伏君海，陈彬彬，蒋施岑，赵淇恒，沈桐宇

（西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川绵阳 621002）

0 引言

羌族传统民居是我国建筑文化中必不可少的一部分，近年来乡村振兴战略的大力推行，进一步推进了对羌族等地传统民居的研究。羌族是中国西部最原始的民族之一，历史悠久、文化丰富，其建筑有中国建筑的“活化石”之称[1]。四川桃坪羌寨作为羌族建筑群落的代表之一，具有典型的地域文化特性。

建筑学领域对羌族板屋的研究集中于板屋的内部空间[2-3]、聚落特征[4]与地域文化多样性保护[5]等方面。而羌族板屋民居冬季室内热环境状况是如何的？是否满足当地居民的热舒适性要求？民居应该如何去适应当地的冬季气候？关于这些问题，尚未见学者进行过具体详细的研究，而在乡村振兴的时代背景下，这些课题已日显重要。因此，为了探析羌族板屋室内建筑热环境的状况，本文通过对羌族板屋室内热环境进行定量研究和测试，分析羌族板屋室内热环境存在的问题，从而为改善板屋民居的居住热环境、建筑设计和节能设计提供依据。

1 研究对象

1.1 地理位置及气候特征

理县桃坪村位于四川省西部，青藏高原东部，阿坝藏族羌族自治州东南缘，全县境内山峦起伏，平均海拔2700m，气候属山地型立体气候，春夏季降水量多，冬季无霜期短[6]。桃坪村所在地理县，热工分区为夏热冬冷地区。海拔、坡向和地形都是影响山地型立体气候的因素，山地气候的特征[7]为：①阳坡太阳辐射值大，气温高，变化大，阴坡太阳辐射值小，气温低，变化小；②迎风坡降雨量多于背风坡；③山顶、山脊以及峡谷风口处风速大，盆地、谷底和背风处风速小。高山上风速一般夜间大，白天小，午后最小，而山麓和山谷则相反；④山地上部因气温低、云雾多，相对湿度高于下部，但冬季高山区有相反情况，山顶冬季云雾较少而相对湿度小，山谷和盆地相对湿度日变化大，夜高而昼低，午后最低，山顶相对湿度日变化一般很小。桃坪羌寨地处谷底，坡向为向阳坡、迎风坡。故桃坪羌寨太阳辐射值大，气温高，变化大；风速白天大，夜间小；相对湿度日变化大，夜高而昼低，午后最低。

1.2 羌族传统民居的特点

根据李先逵在《四川民居·中国民居建筑丛书》[8]一书中的描述，羌族民居分为邛笼屋、坡顶板屋、碉楼民居、官寨四类。与碉楼民居[6]和邛笼民居[1]不同，传统羌族板屋[2]建筑一般不进行人畜分离，而是人畜同宅不同层，底层为牛羊圈舍、草料间，中间层住人，顶层储物；层高较低，室内净高约2.4～2.6m，其建筑总高度一般控制在8m以下；除厕所外，其他功能房间皆紧密组合在一起，围绕“主室”形成矩形平面；一层墙体通常采用600～800mm厚的片石垒筑，二层2面或3面为石墙，向阳的一面采用木结构，三层为全木结构且在山墙面开口，使储物室具有良好的通风，让食物能长久存储。

1.3 测试对象概况

本文研究的羌族板屋采用传统的板屋形式修筑而成（图1、图2）。外观上板屋底层墙体四周外侧均铺有石质墙面，其余楼层墙面为木板构筑，朝向多接近坐北朝南，层数为4层。板屋内部布置为：一层为前厅，内部方正，布置有火塘、角角神位以及鲁班神位；二层为主卧室兼灶台；三、四层现为卧室和露台（图3）。

图1 羌族板屋风貌图

图2 测试民居位置示意图

图3 四层平面示意图

2 热环境相关参数收集及结果分析

2.1 数据收集

本次热环境测量时间为2022年1月7日—2022年1月9日，所采集的数据包含室内外温湿度、壁面温度、黑球温度和湿球温度，本文截取1月7日19：00—1月8日19：00期间的数据，数据采集时段内均为晴天。按现行国家标准《民用建筑室内热湿环境评价标准》[9]（GB/T 50785—2012）中规定的相关数据收集要求，将温湿度测点布置在居民卧室的中心，距离地面约1.1m，在数据采集过程中，15min记录一次数据。测点具体位置见图3，数据采集所用仪器见表1。

