夏季新疆葡萄晾房對(duì)生土民居熱環(huán)境的作用分析

　　摘要分析了新疆吐魯番地區(qū)葡萄晾曬空間———晾房對(duì)當(dāng)?shù)厣两ㄖ岘h(huán)境的作用。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與軟件模擬相結(jié)合的方法,研究了葡萄晾房的熱環(huán)境特點(diǎn)及其對(duì)下部空間熱環(huán)境的影響。在保證晾房?jī)?nèi)部晾曬條件適宜的情況下,提出了改善晾房熱環(huán)境的策略。結(jié)果表明:晾房?jī)?nèi)部具有溫度高、輻射強(qiáng)和通風(fēng)換氣次數(shù)大的特點(diǎn);夏季晾房可使下部空間日均空氣溫度降低1.36℃;晾房屋頂增設(shè)0.8m長(zhǎng)的挑檐可使晾房日平均溫度降低0.3℃、下部空間日平均溫度降低0.2℃左右;增大晾房開(kāi)洞率可降低其溫度,開(kāi)洞率為0.272最合理;根據(jù)土坯磚規(guī)格及晾房開(kāi)洞率,洞口尺寸寬10cm、高15cm最適宜。

　　朱新榮; 楊曉靜; 何文芳; 何泉; 楊柳， 暖通空調(diào) 發(fā)表時(shí)間：2021-08-31

　　關(guān)鍵詞葡萄晾房熱環(huán)境能耗模擬生土建筑開(kāi)洞率

　　0引言

　　人們長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中創(chuàng)造出的生土建筑,是我國(guó)建筑文化寶庫(kù)中的一份珍貴財(cái)富。相關(guān)研究人員從生土材料、保溫構(gòu)造、遮陽(yáng)措施等方面對(duì)生土建筑進(jìn)行了探討,研究表明生土建筑墻體具有良好的熱穩(wěn)定性,能對(duì)室外溫度的波動(dòng)進(jìn)行有效的衰減,且有很強(qiáng)的蓄熱效果,對(duì)室內(nèi)熱舒適水平和空氣質(zhì)量的提升具有積極的作用[1]。

　　地處寒冷氣候區(qū)的吐魯番地區(qū),常年干燥少雨,太陽(yáng)輻射強(qiáng),夏季高溫多風(fēng)[2],在這種特殊氣候條件下,生土建筑成為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居的常見(jiàn)形式。特殊的氣候條件使得當(dāng)?shù)仄咸哑焚|(zhì)優(yōu)良,2000多年來(lái),吐魯番維吾爾族居民以種植葡萄為主要的生活來(lái)源,夏季大量葡萄成熟需晾制葡萄干,為此當(dāng)?shù)剞r(nóng)民建造了以土坯砌筑鏤空墻體、上架棚頂四壁都透風(fēng)的簡(jiǎn)易房子———葡萄晾房[3]。葡萄晾房主要分2種形式(見(jiàn)圖1):一種為位置較高、遮擋的荒山坡地上的獨(dú)立式晾房,另一種為農(nóng)戶宅院內(nèi)住房房頂上的晾房[4]。晾房多為土木結(jié)構(gòu),隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也出現(xiàn)了磚木結(jié)構(gòu)的晾房,晾房中間以土柱相互間隔,東西長(zhǎng)、南北寬,這樣利于通風(fēng)且避免陽(yáng)光直射葡萄[5]。

　　吐魯番地區(qū)夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈,當(dāng)?shù)孛窬邮覂?nèi)熱環(huán)境存在過(guò)熱、干燥和氣悶三大問(wèn)題。屋頂作為建筑的水平圍護(hù)結(jié)構(gòu),接受的太陽(yáng)輻射遠(yuǎn)大于建筑的其他立面,屋頂隔熱設(shè)計(jì)對(duì)于優(yōu)化室內(nèi)熱環(huán)境尤為重要[6],屋頂葡萄晾房類似擴(kuò)大化的通風(fēng)屋頂,可降低建筑內(nèi)部環(huán)境溫度、緩解房間過(guò)熱。晾房的主要功能為夏季時(shí)晾曬葡萄干,而葡萄干晾制過(guò)程中防止葡萄的褐變很重要。研究表明空氣溫度30℃時(shí)得到的葡萄干顏色最佳,葡萄干的褐變程度隨溫度升高而加重,且葡萄干中維生素C的含量隨溫度升高而降低[78]。為了防止葡萄干褐變及改善下部空間熱環(huán)境,在夏季應(yīng)盡量降低晾房?jī)?nèi)部空氣溫度,使其盡可能接近30℃。為此,本文擬采用實(shí)測(cè)與模擬結(jié)合的分析方法,對(duì)晾房及其下部空間的熱環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行分析,在保證晾房?jī)?nèi)部晾曬條件適宜的情況下,探討優(yōu)化晾房熱環(huán)境的策略,以期對(duì)新疆傳統(tǒng)民居建筑熱環(huán)境及節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考。

