夏季新疆葡萄晾房对生土民居热环境的作用分析

　　摘要分析了新疆吐鲁番地区葡萄晾晒空间———晾房对当地生土建筑热环境的作用。利用现场实测与软件模拟相结合的方法,研究了葡萄晾房的热环境特点及其对下部空间热环境的影响。在保证晾房内部晾晒条件适宜的情况下,提出了改善晾房热环境的策略。结果表明:晾房内部具有温度高、辐射强和通风换气次数大的特点;夏季晾房可使下部空间日均空气温度降低1.36℃;晾房屋顶增设0.8m长的挑檐可使晾房日平均温度降低0.3℃、下部空间日平均温度降低0.2℃左右;增大晾房开洞率可降低其温度,开洞率为0.272最合理;根据土坯砖规格及晾房开洞率,洞口尺寸宽10cm、高15cm最适宜。

　　朱新荣; 杨晓静; 何文芳; 何泉; 杨柳， 暖通空调 发表时间：2021-08-31

　　关键词葡萄晾房热环境能耗模拟生土建筑开洞率

　　0引言

　　人们长期生产实践过程中创造出的生土建筑,是我国建筑文化宝库中的一份珍贵财富。相关研究人员从生土材料、保温构造、遮阳措施等方面对生土建筑进行了探讨,研究表明生土建筑墙体具有良好的热稳定性,能对室外温度的波动进行有效的衰减,且有很强的蓄热效果,对室内热舒适水平和空气质量的提升具有积极的作用[1]。

　　地处寒冷气候区的吐鲁番地区,常年干燥少雨,太阳辐射强,夏季高温多风[2],在这种特殊气候条件下,生土建筑成为当地传统民居的常见形式。特殊的气候条件使得当地葡萄品质优良,2000多年来,吐鲁番维吾尔族居民以种植葡萄为主要的生活来源,夏季大量葡萄成熟需晾制葡萄干,为此当地农民建造了以土坯砌筑镂空墙体、上架棚顶四壁都透风的简易房子———葡萄晾房[3]。葡萄晾房主要分2种形式(见图1):一种为位置较高、遮挡的荒山坡地上的独立式晾房,另一种为农户宅院内住房房顶上的晾房[4]。晾房多为土木结构,随着经济的发展也出现了砖木结构的晾房,晾房中间以土柱相互间隔,东西长、南北宽,这样利于通风且避免阳光直射葡萄[5]。

　　吐鲁番地区夏季太阳辐射强烈,当地民居室内热环境存在过热、干燥和气闷三大问题。屋顶作为建筑的水平围护结构,接受的太阳辐射远大于建筑的其他立面,屋顶隔热设计对于优化室内热环境尤为重要[6],屋顶葡萄晾房类似扩大化的通风屋顶,可降低建筑内部环境温度、缓解房间过热。晾房的主要功能为夏季时晾晒葡萄干,而葡萄干晾制过程中防止葡萄的褐变很重要。研究表明空气温度30℃时得到的葡萄干颜色最佳,葡萄干的褐变程度随温度升高而加重,且葡萄干中维生素C的含量随温度升高而降低[78]。为了防止葡萄干褐变及改善下部空间热环境,在夏季应尽量降低晾房内部空气温度,使其尽可能接近30℃。为此,本文拟采用实测与模拟结合的分析方法,对晾房及其下部空间的热环境特点进行分析,在保证晾房内部晾晒条件适宜的情况下,探讨优化晾房热环境的策略,以期对新疆传统民居建筑热环境及节能设计提供参考。

　　1研究对象

　　1.1项目介绍

　　为了适应吐鲁番地区特殊的气候特征,该地区传统生土民居建筑形式应用较为广泛,该民居具有以下特点:民居的建造使用当地常见的生土为原材料;通常使用高架棚来获取阴影空间;采用半地下室和房屋相结合的形式;建筑屋顶设置葡萄晾房较为广泛;但传统生土民居在抗震方面存在缺陷。鉴于以上情况,西安建筑科技大学绿色建筑研究中心开展了“新疆吐鲁番市安居富民示范项目”的研究工作,在借鉴传统生土民居气候适应性策略的基础上,对生土民居的更新进行了改善[9],以“绿色建筑”为原则,结合传统生土建筑的特点,设计建造了热环境优良的新型民居建筑。在此项目中,采用了以下设计策略:采用厚重的外围护结构和面积较小的开窗,内向封闭的庭院布局以减弱太阳暴晒;利用高架棚、葡萄架等形成“气候缓冲区”;设计符合当地居民生活习惯的半地下卧室;增加通风井以利于夜间通风;窗户遮阳;增加蓄热体等。

