寒冷地区百年农村住宅模式的演变调查与光热性能分析

刘鸣¹，张宝刚²，张瑞娜¹，陈滨²，袁杰¹

(1. 大连理工大学 建筑与艺术学院，辽宁 大连，116024；

2. 大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连，116024)

摘要：营造既舒适又节能的农村环境一直是人们关注和努力的重要问题。针对百年农村住宅形式和热性能的演变过程进行积极的调查与探讨。通过对大连市瓜皮岛地区的农村住宅进行实地测量与调研，以近百年的、20世纪60年代、20世纪80年代以及2002年的农村住宅为对象，分析了住宅平面与空间布局、围护结构材料和构造方法、门窗形式随时间的演变过程。20世纪80年代是住宅形式舒适性能明显改善的转折点，本研究进一步通过对4种类型住宅实测调查与模拟分析，探讨了住宅形式、采暖方式对室内热舒适性、室内温度变化的影响。

关键词：百年农村住宅；热舒适；采光性能；演变

中图分类号：TU241.4            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0056-06

Investigation on evolution of a century rural house pattern and light-thermal performance analyses

LIU Ming¹, ZHANG Bao-gang¹, ZHANG Rui-na¹, CHEN Bin², YUAN Jie¹

(1. School of Architecture and Fine Art, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

2. Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract: To create a comfortable and energy-efficient rural environment has always been important issues of our concern and efforts. A great investigation and discussion on century rural house in cold areas was carried out, including the housing form and the evolution of thermal performance. The surveye are targeted to the past century, 60s, 80s, and the year 2002 rural residential houses of Gapi Islands in Dalian, Liaoning province. The effect of the residential plan, spatial pattern, envelope structure materials and construction method, the evolution of door and window forms were analyzed. The results indicated that the turning point of envelope structure material and comfort-improving of residential form came in the 80s. The influences of the residential pattern and heating methods on indoor thermal comfort and indoor temperature are discussed.

Key words: century rural house; heat comfort; natural light; evolution

目前，我国现有农村人口近9亿，约占全国总人口的60%，与城市相比，我国农村住宅布局比较分散、层数少、占地多、能耗大。全国农村住宅建筑面积人均达30 m²以上，为城市人口的3倍多；占地面积人均达50 m²以上，至少为城市人均的5倍以上；全国农村住宅每年新增8亿多m²，远超出城市的建设容量。但是，农村住宅节能体系与技术研究与城市相比还远远落后，能耗浪费相当严重，且居住舒适度不高^[1-4]。为减少能源浪费以及营造舒适的环境，需要针对当地气候特点进行研究，探索适合当地农村住宅的适合之路^[5-6]。本文作者针对大连市瓜皮岛地区的农村住宅进行实地调查，借助于建筑环境模拟分析影响建筑元素对农村住宅舒适度的影响。从而为以后的农村住宅设计提出一些参考。

1  农村住宅现状调查

农村住宅建筑是人类通过不断的调整发展衍化来适应人的生活居住习惯及当地的气候环境，逐渐形成的模式。本研究通过对辽宁省大连市长海县瓜皮岛现存的不同年代的建筑围护结构材料、开口面积、建筑围护结构构造方式、建筑平面布局及空间布局、屋顶形式进行了实地调查和测量。

1.1  建筑平面与空间布局变化

平面布局不仅影响建筑的使用功能，对建筑能耗同样起着至关重要的作用。当地的现有住宅功能划分比较简单，功能划分不明确。调查结果如表1所示，该地区住宅多为一层独立布局，以三开间、四开间、五开间规整的立方体居多，布局形式较简单。随着时间推移，人们对建筑的功能需求增加以及生活方式的改变，建筑在纵深方向上发生了一定的变化，建筑由单排布置变为双层布房间，在主要使用的居住空间北侧多加了一些对舒适度要求不高的附属房间，如：厨房、储藏等，作为对舒适度要求高的居住空间的温度阻尼区，相当于增加了从室外到室内的热阻，从而提高室内的热舒适性。