　　1研究對(duì)象

　　1.1項(xiàng)目介紹

　　為了適應(yīng)吐魯番地區(qū)特殊的氣候特征,該地區(qū)傳統(tǒng)生土民居建筑形式應(yīng)用較為廣泛,該民居具有以下特點(diǎn):民居的建造使用當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的生土為原材料;通常使用高架棚來(lái)獲取陰影空間;采用半地下室和房屋相結(jié)合的形式;建筑屋頂設(shè)置葡萄晾房較為廣泛;但傳統(tǒng)生土民居在抗震方面存在缺陷。鑒于以上情況,西安建筑科技大學(xué)綠色建筑研究中心開(kāi)展了“新疆吐魯番市安居富民示范項(xiàng)目”的研究工作,在借鑒傳統(tǒng)生土民居氣候適應(yīng)性策略的基礎(chǔ)上,對(duì)生土民居的更新進(jìn)行了改善[9],以“綠色建筑”為原則,結(jié)合傳統(tǒng)生土建筑的特點(diǎn),設(shè)計(jì)建造了熱環(huán)境優(yōu)良的新型民居建筑。在此項(xiàng)目中,采用了以下設(shè)計(jì)策略:采用厚重的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和面積較小的開(kāi)窗,內(nèi)向封閉的庭院布局以減弱太陽(yáng)暴曬;利用高架棚、葡萄架等形成“氣候緩沖區(qū)”;設(shè)計(jì)符合當(dāng)?shù)鼐用裆盍?xí)慣的半地下臥室;增加通風(fēng)井以利于夜間通風(fēng);窗戶遮陽(yáng);增加蓄熱體等。

　　1.2戶型介紹

　　以該項(xiàng)目的一個(gè)典型戶型為例進(jìn)行研究。該戶型南北向,共2層,建筑高度為6.8m。圖2為該住宅的平面及南立面圖。屋頂上部的晾房長(zhǎng)5.4m、寬5.4m、高2.8m,其下部為該住宅的客廳,建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造見(jiàn)表1,生土建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料熱工指標(biāo)見(jiàn)表2。

　　2分析方法

　　2.1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

　　項(xiàng)目組于2016年7月26—30日對(duì)該戶型進(jìn)行了為期5d的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試對(duì)象處于自然運(yùn)行狀態(tài),使用人工內(nèi)熱源,無(wú)主動(dòng)式調(diào)溫措施,現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主要包括室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)。室內(nèi)環(huán)境測(cè)試儀器有溫濕度測(cè)試儀、記憶式四通道溫度計(jì)、萬(wàn)向風(fēng)速儀及黑球儀,測(cè)點(diǎn)位于房間中央,豎直高度為1.1~1.7m(測(cè)點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖2)。室外測(cè)試儀器有溫濕度測(cè)試儀(需放置在陰涼處或覆蓋鋁箔)和太陽(yáng)輻射記錄儀[10]。

　　圖3顯示了7月27—29日測(cè)試期間室外氣溫與各房間溫度的對(duì)比。從圖3可以看出:地上南臥室為室內(nèi)溫度最高的空間,半地下南臥室溫度最低且波動(dòng)小,客廳由于屋頂晾房的遮陽(yáng)作用空氣溫度居中;客廳溫度在30.4~37.6℃之間,半地下南臥室溫度在29.5~33.0℃之間,與同樣在夏季頻繁使用的半地下南臥室相比,客廳空間存在一定的過(guò)熱問(wèn)題,其室內(nèi)溫度全天波動(dòng)小于室外溫度波動(dòng),白天大部分時(shí)間室內(nèi)溫度遠(yuǎn)低于室外,這與圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性能較好有關(guān)。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的限制,無(wú)法充分反映葡萄晾房對(duì)建筑熱環(huán)境的影響,本文擬在測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行模擬分析。

　　2.2模擬方法

　　2.2.1軟件介紹

　　DesignBuilder是一款以EnergyPlus為核心的計(jì)算軟件,在用戶端定義建筑模型并輸入需求參數(shù)后,程序?qū)⒎抡婺M建筑能耗,同時(shí)可對(duì)熱舒適、冷熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、二氧化碳年排放量、日光照明效率等進(jìn)行單獨(dú)分析[11]。由于模擬軟件的限制,此次模擬不考慮研究對(duì)象的氣流組織分析。

