▎期刊精粹 ▎鲁甸地区传统夯土建筑的节能与发展初探——摘自《世界建筑》2017年1月刊
作者：刘崇，张睿，谭良斌
摘要：本文通过对鲁甸地区乡村传统夯土建筑与灾后重建的新建砖墙建筑的比较，从科学的角度解释夯土建筑的节能性，并对现有建筑提出改造意见，提高建筑的热工性能。首先对鲁甸地区海尾巴村现有建筑的现状进行调研分析，然后针对原有传统夯土围护结构建筑、新建砖墙围护结构建筑与建筑的窗地比进行节能计算，简析传统夯土建筑节能性，并提出对传统夯土建筑的改进手法与建议以及新型夯土技术研究与发展的必要性。
关键词：夯土建筑;砖混建筑;建筑热工；窗地比.
前言：
随着建筑新材料的不断出现，农村住宅的建设不再遵循原有建筑的历史传承，而过多的使用砖墙结构等新材料来替代传统的结构与材料，导致原有的传统建筑文化逐渐流失，这不仅增加了新材料的消耗与浪费，也改变了原有的村落面貌，这些都非常值得我们关注。
传统民居是当地居民在构建建筑时，充分考虑当地气候，采用合理并适应当地的建筑结构与材料，建造符合当地气候的居住空间。云南省昭通市鲁甸地区的传统民居以夯土墙为围护与支撑结构，主要以粘土夯制而成，墙厚一般为500-700mm，屋顶采用10到20cm厚的茅草顶，保温性能好，充分适应当地的高寒气候条件。云南省昭通市鲁甸地区由于2014年8月3日的地震，大部分房屋的倒塌，灾区人民自行进行灾后重建，新建房屋基本砖墙为围护与支撑结构，形象上与原有的村落面貌反差较大，导致村落的肌理受到严重破坏。
如何解决当地村民迫切的居住需求和建筑文化继承与发展的矛盾，是本文研究的出发点。
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海尾巴村村庄建筑现状
鲁甸地区大山包乡海尾巴村是一个自然村落，海拔3112米，为暖温带高原季风气候，冬季寒冷，夏季凉爽，年平均气温为6.2℃，1月平均气温－1℃，居民冬季使用火炉取暖。
1.1震前震后建筑数量对比
根据现场调研总结，鲁甸地震前村中共有建筑31栋，其中29栋传统的夯土建筑，3栋新型砖墙结构，传统夯土建筑占建筑总数的90%。受地震影响16栋夯土建筑完全损毁，其他传统建筑均轻微受损，震后的25座新建建筑均为砖墙建筑，占建筑总数的54%。（如图1、图2）
震后砖墙民居大面积出现，主要是是砖墙民居价格便宜、施工速度快，且能满足灾后重建中当地居民的基本生活所需。
从后期调研得知，居民住进砖墙民居后，普遍认为传统的夯土墙的民居冬暖夏凉，更适合居住。
1.2 建筑现状
海尾巴村位于跳墩河的南岸，整体地势南高北低，为了适应地形，村民在建造房屋时大多采用适应地形的手法，建筑多坐南朝北（如图3），由于村庄常年风速较大（如图4），在北向的开窗都比较小，而南向地势比较高，南向开窗较小，震后重建的房屋也基本按照原有传统住宅的建造模式，但南向开窗面积要比传统住宅稍大。
下面我们就从建筑热工性能角度出发，量化研究传统夯土建筑与新建砖墙建筑在节能方面的优劣。
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建筑节能分析
云南鲁甸地区以“明三暗五”的格局[2]为原型，夯土民居与新建民居在此基础上进行演变，新旧建筑的平面形式与空间组成基本相同，在计算时，选择较为相近的建筑进行比较，并采用控制变量的方法进行计算。
以海尾巴村村中的7号住宅（调研编号）与34号住宅为例，进行对比分析.其中7号住宅为传统夯土民居，在震后保留了下来，其基本结构没有收到破坏（底层水泥为表面涂刷，为防止牲畜摩擦），能够正常使用（如图5）；34号住宅则为新建的砖墙民居，为了美观，在外墙粉刷了一层粘土，进而形成一种夯土建筑的风貌（如图6）。
夯土民居与砖墙民居均延续了传统的（明三暗五）的基本建筑布局，在此基础上进行改进，其平面形式如图7、8。鲁甸地区新建的民居基本都遵循了基本布局，新建民居加入了一些新功能，满足现有的生活需求。
2.1建筑窗户热工性能计算
2.1.1窗户的传热系数计算
