0 引言

徽州傳統(tǒng)民居是我國傳統(tǒng)民居的重要流派，是祖先勤勞與智慧的結(jié)晶?；罩菸挥谖覈臒岫涞貐^(qū)，在炎熱的夏季主要通過天井通風(fēng)、街巷遮陽、圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱等措施解決夏季防熱問題；但在寒冷的冬季，由于建筑氣密性差，沒有合理的采暖、保溫措施，使得徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)寒冷潮濕，嚴(yán)重影響人體熱舒適性。

國內(nèi)外許多學(xué)者都曾對各地的傳統(tǒng)民居進(jìn)行過大量研究。Baran等[1]對土耳其傳統(tǒng)民居中所蘊(yùn)含的氣候適應(yīng)性技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和優(yōu)化，并將其運(yùn)用到現(xiàn)代建筑上。Kim等[2]對朝鮮傳統(tǒng)民居的熱環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了研究，指出傳統(tǒng)民居的門窗、屋檐等圍護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計時考慮了當(dāng)?shù)貧夂?，有利于營造出一個良好的室內(nèi)環(huán)境，并將其與現(xiàn)代建筑進(jìn)行比較分析。Ooka[3]對日本傳統(tǒng)民居冬夏季室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了實測，對比測試結(jié)果，指出泥制外墻和土制地板有很好的儲熱性能，能達(dá)到調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)溫濕度的作用，且采用蘆葦建造的屋頂具有良好的保溫性能。于佳[4]對西藏林芝地區(qū)傳統(tǒng)民居及藏式新民居分別進(jìn)行了實測結(jié)果定量分析和數(shù)值模擬分析，指出在無采暖措施情況下，該地區(qū)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量較差，并根據(jù)傳統(tǒng)民居與新式建筑的對比分析，提出改進(jìn)措施。陳曉揚(yáng)等[5]對宏村典型傳統(tǒng)民居的進(jìn)行了實測，結(jié)合CFD 模擬分析徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)的環(huán)境特征，指出建筑隔熱性能較好，但保溫和通風(fēng)較差。宋冰等[6]對西遞傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了實測分析，指出圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差、室內(nèi)通風(fēng)換氣不暢、無輔助采暖是導(dǎo)致徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)寒冷潮濕的主要原因。張瑩等[7]對宏村、盧村傳統(tǒng)民居冬夏季溫濕度進(jìn)行實測，指出傳統(tǒng)民居的夏季防熱效果好，但冬季建筑的保溫效果差，并從墻體、門窗、天井、屋頂?shù)确矫嫣岢龈倪M(jìn)措施。石團(tuán)團(tuán)[8]對徽州傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測試，指出徽州傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)昏暗、陰冷潮濕、氣密性較差，并結(jié)合廂房“地籠”設(shè)計太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)，改善室內(nèi)熱環(huán)境。

為進(jìn)一步研究不同因素對傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境的影響，以更好地解決徽州傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱舒適性問題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過實測掌握傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)環(huán)境的現(xiàn)狀，結(jié)合軟件進(jìn)行冬季室內(nèi)熱環(huán)境仿真模擬，分別在有無內(nèi)熱源工況下，分析換氣次數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

1 冬季熱環(huán)境實測

1.1 研究對象

本研究選擇安徽涇縣查濟(jì)古村的典型清代民居建筑——馀慶堂為研究對象。該民居坐北朝南，為二進(jìn)五廂，平面布局東西對稱（ 圖1）。第一進(jìn)天井位于圍墻與房屋之間，外墻為青磚空斗墻；第二進(jìn)天井位于民居中心、兩廳堂之間；廳堂兩側(cè)為廂房，廂房的天花板、地板和四周內(nèi)墻均為木板。