　　1.2户型介绍

　　以该项目的一个典型户型为例进行研究。该户型南北向,共2层,建筑高度为6.8m。图2为该住宅的平面及南立面图。屋顶上部的晾房长5.4m、宽5.4m、高2.8m,其下部为该住宅的客厅,建筑外围护结构构造见表1,生土建筑外围护结构材料热工指标见表2。

　　2分析方法

　　2.1现场测试

　　项目组于2016年7月26—30日对该户型进行了为期5d的现场测试,测试对象处于自然运行状态,使用人工内热源,无主动式调温措施,现场数据采集主要包括室内外环境参数。室内环境测试仪器有温湿度测试仪、记忆式四通道温度计、万向风速仪及黑球仪,测点位于房间中央,竖直高度为1.1~1.7m(测点平面布置见图2)。室外测试仪器有温湿度测试仪(需放置在阴凉处或覆盖铝箔)和太阳辐射记录仪[10]。

　　图3显示了7月27—29日测试期间室外气温与各房间温度的对比。从图3可以看出:地上南卧室为室内温度最高的空间,半地下南卧室温度最低且波动小,客厅由于屋顶晾房的遮阳作用空气温度居中;客厅温度在30.4~37.6℃之间,半地下南卧室温度在29.5~33.0℃之间,与同样在夏季频繁使用的半地下南卧室相比,客厅空间存在一定的过热问题,其室内温度全天波动小于室外温度波动,白天大部分时间室内温度远低于室外,这与围护结构蓄热性能较好有关。由于实测数据的限制,无法充分反映葡萄晾房对建筑热环境的影响,本文拟在测试数据基础上对该问题进行模拟分析。

　　2.2模拟方法

　　2.2.1软件介绍

　　DesignBuilder是一款以EnergyPlus为核心的计算软件,在用户端定义建筑模型并输入需求参数后,程序将仿真模拟建筑能耗,同时可对热舒适、冷热系统设计、二氧化碳年排放量、日光照明效率等进行单独分析[11]。由于模拟软件的限制,此次模拟不考虑研究对象的气流组织分析。

　　2.2.2数值模型准确性验证

　　为了验证数值模拟的准确性,将测试时的室外空气温度、湿度、太阳辐射等气象数据导入DesignBuilder模型中,并保证建筑围护结构信息(见表1、2)、人员活动、照明、自然通风等设置均与实测情况一致,对比结果显示,在测试期间模拟数据与测试数据差值在0.5℃左右。图4显示了2016年7月27日客厅实测温度与模拟温度的对比。可以看出,测试数据与模拟数据比较接近且总体规律一致,说明建立的模型是可靠的。

　　2.3晾房热环境影响特性相关参数设定

　　本文后续数值模拟分析均采用DesignBuilder建筑模拟软件进行模拟,其中气象数据直接调用该软件的能耗模拟引擎EnergyPlus自带的中国标准气象数据库CSVD中吐鲁番地区的气象数据,模拟时间为整个夏季,选择最热月7月中最不利的一天———7月4日进行分析。室内人员密度、活动时间等按居住建筑常规设置,研究条件为非供暖制冷工况,通风计算模式选择DesignBuilder中的Scheduled模式,该模式表示在自然通风运行工况下,室内换气次数受窗户开口、缝隙、热压风压作用的影响,这种模式适用于自然通风建筑,计算模型运用多区域网络模型。