建筑的围护结构中窗户是建筑得热失热的关键所在，在鲁甸地区均采用单层玻璃，夯土结构采用的是木结构窗户，而砖墙结构采用的是普通铝合金窗户（实验采用的是控制变量法，计算时将不同材料的气密性视为一致，探讨材料保温性能[1]，以7号住宅与34号住宅为例：
单框窗的传热系数Kw[4]按下式计算：
Kw=(Ag×Kg+Af×Kf+lg×Ψg) / (Ag+ Af)
计算可知：
木结构窗户K1=4.08 W/（㎡·K)；
普通铝合金窗户K2=6.19 W/（㎡·K)。
有上述计算可以看出夯土结构中的木结构窗户的传热系数小于普通铝合金窗户，即原有夯土建筑的窗户的保温性能较好，更有利于建筑的节能与保温。
2.1.2窗地比模拟计算
窗墙比[1]是建筑热工设计中常用的一个指标，窗墙比的大小对建筑能耗和室内舒适度有着重要的影响，合适的窗墙比可以有效利用太阳能，增加室内采光。
海尾巴传统民居由于地势限制，开窗面积比较小，传统夯土结构为 0.7 m ×0.8m 的小木窗，室内阴暗，获得的太阳辐射热少，且室内的自然通风的效果较差。新建的砖墙结构的开窗尺寸为1.4 m ×0.75m，开窗面积较原有的夯土结构大，以7号住宅与34号住宅为例，经计算可知，夯土结构的窗地比为0.08，砖墙结构的窗地比为0.21，对其窗地比以太阳能加热的性能进行比较分析。
上述太阳能加热区域面积的变化情况比较可知，红色框区域表示太阳能加热量，开窗面积的增大有利于与建筑对太阳能的利用，提高室内温度。夯土结构虽然有很好的保温效果，但原有的开窗面积较小，减少了对太阳能的利用。
2.1.3窗户热工性能总结
夯土结构中的木结构窗户的传热系数较小，有利于室内的保温，但由于开窗面积较小，较少了对太阳能能的利用。砖墙结构中的普通铝合金窗户，虽然有较为合理的窗地比，但由于其材料本身的缺陷，对室内保温不利。可以使用木结构窗并扩大其开窗面积，既有增加对太阳能的利用，又更好的减少室内热量的散失[2]。
2.2建筑墙体热工性能计算与测量
2.2.1墙体的K值计算
经查表（《民用建筑热工设计规范》[1]可知：
传热系数K=1/(1/αi +d/λ+1/αa)[4]；
夯土墙的K1=1.26［W/(m2·K)］；
新建砖墙的K2=2.24［W/(m2·K)］；
将其进行比较可得：K1＜K2；
经上述计算可看出，夯土墙的传热系数要小于新建砖墙的传热系数，在海尾巴村这种高寒的气候下，传统材料中的夯土墙的保温效果更理想，而新建砖墙的保温性能远不及夯土墙的保温性能。
2.2.2墙体温度的测量
墙体作为建筑的主要围护结构，在传递热量的过程中对整个建筑起到了保温、隔热的作用[3]。墙体表面通常以对流、辐射与周围环境进行热交换，所得到的热量以热传导的方式传递至墙体内表面，墙体内表面有主要以对流的方式与室内空气进行热交换，墙体传热的整个过程中传递的热量主要与环境气候参数、空气对流系数等外因和墙体材料物性参数、墙体结构等内因有关。
2.2.2．1墙体温度第一次测量
本次实验测量工具为希玛便携式温湿度计（型号：AR847），测温范围-10℃~50℃（温度测量误差±1℃），湿度范围5%RH~98%（适度测量误差:±3%(30%~95%)、±5(10%~30%)），温度解析度：0.1℃，湿度解析度：0.1%RH。
在环境气候参数、空气对流系数等外因保持一致的情况下，对传统夯土民居的墙体与新建砖墙民居的墙体进行测量，对7号住宅与34号住宅进行两次测试，测量点A1、A2、B1、B2，如下图所示。
第一次实验测量时间为2016年10月31日，鲁甸地区海尾巴村的当日温度为3-16℃，日出时间为7：16，测量开始时间为8：00，日落时间为18：22，测量结束时间为20：00。测量期间天气变化，8：00-10:55为阴天，10：55-16：20为多云转晴，16：20-19：10为阴天，19：10-20：00为小雨。本次的测量民居在测量期间门窗均为关闭状态。
测量数据整理如图13.14：
