徽州传统民居冬季室内热环境形成机理分析

安徽工业大学  黄志甲  吴州琴  龚城

       【摘 要】徽州传统民居冬季室内寒冷潮湿，热舒适性差。基于典型徽州传统民居室内外温湿度、壁面温度、太阳辐射等热环境参数测试，进行民居冬季热环境研究，剖析徽州传统民居冬季寒冷的原因，为民居优化设计提供理论依据。以热平衡方程为导向，对徽州传统民居冬季各传热项进行理论计算，用传热贡献率来衡量不同传热项对室内热环境的影响程度。结果表明：通风传热对冬季民居室内热环境的影响作用最大，是第一大失热项，传热贡献率为-36.21 %，外围护结构传热是第二大失热项，贡献率为-14.57 %。徽州传统民居冬季寒冷的主要原因是通风失热和外围护结构传热散热太多，相比于增强围护结构保温性能，减少天井通风引起的散热更为重要。

       【关键词】徽州传统民居；热环境；冬季；传热贡献率；天井；外围护结构

       【基金项目】国家自然科学基金项目(51478001)

Abstract：Huizhou traditional dwellings, cold and humid in winter, have poor thermal comfort. Based on indoor and outdoor thermal environment parameters in Huizhou traditional dwelling, i.e. temperature and humidity, wall temperature, solar radiation and so on to analyze its thermal environment in winter. The reason of cold in Huizhou traditional dwellings was parsed, which can provide theory basis for optimization design of dwelling. Each heat transfer was calculated theoretically by means of equation of heat balance, and evaluation index, namely, heat transfer contribution rate, was introduced to measure influence degree of heat transfer item to indoor environment. Ventilation heat transfer have the greatest effect on indoor thermal environment of dwelling in winter. It is the first major heat loss item, and the heat transfer contribution rate is -36.21 %. The heat transfer of the external protect structure is the second largest heat loss item, the contribution rate is -14.57 %. The reason for the cold dwellings in winter is the ventilation and the external protection structure large heat dissipation. Compared with the enhancement of the insulation performance of the envelope structure, it is more important to reduce heat dissipation of the patio ventilation.
Keywords：Huizhou traditional dwelling, thermal environment, winter, heat transfer contribution rate, patio, external envelope structure

1 引言

       随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们越来越追求舒适的生活环境，而传统民居的宜居性逐渐退化^[1]，如何能在继承古人优秀建筑设计的同时，又满足现代人对居住环境舒适性的要求呢？徽州传统民居是中国古代建筑的一个重要流派，在国内外享有盛誉，隶属我国建筑热工气候分区中的夏热冬冷地区，冬季热环境差且供暖能耗高是徽州传统民居没有更好传承发展的重要原因^[2]。

       随着近年来政府部门对传统古建筑保护与传承的日益重视，国内不少学者开展过对古民居室内热环境的研究^[3-6]，在冬季热环境研究方面，宋冰等人通过实测研究了西递典型徽州传统民居冬季热环境，发现传统民居保温防寒效果差，冬季室内阴冷潮湿，室内热环境不满意率高达70%以上，对传统民居冬季室内热环境的特征及成因进行了分析^[7]。胡冗冗等人也通过实测的方法研究了秦岭山地民居冬季室内热舒适状况，给出了不同外围护材料下民居室内热环境的定量评价，在此基础上提出改进其室内热环境的建议^[8]。黄凌江等人采用实测和计算机模拟两种方法对比分析拉萨赤角林村传统民居和新式民居冬季室内热环境，比较了2类民居的室内热环境及围护结构热工性能，分析了新式民居室内热环境的变化与特点，为该地区民居室内热环境的改善和对比研究提供量化依据^[9]。综上可以发现，对民居冬季热环境的研究集中在实测和模拟两种方法，几乎没有涉及到传热理论分析的方法。

       针对以上研究的不足，基于课题组长期对徽州传统民居的热环境调研和2016年1月23日（冬季典型日）对一典型徽州传统民居室内外热环境参数的实测结果，采用传热理论分析的方法进行徽州传统民居冬季室内热环境形成机理分析，找出徽州传统民居冬季室内热环境的影响因素，着重分析了天井传热和外围护结构传热，为徽州传统民居冬季热环境的优化设计提供理论指导，以求改善当地居民冬季室内热舒适。

