基于桂北干栏式民居热工优化的冬冷夏热地区生态建筑设计

2021-02-25钟继敏

广西城镇建设 2021年1期

□ 钟继敏

1 介绍

广西干栏式民居因势随形、错落有致，虚实结合、布局灵活，底层架空、轻盈通透。目前多分布于多山的桂北、桂西北、桂东北地区，壮、侗、瑶、苗、毛南族均普遍采用。具有底层架空排湿隔热、顶层挑高通风透气、披檐突出遮阳挡雨等特点[1]。桂北属于冬冷夏热地区，包括桂林、柳州、贺州、河池等近广西一半的区域。这些地区冬季寒冷、夏季湿热，既需要考虑夏季排湿隔热，又需要考虑冬季采暖保温。桂北干栏式民居充分利用建筑的自身条件，能很好地实现遮阳、通风、排湿要求，满足夏季热工性能要求。但对于当地湿冷冬季气候，还不能实现良好的防寒保暖效果。如图1所示。

图1 桂北现有传统干栏式住宅通风保温效果示意图

如何合理利用干栏式民居隔热的优点，解决其冬季不保暖的缺点，实现冬暖夏凉的室内热工环境？这是一个非常有意义的课题。希望通过对桂北传统干栏式民居热工性能改良，开发一种被动式节能、适应夏热冬冷地区的新型生态建筑模型。探索适合桂北居住建筑的低技节能技术，可为发展广西绿色生态居住建筑另辟蹊径，既可应用于桂北既有民居改造、新建居住建筑，也可推广应用于我国夏热冬冷地区居住建筑。

建筑保温隔热属于建筑节能研究的重要内容，世界各国纷纷制定了建筑热工性能方面的政策法规及标准。1967年美国开始将有效温度指标ET纳入美国采暖通风空调工程师协会，以确定室内热舒适区的范围；1976年德国颁布了《建筑物热保护条例》；2000年法国提出了提高建筑热工性能的措施；1972年丹麦科技大学Fanger教授建立人体热平衡方程，并由此提出热舒适理论，形成用以确定室内热舒适度的评价指标“预测平均评价PMV”和“预测不满意百分比PPD”；我国也先后颁布了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》《建筑门窗玻璃幕墙热工性能计算规程》（JGJ/T 151—2008）等；2017年广西颁布《广西壮族自治区民用建筑节能条例》，对新建、既有建筑节能及绿色建筑推广做了明确规定。

国内外开发了热工性能分析软件，对数据进行模拟测试分析，进行建筑热工性能方案优化设计。国外，常用的有美国劳伦斯伯克力国家实验室开发的Optics、THERM、WINDOW系列软件，瑞士的Informind Ltd软件，比利时Physibel实验室的BISCO软件，德国的ENVI-met软件等。国内，有广东省建筑科学研究院开发的粤建科MQMC软件、清华大学建筑技术科学系环境与设备研究所开发的DeST软件、中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所研发的PKPM软件等。

国外，Giulio Allesina等在“Easy to implement ventilated sunspace for energy retrofit of condominium buildings with balconies”文中分析了一种公寓建筑立面节能改造的模型。利用透明的塑料卷片沿着阳台周边安装，在炎热季节移开，便于换气；寒冷季节则将阳台空间包围起来，形成温室空间[2]。Amir Nezamdoost等在“Assessing the energy and daylighting impacts of human behavior with window shades,a life-cycle comparison of manual and automated blinds”文中设计了六种不同形式的百叶系统，包括四种手动百叶系统和两种自动百叶系统。通过实验数据分析，发现前四种手动百叶系统与后两种自动百叶系统的节能效果类似，甚至有时更有效[3]。何江等人在《一种具有蒸发冷却效果的遮阳百叶装置的研制》文中介绍了一种具有喷水装置的多孔遮阳百叶系统。多孔材料制成的百叶板在夏季可以吸收喷出的水分，有效降低自身温度，达到良好遮阳效果[4]。

国内，孙雁等《典型渝东南土家族聚落夏季风环境及吊脚楼夏季热环境模拟研究》文中利用CFD软件对黔江后坝乡进行通风模拟研究，分析出其底部架空、通风阁楼、屋檐外廊遮阳等建造方式对自然通风、除湿、降温有所帮助。吴崇山等在《贵州苗族吊脚楼居住建筑冬季室内热舒适现场调研》文中对贵州台江苗族吊脚楼冬季室内热环境进行现场测试，分析比较，得出吊脚楼民居与普通农宅比较的优劣。优势为其外围合结构相对开放，增加换气次数，室内湿度、污染物浓度均低于普通农宅；劣势为其保温、蓄热、气密性不如普通农宅，冬季室内平均温度低于后者，需要间歇式火源供暖[5、6]。

