黔东南地区郎德苗寨民居的热适应性

0 引言随着全球环境的恶化和能源危机的加剧，人们逐渐意识到了可持续发展的重要性和必要性，尤其是作为三大能源消耗之一的建筑，更应关注可持续发展［1］。自20 世纪60 年代采暖空调设备的出现及其后的广泛应用，使得建筑可以完全依赖人工设备达到舒适要求，建筑设计逐渐忽略了室外气候的影响，从而产生了许多高能耗的现代化建筑。如果在建筑设计中充分考虑地域气候条件，巧妙利用室外气候要素，必然能够减少建筑能源的消耗。传统民居中蕴含着朴素的生态设计理念: 一种建筑与生态环境和谐共生的有机关系，这正是现代建筑设计中所缺乏的。传统民居通常会尽可能地利用有利的气候资源来减少外部环境的波动影响［2］，通过建筑的手法合理地组织空间，并选用适宜材料和构造，实现室内环境的舒适。这种被动式设计方式虽然节能，但同时存在着室温波动大、调节能力弱等缺点，若对这些被动式技术加以改良，则可进一步提高室内环境的舒适度，从而更好地发展传统民居。1 苗寨民居概况朗德苗寨属于贵州省黔东南自治州，坐落于苗岭主峰雷公山山麓巴拉河支流的河畔［3］，寨子背山面水，南面背靠主峰，两边扶倚左右次峰。寨中民居大多依傍地势而建，利用斜坡形成半楼半地的吊脚楼［4］，是当地一种极具特色的建筑形态。建筑利用穿斗式木构架［5］，围以单层木板，悬山或硬山式坡屋面覆之; 建筑空间多为2 ～ 3 层，1 层为辅助空间，2、3 层为主要活动空间或休息空间，屋檐挑出形成以美人靠［4］为中心的半室外空间，是当地居民最重要的活动空间，也是连接室内外的过渡空间( 见图1) 。2 苗寨民居的气候调节手段黔东南地区属于中亚热带湿润季风山地气候［6］，年平均气温为14. 5 ～ 18. 4 ℃，最热月平均气温为23. 2 ～ 27. 4 ℃，年平均相对湿度为80% 左右，年日照时数为1 120 ～ 1 327. 4 h，多阴天，降水较多，雨季明显［7］。郎德苗寨距凯里市区29 km，属于夏热冬冷地区，其最热月平均气温为25. 6 ℃，最冷月平均气温为4. 1 ℃［8］。本节从自然通风、遮阳方式以及蒸发降温等气候调节手段来分析郎德苗寨民居建筑的气候适应性。1) 自然通风苗族典型建筑形式是吊脚楼，底层架空，建筑上下四面皆通透，便于充分利用各个方向的自然通风。建筑主要通过以下2 种方式来实现自然通风降温: 一是窗洞口南北对位，洞口面积大，窗户为镂空木构窗，未使用玻璃或纸对其进行封闭处理，仅内设窗帘，空间通透利于通风; 二是利用双层通风坡屋顶( 通风阁楼) 来降温，屋面层室内加建木制楼板，山墙方向设有通风口，自然风可在三角空间里带走多余热量，达到降温的目的。2) 遮阳太阳辐射通过围护结构传热进入室内，或是通过门、窗洞口直接进入室内，造成夏季室内过热，而窗口遮阳则是一种比较直接、有效的放热措施。苗寨民居通过屋檐挑出实现遮阳，约挑出600 ～ 900mm，基本可以达到南向墙面遮阳的目的。同时利用这种方式形成半室外檐廊空间，是重要的室内外过渡空间，有利于减小室外环境对室内热环境的影响。3) 被动式蒸发降温郎德苗寨年降水较多，居民多采用吸水性较好的瓦作为屋顶材料。一方面通过屋瓦外表面的雨水蒸发来降低其表面温度; 另一方面渗透到屋瓦内部的雨水在降雨过后依然可以保持一段时间的蒸发降温作用。另外，苗寨均依山傍水而建，村寨周边种有大片水田，这些水体的蒸发也可降低周围空气温度，形成局部的低温环境。3 苗寨民居的室内热环境分析郎德苗寨民居中包含着原始的被动式设计手法，但由于仅为对环境的有限控制，必然存在一些技术缺陷。笔者对郎德苗寨民居进行了实地调研，选取寨中1 栋典型民居进行室内热环境的测试和定量评价，并分析其围护结构的热工缺陷。3. 1 测试方案被测民居是1 栋四开间建筑，共3 层，建筑面积约为400 m2。