　　2.2.2數(shù)值模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,將測(cè)試時(shí)的室外空氣溫度、濕度、太陽(yáng)輻射等氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入DesignBuilder模型中,并保證建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)信息(見(jiàn)表1、2)、人員活動(dòng)、照明、自然通風(fēng)等設(shè)置均與實(shí)測(cè)情況一致,對(duì)比結(jié)果顯示,在測(cè)試期間模擬數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)差值在0.5℃左右。圖4顯示了2016年7月27日客廳實(shí)測(cè)溫度與模擬溫度的對(duì)比?？梢钥闯?測(cè)試數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)比較接近且總體規(guī)律一致,說(shuō)明建立的模型是可靠的。

　　2.3晾房熱環(huán)境影響特性相關(guān)參數(shù)設(shè)定

　　本文后續(xù)數(shù)值模擬分析均采用DesignBuilder建筑模擬軟件進(jìn)行模擬,其中氣象數(shù)據(jù)直接調(diào)用該軟件的能耗模擬引擎EnergyPlus自帶的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)CSVD中吐魯番地區(qū)的氣象數(shù)據(jù),模擬時(shí)間為整個(gè)夏季,選擇最熱月7月中最不利的一天———7月4日進(jìn)行分析。室內(nèi)人員密度、活動(dòng)時(shí)間等按居住建筑常規(guī)設(shè)置,研究條件為非供暖制冷工況,通風(fēng)計(jì)算模式選擇DesignBuilder中的Scheduled模式,該模式表示在自然通風(fēng)運(yùn)行工況下,室內(nèi)換氣次數(shù)受窗戶開(kāi)口、縫隙、熱壓風(fēng)壓作用的影響,這種模式適用于自然通風(fēng)建筑,計(jì)算模型運(yùn)用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型。

　　建立模型時(shí)將原住宅中晾房外墻的十字花洞口用同等面積的正方形洞口進(jìn)行簡(jiǎn)化代替,其洞口間距及數(shù)量保持不變,模型中將雜物間進(jìn)行省略,建筑模型見(jiàn)圖5。模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法見(jiàn)表1,材料的熱工指標(biāo)見(jiàn)表2。在冬季,建筑是密閉的,內(nèi)、外部之間的空氣交換通過(guò)滲透進(jìn)行,供暖通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)集熱蓄熱及外窗的太陽(yáng)輻射進(jìn)行;在夏季,建筑主要通過(guò)被動(dòng)式降溫及圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔熱,當(dāng)房間室內(nèi)空氣溫度高于22℃且室外空氣溫度低于22℃時(shí)進(jìn)行自然通風(fēng),其他室內(nèi)人員密度、活動(dòng)時(shí)間等按居住建筑常規(guī)設(shè)置,模擬時(shí)間為整個(gè)夏季,本文只列出1d的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

　　3模擬結(jié)果分析

　　3.1晾房的熱環(huán)境效果

　　3.1.1晾房熱環(huán)境特點(diǎn)

　　圖6顯示了7月4日的晾房室內(nèi)溫度及其屋頂表面綜合溫度。由圖6可以看出:夏季晾房?jī)?nèi)的空氣溫度與室外溫度相當(dāng),室內(nèi)空氣溫度與輻射溫度變化趨勢(shì)相同,沒(méi)有明顯延遲;晾房屋頂室外綜合溫度高達(dá)57.1℃,這避免了晾房下部房間直接承受太陽(yáng)輻射照射,對(duì)客廳熱環(huán)境起到了積極作用。

　　根據(jù)前文表述可知,晾房室內(nèi)空氣溫度越接近30℃越有利,但白天室內(nèi)大部分時(shí)間超過(guò)30℃,影響葡萄干的晾曬品質(zhì)。應(yīng)對(duì)晾房熱環(huán)境進(jìn)行改善,在其對(duì)下部空間起積極作用的條件下滿足晾曬葡萄的溫度需求。

　　圖7顯示了7月4日晾房的逐時(shí)換氣次數(shù)。由圖7可以看出,晾房換氣次數(shù)為45~77h-1,其日平均換氣次數(shù)為60h-1。晾房夏季通風(fēng)量很大,這可有效降低晾房?jī)?nèi)部溫度。

　　選取夏季最熱月7月分析晾房夏季熱平衡狀況,圖8顯示了7月晾房空間得熱量與失熱量。由圖8可以看出:晾房通過(guò)樓板及外墻失熱,通過(guò)室外空氣的流動(dòng)帶走大部分熱量;通過(guò)屋頂及洞口的太陽(yáng)輻射得熱。為了改善夏季晾房熱環(huán)境可以考慮遮陽(yáng)措施以阻擋部分太陽(yáng)輻射。