表1 测试项目及仪器

2.2 室外热环境相关数据

为确定冬季室内热环境测试时间，了解理县地区室外气候特征，帮助民居适应当地冬季气候、改善室内热环境。对MERRA-2(The second Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications version 2)中的inst1_2d_asm_Nx和tavg1_2d_rad_Nx数据集收集的2011—2021年理县月平均温度和月平均太阳辐射值[10]等气候数据进行统计分析（图4、图5）。数据显示理县6—8月平均气温较高，其中月平均最高气温出现在8月；12月和1月平均气温较低，其中月平均最低气温出现在1月。从累年各月平均气温上看，理县地区夏季气温在14℃左右，气候较为温和；冬季气温在-5℃左右，气温相对较低，大部分时间需要供暖。理县累年月平均最低温度出现在1月份，故测试1月份的室内热环境更加具有科学性。

图4 2011—2021年理县各月份平均温度

图5 2011—2021年理县各月份太阳辐射平均值

理县全年太阳辐射月平均值最高在5月份，为268.4W/m2。最低在12月份，为148.9W/m2。该地区海拔较高，羌寨四周无遮挡，太阳日照时间较长，散射辐射强度低，人体及房屋的热源主要来自太阳照射。因此，若需改善板屋冬季室内热环境，可从利用太阳能这一方面考虑。

2.3 室内外空气温度分析

为了解冬季板屋室内舒适度状况，对室内外空气温度进行测量分析（图6）。冬季板屋室外空气温度最高值为11.0℃，最低值为-1.2℃，平均值为4.1℃；室内空气温度最高值为10.9℃，最低值为8.0℃，平均值为9.4℃。在测试时间内室外空气温度昼夜温差变化值为12.2℃，变化幅度大，室内空气温度昼夜温差变化值为2.9℃，变化幅度小；室内外温度最大差值为10.4℃，说明建筑外墙整体具有一定的保温性能。根据现行国家标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[11]（GB 50736—2012)，冬季夏热冬冷地区主要房间宜采用16℃～22℃，说明冬季板屋室内空气温度低于冬季舒适温度(16℃～22℃)，人体热感觉较冷。

图6 2022年1月7日—1月8日室内外空气温度

2.4 室内外空气湿度分析

为了解室内湿环境状况，为室内热环境评价提供依据，对室内外湿度进行测量分析。从图7可以看出，室内相对湿度均在69.0%以上，湿度最低值为69.6%，最高值为80.5%，差值为10.9%；室外相对湿度最低值为23.0%，最高值为48.2%，差值为25.2%。室内相对湿度均高于室外空气相对湿度，8：00—11：00室外空气相对湿度随着室外空气温度上升而下降，而此时间段室内空气温度和相对湿度变化不大。可以看出，板屋的排湿能力较差，究其原因，一方面与室内密闭、通风效果差有关，另一方面与空气温度变化有关。

图7 2022年1月7日—1月8日室内外相对湿度

2.5 内外壁面温度分析

为了解冬季板屋外墙的热工性能，测量外墙体室内外壁面温度，并进行分析（图8）。冬季板屋南向外墙内壁面最高温度为10.9℃，最低为2.0℃，平均值为6.5℃；外壁面最高温度为11.9℃，最低为0.3℃，平均值为6.1℃。内壁面温差为8.9℃，外壁面温差为11.6℃，内外壁面温差最大值为2.5℃，温差最小值为0.8℃。内壁面温差明显小于外壁面温差，室内空气温度总体变化不大，说明由墙体内壁面向外壁面传递的热量少，建筑外墙具有良好的热稳定性和保温性能。

图8 2022年1月7日—1月8日室内外壁面温度

2.6 室内风速

由于测试期间除居民偶尔进出外，民居的门窗大多数时间都处于紧闭状态，室内气流速度接近于0，故气流速度对室内热舒适性的影响可忽略。

2.7 平均辐射温度（MRT)

除了室内空气温度、空气湿度和室内风速外，室内热辐射也是影响室内热环境的重要因素之一。因此，为了更加科学地研究室内热环境和人体热舒适性，通过实测得到的数据计算室内平均辐射温度。对一般建筑而言，室内热辐射主要指房间内各表面和设备对人体的热辐射作用，室内热辐射的强弱通常用“平均辐射温度”表示，平均辐射温度对室内热环境有很大的影响。在冬季，外围护结构内壁面温度过低，将对人产生“冷辐射”，严重影响室内热环境和人体热舒适性[12-13]。本文通过实测得到的数据计算冬季板屋室内的平均辐射温度，以研究其对室内热环境的影响。室内平均辐射温度的计算数据来自空气质量测试仪JT-IAQ-50，其计算式[14]如下：

