庆大学建筑城规学院,2007.n 李剑东,王智超,袁涛 长沙市办公建筑室内热湿环境状况研究.建筑科学,2010(10):114一 117收稿日期20 11一 06一 106/2O1 2N 1 囚ARCHITEC刊RE#新建筑10 1