2 模型与方程

       2.1 研究对象

       选取一栋具有典型徽派建筑特色的民居“馀庆堂”为研究对象，该建筑位于安徽省泾县查济村，坐北朝南，是一栋带有一字型天井的两进五开间建筑。研究区域限定在馀庆堂其中的一进，如图 1所示，南北进深9.66 m，东西宽约16.58 m，建筑总高6.86 m，其中一层高为3.3 m，为居住空间，二层阁楼用于储藏。建筑外墙均为空斗砖墙结构，外粉石灰。屋顶为双坡青瓦屋面，其中只有厅堂上屋面内有望板。南北外墙上分别有1.14 m宽，2.06 m高的木制外门。厅堂为砂石混凝土筑地面，厢房地面为30 mm厚杉木板，下有400 mm高架空地垄，天井为青石板地面，上空尺寸（天井口）为14.40 m×0.60 m。

       条件假设

       鉴于实际传热模型的复杂性和研究的可计算性，对该建筑进行简化处理，并作出如下假设：

       （1）不考虑围护结构蓄热性，不考虑内墙传热，不考虑潜热得热，假设室内无供暖设备；

       （2）前后门按关闭处理，只考虑天井通风，忽略门、墙壁等处的渗透通风；

       （3）外壁面长波辐射换热是指与天空和地面的辐射散热，假设周边环境温度与室外空气温度相同；

       （4）假设墙体表面物性参数一致，即不同方向墙体表面对流换热系数、辐射率、吸收率相同；

       （5）透过透明围护结构的太阳辐射完全被室内吸收；

       （6）内壁面只与室内环境进行辐射换热，辐射角系数为1，以室内气温代替室内环境温度。

       2.2 计算方程

       2.2.1 热平衡方程

       （1）建筑热平衡

       图 2所示为民居传热简图，徽州传统民居冬季传热项包括：（1）太阳辐射得热，即围护结构外表面吸收的太阳辐射得热量，包括两部分，一是直接通过天井口的太阳辐射得热，二是外墙和屋顶吸收的太阳辐射；（2）外围护结构传热是指通过外围护结构传递到室内的热量，包括外墙和屋顶；3）地面传热，通过地面传递到室内的热量，包括天井、厢房、厅堂地面；（4）通风传热，由通风带入到室内的热量，主要考虑天井通风传热；（5）内热源散热，室内热源散热带给室内的得热量，包括人员、照明和室内用电设备散热。

       由热力学第一定律可知，系统能增等于所有传热项之和，徽州传统民居满足能量守恒定律，则民居热平衡方程为：

       Q_rad+Q_con+Q_g,c+Q_ven+Q_int=ΔQ_sys（1）

       式中：Q_rad ——太阳辐射得热；Q_con ——外围护结构传热；Q_g,c ——地面传热；Q_ven ——通风传热；Q_int ——内热源散热；ΔQ_sys ——系统能增。

       （2）外壁面热平衡

       对于非透明围护结构，其外壁面都存在热平衡，如图 3（a）所示，外壁面吸收来自于太阳的辐射热q_a,sun，该得热一部分以对流的形式与近壁面空气换热qc，另一部分以辐射的形式与周围环境换热q_r,l，余下的热量q_k则从外壁面向围护结构内侧传递。式（2）为外壁面热平衡方程，即为外围护结构吸收的太阳辐射热。

       q_a,sun=q_c+q_r,l+q_k  （2）

       （3）内壁面热平衡

       以围护结构内壁面为分析对象计算内壁面得失热，建立热平衡。如图 3（b）所示，外墙传向内壁面的热量为Qko，这些热量一部分通过对流传递给室内空气qco，另一部与室内环境进行辐射换热qro。内壁面热平衡方程如式（3）所示，Qko即为通过外围护结构传热量。

       Q_ko=q_co+q_ro  （3）

       2.2.2 传热计算方程

       （1）太阳辐射得热，天井口的太阳辐射得热可参考下式：

       Q_rad=AI_t    （4）

       式中：A--传热面积，m²；It--垂直于围护结构表面的太阳辐射强度，这里指水平面太阳辐射强度，取实测值，W/m²。

       外墙、屋顶太阳辐射得热，通过非透光围护结构进入室内得热量就相当于通过非透光围护结构的得热^[10]，即Q_rad=q_k，由外壁面热平衡方程式得通过非透光围护结构的得热q_k=q_α,sun-q_r,l-q_c。