　　3.1.2有無(wú)晾房對(duì)下部建筑熱環(huán)境的影響

　　建立了沒(méi)有晾房的對(duì)比模型,其所有參數(shù)設(shè)置與原基準(zhǔn)模型均一致,通過(guò)對(duì)比7月4日有無(wú)晾房時(shí)客廳的逐時(shí)溫度(見(jiàn)圖9),可以發(fā)現(xiàn):有晾房的客廳空氣溫度及操作溫度始終低于無(wú)晾房的客廳空氣溫度及操作溫度,二者空氣溫差在0.41~3.26℃之間,日均溫差為1.36℃,這與晾房的自然通風(fēng)及晾房產(chǎn)生的遮陽(yáng)作用有關(guān),二者操作溫度差值在0.87~3.52℃之間,這是由于晾房的遮陽(yáng)作用使得客廳屋頂受到較少的太陽(yáng)輻射,進(jìn)而降低了客廳的操作溫度。在00:00—09:30之間,有晾房客廳溫度高于室外干球溫度,這與建筑外墻材料具有很好的蓄熱作用有關(guān),墻體在白天接受大量的太陽(yáng)輻射,在夜間向室內(nèi)傳遞熱量,客廳其余時(shí)間的室內(nèi)空氣溫度均低于室外干球溫度。

　　圖10顯示了7月4日有無(wú)晾房客廳屋頂內(nèi)外表面溫度。從圖10可以看出,夏季受太陽(yáng)輻射的影響,高溫期間無(wú)晾房客廳屋頂?shù)耐獗砻鏈囟冗h(yuǎn)高于室外干球溫度及有晾房客廳屋頂外表面溫度,且高溫期間無(wú)晾房客廳屋頂內(nèi)表面溫度高于有晾房客廳屋頂內(nèi)表面溫度,其穩(wěn)定性也較弱。

　　3.2改善措施

　　3.2.1增加屋頂挑檐

　　對(duì)晾房外墻洞口進(jìn)行外遮陽(yáng)設(shè)置可實(shí)施性較低,可將屋頂進(jìn)行出挑設(shè)置,由于東向外墻遮陽(yáng)設(shè)置的必要性,故這里的遮陽(yáng)針對(duì)東、西、南向外墻,圖10有無(wú)晾房客廳屋頂內(nèi)外表面溫度為了避免陽(yáng)光直射晾房?jī)?nèi)部,將屋頂東、南、西3個(gè)方向設(shè)置屋頂挑檐。表3顯示了7月4日晾房不同屋頂挑檐情況下晾房及客廳空氣溫度及操作溫度的對(duì)比?？梢钥闯?隨著晾房屋頂挑檐長(zhǎng)度的增加,可改善晾房及客廳下部空間熱環(huán)境狀況,挑檐長(zhǎng)度大于0.8m時(shí)晾房空氣溫度變化不明顯,因此選擇挑檐長(zhǎng)度0.8m適宜;有0.8m挑檐長(zhǎng)度的晾房日平均操作溫度比無(wú)遮陽(yáng)的晾房日平均操作溫度低0.86℃,其日平均空氣溫度降低0.2℃,有挑檐的晾房溫度更低,有利于提高葡萄干的晾曬品質(zhì),降低葡萄干褐變概率;晾房設(shè)置0.8m長(zhǎng)度挑檐后可使客廳日均操作溫度降低0.19℃,日均空氣溫度降低0.17℃。

　　3.2.2優(yōu)化開(kāi)洞形式

　　原方案為6行、13列、0.23m×0.23m的洞口均勻分布在外墻,總的洞口面積為4.12m2,在保證洞口總面積不變的情況下建立其他3種不同洞口形式,具體建模方案見(jiàn)表4。圖11顯示了不同開(kāi)洞形式晾房?jī)?nèi)部7月4日平均溫度及平均換氣次數(shù)。從圖11可以看出:開(kāi)窗形式為花格洞的晾房室內(nèi)日平均溫度為32.7℃,是幾種開(kāi)洞形式中最接近葡萄干30℃晾曬條件的;原方案的平均溫度最低且通風(fēng)量最高,是最適合晾房的形式。結(jié)果顯示,不同晾房開(kāi)洞形式對(duì)下部客廳空氣溫度影響不大,此處不再贅述。