1.2  墙体结构材料及构造方式

墙体作为建筑围护结构的主要组成部分，对室内的舒适度起着至关重要的作用。但是调查结果表明，瓜皮岛地区的住宅一般无保温措施。百年老房子和20世纪60年代的建筑外墙为约500 mm厚的当地石材，20世纪60年代的建筑曾后期改造过在石材外侧加了一层厚度约为20 mm的水泥砂浆抹灰；20世纪80年代以后的住宅建筑外墙为370 mm厚的黏土砖墙。所有建筑的内墙都不承重，所以厚度仅为160 mm，仅起分割空间的作用。最近一两年内新建的建筑在北侧墙加一层厚度约5 cm的聚苯板保温材料，建筑外表面以白色瓷砖饰面。表2所示为各年代房子围护结构对比情况。

1.3  建筑的门窗形式比较

门窗洞口的大小及形式是建筑设计的重要组成部分，它不仅影响建筑的外观效果，也同样影响建筑的舒适度及能耗大小^[7-10]。门窗的启闭是居住使用者调节室内热湿环境和光环境的重要手段，门窗洞口的大小起着决定性的作用。门窗通过传导、渗透损失热量，所以门窗的构造形式和材料对室内环境的影响也不容忽视^[11]，表3显示了不同年代门窗形式与开口面积的变化。

根据调查(如表3所示)，从材料角度来看，门窗框的材料主要是传统的木材、塑钢、铝合金等材料。门窗材料的变化与建筑年代没有相对性。20世纪60年代及以前的建筑虽然主体结构没有改造，但是门窗由于耐久性问题，都经过改造由以前的木门窗更换为现代比较广泛使用的塑钢和铝合金门窗。20世纪80年代左右的建筑的门窗仍使用最初安装的木门窗。2000年以来的建筑多采用塑钢和铝合金门窗。

从构造方式角度来看，20世纪60年代及以前的建筑的门窗经历改造多为单框双玻璃门窗；20世纪80年代左右建筑的门窗因仍旧是最初建造时的单框单玻璃门窗；2000年以来的建筑多采用单框双玻璃门窗；随着人们对舒适度要求的提高，最近2年的新建建筑门窗多采用双框单玻璃门窗或者是双框门窗一层是单玻璃另一层是双玻璃。

表1  瓜皮岛上几户有代表性的住宅平面布局形式

Table 1  Several typical residential plane arrangements of Guapi island

表2 各年代房子围护结构对比

Table 2  Comparison of envelope structure of building of different times

表3  不同年代门窗形式与开口面积对比

Table 3  Comparison of window types and areas of different time

从门窗大小和朝向角度来看，从百年老建筑到20世纪60年代建筑的门窗较小，20世纪80年代以后的建筑门窗比较大。从表3的数据可以看出窗墙面积比呈现出逐年增大的趋势。北向窗户面积增大的尤为显著，20世纪60年代建筑北向窗墙比为7.15%到20世纪80年代的建筑北向窗墙竟然达到36.59%，不利于节能。

1.4  屋面形式比较

从各年代的屋顶外观来看，该地区的屋顶有两种形式一种是可以上人的平屋面，一种是人字形的坡屋面。平屋面可以供农户晾晒农产品或是做暂时的储藏空间，坡屋面有利于屋面排水，可以增强屋面的耐久性。调查得知：屋顶外观形式的选择与建筑的建造年代无关。从屋顶材料来看，该建筑为传统木屋架，坡屋顶为瓦屋面饰面，仅用灰泥和柴草作为保温防水 层，绝大多数没有另加保温层，屋顶的保温效果不是很好^[12-13]。

1.5  建筑台基

从表3中所列建筑立面可以看出：该地区建筑台基有逐渐增高的趋势，从20世纪80年代建筑和2002年建筑立面图可以看出高大的台阶有供人进出的入口，台阶下部成为一个架空的建筑使用空间。瓜皮岛的水位比较高，这个架空空间不仅能够防止雨水倒灌进屋内，还能隔绝地下的潮气，增加建筑的舒适度。

2  调查与实测结果

2.1  传热性能分析

从图1和表4中材料的传热系数和耗热量指标可以看出：百年建筑和20世纪60年代的建筑的围护结构在选材和构造方式上非常相近，传热系数U和建筑能耗较大；20世纪80年代建筑是建筑使用材料变革时期，逐渐被工业化生产的黏土砖的所代替，但是传热系数也较大，但是由于石材的墙体厚，蓄热能力S₂₄强可达到15 W/(m²·K) 左右，能够储存更多的热量，致使传统的石材建筑冬暖夏凉；随着科技的发展，人们也意识到建筑围护结构对于建筑舒适度有很大影响，新建农村住宅增加了采用保温材料，但从调查的情况来看，农村住宅围护结构没有保温的仍占较大比例。