由两个表格的温度变化趋势可以看出，总体的室内温度变化与室外变化趋势基本成正相关的，但两者相对比而言，夯土民居的室内温度变化趋势受室外温度变化的影响较小，在自然条件下8：00到20：00的12个小时中，在室外日温差13.6℃时，夯土民居室内日温差为6.5℃，能保持室内在一个稳定温度范围内中；而砖墙民居的室内温度则受室外温度影响较大，室内温度的变化趋势与与室外温度的变化趋势基本一致，在自然条件下8：00到20：00的12个小时中，在室外日温差13.6℃时，砖墙民居室内日温差为8.5℃。由于砖墙民居的开窗较大，接受的太阳辐射热较夯土民居多，室内温度提升快，由于外界温度的回落，当没有太阳辐射热进入时，室内温度下降的也比较快。
值得注意的是北侧墙体室内外温度的变化，由于没有太阳直射的影响，北侧室外温度较低，北侧墙体室内外温度变化能更好的体现墙体的保温性能。夯土民居北侧墙体室内外墙体温度变化差异较大，在自然条件下8：00到20：00的12个小时中，墙体两侧的温度差值在2.7℃—7.9℃之间，夯土墙体有效的保持了室内温度的稳定；而砖墙民居北侧墙体的室内外墙体温度变化在相同的自然条件下，墙体两侧的温度差值在1.3℃—2.4℃之间，所以砖墙的导热系数相对于夯土墙而言较大。
将室外温度与夯土民居室内温度、砖墙民居室内温度进行对比（如图15），可以明显的看出砖墙民居的温度变化与室外温度的变化趋势更为相近，而夯土民居虽然与室外温度呈正相关，但并没有完全受室外温度影响。
2.2.2.2墙体温度第二次测量
进入冬季以后，民居开始在堂屋采用火炉进行取暖，白天的火炉仅用于做饭，晚上火炉用于取暖。为确保测量变量的一致性，在测量的12小时中，保证堂屋火炉的用煤量相同（用户的火炉是相同的，保证对室内产生的热量相同），在早上8：00以后火炉处于封闭状态，18：00以后开始正常使用火炉。
第二次实验测量时间为2016年11月31日，鲁甸地区海尾巴村的当日温度为-2~5℃，日出时间为7：43，测量开始时间为8：00，日落时间为18：13，测量结束时间为20：00。测量期间天气变化，8：00-9:55为雨夹雪，9：55-20：00为阴天。本次的测量民居在测量期间门窗均为关闭状态。
测量数据整理如图16：
由表格的温度变化趋势可以看出，总体的室内温度总体呈下降趋势，但两者相对比而言，夯土民居的室内温度下降的更小。在自然条件下8：00到20：00的12个小时中，室外日温差5℃时。在8：00封闭火炉时，夯土民居的室内温度为16.3℃，砖混民居的室内温度较高一些为17.3℃，在相同自然的情况下，两个民居的温度都呈下降趋势，但由温度折线图看出，夯土民居温度下降的较为缓慢，而砖混民居的温度下降的较快，，在8:00-18：00没有进行火炉取暖期间，夯土民居的室内温度的降低了5.3℃明显小于砖墙民居降低的8.9℃。
夯土民居更好的维持室内温度的变化，减少室内热量的散失，而砖混民居在冬季寒冷的条件下，不利于室内温度的稳定，并导致大量的散失。夯土民居的围护结构的保温性能较好一些。
2.2.3围护结构得热失热模拟计算
围护结构得热失热是指周期热作用下,围护结构传导的热量.围护结构得热失热能力是影响其热稳定性的主要因素。
以海尾巴村村中的7号住宅与34号住宅为例，进行对比分析。
计算传统生土墙民居与新建砖墙民居在相同的环境下围护结构得热失热的情况如下(有蓝色到黄色有失热到得热的过程，失热越多，蓝色范围越大越深，反之亦然）：
由图17、18可以看出砖墙围护结构的失热面积（蓝色区域）远多于夯土围护结构，即冬季夯土结构失热较少，但砖墙围护结构的黄色区域要多于夯土围护结构，即夏季砖墙结构得热多于夯土结构,总体来看夯土围护结构的得热失热较为稳定。
具体得热失热数据如下：
建筑在夏季通过围护结构得到的热量越少、冬季通过围护结构失去的热量越少，越有利于室内温度的稳定，经过上面的模拟计算可知，传统夯土围护结构与砖墙围护结构在相同的环境下其围护结构在10月到次年的3月处于失热状态，但各月的失热量却又很大的差别，鲁甸地区最冷月为十二月份，这时夯土民居通过围护结构的失热量是砖墙民居围护结构失热量的1/2；最热月为七月份，此时夯土民居通过围护结构的得热量是砖墙民居围护结构的7/10。从总体数据分析，夯土围护结构较砖墙围护结构而言，在冬季能更好的保证室内热量的散失，而在夏季又可以减少室外热量的进入，相同月份夯土围护结构比砖墙围护结构冬季更加保温，夏季更加隔热。
