開封歷史民居屋頂形式演變及熱環境分析

侯韌 李恩

河南工業大學 河南 鄭州 450001

引言

“屋頂”一詞在《中國大百科全書》中的解釋是“房屋上起覆蓋作用的圍護結構，又稱屋蓋”，這是屋頂的結構功能。屋頂作為建筑的第5個立面，無論是功能、文化，還是藝術價值，都有著重要的地位[1]。

開封自古以來便是我國重要的政治、經濟與文化中心，北宋時期叫作“汴京”，時至今日，當地仍保留了大量的傳統建筑，為探究中原地區古代建筑技術提供了有效的基礎。1949年后，隨著經濟的不斷發展與社會生產力的不斷進步，屋頂形式也出現了新的變化。城市建筑圍護結構依據現行的國家標準與規范進行建設[2]，鄉村地區的建筑多是居民自主建造的，屋頂形式雖沒有嚴格依據國家規范，但也受到了工業化進程的影響，順應了歷史發展的潮流，體現著對于古代屋頂形式的傳承與創新。屋頂作為重要的圍護結構組成部分，是應對室外環境的關鍵一環。

關于我國開封市屋頂形式的研究多集中于建筑文化與歷史，其中：有學者研究了開封市公共建筑屋頂形式的發展與變化；采用實地調研、文獻查閱、梳理分析等方式對豫北、豫東傳統民居營造技術展開研究，概括總結了不同地區傳統民居所體現出來的營造技術的相同點，并梳理營造技術的地域差異，在此基礎之上與官式建筑進行對比[3]。

現有研究多從民居整體營造的角度出發，忽視了單一建筑構件改變對建筑室內熱環境的影響。因此，本研究主要針對開封民居建筑屋頂形式展開研究，分析1949年以來開封市鄉村地區典型屋頂形式的演變對室內熱環境的影響。

1 開封市鄉村建筑調研

1.1 氣候條件

開封市位于河南省中東部，屬于黃淮流域，依據民用建筑熱工設計規范進行劃分，當地屬于寒冷地區。開封市四季分明，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，總面積6247km2。最熱月平均氣溫24.8～27.3℃，最冷月平均氣溫-1～2.7℃。平均降水量為627.5mm，多集中在7、8月份。

1.2 屋頂構造形式

為了解開封市地區屋頂形式的變化，先后對開封市及其下屬鄉鎮進行實地調研。1949年后，由于飽受戰爭的摧殘，大量建筑損毀嚴重，居住環境惡劣，隨著國家對國民居住質量的關注，民居建設進入了爆發期。調研結果顯示，20世紀50年代左右建造的房屋主要的圍護結構材料為土坯磚、紅磚與木頭，屋頂形式多為硬山，主要由木質檁條、黃土、草席與灰瓦等材料組成。

1953年“一五”計劃開始，我國逐漸把發展的重心轉向到工業上面來，各種建筑材料相繼出現。預制板材成為70～90年代我國民居建筑的主要建材。使用預制板材建造的平屋頂形式方便農作物的晾曬與儲藏，該種屋頂構造成為開封鄉村地區最主要的屋頂建筑形式。

2000年以來，隨著國家規范的不斷完善，新型建材的出現，預制板建筑由于自身缺陷逐漸退出歷史舞臺。同時人民的物質生活水平極大提高，大量的空調設備投入使用，簡單的居住場所需求提升到了對高品質室內熱環境的需求，平房建筑由于受到太陽直射面積較大，通常導致房間夏季內部溫度過高。此外，平屋頂應對夏季高溫多雨的情況存在排水能力不足的問題，導致房屋內部極易滲水、發生霉變，嚴重影響居住質量。此背景之下，建筑圍護結構形式與屋頂構造形式發生了又一輪的更新。鋼筋混凝土的新型坡屋頂成為新建住宅的首要選擇，其相比于舊式坡屋頂，新型屋頂更加注重防潮與美觀。

2 模擬計算

2.1 模擬軟件介紹

EnergyPlus由國外開發的一款建筑能耗模擬引擎，是一款建筑能耗模擬免費軟件，可以用來對建筑的采暖、制冷、照明、通風以及其他能源消耗，進行全面能耗模擬分析和經濟分析 。

本文首先通過Sketch up中的E+用戶界面OpenStudio進行建模，然后通過EnergyPlus進行數據編輯，輸入當地氣象數據文件，最后輸出不同屋頂形式下建筑內部熱環境進行分析。

2.2 模型設置

本研究主要針對1949年后開封地區不同時期典型的建筑屋頂形式進行模擬分析，觀察不同形式與材質的屋頂對于建筑室內熱環境的影響。采用簡化模型，建筑長9m、寬6m，共3間。屋頂形式分為坡屋頂與平屋頂，利用OpenStudio建立了兩個基礎模型（如圖1所示）。在此基礎上進行模擬運算，模型材料設置參數見表1，模型的通風換氣次數設置為0.5次/h。

圖1 民居屋頂基礎模型圖

表1 建筑材料物理參數

本文僅分析由于不同年代屋頂形式對室內熱環境的影響研究，建筑圍護結構材質及門窗材質均采用相同的構造。

2.3 模擬分析

2.3.1 冬至日1月21日室內空氣溫度對比分析。模擬分析采用E+自帶的典型氣象年數據進行模擬，當日室外平均溫度0.35℃，室外最高溫度為4.7℃（出現在下午15時），最低溫度為-4.25℃（出現在早8時），溫度波動幅度約為5℃。