圖1 馀慶堂平面布置圖

1.2 實測分析

本研究起止時間為2015年1月25～27日（小雨），選取馀慶堂第一進(jìn)進(jìn)行實測。采用溫濕度測量計(KANNA-HI9065)進(jìn)行溫濕度測試，得到1月26日建筑各區(qū)域空氣溫度（圖2）。采用CO2示蹤氣體衰減法進(jìn)行氣密性測試，計算得到三種工況下的換氣次數(shù)，即：門洞全關(guān)的廳堂內(nèi)換氣次數(shù)為10.0次/h，門窗全開的廂房內(nèi)換氣次數(shù)為12.5次/h，門窗全關(guān)的廂房內(nèi)換氣次數(shù)為2.5次/h。采用熱舒適儀(METRELMI6201)測得熱舒適度PMV=-3，人體感覺為“冷”；PPD=100%，不滿意度高。

由圖2可知，冬季傳統(tǒng)民居的室外空氣平均溫度為7.9℃，廳堂為8.2℃，廂房為8.6℃，溫度低，且建筑室內(nèi)外溫度相差較小。由實測結(jié)果分析得知：徽州傳統(tǒng)民居冬季防寒效果差，受外部環(huán)境擾動大，室內(nèi)寒冷潮濕，熱舒適性差。造成這一結(jié)果的原因主要有3個：①冬季天井通風(fēng)和門窗的冷風(fēng)滲透導(dǎo)致建筑氣密性差，室內(nèi)換氣次數(shù)大；②民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)較大，保溫、蓄熱性能差；③當(dāng)?shù)鼐用袢狈侠淼牟膳胧?/p>

2 冬季熱環(huán)境模擬

為分析不同因素對傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境的影響程度，本文采用數(shù)值模擬分析法，建立傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱

圖2 馀慶堂室內(nèi)外實測空氣溫度

環(huán)境模型，分別在有無內(nèi)熱源工況下，分析換氣次數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等對室內(nèi)熱環(huán)境的影響程度。

2.1 模擬方法

為使模擬結(jié)果更符合實際情況，本文基于Fluent軟件的流場分析優(yōu)勢和Trnsys軟件的模塊化瞬態(tài)分析優(yōu)勢，構(gòu)建Fluent和Trnsys耦合平臺。通過Fluent軟件計算出室外風(fēng)速與室內(nèi)換氣次數(shù)的數(shù)值關(guān)系，擬合出二者之間的數(shù)學(xué)方程，作為Trnsys中建筑動態(tài)換氣次數(shù)的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)入Trnsys進(jìn)行耦合分析。

2.2 模擬方案

在無輔助內(nèi)熱源工況下，分析換氣次數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性對室內(nèi)熱環(huán)境的影響程度。如表1所示，CASE0為根據(jù)實際情況建立的建筑模擬方案，其中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)為實測值，換氣次數(shù)為模擬所得的動態(tài)換氣次數(shù)；CASE2對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行了改進(jìn)。

在有輔助內(nèi)熱源工況下，分析換氣次數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性對室內(nèi)熱環(huán)境的影響程度。如表2所示，CASE3只增設(shè)了內(nèi)熱源；CASE4在對建筑氣密性進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了內(nèi)熱源；CASE5在對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了內(nèi)熱源。

計算Fluent軟件擬合出的室外風(fēng)速與廂房換氣次數(shù)耦合方程y=-0.27X2+1.08X+2.50，可得動態(tài)換氣次數(shù)。建筑原圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，外墻的傳熱系數(shù)實測值為2.06 W/(m2·K)，內(nèi)墻為 1.86W/(m2·K)，屋頂為 3.99W/(mm2·K)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)1.0 W/(m2·K)為安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的限定值；換氣次數(shù)1.5次/h為安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中換氣次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值；輔助內(nèi)熱源50W/m2為住宅建筑冬季采暖熱負(fù)荷的限定值。

表1 無內(nèi)熱源工況下各方案

表2 有內(nèi)熱源工況下各方案

2.3 模擬結(jié)果分析

分別在無輔助內(nèi)熱源工況和有輔助內(nèi)熱源工況下，控制換氣次數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性，建筑廂房內(nèi)的空氣溫度如圖3 、4所示。

