海口火山石民居气候适应性设计研究_孙倩倩.pdf

Planning Design规划设计57孙倩倩1*龙昱斐2齐琰3张浩杰4（1 西安建筑科技大学 博士；西安科技大学 讲师）（2 四川省建筑设计研究院 建筑师）（3 西安建筑科技大学 硕士研究生）（4 空军工程大学 讲师）#基金项目：国家自然科学基金重大项目：极端热湿气候区超低能耗建筑模式及科学基础（51590913）；陕西省社会科学基金项目：绿色低碳视角下陕西农村住宅生态优化设计研究（2022J052）；西安建筑科技大学优秀博士学位论文培育基金南海岛屿民居气候适应性模式研究（2021XYBPY008）摘要“火山石”民居以火山石为主要建造材料，是海口当地一种典型代表性的乡土民居，是宝贵的民居历史遗存，具有较高的研究价值。为了解海口市当地乡村民居夏季热环境差异，分析当地火山石民居的气候适应性策略、营建方法和生态经验，研究选取海口市典型火山石村落中的传统火山石传统民居，从空间布局、平面形制、墙体、门窗、屋顶等方面通过空间和构造解析，并采用热成像的方法进行定性分析，从室内外空气温度、相对湿度和围护结构内外壁面温度等热环境参数，与现代住宅作对比研究，进行实地热环境测试进行定量分析。通过所测参数定性与定量分析，发现传统火山石民居的夏季室内热环境优于现代民居，其轴线式建筑布局、厚重的外围护结构、通透轻质材料的门窗、双层瓦屋面等设计策略均对当地热湿气候环境有良好的气候适应性。现代乡村住宅在进行更新设计时，应当传承传统民居的气候适应性设计策略，能够起到优化室内热环境的作用。ABSTRACT:The volcanic rock dwelling is a typical local dwelling in Haikou.It is a precious historical relic of dwelling and has high research value.In order to find out the differences in the thermal environment of local rural houses in Haikou in summer,and to analyze the climate adaptability strategies,construction methods and ecological experience of local volcanic stone houses,this study selected traditional volcanic rock dwelling in typical volcanic stone villages in Haikou City,and conducted qualitative analysis though thermal imaging methods from the aspects of space layout,plan arrangement,walls,doors,and windows,roofs,etc.On the other hand,field thermal environment tests are carried out for quantitative analysis with modern house as a comparison,including indoor and outdoor air temperature,relative humidity and temperature of the inner and outer walls of the envelope.Through qualitative and quantitative analysis of measured parameters,it is concluded that the indoor thermal environment of traditional volcanic rock dwelling is better than that of modern house in summer.The design strategies such as axis building layout,heavy envelope structure,doors and windows of transparent light materials,Double-layer tile roofs have good climate adaptability to the local hot and humid climate environment.When designing a modern rural house,it should inherit the climate-adaptive design strategy of traditional houses,which play an important role in improving the indoor thermal environment.关键词 传统火山石民居；现代乡村住宅；夏季室内热环境；气候适应性设计策略KEY WORDS:Traditional Volcanic Rock Dwellings;Modern Rural Houses;Summer Indoor Thermal Environment;Climate Adaptability Design Strategies海口火山石民居气候适应性设计研究#Research on Climate Adaptability Design of Volcanic Rock Dwelling in Haikou引言近年来，随着我国城市化率的提高和工业化的影响，我国城乡建设了大量的现代化建筑，为居民提供了方便、舒适的现代生活的同时，却以高能耗为代价。