　　建立模型时将原住宅中晾房外墙的十字花洞口用同等面积的正方形洞口进行简化代替,其洞口间距及数量保持不变,模型中将杂物间进行省略,建筑模型见图5。模型围护结构构造做法见表1,材料的热工指标见表2。在冬季,建筑是密闭的,内、外部之间的空气交换通过渗透进行,供暖通过围护结构集热蓄热及外窗的太阳辐射进行;在夏季,建筑主要通过被动式降温及围护结构进行隔热,当房间室内空气温度高于22℃且室外空气温度低于22℃时进行自然通风,其他室内人员密度、活动时间等按居住建筑常规设置,模拟时间为整个夏季,本文只列出1d的模拟数据进行分析。

　　3模拟结果分析

　　3.1晾房的热环境效果

　　3.1.1晾房热环境特点

　　图6显示了7月4日的晾房室内温度及其屋顶表面综合温度。由图6可以看出:夏季晾房内的空气温度与室外温度相当,室内空气温度与辐射温度变化趋势相同,没有明显延迟;晾房屋顶室外综合温度高达57.1℃,这避免了晾房下部房间直接承受太阳辐射照射,对客厅热环境起到了积极作用。

　　根据前文表述可知,晾房室内空气温度越接近30℃越有利,但白天室内大部分时间超过30℃,影响葡萄干的晾晒品质。应对晾房热环境进行改善,在其对下部空间起积极作用的条件下满足晾晒葡萄的温度需求。

　　图7显示了7月4日晾房的逐时换气次数。由图7可以看出,晾房换气次数为45~77h-1,其日平均换气次数为60h-1。晾房夏季通风量很大,这可有效降低晾房内部温度。

　　选取夏季最热月7月分析晾房夏季热平衡状况,图8显示了7月晾房空间得热量与失热量。由图8可以看出:晾房通过楼板及外墙失热,通过室外空气的流动带走大部分热量;通过屋顶及洞口的太阳辐射得热。为了改善夏季晾房热环境可以考虑遮阳措施以阻挡部分太阳辐射。

　　3.1.2有无晾房对下部建筑热环境的影响

　　建立了没有晾房的对比模型,其所有参数设置与原基准模型均一致,通过对比7月4日有无晾房时客厅的逐时温度(见图9),可以发现:有晾房的客厅空气温度及操作温度始终低于无晾房的客厅空气温度及操作温度,二者空气温差在0.41~3.26℃之间,日均温差为1.36℃,这与晾房的自然通风及晾房产生的遮阳作用有关,二者操作温度差值在0.87~3.52℃之间,这是由于晾房的遮阳作用使得客厅屋顶受到较少的太阳辐射,进而降低了客厅的操作温度。在00:00—09:30之间,有晾房客厅温度高于室外干球温度,这与建筑外墙材料具有很好的蓄热作用有关,墙体在白天接受大量的太阳辐射,在夜间向室内传递热量,客厅其余时间的室内空气温度均低于室外干球温度。

　　图10显示了7月4日有无晾房客厅屋顶内外表面温度。从图10可以看出,夏季受太阳辐射的影响,高温期间无晾房客厅屋顶的外表面温度远高于室外干球温度及有晾房客厅屋顶外表面温度,且高温期间无晾房客厅屋顶内表面温度高于有晾房客厅屋顶内表面温度,其稳定性也较弱。

　　3.2改善措施

　　3.2.1增加屋顶挑檐

　　对晾房外墙洞口进行外遮阳设置可实施性较低,可将屋顶进行出挑设置,由于东向外墙遮阳设置的必要性,故这里的遮阳针对东、西、南向外墙,图10有无晾房客厅屋顶内外表面温度为了避免阳光直射晾房内部,将屋顶东、南、西3个方向设置屋顶挑檐。表3显示了7月4日晾房不同屋顶挑檐情况下晾房及客厅空气温度及操作温度的对比。可以看出:随着晾房屋顶挑檐长度的增加,可改善晾房及客厅下部空间热环境状况,挑檐长度大于0.8m时晾房空气温度变化不明显,因此选择挑檐长度0.8m适宜;有0.8m挑檐长度的晾房日平均操作温度比无遮阳的晾房日平均操作温度低0.86℃,其日平均空气温度降低0.2℃,有挑檐的晾房温度更低,有利于提高葡萄干的晾晒品质,降低葡萄干褐变概率;晾房设置0.8m长度挑檐后可使客厅日均操作温度降低0.19℃,日均空气温度降低0.17℃。