式中：Ta——干球温度，℃；Tg——黑球温度，℃；V——风速，m/s；D——黑球直径，D=0.15m；ε——黑球发射率，ε=0.95。

图9为计算所得的室内平均辐射温度与实际测得的室内空气温度的逐时曲线，数据显示，卧室室内平均辐射温度低于空气温度，最大温差值为2.8℃，表明围护结构对室内存在“冷辐射”，室内人员受热不均匀，在一定程度上会影响室内人员的热舒适感。

图9 2022年1月7日—1月8日室内空气温度及平均辐射温度

2.8 结果分析

通过上述热环境相关参数的收集分析可知：在测试时间内，室外空气温度昼夜温差变化值为12.2℃，室内房间温度昼夜温差变化值为2.9℃，室内外温度最大差值为10℃，说明冬季板屋建筑外墙整体具有一定的保温性能，建筑外墙的热稳定性和保温性能也较为良好。室内空气温度低于冬季舒适温度(16℃～22℃)，人体热感觉较冷；室内相对湿度均在69.0%以上，室内外相对湿度差值最大为49.8%，说明板屋的排湿能力较差；围护结构对室内存在冷辐射，使室内人员受热不均匀，影响室内人员的热舒适感。

以上数据仅反映了板屋冬季室内热环境状况的几个环境要素，为了更系统地反应人体对室内热环境的感受，研究将利用热舒适仪对人的主要活动场所进行实时测试并使用Fanger[15]提出的PMV-PPD指标评价人体热感觉，更全面地反应板屋室内热环境状况。

3 热环境评价

人体热感觉与四个热环境要素（空气温度、空气相对湿度、气流速度、MRT）和两个人体因素（人的活动量、衣着情况）有关[16]。PMV指标与热感觉的关系可分为7个等级[17]，见表2，PPD指标代表了人群对热环境不满意的百分数[18]。

表2 PMV指标与热感觉的关系

对羌族板屋的室内热环境进行热舒适模拟计算，依据《民用建筑室内热湿环境评价标准》，按当地居民日常活动和衣着习惯对热舒适仪进行参数设定，将冬季的新陈代谢率设定为1.2met，服装热阻设定为2.0clo。

图10表示用空气质量测试仪JT-IAQ-50实测的PMVPPD逐时关系曲线。数据显示，板屋室内的PMV最低值和最高值分别为-1.3和-0.9，对应的PPD值为40.3%和22.1%；14：00—16：30PMV为-0.9，其余时间内PMV值均在-2～-1区间，热感觉总体介于冷~稍冷状态。按现行国家标准《热环境的人类工效学》[19]（GB/T 18049—2017）的有关规定，通过计算PMV和PPD指数与局部热舒适准则对PMV-PPD进行评价，其值宜为－1≤PMV≤+1，PPD≤27%，说明板屋的室内热环境基本满足要求，但板屋的室内热舒适性未达到要求。

图10 PPD-PMV随时间变化的曲线

4 结论与展望

对桃坪羌寨板屋民居的室内热环境评价和分析进行总结：冬季板屋室内平均温度不满足冬季室内设计最低温度16℃的要求；根据测试数据和热舒适模拟计算，板屋的PMV值在-2～0区间内，热感觉介于冷～稍冷状态，PPD在5%～23%区间内，板屋室内热舒适性未满足-1≤PMV≤+1、PPD≤27%的规范要求，故室内热环境基本达到要求，而室内热舒适性较差。结合羌族板屋特点，从以下两个方面提出提高板屋室内热舒适性的建议：

（1）羌族板屋的围护结构热工性能较差，可将窗户更换为LOW-E玻璃（低辐射玻璃），LOW-E玻璃的镀膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性，在拥有良好透光性的同时也具备良好的保温隔热效果，可提高围护结构的热工性能；

（2）通过图5可知，理县地区全年的太阳辐射值都很高，即使在太阳辐射量最低的12月也达到了148W/m2，说明该地区太阳能资源丰富。因此，建议采用太阳能集热器、太阳能热水系统和修建太阳能暖房等方式来降低能源消耗。

本文研究在样本数据采集方面还存在测试周期较短、样本稀少等不足，导致对羌族冬季板屋的室内热环境评价方面的结论存在一定局限性，在后续研究中，可从增加样本数据的时间覆盖范围和采样频率等两个维度进行优化，以弥补本研究的不足。