2018 年的中国建筑能耗研究报告成果发布指出，近六年来，农村居住建筑碳排放强度一直保持增长趋势1。湿热地区针对乡村民居的气候适应性研究，主要有金玲2定量解析了住宅中半开放空间与室内房间的热环境差异；陈倩蓉3比较了国内外炎热地区在建筑表皮适应气候的发展历程；庞春美4选取广西北海市农村的典型住宅作为研究对象，确定了热适应模型。我国越来越多的研究者开始关注火山石传统Planning Design规划设计58民居5-7，但目前关于火山石传统民居室内热环境研究较少，也较少有通过对比传统民居和现代乡村住宅的方法，探讨如何传承火山石传统民居气候适应性设计策略的研究。本研究试图采用火山石传统民居的室内热环境实测和传统民居图解的方法，通过与现代砖混住宅的对比，解析室内热环境影响因素，并对其进行更新设计优化，从而提出传统民居的气候适应性设计策略与方法。1 研究对象概况1.1 地理分析海南岛火山石民居存在于海口市的西南部，地处热带北部边缘，地表遍布火山岩石，孕育了极具特色的传统火山石古村落，至今已有三四百年的历史。火山石古村落与火山口毗邻，地质分布主要以玄武岩为主，丰富的火山岩材料使得当地传统民居的建造材料以火山岩为主，就地取材，因地制宜。1.2 气候条件根据 GB 50176-2016民用建筑设计热工规范，海口在我国气候分区中属于属于夏热冬暖气候分区8。全年日照时间长，年平均日照时数 2000 小时以上，年平均气温 24.4，最高平均气温 28.2，最热月（7 月）平均温度 28.8，最冷月（1 月）平均温度 18.0 9。由图 1（a）可知，从 4 月开始气温逐渐升高，一直持续到 10 月份，户外舒适时间较短；年平均相对湿度 82.2%，主导风向为东南风和东北风（图 1 b），夏季室外平均风速 2.6 m/s10。根据 Climate consulate 6.0 数据结果分析可知（图 2），海口市在全年 8760 小时里，在不采取任何被动式节能措施的情况下，只有 763 小时左右的时间里符合人的热舒适要求，仅占 8.7%。2 研究方法2.1 定性分析通过文献综述和现场调研，研究了火山石民居中气候是适应性的设计构成要素，包括民居周边环境、建筑群体布局、单体平面形制、外石墙、木隔墙、屋顶和门窗等，并总结出每种设计构成要素的特性和性能，使用红外摄像机（FLIR T460）进行拍摄，分析其对火山石民居适应气候的有效性。2.2 定量分析为了定量分析火山石民居的室内热环境状况，对火山石民居和现代乡村住宅进行了夏季室内热环境的实地对比测试，测试时 间 为 2019 年 7 月 28 日 20:007 月 31 日10:00。测试期间的气候状况能够代表当地典型夏季高温高湿有雷暴的自然气候状况。测试的主要热环境参数为民居室内主要使用房间的空气温度、相对湿度和围护结构内外壁面温度。3 火山石民居气候适应性设计定性分析3.1 周边环境火山石民居周边种植树木，既能防台风又能够形成良好的遮阳效果。如图 3 所示，在儒豪村李氏民居面向村落广场的西侧以及东侧、北侧，有大片绿植，从夏季室外热成像图来看，绿植遮阳下，墙壁和地面的温度区间在 33-37，没有绿化完全暴露在太阳图 1：海口市气候数据图 2：海口市室外热舒适与被动式策略全年分布图（a）温度范围与舒适区（b）全年风向图Planning Design规划设计59体空间布局，堂屋两侧门沿轴线方向对位，日常开启，使堂屋成为半开敞空间，通风效果良好。根据火山石民居不同横屋和主屋的数量形成不同的空间关系，将其分为三类，见表 1，其共性特点均为厅堂前后相对的轴线式布局，这种轴线贯通式的空间布局极大地提升了湿热地区民居的通风效果。3.3 单体平面形制与体量火山石民居平面格局以三开间形式为基本原型，其基本平面为“一明两暗”（图 5）。两侧房间进深较大时，通常被分隔为前后两间，考虑到两侧房间进行自然通风，中间的隔断或隔墙上部通透，由于受火山石材料和工艺水平的限制，早期的火山石民居室内空间较低矮，厅堂净高平均只有 3m 多，檐口高度仅 2m 左右，较小的建筑体量有利于防止台风侵袭。3.4 墙体3.4.1 外石墙该地区地表有丰富的火山石，火山石民居就地取材，主体外围护结构墙体采用厚重的火山石。火山石，又称多孔玄武岩，是熔融的岩浆随火山喷发冷凝而成的密集气孔的玻璃质熔岩，内外平均孔隙率在40%左右11，导热系数为 0.326 w/（mk）。火山石形成的外墙体厚度在400-500 mm，热惰性指数高，具有比较高的热阻和热容量，有利于隔热；墙体火山石材料表面多孔，在多雨潮湿的气候条件下，能够有效对围护结构的传湿进行调节。由表 2 中的火山石夏季正午外墙温度分布可知，在夏季正午 12：30，火山石内外墙体温度高达 40.7，内墙体温度分布则在33-35，墙体内外温差最高可达 17.7，可见火山石墙体有良好的隔热效果。3.4.2 内木隔墙位于明厅两侧的木隔墙，采用厚度 30 mm 的坚硬的菠萝格制成，木材导热系数低，无法吸收大量热量，具有良好的隔热效果。图 5：典型火山石民居单体建筑内部空间图 3：海口市儒豪村李氏故居西侧夏季室外绿化环境下热成像图(a)李氏故居区位图(b)故居西侧绿化实景(c)故居西侧绿化热成像图图 4：火山石民居空间布局表 1 建筑空间布局类型分类单主屋+横屋单轴向纵向布局式纵横双轴向复合式轴线空间组合模式单主屋+短横屋单主屋+长横屋无横屋带横屋表 2 火山石外墙内外壁面热成像火山石外墙墙体构造石墙内外壁面温度分布1-火山石火山石墙体外壁面火山石墙体内壁面辐射下，地面温度高 45.2。可见室外绿化在遮阳方面起到重要作用。有的火山石村落中心或一侧设有水塘，如测试民居所在村落冯塘村，群体布局朝向水塘（图 4），水塘的水汽蒸发以及水的高比热容，能够调节建筑微气候环境。3.2 群体空间布局火山石民居采用轴线贯通式建筑群Planning Design规划设计60图 6：民居屋顶挑檐遮阳(a)海口市罗驿村李恒谦故居檐廊灰空间(b)海口市美孝村孔子学堂平面图表