综上，国内外对建筑节能技术方面的研究有很多，比如：针对如何利用封闭阳台形成温室，达到严寒季节保温效果的分析，针对内外遮阳、手动与自动遮阳各自节能效果的分析等，皆提供了一些值得参考的节能模型。很多地区对于我国干栏式民居热工性能方面的研究及实践已有所涉猎，但对于广西干栏式民居的热工性能研究相对滞后。针对桂北地区干栏式民居夏季通风性能、冬季保温性能的分析，还不够深入。其相对于其他民居，值得推广应用的优势以及需要改善的劣势，还缺乏具体分析。因此，对其进行研究分析，并将成果应用于广西现代居住建筑中，形成适应当地气候、低技术、低成本的被动式绿色建筑节能技术，显得尤为必要且紧迫。

2 桂北传统干栏式民居热工性能分析

传统桂北干栏式民居，夏季不使用空调，室内温度仍凉爽宜人，被称为“会呼吸的建筑”。干栏式民居是如何利用建筑自身条件，很好地实现遮阳、通风、排湿的要求呢？下面通过其平、立、剖面分析成因。

2.1 桂北传统干栏式民居的平面分析

建筑多为三层，底层架空不住人，主要用于饲养牲畜、囤放工具等。二层为主要功能空间，布置有堂屋、火塘、厨房、餐厅、卧室、杂物间。三层则用于堆放谷物、杂物，当家中子女较多时，也布置少量卧室，一般为年幼子女居住。现重点分析二层的平面布置，通过对桂北地区干栏式民居的实地测绘，发现其二层平面呈现以下有利于通风透气的特点。

桂北地区位于广西与湖南、贵州交界处，气候冬冷夏热。为了适应夏天炎热的气候，这一带的干栏式住宅多有半敞开式的堂屋。堂屋布置在房间中心位置，一面敞开，形成堂屋与阳台连成一体的平面形态。通风透气、宽敞舒适，极好地适应了闷热的夏季气候。堂屋还兼具会客、家庭聚会、儿童玩耍、手工劳作等功能，是住宅中最为重要的功能空间。沿堂屋依次展开有厨房、卧室、杂物间，如图2所示。这种以半敞开式堂屋为中心的平面布局形式，能够有效形成穿堂风。

图2 以半敞开式堂屋为中心的平面布局

2.2 桂北传统干栏式民居的立面分析

架空底层、通长阳台、山墙窗户形成通风换气系统。架空的底层、通透的阳台为虚，木板封闭的墙体为实，如图3所示。虚实形成对比，不仅形成丰富的阴影变幻，同时具有更重要的实际功能。底层架空设计，可以排走南方常有的湿气，保持二层干爽。与敞厅相连的阳台大多做成一整排通长阳台，阳台上部出挑的屋檐可遮阳挡雨，通透的阳台也形成很好的通风换气通道。山墙顶部与屋檐交接处的三角形屋架部位多漏空，形成高侧窗，便于通风透气。顶部外露的穿斗式屋架，也很好地展示了建筑结构。

2.3 桂北传统干栏式民居的剖面分析

天井、顶层贮藏空间结合形成建筑空腔，有利于采光通风。堂屋上方开天井，天井与顶层贮藏空间结合，形成建筑空腔，如图4所示。这种剖面形式聪明地利用了烟囱效应，形成整个房屋的对流。顶层山墙开窗，带走汇聚在房屋顶部的热空气，室外新鲜的冷空气则从窗户和阳台补充进来。桂北地区的干栏式民居夏季凉爽舒适，与建筑这种完美的室内换气系统是密不可分的。这也是值得我们学习推广的一种被动式通风节能方式。

通过上述分析，总结出桂北干栏式民居夏季通风透气的主要成因有：

（1）以半敞开式堂屋为中心的平面布局，易于组织穿堂风。

（2）架空底层、通长阳台、山墙窗户形成通风换气系统。

（3）堂屋上方天井与顶层贮藏空间形成建筑空腔，利用烟囱效应，排气通风。

2.4 桂北传统干栏式民居冬季热工性能分析

虽然桂北传统干栏式民居在夏季具有良好的通风透气性能，但是在冬季却并不具有良好的保温性能。根据实地测绘，桂北传统干栏式民居冬季室内多湿冷，需要借助烤火设施取暖。其主要成因如下：

（1）桂北传统干栏式民居外墙多使用木质板条围护，寒冷的季候风会通过板条之间的缝隙带走大量室内热量。

（2）顶层山墙窗户常年开敞，或仅以木条封闭，密闭效果极差。冬季，穿堂风会带走大量室内热空气，保温效果差。

根据以上冬季不保温的成因分析，做出两项应对措施：

（1）外墙采用自保温砌体。

（2）顶层山墙窗户增设手动可调百叶系统。

基于桂北传统干式民居热工性能优化后的方案如图5所示。

3 四种民居建筑热工性能分析

以广西三江侗族自治区弄团村某单体民居建筑为分析实例。建筑占地面积为136m2，用地平整，周边环境优美。基地南面临村级公路，北面为风景优美的山林，东面有小溪穿过，西面紧临一栋三层高住宅。建筑周边环境如图6所示，红色虚线方框内为研究对象。设计四种建筑：建筑A（带隔热层的广西传统干栏式民居）、建筑B（不带隔热层的广西现代新农村民居）、建筑C（带隔热层但不带可调百叶系统的新型民居）、建筑D（带隔热层及可调百叶系统的新型民居）。