图1  围护结构的传热性能

Fig.1  Heat transmission performance of envelope

表4  不同年代住宅的耗热量比较

Table 4  Comparison of heat consumption of building of different times

另外，体型系数是建筑能耗的重要参数之一，从表3的统计中可以看出建筑的体型系数随着建筑平面布局的发展在逐渐减小，寒冷地区体形系数最好不大于0.4，才有利于节能。

2.2  采光性能分析

从表3可以看出：建筑的窗墙比有逐年增大的趋势，北向窗墙比增大趋势尤为明显。窗户在为室内提供阳光和空气，同时窗户也是热量损失的通道，据统计，我国住宅能耗的大约40%通过窗户散失。所以，窗户对住宅能耗有至关重要的影响。为观察窗户面积对室内环境的影响，本研究借助Eco软件分析窗户面积对室内热环境和光环境的影响，住宅内光环境变化趋势如图2所示。按照实际情况建立百年建筑和新建建筑的窗户模型。在其他条件相同的情况下，窗户为木框单玻璃窗，模型的窗户面积分别为1.1 m×1.5 m和2.0 m×1.8 m。从农民的行为习惯的实际调查中也发现，农民更希望住宅的窗户越大越好，能够进入室内的阳光越多越好。

图2  住宅内光环境变化趋势

Fig.2  Influence of window-wall ratio on indoor light environment

2.3  室内温度实测

图3所示为2010年11月24日下午13:20至11月25日早上5:40的逐时温度曲线。从图3可以看出：百年建筑温度几乎全部高于其他几栋建筑；13:20~ 18:00这段时间由于农户做饭烧火的缘故，温度波动变化较激烈。由于百年建筑和20世纪60年代建筑采用当地传统的石材，传热阻比较大，蓄热性能较好，所以，尽管室外温度明显降低，室内温度变化并不十分显著。

图3  四类住宅室内温度变化情况

Fig.3  Four categories of residential indoor temperature changes
 

炕是农村住宅的主要热源，它对室内热舒适的影响至关重要^[14-15]。图4所示为使用红外热像仪测量得到的住宅炕表面的温度照片。从图4可以看出：百年建筑和20世纪60年代的建筑的炕表面温度最高可达到50 ℃，室内的平均温度白天能够达到15 ℃以上；2002年建筑的炕表面温度才达到26.3 ℃；20世纪80年代建筑的炕表面最高温度为35.9 ℃；百年建筑和20世纪60年代建筑炕表面的最高温度和最低温度相差达到30 ℃左右，使得整个炕温差较大。炕作为室内主要的采暖热源，由于农民烧炕的强度和程度不同，也导致了室内温度的差异和波动。

图4  炕表面温度红外伪彩色图

Fig.4  False color images of Kang surface temperatures in four buildings

3  结论

(1) 从20世纪80年代之后，农村住宅在纵深方向上逐渐由单排布置变为双层布房间，增加了北向布置的房间，对寒冷地区来说，相当于增加了从室外到室内的热阻，对提高室内的热舒适性具有重要的改善作用。

(2) 近100年来，农村住宅的南北向窗墙比在逐渐增大，从采光的角度，也适应了农民喜欢室内阳光充足的心理需求，20世纪80年代之后，窗户也由原来的木质窗户逐渐替换成铝合金窗。

(3) 传统石材墙体的住宅，虽然围护结构传热系数较大，但蓄热能力较强，同样可以保证住宅冬暖夏凉，值得现代住宅参考。

(4) 近100年来，火炕一直是北方地区居民比较喜欢的一种采暖形式，炕的温差与波动也影响了室内环境的热舒适性。

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(编辑 杨幼平)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178075)；国家“十二五”科技支撑项目(2012BAC05B01)；教育部博士点基金资助项目(20100041120045)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DUT12RW417)

通信作者：刘鸣(1979-)，女，辽宁大连人，博士，讲师，从事建筑技术科学研究；电话：0411-84706684；E-mail: liumingyitj@163.com