馬亞琦，王 巖，曹立輝

（天津城建大學(xué)建筑學(xué)院，天津300384）

1 研究背景

我國農(nóng)村居住建筑存量巨大，是現(xiàn)有居住建筑體系的重要組成部分[1]，但國內(nèi)建筑環(huán)境研究主要集中在城市建筑領(lǐng)域.在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的規(guī)劃下，政府不斷加強對農(nóng)村地區(qū)居住環(huán)境的重視程度，營造“生態(tài)宜居”的農(nóng)村居住環(huán)境顯得尤為重要.室內(nèi)環(huán)境是我國農(nóng)村居民生活、工作的主要場所，熱環(huán)境是室內(nèi)環(huán)境最重要的影響因素[2].城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民在生活習(xí)慣、方式和經(jīng)濟水平等方面不同，對居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境的熱感覺、熱期望、熱適應(yīng)和熱環(huán)境調(diào)節(jié)方式等都有明顯差異.如何讓農(nóng)村居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境達到現(xiàn)有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、符合生態(tài)宜居理念成為改善農(nóng)村居住環(huán)境的重要環(huán)節(jié)[3].

不同地區(qū)的建筑室內(nèi)熱環(huán)境狀況不同，居民的熱適應(yīng)能力存在差異.在寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境的研究中，葛翠玉等人指出吐魯番地區(qū)農(nóng)村居民多采用火炕、火爐的混合供暖方式來改善冬季室內(nèi)干冷的居住環(huán)境[4]；閆海燕指出拉薩地區(qū)居民對高原氣候環(huán)境的熱適應(yīng)主要體現(xiàn)在對高原氣候的行為適應(yīng)、低壓缺氧環(huán)境的生理適應(yīng)以及強太陽輻射帶來的心理期望的適應(yīng)[5].山東、河北等寒冷地區(qū)（B區(qū)）農(nóng)村居住人口數(shù)量多、密度高，但針對該區(qū)域的相關(guān)研究鮮有撰述.濱州市在環(huán)境特性、經(jīng)濟發(fā)展水平、農(nóng)村人口數(shù)量結(jié)構(gòu)等方面均可反映寒冷地區(qū)（B區(qū)）農(nóng)村居住建筑的基本情況[6].

2 研究對象和方法

2019年1月4日至1月10日筆者在山東省濱州市農(nóng)村地區(qū)針對農(nóng)村常住人口居住建筑的室內(nèi)熱環(huán)境做了問卷調(diào)查和詳細的實測調(diào)研，掌握了寒冷地區(qū)（B區(qū)）農(nóng)村常住人口的居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀，對熱感覺、熱可接受度和熱環(huán)境調(diào)節(jié)進行分析，結(jié)合農(nóng)村常住人口的冬季主觀熱感覺，分析農(nóng)村住宅現(xiàn)階段在熱環(huán)境方面存在的優(yōu)勢與弊端，并針對弊端提出相應(yīng)改善策略.

本次調(diào)查對象：居住建筑樣本為山東省濱州市農(nóng)村地區(qū)典型且存量最大的既有居住建筑類型——20世紀(jì)90年代后建設(shè)的普通磚混結(jié)構(gòu)住宅.選取兩處農(nóng)村居住建筑為研究對象，被測建筑概況見表1，調(diào)研對象基本代表濱州市農(nóng)村地區(qū)存量最大的居住建筑類型.

測試的物理參數(shù)及儀器設(shè)備設(shè)置參數(shù)見表2.測點布置及平面圖如圖1所示（圖示標(biāo)灰房間為居民主要活動用房）.測試儀器距離墻面水平距離大于500 mm，距地面1 100 mm，水平放置[7].熱環(huán)境分析儀盡量放置于房間的中間位置，避免冷、熱源干擾，以獲取較為精準(zhǔn)的室內(nèi)熱環(huán)境物理參數(shù).