       外表面对太阳辐射的吸收热：

       q_α,sun=αAI_t    （5）

       式中：α--外表面对太阳辐射的吸收率，石灰墙面取0.51，瓦面取0.52。

       外表面长波辐射散热量：

       q_r,l=Aεσ[X_is(T_w⁴-T_sky⁴)+X_ig(T_w⁴-T_gro⁴)]    （6）

       式中：ε--表面发射率，取0.91；σ--玻尔兹曼常数，5.67×10-8 W/(m²·K⁴)；T_w --外壁面温度，取实测值，K；T_sky --有效天空温度，T_sky =0.815Tout，T_out --室外空气温度，取实测值，K；T_gro --地面温度，近似取室外空气温度，K；X_is / X_ig --分别为壁面对天空/地面角系数，屋面的X_is =1，X_ig =0；垂直墙面的X_is =0.5，X_ig =0.5。

       外表面对流换热：

       q_c=Ah(T_w-T_out)    （7）

       式中：h--对流换热系数，W/(m²·K)。

       （2）外围护结构传热

       由内壁面平衡方程可知外墙传热Q_rad=q_ko，即q_ko为通过墙体传入室内的得热量，q_ko=q_co+q_ro。

       内表面对流换热换热量为：

       q_co=Ah(T_n-T_in)    （8）

       式中：T_n --内表面温度，取实测值，K；T_in --室内空气温度，取实测值，K。

       内壁面辐射换热计算如下：

       q_ro=Aεσ(T_n⁴-T_in⁴)    （9）

       由于屋顶无实测的壁面温度，根据稳态计算传热量：

       Q_con=AK(T_out-T_in)    （10）

       式中：K--传热系数，屋顶取2.54，W/(m²·K)。

       （3）地面传热

       由于厅堂、厢房、天井地面温度不同，分别计算地面传热量，参考式（11）：

       Q_g,c=Ah(T_g-T_in)    （11）

       式中：T_g --地面温度，取实测值，K。

       （4）通风传热

       天井口通风换热量计算可参考（12）：

       Q_ven=Lρc(T_out-T_in)    （12）

       式中：L--天井口通风量，取实测值，m³/s，ρ--空气密度，kg/m³；c--空气比热，取4.12 kJ/(kg·K)。

3 结果与分析

       建筑室内热环境主要受室外气候条件和建筑设计状况两方面的影响，徽州传统民居地处夏热冬冷地区，气候适应性策略和被动式设计使得民居冬冷夏凉。传统民居的室内空气温度主要受围护结构传热和自然通风换热方式来决定^[11]。因此对于徽州传统民居，天井通风和外围护结构热工特性是决定民居冬季室内热环境的关键因素。

       3.1 天井传热

       馀庆堂冬季不同方向太阳辐射强度如图 4所示，从图中可以看出，该地区冬季日出时间约在6：30，日落时间约在18：00，日照时长约11.5 h。外墙接收太阳辐射的时间段各不相同，但南向外墙和水平面具有相似的太阳辐射接收时间，12:00~2:00是辐射最强时段，东向外墙接收太阳辐射的时间分别在清晨和上午，西向外墙主要为傍晚，而北向外墙一般不直接接收太阳辐射。水平面和南向太阳辐射强度随时间具有相似的变化规律，且南向和水平面平均太阳辐射强度最大，分别为365 W/m²，358 W/m²，其中水平面太阳辐射峰值时刻出现在12:00~13:00，最高达650 W/m²。北向平均太阳辐射强度最小，太阳辐射强度均小于200 W/m²。测试结果表明该地区冬季日照时间较长，太阳辐射强度较高，具备被动式太阳能采暖设计的资源条件，可利用太阳能解决冬季生活热水供应及采暖问题。

       仅考虑天井口这一部分传热，天井传热项包括天井口通风传热和天井口接收的太阳辐射，天井口接收的太阳辐射主要来自于水平面和南向。图 5为天井口逐时传热，从图中可以看出冬季天井口有得热也有失热，太阳辐射是得热项，通风是失热项，但部分时间段为得热，总体而言天井口是失热的，冬季天井口应尽量接收太阳辐射，减少通风失热。应在天井口安装可起闭式玻璃^[12]，由于在14:00~16:00时间段内，天井通风传热是得热项，可在这个时间段开启可起闭式玻璃进行通风换气。

