张 磊，马乔璐，史 珂，赵敬源，冯 翠，郭成睿

(1.长安大学 建筑学院，陕西 西安 710061；2.西北综合勘察设计研究院，陕西 西安 710003)

0 引 言

中国乡村民居经过历史文化和自然气候的双重雕琢，以其特有的空间形式、材料质地和浓厚的地域特征，贴切地展示各时代、各地方、各民族人民在适应自然、改善人居环境方面的经验和智慧[1]。传统民居通过持续的演进，结合新的材料演变成乡村新民居[2]，但是乡村民居的建设控制权都掌握在居民手中，因为缺乏科学地设计[3]，造成了人居环境低下且建筑耗能过高的问题[4]。陕南位于中国西北寒冷气候区和南方炎热气候区之间，有夏季湿热、冬季湿冷的典型地域气候特征。乡村新民居并没有采取积极有效的方式回应这样的气候，民居内部仍然存在热环境差的问题，极大地影响了村民的生活质量，成为陕南民居众多问题中最亟待解决的问题。

朱轶韵等对陕南秦巴山地区的典型民居进行了热环境测试研究，提出通过被动式手段增加通风来改善室内湿热的环境[5-7]。胡冗冗认为民居的演变实质上是围护结构的演变，对比了夯土墙与砖墙的物理特性，提出利用轻钢屋面和轻质保温材料来改善改善室内热环境[8]。王雪等通过对陕南地区代表性民居室内外热环境研究，提出了降低能耗的改善方法[9]。赵钦等以陕南地区典型砖混民居为例，采用 Ecotect软件分析了各种被动式设计手段对室内热舒适的影响[10]。田海宁根据民居形态，墙体，屋顶，地势高差等因素分析提出了4种生态适应性优化策略[11]。

以往研究缺少聚焦于用新结构新材料改善乡村新民居的热环境。笔者重点分析建筑立面与热环境之间的关系，并系统地提出优策略。通过科学的方法提高建筑的科技含量，最大限度地为居住者提供一个健康、舒适、生态的居住空间[12]。

1 热环境实测

1.1 测试目的

陕南民居在演变过程中形态表皮越来越趋向一致，导致民居同质化现象严重。根据走访调研发现人们普遍对这种新民居室内热环境满意度较低，在功能空间逐渐聚拢，体型系数逐渐缩小的情况下室内热环境并未得到改善，作为建筑内外部环境的媒介，认为建筑的立面结构是影响热环境的重要因素。

1.2 实测对象

测试对象为江安村典型的“一”字型新民居和“L”字型新民居。江安村位于陕南地区的安康市高新区，是陕南丘陵地形下的典型村落(图1)。受地形的限制民居大多东西朝向，呈线性分布。共选取3个室内测点和1个室外测点进行实测。测点一建于1985年，面朝西向，为典型的“L”型布局，堂屋位于中间，两边连接的卧室，共5开间，厨卫等辅助用房处于拐角处，单层玻璃木窗，坡屋顶；测点二建于1998年，2019年再次进行翻修，为“L”型布局，厨卫等辅助用房处于拐角处，面朝西向，单玻铝窗，共2层，5开间；测点三建于2010年，是江安村常见的“兄弟院”，两家合住共用一个楼梯，共2层5开间，主要立面向东，采用单玻塑钢窗，坡屋顶。

图1 江安村村落布局Fig.1 Satellite map of Jiang’an Village

1.3 实测方案

测试在当地典型冬季1月11日～13日进行，主要测试空间为室外和卧室(表1)。空气温湿度仪每10 min自动记录(距离地面1.5 m处)，风速选择自然通风下室内记录平均值[13]。

表1 室内测点基本信息Table 1 Basic information of measurement points

2 民居室内外实测数据分析

江安村冬季室外最高温度为11 ℃，最低为-6.5 ℃，日温度波幅为17.5 ℃，昼夜温差较大。从3个室内测点的温度趋势来看，早上9：00逐渐开始升温，在太阳辐射不断升高的过程中民居室内的温度也快速上升，在16：00～17：00达到顶峰，随着太阳辐射的降低温度也缓慢下降，到次日的7：00～8：00为每日温度最低的时刻(图2)。3个测点在不采取任何采暖措施的前提下，民居全天室内温度远未达到DBJ61-65—2011《陕西省居住建筑节能设计标准》所要求的冬季室内温度18 ℃。

图2 室内外各测点温度变化趋势Fig.2 Temperature variations at indoor and outdoor measuring points

室外空气相对湿度变化范围为15%～73%，出现“早高晚低”的特点(图3)，湿度与温度变化成反比[14]，日平均相对湿度为45%；新民居的整体结构对空气湿度的调节效果显著，符合《民用建筑热工设计规范》(GB 50176—2016)所要求的的相对湿度30%～60%的标准。目前陕南民居冬季的室内热环境最亟待解决的是保温性较差的问题。不同朝向的窗墙比以及立面围护结构的传热性对室内热环境影响较大。

图3 室内外各测点湿度变化趋势Fig.3 Humidity variation at indoor and outdoor measuring points

3 民居立面对热环境的影响

建筑立面设计是回应气候，改善室内热环境的重要措施。民居的立面包括建筑入口、建筑墙体、建筑屋顶、建筑门窗、基础等多个构成要素，立面各要素根据面积比重对热环境的影响为墙体>屋面>窗户>门[15]，通过对江安村的实地调研，构建了民居立面信息，建立当地建筑立面基本原型(图4)。