表1 測試對象概況

3 實測數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析

3.1 空氣溫度及相對濕度分析

根據(jù)實測結(jié)果選取連續(xù)5 d（2019-01-05T12：00—2019-01-10T12：00）的有效數(shù)據(jù)，測試期間室外空氣溫度波動范圍-8～5℃，平均溫度-3.5℃，平均濕度29.83%.

3.1.1 住宅A室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)分析

圖2為住宅A室內(nèi)外溫濕度數(shù)據(jù)分析曲線，測試期間住宅A室外平均溫度為-1.23℃，日氣溫谷值出現(xiàn)在7：30（±30 min），最低溫度達到-5.20℃，出現(xiàn)在1月8日（第3天）7：42～7：46.日氣溫峰值出現(xiàn)在14：30（±30 min），最高溫度2.4℃，出現(xiàn)在1月7日（第3天）14：45～14：54.住宅A冬季未采取采暖措施，主要活動房間室內(nèi)平均溫度為1.60℃，且冬季廚房夜間溫度低于0℃，溫度較低，遠低于國家規(guī)范要求[8].陽光間晝夜溫差大，溫差最大達21.40℃，說明陽光間保溫隔熱性能及氣密性較差.因東側(cè)次臥窗墻比過大、窗戶氣密性差，致室內(nèi)晝夜溫差較大，差值最大達8.20℃.主臥及客廳溫度曲線波動較緩，但溫度較低，熱舒適性差.住宅A室外平均濕度為52.06%，相比于室外濕度，客廳及主臥室內(nèi)空間的濕度變化幅度較小，維持于41%～50%之間.陽光間、冬季廚房及東側(cè)次臥受室外濕度影響大，濕度曲線變化幅度較大；其中冬季廚房室內(nèi)濕度變化幅度及波動頻率最大.

表2 測試儀器概況

圖1 平面圖及測點布置

圖2 住宅A室內(nèi)外溫濕度數(shù)據(jù)分析曲線

3.1.2 住宅B室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)分析

圖3為住宅B室內(nèi)外溫濕度數(shù)據(jù)分析曲線，測試期間住宅B室外平均溫度為-2.75℃，氣溫谷值出現(xiàn)在7：30（±30 min），最低氣溫達到-7.8℃，出現(xiàn)在1月6日（第1天）5：10～7：59.室內(nèi)日氣溫峰值出現(xiàn)在13：30（±30 min），最高氣溫9.90℃.住宅B冬季采用獨立供暖的方式——自制土暖氣可給客廳、主臥、次臥、書房供暖（見圖1b供熱源）.主要活動房間室內(nèi)平均溫度為10.21℃，其溫度波動較大，做飯時土暖氣燒的最熱，溫度高，其他時間溫度低，尤其是居民睡覺后，溫度更低.主臥、廚房、餐廳、書房的溫度變化趨勢相同，均值不同.住宅B客廳及西側(cè)次臥設(shè)有聯(lián)通室內(nèi)外的入口，兩處房間氣密性差、窗墻比大，雖安裝有暖氣片，但受室外環(huán)境影響較大，氣溫波動幅度大，溫度較低.住宅B室外平均濕度22.84%，相比于室外濕度，室內(nèi)空間的濕度變化幅度較大，廚房、餐廳、主臥波峰波谷出現(xiàn)點與廚房做飯時間契合，三處濕度變化趨勢相同，均值有異.

3.2 室內(nèi)舒適度分析

熱舒適評價模型PMV-PPD描述了人體預(yù)計平均熱感覺指數(shù)（PMV）和預(yù)計不滿意者的百分率（PPD）的評價[9].在《民用建筑采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定了采暖與空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱舒適性要按照《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》（GB/T18049—2000）采用PMV和PPD評價，其值為：-1≤PMV≤+1，PPD≤27%[10].根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果設(shè)置服裝熱阻為1.50 clo（棉衣+棉褲、厚毛衣秋衣+保暖褲長褲、棉衣秋衣+棉褲長褲），并設(shè)定新陳代謝率1.1 met，對住宅B的典型常住房間進行連續(xù)的數(shù)據(jù)測試[11].被測房間均選取農(nóng)村居住建筑居民最主要的活動用房.

