豫西地区生土民居的热响应特性及再生设计评价研究

Excavating thermal environmental control experience and seeking for the fusion methods between traditional construction technology and modern passive technology are the main development direction for vernacular architecture. However, due to the lack of dynamic thermal response law and the quantitative evaluation methods for model improvement, the application of passive technology and regeneration design of adobe buildings are hindered. In this study, taking a adobe dwelling located in western Henan as the research object, integrating experimental analysis and numerical simulation methods, the project will break down the problem into several sub-systems research questions, namely, 1) Based on the remote monitoring and field measurement methods, the effect of key factors and regulating mechanisms on thermal environment of adobe dwelling cave was obtained, and thermal environmental control experience was proposed scientifically. 2) Considering heat transfer performance of Kang, thermal process heat transfer calculation model was provided, which was used to reveal the thermal characteristics of dynamic heat storage and heat transfer of adobe building envelope. 3) Based on the heat transfer calculation model, effect of different passive strategies on indoor thermal performance was analyzed. Meanwhile, the quantitative evaluation methods for judging optimization design of model plans were proposed by integrating economic analysis. The resulting conclusions from this project can provide theoretical basis and technical support for ecological experience refining scientifically and regeneration design of adobe buildings.

挖掘生土民居中蕴含的热环境控制经验，寻求传统营造技术与现代被动式技术融合的方法是民居保护与发展的主要方向。然而，由于无法获知动态热响应变化规律并缺乏模式改进的定量评判方法，妨碍了被动式技术的应用与推广，成为生土民居再生设计的主要瓶颈。本项目以豫西地区生土民居为研究对象，综合运用实测研究与数值分析方法，将系统问题分解成以下几个子问题进行研究，即：1）通过搭建热环境远程长期监测平台，获知影响生土民居热湿环境的关键因素及调节技术机理等动态热响应特性规律，科学化提炼热环境控制经验；2）考虑窑炕散热，建立房间热过程计算模型，揭示生土围护结构的动态蓄放热及传热传湿热工特性；3）基于传热计算模型，定量分析集成不同被动式技术对建筑热性能的影响；结合经济性分析提出可综合判断生土民居再生设计方案是否科学合理的定量评价方法。所得研究成果可为生土民居的生态经验科学化提炼及再生设计提供理论依据和技术支撑。

改善和提高人居环境质量是我国社会主义新农村建设的一项基本要求。在美丽乡村建设的背景下，乡村建筑模式的提升与发展已成为黄河流域人居环境可持续发展所面临的紧迫问题。项目以北方农村地区集成窑炕的生土住宅为对象，在农宅中搭建远程监测平台，实现对室外气象参数、室内温湿度、内壁面温度和黑球温度等代表性数据的全年监测。在此基础上，探索了生土民居的室内热湿环境在不同室外条件下的动态响应特性，得到了生土建筑的热湿环境动态响应规律；通过分析窑炕间歇运行下对室内热环境的影响，总结了传统民居中所蕴含的气候响应策略对室内热湿环境的影响。同时，基于远程监测数据，探讨了生土围护结构的蓄放热特性。通过分析室内外温度波的衰减特性及延迟时间，研究黄土层对抑制室温波动、提高室内舒适性的定量影响；对围护结构的热流密度及对流辐射换热量的定量分析，揭示了重质围护结构的动态蓄放热特性。基于热平衡理论，深入研究了窑炕的热传输过程。通过测试炕体表面温度及对流换热系数，考虑炕体的非稳态导热、与室内空气的对流换热及墙体之间的辐射换热，对窑炕的热过程进行量化分析，建立了窑炕传热过程的数值计算模型。这些研究进一步探明了实际使用过程中窑炕内部的热传输过程以及炕体温度的动态变化过程。基于理论和实验研究，提出了生土民居的再生设计优化方案。综合灰度评价方法，结合敏感性分析，提出生土民居的再生设计评价方法。本课题进行期间，已发表论文14篇，其中SCI检索论文1篇，EI检索论文3篇，获得专利1项。本项目通过搭建远程监测平台，获得了生土民居热湿环境的连续性监测数据，探明了民居中蕴含的气候响应策略对改善民居环境的定量影响；同时，提出的生土民居再生设计方案较大程度上解决了生土民居夏季相对湿度过大，冬季温度偏低等关键科学和技术问题。本项目所得成果具有较高的学术和应用价值，可为改善我国传统民居人居环境质量及新农村建设提供了技术支撑和理论依据。