　　3.2.3洞口面積優(yōu)化

　　在保持其他條件均相同的情況下,對(duì)晾房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的洞口面積進(jìn)行調(diào)整,具體調(diào)整方案見(jiàn)表5,各個(gè)朝向的外墻設(shè)置均一致,其中洞口水平間距均為0.2m,洞口尺寸為0.23m×0.23m,均為6行。

　　圖12顯示了不同開(kāi)洞率下晾房?jī)?nèi)部7月4日平均溫度及平均換氣次數(shù)的變化。由圖12可以看出:不同開(kāi)洞率下客廳日平均溫差在0.015℃左右,影響不大;隨著開(kāi)洞率的增大,晾房?jī)?nèi)的溫度逐漸降低,從32.84℃降低到32.26℃,葡萄干晾曬環(huán)境越接近30℃越有利,日均溫度最大差值為0.57℃;隨著開(kāi)洞率的增大,換氣次數(shù)逐漸增大,日均換氣次數(shù)最大差值為67.5h-1。為了縮短葡萄干的晾制周期及提高葡萄干品質(zhì),應(yīng)選用通風(fēng)量大、平均溫度低的開(kāi)洞率,通過(guò)對(duì)溫度變化率的分析可以發(fā)現(xiàn),開(kāi)洞率大于0.272后溫度變化不明顯。根據(jù)實(shí)際工程,晾房每隔3m左右設(shè)置一個(gè)土柱,該部分無(wú)法設(shè)置洞口,當(dāng)?shù)赝僚鬓D(zhuǎn)的長(zhǎng)、寬、高分別為30、15、7cm,不考慮土柱面積,晾房的最佳開(kāi)洞率為0.272,實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)土柱位置及數(shù)量合理選擇開(kāi)洞率,根據(jù)土坯磚規(guī)格及晾房開(kāi)洞率,洞口尺寸寬10cm、高15cm最適宜,為避免陽(yáng)光直射可在晾房屋頂設(shè)置挑檐。

　　除此之外,筆者還對(duì)晾房外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同厚度、不同熱惰性指標(biāo)等進(jìn)行了研究,但其對(duì)晾房及客廳內(nèi)部熱環(huán)境影響不是很大,這與晾房夏季大量自然通風(fēng)有關(guān),此處不再贅述。

　　4結(jié)論

　　新疆葡萄晾房作為當(dāng)?shù)氐奈幕?hào),不僅具有晾曬葡萄干的實(shí)用功能,還可改善晾房下部建筑空間環(huán)境,是建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)與地域建筑文化傳承的結(jié)合。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),晾房?jī)?nèi)部具有溫度高、輻射強(qiáng)和通風(fēng)換氣次數(shù)大的特點(diǎn),且有晾房的下部空間日均溫度比無(wú)晾房的下部空間日均溫度降低1.36℃。夏季晾房室內(nèi)空氣溫度在21~45℃之間,而葡萄干晾曬環(huán)境越接近30℃越有利,為了更好地改善建筑熱環(huán)境及提高葡萄干晾曬品質(zhì),可以嘗試從以下方面對(duì)晾房進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì):

　　1)新疆太陽(yáng)輻射大,晾房外墻接受的太陽(yáng)輻射多,外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度高,晾房屋頂設(shè)置0.8m長(zhǎng)的挑檐后,避免了陽(yáng)光對(duì)葡萄的直射,并使得晾房?jī)?nèi)部日均溫度從32.7℃降低到32.4℃,有利于葡萄干品質(zhì)的提高。

　　2)通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)均勻分布的花格開(kāi)洞形式的晾房室內(nèi)日均溫度為32.7℃,比其他開(kāi)洞形式日均溫度低0.1~0.4℃,能產(chǎn)生更好的通風(fēng)效果及更低的空氣溫度,對(duì)葡萄干晾曬最有利。

　　3)在條件允許的情況下盡量增加晾房外墻的開(kāi)洞率,晾房開(kāi)洞率為0.272最適宜,其日均溫度為32.3℃,隨著開(kāi)洞率的增大,晾房溫度變化不明顯,實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)土柱位置及數(shù)量合理選擇開(kāi)洞率,根據(jù)土坯磚規(guī)格及晾房開(kāi)洞率洞口尺寸寬10cm、高15cm最適宜,為避免陽(yáng)光直射可在晾房屋頂設(shè)置挑檐。

　　新疆晾房是當(dāng)?shù)亟ㄖ幕臐饪s,通過(guò)對(duì)其熱環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行研究,結(jié)合晾房的使用功能需求,對(duì)晾房設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn),可促進(jìn)當(dāng)?shù)厣两ㄖ陌l(fā)展。