圖3 住宅B室內(nèi)外溫濕度數(shù)據(jù)分析曲線

圖4為住宅B的PMV-PPD雙Y曲線圖，住宅B被測房間為客廳，室內(nèi)PMV集中于-2.0～-1.4之間，預(yù)測熱感覺在稍涼到冷之間，PMV波動頻率與幅度較大，整體舒適度差.PPD的均值為75%，對于室內(nèi)整體熱感覺不滿意.該房間室內(nèi)有暖氣片設(shè)備1片，冬季取暖依靠煤爐及暖氣熱輻射，該房間有聯(lián)通室外入口，人員進出會帶入冷氣流，且南側(cè)外窗為單層玻璃木質(zhì)窗框，外墻窗墻比過大，影響室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性.

圖4 住宅B的PMV-PPD雙Y曲線圖

3.3 問卷分析

對濱州市農(nóng)村居民進行問卷調(diào)查，完成有效問卷102份（男性33人次，女性69人次，受測者平均年齡40.9歲）.在受測者中冬天開窗通風(fēng)換氣的居民僅占調(diào)查問卷的8.82%.受試者的服裝熱阻為1.30 clo（棉衣+棉褲、厚毛衣秋衣+保暖褲長褲、棉衣秋衣+棉褲長褲）.問卷調(diào)查的時間主要集中于9：00～11：00、14：30～16：00，室內(nèi)即時溫度在5.6～19.4℃間.

1.1 研究對象 33歲孕婦，停經(jīng)25+周時，外院超聲發(fā)現(xiàn)胎兒雙腎回聲增強，羊水極度過少(最大羊水深度<20mm)來本院產(chǎn)前診斷中心就診，分析胎兒預(yù)后不良可能，孕婦及家屬決定終止妊娠，并對胎兒進行相關(guān)遺傳學(xué)分析。既往史：曾因孕29周發(fā)現(xiàn)胎兒雙腎回聲增強、羊水過少引產(chǎn)1次。

3.3.1 熱感覺分析

對102份有效問卷分析可得，有30.4%的居民表示溫度“適中”，9.8%的居民投票“溫暖”，1.96%的居民投票為“暖”和“熱”.值得注意的是，有57.84%的居民投票為“涼”和“稍涼”.綜上所述，居民對熱環(huán)境狀況并不滿意，說明農(nóng)村居住建筑室內(nèi)環(huán)境有較大改進空間.49.02%的居民投票濕度“適中”，僅有10.78%的居民認(rèn)為“稍干”，分別有25.49%和14.71%的居民認(rèn)為“稍潮濕”和“潮濕”，可見有部分居民認(rèn)為偏潮濕，室內(nèi)濕度需要降低.

3.3.2 熱可接受度分析

對受測者的調(diào)查問卷中熱可接受度進行統(tǒng)計分析（見圖5）.根據(jù)受訪者所處室內(nèi)熱環(huán)境狀況，詢問受訪者對周圍熱環(huán)境可接受度，將操作溫度以0.5℃分隔遞增，把每一組對應(yīng)不可接受度占據(jù)頻率和相應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)操作溫度平均值進行回歸.結(jié)果顯示冬季受測者可接受室內(nèi)溫度范圍是8.5～18.5℃，13.5℃為濱州地區(qū)農(nóng)村居住建筑室內(nèi)最可接受溫度，高出室內(nèi)主要活動房間實測平均溫度7.6℃.推測部分農(nóng)村居住建筑保溫隔熱性差，且因經(jīng)濟條件影響，存在部分居民住宅內(nèi)無采暖設(shè)備、采暖設(shè)備效率低或采暖設(shè)備輔助使用的現(xiàn)象.