2.3建筑朝向模拟分析与改造建议
最佳建筑朝向就是考虑过冷时期内得到的太阳辐射较多，而在过热的时期内得到的太阳辐射较少，二者权衡折中后所得到的一个朝向。利用 Ecotect 中的 Weather Tool工具分析发现( 见图 20) ，在鲁甸地区选择南偏西7.5°即 187.5°的方向进行建造灾后民居重建最佳，在冬季可获得较多的太阳辐射，有利于室内温度的提高。
2.4总结
海尾巴村当地居民冬天采用炉子来取暖，在冬季夯土墙更能有效地少室内热量的散失，相对于新建砖墙民居更有效减少煤炭的消耗量，进而减少因燃烧煤炭而产生的大气污染物。
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建筑的发展与展望
3.1新型夯土建筑的发展
鲁甸地区灾后重建中的光明村实验住宅[5]是一座新型的夯土建筑，该住宅由香港中文大学和昆明理工大学联合建造，其建筑面积150㎡左右。在技术层面，分别针对坡屋顶构造，平屋顶构造，新型抗震夯土技术体系进行了专项研究和示范，有效缩短夯筑墙体的时间，熟练团队夯土量最高可达10-13m3/天（约28-37m2墙面），较之传统的夯土技术工作效率可提高70%，有效缩短工期。
新型夯土技术的研发不仅有效的解决原有夯土建筑施工周期长，抗震效果差的现状，也有效地继承和发扬了传统材料的优势，对传统建筑的发展有了有力的推动。
3.2展望
海尾巴村为适应鲁甸地区的高原气候而建造的传统夯土民居，是千百年来当地居民不断探索改进的智慧结晶。夯土围护结构的传热系数比较低、蓄热性能高，有效减少室内热量的散失，且有效保证室内温度相对稳定。新型建筑材料虽然在建筑初期投入较少，但后期会消耗更多的能源和资源，带来更多的环境隐患。新材料的使用也意味着传统建筑的减少与传统建筑文化消退。
海尾巴村传统建筑流失的现象在鲁甸地震灾区灾后重建地区中仅是冰山一角，而鲁甸地区灾后重建又是中国传统建筑流失的冰山一角，人们在追求“新建筑”的同时也遗弃了传统文化与内涵，违背了绿色建筑节能的原则。
传统建筑的维修与保护不仅需要当地居民的积极与努力，也需要技术与研发人员的参与，更需要政府部门大力支持与发展。
参考文献：
[1]中华人民共和国建设部.民用建筑热工设计规范GB50176-9377.中国计划出版社.1993.09
[2 ]中国建筑科学研究院． 高寒地区居住建筑节能设计标准［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2010: 4-8
[3]刘加平 谭良斌.建筑创作中的节能设计.西安建筑科技大学.2009
[4]刘孝图.建筑物理[D]. 第三版.北京.中国建筑工业出版社.2010.7
[5]柏文峰.云南民居结构更新与天然建材可持续利用[A].清华大学.20093
刘崇
青岛理工大学建筑学院副院长，德国魏玛包豪斯大学博士。
曾于慕尼黑海茵事务所、包豪斯大学欧洲城市研究院等机构进行设计和科研工作。2009年作为高层次引进人才到青岛理工大学工作，专注于建筑学和城市规划的教学、研究与实践。
2011年、2012年两获全国城市规划专业“金经昌论文奖”。
参与德国奈卡斯乌尔姆市奥迪汽车工厂、北京国际汽车博览中心、青岛西海岸解家水库片区等建设项目。
发表论文三十余篇，其中英文、德文论文8篇，合著德文著作1部，完成国家自然基金课题1项。
张睿
青岛理工大学在读研究生。本科毕业于昆明理工大学，师从柏文峰和谭良斌老师研究土坯建筑与夯土建筑。2015年就读于青岛理工大学建筑学院，师从刘崇老师研究绿色建筑与历史建筑的可持续性保护。2015年6月获全校优秀毕业生称号，2015年9月获得全国大学生优秀毕业设计称号。参与云南省红河哈尼族自治州传统古村落测绘、香格里拉灾后土坯房重建、鲁甸地区灾后重建、青岛总督官邸建筑物理研究、潍坊丰麓苑被动房研究、胶州李哥庄钢结构汽车站设计、震区木构住宅节点研究等科研工作。
编辑：刘嘉璇
校对：冯婉秋