　　3.2.2优化开洞形式

　　原方案为6行、13列、0.23m×0.23m的洞口均匀分布在外墙,总的洞口面积为4.12m2,在保证洞口总面积不变的情况下建立其他3种不同洞口形式,具体建模方案见表4。图11显示了不同开洞形式晾房内部7月4日平均温度及平均换气次数。从图11可以看出:开窗形式为花格洞的晾房室内日平均温度为32.7℃,是几种开洞形式中最接近葡萄干30℃晾晒条件的;原方案的平均温度最低且通风量最高,是最适合晾房的形式。结果显示,不同晾房开洞形式对下部客厅空气温度影响不大,此处不再赘述。

　　3.2.3洞口面积优化

　　在保持其他条件均相同的情况下,对晾房围护结构的洞口面积进行调整,具体调整方案见表5,各个朝向的外墙设置均一致,其中洞口水平间距均为0.2m,洞口尺寸为0.23m×0.23m,均为6行。

　　图12显示了不同开洞率下晾房内部7月4日平均温度及平均换气次数的变化。由图12可以看出:不同开洞率下客厅日平均温差在0.015℃左右,影响不大;随着开洞率的增大,晾房内的温度逐渐降低,从32.84℃降低到32.26℃,葡萄干晾晒环境越接近30℃越有利,日均温度最大差值为0.57℃;随着开洞率的增大,换气次数逐渐增大,日均换气次数最大差值为67.5h-1。为了缩短葡萄干的晾制周期及提高葡萄干品质,应选用通风量大、平均温度低的开洞率,通过对温度变化率的分析可以发现,开洞率大于0.272后温度变化不明显。根据实际工程,晾房每隔3m左右设置一个土柱,该部分无法设置洞口,当地土坯转的长、宽、高分别为30、15、7cm,不考虑土柱面积,晾房的最佳开洞率为0.272,实际工程中应根据土柱位置及数量合理选择开洞率,根据土坯砖规格及晾房开洞率,洞口尺寸宽10cm、高15cm最适宜,为避免阳光直射可在晾房屋顶设置挑檐。

　　除此之外,笔者还对晾房外围护结构的不同厚度、不同热惰性指标等进行了研究,但其对晾房及客厅内部热环境影响不是很大,这与晾房夏季大量自然通风有关,此处不再赘述。

　　4结论

　　新疆葡萄晾房作为当地的文化符号,不仅具有晾晒葡萄干的实用功能,还可改善晾房下部建筑空间环境,是建筑热环境设计与地域建筑文化传承的结合。通过研究发现,晾房内部具有温度高、辐射强和通风换气次数大的特点,且有晾房的下部空间日均温度比无晾房的下部空间日均温度降低1.36℃。夏季晾房室内空气温度在21~45℃之间,而葡萄干晾晒环境越接近30℃越有利,为了更好地改善建筑热环境及提高葡萄干晾晒品质,可以尝试从以下方面对晾房进行改进设计:

　　1)新疆太阳辐射大,晾房外墙接受的太阳辐射多,外围护结构的表面温度高,晾房屋顶设置0.8m长的挑檐后,避免了阳光对葡萄的直射,并使得晾房内部日均温度从32.7℃降低到32.4℃,有利于葡萄干品质的提高。

　　2)通过模拟发现均匀分布的花格开洞形式的晾房室内日均温度为32.7℃,比其他开洞形式日均温度低0.1~0.4℃,能产生更好的通风效果及更低的空气温度,对葡萄干晾晒最有利。

　　3)在条件允许的情况下尽量增加晾房外墙的开洞率,晾房开洞率为0.272最适宜,其日均温度为32.3℃,随着开洞率的增大,晾房温度变化不明显,实际工程中应根据土柱位置及数量合理选择开洞率,根据土坯砖规格及晾房开洞率洞口尺寸宽10cm、高15cm最适宜,为避免阳光直射可在晾房屋顶设置挑檐。

　　新疆晾房是当地建筑文化的浓缩,通过对其热环境特点进行研究,结合晾房的使用功能需求,对晾房设计进行改进,可促进当地生土建筑的发展。