圖5 可接受溫度分析

3.3.3 熱環(huán)境調(diào)節(jié)分析

對濱州地區(qū)冬季農(nóng)村居民室內(nèi)緩解寒冷的主動調(diào)節(jié)措施進行統(tǒng)計分析（見圖6），居民普遍采取主動措施以適應(yīng)室內(nèi)低溫環(huán)境，如：增加衣著量、火爐烤火等.Humphreys指出：在建筑環(huán)境中，人們進行主動調(diào)節(jié)的機會與環(huán)境適應(yīng)性成正比[12].寒冷地區(qū)城鎮(zhèn)居民居住建筑78.8%采用集中供暖模式，居民主要通過衣物調(diào)節(jié)來適應(yīng)熱環(huán)境.濱州地區(qū)受測農(nóng)村居住建筑主要活動房間室內(nèi)平均溫度為6.96℃，明顯低于預(yù)測中性溫度（另PMV=0，求得預(yù)測熱中性溫度為16.9℃），當(dāng)?shù)剞r(nóng)村居民可接受溫度的下限也低于寒冷地區(qū)（B區(qū)）城鎮(zhèn)居民.

圖6 居民冬季室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)措施

4 改造措施與模擬驗證

4.1 改造措施

濱州地區(qū)農(nóng)村居住建筑多為磚混結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)均無保溫隔熱措施，構(gòu)造簡單，故傳熱系數(shù)大，保溫效果差，室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀不理想.約80%農(nóng)村居住建筑南側(cè)挑檐出挑1～2 m，可利用挑檐進行改造設(shè)計為陽光間.以濱州市逯橋村典型農(nóng)村居住建筑（住宅B）為例，考慮經(jīng)濟合理及節(jié)能環(huán)保原則，從外墻、外窗及陽光間三個方面進行設(shè)計改造，使其達到《山東省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（DB37/5026—2014）中對濱州農(nóng)村地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)熱工性能標(biāo)準(zhǔn)值及室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)值[13].

權(quán)衡外墻的內(nèi)外保溫及單一墻材保溫的利弊與適用性，選擇外墻內(nèi)保溫做法進行設(shè)計改造.外墻內(nèi)保溫會占用建筑室內(nèi)使用面積，但農(nóng)村居住建筑非商品房且空間面積較大，內(nèi)墻內(nèi)保溫有造價低、施工速度快、技術(shù)成熟、不影響原有外墻飾面的優(yōu)點，更符合濱州農(nóng)村地區(qū)的實際情況.原外墻建筑構(gòu)造為：水泥砂漿（10 mm厚）+實心黏土磚（240 mm厚）+水泥砂漿（10 mm厚），傳熱系數(shù)1.96 W/m2·K，不符合《山東省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中對低于三層的居住建筑傳熱限值0.35 W/m2·K的規(guī)定[13].外墻墻身改造構(gòu)造做法如圖7所示，傳熱系數(shù)0.338 W/m2·K，滿足標(biāo)準(zhǔn)限值K＜0.35 W/m2·K.

圖7 外墻墻身改造構(gòu)造做法

4.1.2 外窗

濱州市農(nóng)村居住建筑多為自建房，多采用木質(zhì)窗框，單層玻璃.外窗傳熱系數(shù)大、氣密性差、熱損耗大，冬季冷風(fēng)滲透嚴(yán)重.結(jié)合各材料的熱工性能、濱州地區(qū)的氣候環(huán)境特征及經(jīng)濟支付能力，將原來木質(zhì)窗框+普通玻璃（6 mm厚）的做法（傳熱系數(shù)4.70 W/m2·K）改為塑料窗框+Low-E玻璃（6 mm厚）+空氣層（12mm厚）+Low-E玻璃（6 mm厚），傳熱系數(shù)2.70 W/m2·K.

4.1.3 陽光間

太陽能是天然環(huán)保的能源，在農(nóng)村居住建筑中充分利用太陽能發(fā)展被動式太陽能利用技術(shù)，既符合鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略計劃中生態(tài)宜居的理念，又符合農(nóng)村居住建筑的特點及經(jīng)濟技術(shù)能力.以住宅B陽光間改造為例（適用于新建建筑），于建筑圍護結(jié)構(gòu)改善基礎(chǔ)上以南側(cè)挑檐為頂設(shè)置附加南向陽光間.陽光間窗戶采用Low-E中空玻璃窗，窗戶開啟方式為立式轉(zhuǎn)窗.