2.3.1 無內(nèi)熱源模擬分析

（1）由CASE1結(jié)果分析得知，保持其他因素不變，控制換氣次數(shù)為1.5次/h時，室內(nèi)空氣溫度為9.0℃，相比CASE0提高了0.6℃。由此可見，僅對廂房氣密性的改進(jìn)，室內(nèi)熱環(huán)境無明顯改善。這主要是由于廂房門洞全關(guān)工況下，廂房內(nèi)換氣次數(shù)較小，因而對廂房進(jìn)行單一的氣密性優(yōu)化時，對室內(nèi)熱環(huán)境的影響較小。

圖3 無內(nèi)熱源工況下各方案廂房溫度

圖4 有內(nèi)熱源工況下各方案廂房溫度

（2）由CASE2結(jié)果分析得知，保持其他因素不變，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)為1.0W/(m2·K)時，室內(nèi)空氣溫度為12.5℃，相比CASE0提高了4.1℃。由此可見，通過對廂房圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的改進(jìn)，室內(nèi)熱環(huán)境有很大的改善。這是因為建筑原有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能較差，因而在改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能時，廂房室內(nèi)熱環(huán)境也會有一定的改善。

綜上分析：隨著建筑換氣次數(shù)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的減小，廂房內(nèi)空氣溫度都會有一定幅度的上升，即降低室內(nèi)換氣次數(shù)、提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)均可在一定程度上提高廂房氣溫；且建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的改進(jìn)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于建筑氣密性的改進(jìn)效果。

2.3.2 有內(nèi)熱源模擬分析

（1）由CASE3結(jié)果分析得知，保持其他因素不變，控制輔助內(nèi)熱源為50W/m2時，室內(nèi)空氣溫度為11.6℃，相比CASE0提高了3.2℃。由此可見，如增設(shè)輔助內(nèi)熱源，對室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果一般。這主要是由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能及建筑氣密性差，導(dǎo)致過多的熱量散發(fā)到室外，室內(nèi)熱環(huán)境改善效果不明顯。

（2）由CASE1、CASE2、CASE3對比分析可得，改變建筑換氣次數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和內(nèi)熱源，可分別提高室內(nèi)溫度0.6℃、4.1℃和3.2℃?？梢姼倪M(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果最佳，其次是增設(shè)內(nèi)熱源，而提高建筑氣密性對室內(nèi)熱環(huán)境的影響最小，改善效果明顯低于其他方案。

（3）由CASE4結(jié)果分析得知，保持其他因素不變，控制建筑換氣次數(shù)為1.5次/h，內(nèi)熱源為50W/m2時，室內(nèi)空氣溫度為12.7℃，相比CASE3提高了1.1℃。由此可見，在改進(jìn)建筑氣密性的基礎(chǔ)上再增設(shè)內(nèi)熱源，對室內(nèi)熱環(huán)境有改善作用，但效果不明顯。這主要是由于建筑換氣次數(shù)的改進(jìn)，降低了室內(nèi)外空氣對流換熱，減少了室內(nèi)熱量的損失。

（4）由CASE5結(jié)果分析得知，保持其他因素不變，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)為1.0W/(m2·K)，內(nèi)熱源為50W/m2時，室內(nèi)空氣溫度為16.1℃，相比CASE3提高了4.5℃。由此可見，在改進(jìn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的基礎(chǔ)上再增設(shè)內(nèi)熱源，能夠較大程度地改善室內(nèi)熱環(huán)境。這主要是由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的改進(jìn)，增大了墻體熱阻，減少了室內(nèi)熱量的損失。

綜上分析：相比于只增設(shè)內(nèi)熱源，分別在提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)和建筑氣密性的基礎(chǔ)上，再增設(shè)內(nèi)熱源，對室內(nèi)熱環(huán)境均有進(jìn)一步的改善作用，且提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的改善效果更為明顯。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對徽州傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境的模擬，我們可以得出以下結(jié)論：在無內(nèi)熱源狀態(tài)下，改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果最佳，其次是增設(shè)內(nèi)熱源，而提高建筑氣密性對室內(nèi)熱環(huán)境的影響最小；若在提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的基礎(chǔ)上再增設(shè)內(nèi)熱源，則室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果會最好。

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