建筑外墙和内隔墙均为40 mm 厚的杉木木板; 1 层地面为水泥地面，2、3 层铺设45 mm厚的木板; 悬山式坡屋面椽檩上铺制青瓦; 实木门，镂空窗且内设窗帘。选取3 层房间A、房间B 进行测试( 见图2) 。3. 2 测试内容、测试仪器测试内容包括室内、外空气温度、相对湿度以及房间壁面温度。通过自记式干湿球温湿度计测试室内、外空气逐时温度和相对湿度，间隔时间为30min，其中室内空气温、湿度以房间B 为准。另外，利用红外测温枪测试房间A 和房间B 的壁面温度，间隔时间为30 min。3. 3 测试时间测试时间为2011 年7 月24 日8: 00 ～ 25 日20:00。测试期间为晴天，少有云量，日照强烈，气温昼夜温差明显，相对湿度日变化较大，是典型的夏季气候。3. 4 测点选择室外空气温、湿度测点( 1 个) 布置于距墙1 m处; 室内空气温、湿度测点( 1 个) 布置于房间B 的中心位置，距地面1. 2 m; 壁面温度测点为各向围护结构内、外侧中心位置。测试期间外窗开启，房间处于自然通风状态且居民进行正常活动。3. 5 测试结果分析3. 5. 1 空气温度和相对湿度室内、外空气温、湿度变化分别如图3 和图4 所示，由图可知，室内、外空气温度波动基本一致，室外空气日平均温度为28. 1 ℃，日较差为12 ℃，最高温度出现在14: 00 ～ 16: 00，达到了34. 5 ℃; 室内空气日平均温度为27. 7 ℃，日较差为8. 3 ℃，最高温度同样出现在14: 00 ～ 16: 00，达到了31. 8 ℃; 室内空气温度在21: 00 ～ 次日7: 00 略高于室外，室内外温差最大为3. 5 ℃，最小为0. 5 ℃。室、内外空气相对湿度波动较为剧烈，尤其是室外空气，最大湿度可达100% ，最小仅为39% ，最大湿度出现在凌晨1: 00 ～4: 00，此时室外空气温度也最低; 室内空气相对湿度没有室外空气变化剧烈，最大湿度为84% ，最小为54% ，基本属于舒适范围。分析可知，建筑外围护结构并没有起到很好的隔热作用，使得室内环境热稳定性较差; 外围护结构应增加防湿处理，以提高围护结构的耐用性。3. 5. 2 房间壁面温度房间A 各内壁面温度变化如图5 所示。各壁面温度波动趋势与室内空气温度相似，波幅较大，其中西向外墙内壁面温度波动尤为剧烈，其它各朝向内壁面温度波动变化基本一致。分析可知，双层屋顶并没有起到通风降温的作用。对比A、B 房间西向外墙内壁面温度( 见图6) ，可以得出，房间A 的西向外墙内壁面温度波动剧烈，特别是在15: 00 ～ 19: 00，最高温度出现在18:00，达到53. 8℃，平均值为31. 9 ℃; 房间B 的西向外墙内壁面平均温度为28. 5 ℃，最高温度为32. 8℃。A 房间西向外墙内壁面温度明显高于房间B，其主要原因是下午时段房间A 受到西向水平太阳辐射，水平出挑屋檐并没有起到有效的遮阳作用。4 苗寨民居围护结构热工缺陷及改进措施从上述测试结果可以发现，郎德苗寨民居并没有营造出很好的室内热环境，具体原因有以下几点:1) 郎德苗寨建筑围护结构材料为40 mm 厚的杉木木板，其本身蓄热性能较差，严重影响了围护结构整体的保温隔热性能。2) 双层屋面并没有起到很好的通风降温作用，主要原因是当地居民为美观效果将其山墙两侧进行了密封处理，未设置通风屋面的进风口和出风口。3) 遮阳方式单一，水平出挑屋檐对于南向外墙遮阳效果较好，而对于东、西向外墙则效果不明显，造成下午时段西向外墙内壁面温度过高，从而增加了室内得热量。针对上述问题，提出以下几点改进意见: 第一，提高外围护结构的蓄热性能，对建筑材料进行加工处理，增加其热惰性，从而提高室内热稳定性; 第二，在山墙两侧设置气流出、入口，增加三角阁楼屋顶空间的气流速度，带走室内多余热量; 第三，加强遮阳处理，特别是西向外墙，采用竖向遮阳板或挡板式遮阳方式，以减少太阳辐射得热量。