4.2 模擬驗證

針對以上對濱州市逯橋村典型農(nóng)村居住建筑（住宅B）的改造措施，利用Ecotect Analysis模擬進行對比分析，如圖8，輸入測試期間室外最冷月平均溫濕度（-2.25℃，22.84%），在無采暖措施情況下，經(jīng)過附加陽光間與改善圍護結(jié)構(gòu)后的室內(nèi)逐時空氣溫度對比，改造后室內(nèi)主要活動房間平均溫度為8.7℃，提高了4.1℃，在無采暖措施情況下已超過濱州地區(qū)受測者的可接受溫度下限（8.5℃）0.2℃.證明以上措施對改善濱州地區(qū)農(nóng)村居住建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境具有顯著的作用.

圖8 改造前后室內(nèi)逐時溫度對比

5 結(jié)論

本文分析了濱州地區(qū)農(nóng)村居住建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)問題并提出了相應(yīng)改善策略，得出以下結(jié)論：

（1）濱州地區(qū)農(nóng)村居住建筑多為磚混結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)均無保溫隔熱措施，構(gòu)造簡單，傳熱系數(shù)大，保溫效果差，室內(nèi)取暖熱源單一且熱輻射范圍較小，冬季室內(nèi)溫度整體偏低，各房間室內(nèi)熱環(huán)境差異大，室內(nèi)熱舒適性較差，熱環(huán)境現(xiàn)狀不理想.廚房、浴室室內(nèi)濕度偏高，且該地區(qū)僅有8.82%的居民有開窗通風(fēng)換氣習(xí)慣，致做飯洗澡等生活產(chǎn)生的濕氣難以排出.改造及新建居住建筑應(yīng)合理規(guī)劃室內(nèi)功能分區(qū)，且冬季廚房、衛(wèi)生間等要做好通風(fēng)措施，保證換氣率，必要時可設(shè)置室內(nèi)外換氣及除濕裝置.

（2）冬季濱州地區(qū)農(nóng)村室內(nèi)預(yù)測和實測熱中性溫度分別為16.9℃和5.9℃，居民對冷的耐受度比預(yù)測值高；熱可接受室內(nèi)溫度范圍是8.5～18.5℃，其中13.5℃為濱州地區(qū)農(nóng)村居住建筑室內(nèi)最可接受溫度，高出實測溫度7.6℃.該地區(qū)室內(nèi)溫度低、舒適度差，長期居住在該地區(qū)的居民從行為、生理和心理上對低溫環(huán)境已具備較強的適應(yīng)性.

（3）根據(jù)經(jīng)濟性、適用性原則，推薦濱州地區(qū)農(nóng)村居住建筑維護結(jié)構(gòu)改造選擇外墻內(nèi)保溫做法，將外墻原來做法改為：外飾面+實心黏土磚（240 mm厚）+水泥砂漿（10 mm厚）+擠塑聚苯板XPS（100 mm厚）+石膏板（10 mm厚），改造后外墻傳熱系數(shù)由1.96 W/m2·K變?yōu)?.338 W/m2·K，滿足標(biāo)準(zhǔn)限值；將原來木質(zhì)窗框+普通玻璃（6 mm厚）的做法改為塑料窗框+Low-E玻璃（6 mm厚）+空氣層（12 mm厚）+Low-E玻璃（6 mm厚），傳熱系數(shù)由4.70 W/m2·K變?yōu)?.70 W/m2·K，滿足標(biāo)準(zhǔn)限值；建議居民在建筑圍護結(jié)構(gòu)改善基礎(chǔ)上以南側(cè)挑檐為頂附加南向陽光間，陽光間窗戶采用Low-E中空玻璃窗，窗戶開啟方式為立式轉(zhuǎn)窗，室內(nèi)外入口處可設(shè)置過渡空間，降低農(nóng)村居住建筑冬季熱量損耗.用Ecotect Analysis進行模擬驗證，改造后室內(nèi)主要活動房間平均溫度為8.7℃，提高了4.1℃，效果顯著.