       3.2 围护结构传热

       图 6所示为外围护结构单位面积逐时传热，积分得屋顶、东墙、西墙、南墙和北墙一天内传热量分别为-10.6 kW·h、-1.7 kW·h、-1.8 kW·h、-8.7 kW·h、-3.8 kW·h，围护结构总传热占比分别为39.85%、6.39%、6.77%、32.71%、14.29%。总体而言，外围护结构传热是失热项，部分时刻也存在得热，如屋顶在10:00~16:00期间为得热项。外围护结构中屋顶的逐时传热变化最明显，且失热量最大，白天最大传热得热达到了19.5 W/m²，夜间主要表现为失热，最大失热达到了15 W/m²。相比于屋顶，外墙逐时传热变化并不明显，外墙中南墙的日散热量最高，主要是由于夜间南墙内壁面温度较低造成的单位面积传热散热增大。图 6表明外围护结构中屋顶的热阻和热惰性远小于外墙，并且屋顶的围护结构总传热量占比较大，为39.85%，因此外围护结构改造中，屋顶是重点改造对象。

       3.3 传热贡献率

       影响冬季徽州传统民居室内热环境的传热项包括地面传热、太阳辐射得热、内热源散热、外围护结构传热和通风传热。图 7所示为建筑逐时总传热量，从图中可以看出太阳辐射、内热源、地面传热一直是得热项，通风和围护结构传热为失热项，部分时刻存在得热情况。最大得热时刻出现在14:00，得热量为9.93 kW，最大失热时刻出现在6:00，失热量为5.35 kW。就该冬季典型计算日而言，馀庆堂得热量与失热量并不相等，建筑失热量为2.86 kW·h。

       为表征传热项对室内环境的影响力大小，引入“传热贡献率”，即平衡项中某项传热量与各项传热量大小的和的比值百分比，值的大小表明影响力大小，正值表明传热到室内环境，负值则表示从室内环境吸热，见公式（13）。

       

       式中：N_i——传热贡献率；Q_i ——传热项引起的传热量，正值代表得热，负值代表失热。

       图 8所示为各传热项传热贡献率，从图中可以看出，通风传热的传热贡献率为-36.21 %，表明通风传热占到了总传热量的36.21 %，因此通风传热对民居冬季室内热环境的影响作用最大，且是失热项。外围护结构传热是第二大失热项，贡献率为-14.57 %。得热项中，内热源散热和太阳辐射得热的传热贡献率差不多，分别为18.89 %和18.54 %，地面传热贡献率最小，为11.8 %。

       总结而言，徽州传统民居冬季寒冷的原因是通风传热和外围护结构传热散热太多，同时太阳辐射得热、内热源散热和地面传热得热量较少。因此改善徽州传统民居冬季室内热环境的手段在于减少失热项带来的失热量，增大得热项提供的得热量，同时考虑权重大的那一项为优化设计的重点。在减少失热项方面，民居可通过减少通风量和增大围护结构保温性能来减少失热量，因为通风传热是最大失热项，所以相比于改善围护结构保温性能，减少天井通风引起的散热更为重要。在增大得热项方面，依赖增大内热源来增加冬季民居室内得热意义不大，太阳辐射得热和地面传热也可通过某些手段强化。

4 结论

       1）测试结果表明该地区冬季日照时间较长，太阳辐射强度较高，可利用太阳能解决冬季生活热水供应及采暖问题。冬季天井口是失热结构，可通过安装可起闭式玻璃增大得热减少失热，宜在14:00~16:00时间段内进行天井通风换气。

       2）外围护结构中屋顶的逐时传热变化最明显，且失热量最大。白天最大传热得热达到了19.5 W/m2，夜间主要表现为失热，最大失热达到了15 W/m2。又因屋顶的围护结构总传热量占比较大，所以外围护结构改造中屋顶是重点改造对象。相比于屋顶，外墙逐时传热变化并不明显，外墙中南墙的日散热量最高。

       3）通风传热对民居冬季室内热环境的影响作用最大，且是失热项，其传热贡献率为-36.21 %，外围护结构传热是第二大失热项，贡献率为-14.57 %。徽州传统民居冬季湿冷的原因是通风传热和外围护结构传热散热太多，相比于增强围护结构保温性能，减少天井通风引起的散热更为重要。仅依赖增大内热源来增加民居冬季室内得热意义不大，太阳辐射得热和地面传热也可通过某些手段强化。

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       备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会青年优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。