結果顯示，3個模型溫度曲線變化呈現相同規律，3種屋頂模型冬季室內日均最低溫出現在早上9時左右，冬季室內日均最高溫出現在下午16時左右。室內外溫度變化相對趨勢一致，僅延遲1h。

平屋頂、舊坡屋頂與新坡屋頂模型空氣平均溫分別為：10.2℃、11.3℃與9.7℃，均高于室外平均氣溫，橫向對比發現舊坡屋頂的保溫效果明顯優于另外2種屋頂形式。相比于室外5℃的溫度波振幅，平屋頂模型、舊坡屋頂與新坡屋頂依次為0.8℃、0.5℃、0.9℃。舊式坡屋頂對于穩定室內溫度的效果同樣優于另外2種屋頂形式。僅僅分析3種屋頂所營造的內部熱環境均無法滿足18～26℃的人體熱舒適范圍。但舊坡屋頂形式的模擬結果優于另外2種屋頂形式。

上述結果表明：該地區冬季寒冷，溫差較大。延遲時間短可能是由于0.5次/h的換氣次數引起的。任意模型中，中間房間的平均氣溫比東西向房間的平均氣溫高約1℃，分析是由于兩側的房屋成為中間房間的緩沖空間，減少了中間房間與室外空間的對流換熱面積，削弱了通過墻體散失的熱量。由此在進行建筑設計時，從3個不同時期的屋頂形式的橫向對比分析可以發現，舊坡屋頂是保溫最佳的屋頂，東中西3個房間都呈現出同樣的趨勢，造成這種現象的原因可能是由于舊坡屋頂中有較厚的黏土層，其能夠有效抵御室外溫度波動。分析平屋頂優于新坡屋頂的原因，可能是平屋頂可以在冬季接受較多的太陽輻射。

2.3.2 夏至日6月21日室內空氣溫度對比分析。3種屋頂模型冬季室內日均最低溫出現在早上8時左右，冬季室內日均最高溫出現在下午19時左右。室內外溫度變化相對趨勢一致，房間內部溫度峰值延遲約2h。

平屋頂、舊坡屋頂與新坡屋頂模型空氣平均溫分別為:26.6℃、24.9℃與26.9℃，低于夏季室外平均溫度 30.3℃。室外空氣最高溫度為36.1℃（出現在下午17時），室外空氣最低溫度為24.3℃（出現在早7時），溫度波振幅約為6℃。3個模型的室內空氣溫度波振幅依次為：2℃、0.7℃與2.4℃，舊坡屋頂的室內熱環境表現依舊保持最好。

除此之外，典型日舊坡屋頂所營造的室內空氣溫度均低于26℃，完全滿足18～26℃的人體熱舒適范圍，而平屋頂與新屋頂均只有10h的全天時長低于26℃，其余時間均超出人體熱舒適范圍。

結果顯示：該地區夏季炎熱，全天溫差較大。室內外溫度變化趨勢較為一致。同時在同一模型中，中間房間的平均氣溫比東西向房間的平均氣溫低約0.5℃，其造成的原因是由于兩側的房屋分別遮擋了上午、下午的太陽直射輻射，因此造成中間房間的溫度相對較低。

從3個不同時期屋頂形式的橫向對比分析可以發現，舊坡屋頂隔熱性與保溫性能均為最佳，東中西3個房間都呈現出同樣的趨勢，且24h周期內的溫度變化幅度較為平緩。分析原因主要是由于舊坡屋頂中較厚的黏土層的熱惰性較大，使得該類型的屋頂在模擬中呈現出最好的效果。平屋頂與新坡屋頂的溫度曲線大部分重合，由于同時改變了屋頂形狀與屋頂材料，因此不太具備對比分析的可能性。

2.4 優缺點對比

舊坡屋頂無論是在冬季還是在夏季，都能呈現出3種屋頂形式中最令人滿意的結果，對比兩種坡屋頂的模擬數據，推測造成的主要原因是由于屋頂材料的不同。舊式坡屋頂中的黏土層最為重要，可以很好地隔熱與保溫，并且造價低廉方便取材，在以后的鄉村建筑中仍然存在應用的可能。

3 結束語

本文首先通過文獻查閱與實地調研，梳理不同年代與經濟背景下開封鄉村地區的屋頂材質與構造的演變過程，舊式坡屋頂以木頭，黃土與瓦片為主要材質，平屋頂與現代坡屋頂材料以水泥和混凝土為主要材質。且現代坡屋頂更加注重防水設計。

此外，3種屋頂形式的室內熱環境模擬分析結果顯示，舊坡屋頂呈現出最令人滿意的表現，平屋頂其次，新坡屋頂再次。而舊式坡屋頂營造的良好室內熱環境主要得益于黏土較好的熱惰性。有利于維持舒適的室內熱環境，緩解現今鄉村地區室內熱環境較差的現狀，并且可以降低使用過程中的能源耗費。

本文的研究由于受到人員與時間的限制，在探究演變過程之后，直接針對3種屋頂形式進行室內熱環境模擬，分析3種屋頂室內熱環境排序。未考慮不同時期建筑形式的不同、圍護結構及門窗的材質變化，研究目標較為單一，在以后的研究中，可以針對未涉及的內容展開更加細致的研究。