图4 江安村建筑立面基本原型Fig.4 Basic prototype of building facades in Jiang’an village

3.1 窗墙比与热环境的影响

要确保民居的保温性就要合理控制窗墙比并减少立面各个要素的传热性从而减少热量散失。通过调研发现民居立面南向窗墙比非常小，东西向开窗较多，这是由于地形的限制。江安村的民居都根据丘陵地形沿道路布置，167户人家有87户面朝东向，61户面朝西向，11户在南偏东45°到南偏西30°，8户面朝北；建筑的主要立面朝向为东西向，南向的山墙面得热较少，东西向由于冷风渗透热散失较大，所以保温性较差。

3.2 立面结构构造与热环境的影响

江安村民居屋面为坡屋面的形式，大多为混凝土青瓦屋面，少量木架青瓦屋面，都未设置保温层；层高以两层居多；墙体多为多孔粘土砖与清水砖构成[16]；窗户为普通单层玻璃，门多为单层铁门，木门(表2)。通过计算得出现有民居立面各部分构造的传热系数，对比规范对该地区的传热系数的要求发现不足。

表2 江安村民居立面结构构造Table 2 Facade structure of folk dwellings in Jiang’an Village

陕南大部分新民居依然延续着传统的营建方式，根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 134—2010)对立面各部分构造的要求来看，目前江安村建筑立面各个构造的性能远不达标，故而亟需要对民居立面的热工性进行优化。在兼顾经济性的条件下，控制窗墙比，合理选择墙身及门窗材料、增减墙身厚度仍然是当地建筑应对气候的主要策略。

4 陕南新民居立面优化设计

4.1 朝向优化

太阳辐射是影响室内温度的重要因素[17]。在夏热冬冷地区需要同时考虑建筑的夏季防热与冬季得热要求，选择一个最佳的建筑朝向很关键。利用 Ecotect中的Weather Tool工具得到陕南地区的全年最佳朝向为南偏西22.5°，全年最不利朝向为正西向到西偏22.5°，相对有利的朝向范围是南偏东45°到南偏30°(表3)；在这个范围民居冬季可获得较多的太阳辐射，能够提高室内温度，改善室内热环境。民居建设的过程中需要结合实际地形尽可能的让主要使用空间面向南侧，或者将南侧的山墙面延伸从而增加建筑得热。

表3 陕南民居最佳朝向角度Table 3 Optimal orientation angles of dwellings in Southern Shaanxi

4.2 屋面优化

江安村民居的屋面形式为坡屋顶，在构造层次上均未设置保温层，仅在木屋架上直接挂瓦作为防水层，或者屋顶为混凝土结构，砂浆找平上面挂瓦，这2种做法传热系数都很大。为加强屋面的保温性能，应设置保温层。常用的保温材料有EPS板、挤塑聚苯板、膨胀珍珠岩等[18]。针对当地的气候条件，从生态节能角度出发，在木屋架体系以及单层挂瓦屋面这2个构造层不变的前提下，采用厚炉渣混凝土构造的保温层做法(图5)，加入一定厚度的厚炉渣混凝土，调整屋面的构造层次[19]。更新后的屋面传热系数较小，屋顶的热工性能得到改善。

图5 屋面保温构造Fig.5 Roof insulation structure

4.3 窗墙比优化

根据《民用建筑热工设计规范》(GB 50176)附录中对于适用于中国夏热冬冷地区居住建筑的窗墙比相应规定，北向窗墙比不应超过0.3，东西向不应超过0.35，南向不应超过0.45[20]。但从实际调研分析来看该地区民居南向为山墙面，很少开窗或开小窗，要改善室内热环境，应该在东西立面的窗户上加装百叶，减少冬季冷空气的对流；在南向山墙面增加开窗面积，增加条形窗来得到太阳辐射[21]。在窗户的构造方面，江安村现民居多使用铝合金窗单层玻璃和木框单层玻璃，冬季热量损失大，考虑到经济原因，门窗可选取保温性能好、价格便宜的塑钢窗框，并采用在玻璃窗上贴透明聚酯膜的办法降低窗的传热系数，门尽量选用有夹层的双层保温门[22]。

4.4 建筑墙体保温更新设计

建筑墙体结构的热工性能对室内热舒适度有很大影响，在冬季可以有效地减少室内热量的损失，维持室内温度相对恒定[23]。考虑乡村地区的实际情况，建筑层数多为1～2层，现代乡村民居外墙大多为240 mm空心粘土砖[24]，但是室内的热舒适环境并不符合居民的理想状态，再加上国家从可持续发展的角度去考虑，已经禁止使用“粘土砖”了[25]，建议该地区可以使用页岩多孔砖，加气混凝土块材等[26]。结合造价和实现的难易程度，采用砖混结构，多孔砖墙承重，外墙采用240 mm厚页岩空心砖砖外粉厚水泥砂浆(图6)，考虑到冬天抵御西北向的寒风，北向外墙为370 mm厚，内墙均为240 mm厚。

图6 墙体保温构造Fig.6 Wall insulation structure

5 结 论

1)在维持坡屋顶面层不变的情况下，在屋面的构造层增加40 mm厚炉渣混凝土作为保温层，增加屋面保温性，保证屋面构造材料的生态性。

2)优化窗墙比，南向山墙面的窗户更改为条形窗，木窗框更换为塑钢窗框并在窗户上贴透明聚酯膜可以增加民居保温性。

3)优化墙体构造时选用页岩多孔砖替代粘土砖，加30 mm厚的聚苯板保温层，将北向墙厚增至370 mm，对抵御冬季寒冷气候有明显效果。