毕业论文-岭南地区广府民居中卧室的被动式节能研究.docx

本科毕业设计（论文）题目：岭南地区广府民居中卧室的被动式节能研究学 院 机械与汽车工程学院 专 业 过程装备与控制工程 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 年 月 日 II摘 要本文主要是对岭南地区广府民居中卧室的被动式节能展开研究。广府民居处于温暖湿润的亚热带地区，其主要是通过通风降温等多种被动式节能方式来达到既节能又提高室内热舒适的目的。本次研究是利用CFD软件FLUENT来对广府民居中卧室的热舒适环境进行数值模拟和结果对比分析，从而总结出岭南地区广府民居中卧室所采用的被动式节能方式。岭南地区的广府民居中典型的建筑形式主要有西关大屋、竹筒屋和庭院式住宅。本文选取了具有代表性的几所民居，分别对其内部空间布局进行分析，总结了“独立卧室” 、“卧室天井”、“卧室冷巷”和“卧室天井冷巷”这四种自然通风模式；然后，利用CFD软件FLUENT对这四种自然通风模式进行室内热环境和通风情况的数值模拟，并进行对比分析；最后，得出结论天井和冷巷是广府民居中的核心通风构造，它们与卧室的合理布局可以使卧室内部空气充分流动、散热均匀，充分地改善卧室的通风和热舒适性能。因此，我们应该学会借鉴传统民居的被动式节能方式，并灵活地应用于现代建筑的节能设计中，为建筑节能事业贡献出自己的一份力量。关键词：广府民居；被动式节能；通风散热；建筑布局；FLUENTAbstractThe objective of this paper is to investigate the passive energy saving methods in bedrooms of Guangfu traditional dwellings in Lingnan Region. Guangfu traditional dwellings are located in sub-tropics, where the climate is warm and humid. The thermal environments in Guangfu traditional dwellings are improved through various passive energy saving methods, especially maturation ventilation. In this study, we will use the CFD commercial software FLUENT to simulate the thermal environments in bedrooms of Guangfu traditional dwellings in Lingnan Region, in order to obtain the characters of the passive energy saving.The main types of Guangfu traditional dwellings include “Xiguan Villa”,“Bamboo House” ,“Courtyard Villa”and so on. Firstly, four kinds of ventilation modes: “Standalone Bedroom”, “BedroomCourtyard”, “BedroomLane” and “BedroomCourtyardLane” were identified through studying the inner layout in the three typical Guangfu traditional dwellings. Secondly, using CFD commercial software FLUENT was to simulate the thermal environments in bedrooms under the four modes and the simulation results were further analyzed and compared. Finally, a conclusion was come out that the courtyard and lane were the core structures of natural ventilation and passive energy saving in Guangfu traditional dwellings. The reasonable layouts between bedrooms and the core structures of natural ventilation improved the ventilation and heat dissipation in bedrooms.Therefore, it is valuable to learn the passive energy saving methods of the traditional dwellings, and apply these experiences to modern buildings.Keywords: Guangfu traditional dwellings, Passive energy saving, Natural ventilation , Layout, FLUENT目 录摘要 IABSTRACT II第一章 绪论11.1 我国建筑节能现状 11.2 被动式节能的概念及意义 21.3 相关研究及结果 21.4 研究方法 3第二章 岭南建筑代表广府民居 52.1 广府民居建筑 52.2 自然通风 62.3 典型广府民居的形式及其被动式节能特点72.3.1西关大屋 72.3.2竹筒屋82.3.3 骑楼92.3.4 庭院式住宅102.4 本章小结11第三章 建筑内部布局对广府民居中卧室热环境的影响123.1 广府民居的整体布局123.1.1村落梳式布局123.1.2村落自由布局133.1.3城镇竹筒屋式133.1.4城镇三间两廊式143.1.5城镇庭院式143.2 典型单栋广府民居的内部布局 153.2.1西关民俗馆153.2.2竹筒屋163.2.3东华里民居163.3 内部布局对卧室热环境的影响 173.3.1西关民俗馆173.3.2竹筒屋183.3.3东华里民居183.4 本章小结 18第四章 数值模拟分析204.1 CFD概述 204.2 模型建立和建模结果分析 204.2.1独立卧室214.3.1卧室天井264.3.1卧室冷巷294.3.1卧室冷巷天井324.3 对比分析354.3.1风速对比354.3.1温度对比364.3.1迹线对比374.4 本章小结38结论39参考文献41致谢42第一章 绪论1.1 我国建筑节能现状 随着21世纪的到来，实现中华民族伟大复兴的中国梦已经逐渐从梦境过渡到现实了。观察改革开放之后的中国，其经济发展的高速程度在发展中国家是前所未有的，GDP连续30年基本稳定在10%以上。而这些成绩可以从我们高速的城镇化进程中体现出来。而城镇化高速进程伴随的必定是各种建筑如雨后春笋般出现在大街小巷的景象。但是，随着建设的高速发展，我国的建筑能耗逐年大幅度上升，已达全社会能源消耗量的32%，加上每年房屋建筑材料生产能耗约13%，建筑总能耗已达全国能源总消耗量的45%。我国现有建筑面积为400亿m2，绝大部分为高能耗建筑，且每年新建建筑近20亿m2，其中95%以上仍是高能耗建筑。如果我国继续执行节能水平较低的设计标准，将留下很重的能耗负担和治理困难。庞大的建筑能耗，已经成为国民经济的巨大负担。因此建筑行业全面节能势在必行。中国每年新建房屋面积高达17-18亿平方米，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和。随着全面建设小康社会的逐步推进，建设事业迅猛发展，建筑能耗迅速增长。所谓建筑能耗指建筑使用能耗，包括采暖、空调、热水供应、照明、炊事、家用电器、电梯等方面的能耗。其中采暖、空调能耗约占60%70%。中国既有的近400亿平方米建筑，仅有1%为节能建筑，其余无论从建筑围护结构还是采暖空调系统来衡量，均属于高耗能建筑。单位面积采暖所耗能源相当于纬度相近的发达国家的23倍。这是由于中国的建筑围护结构保温隔热性能差，采暖用能的2/3白白跑掉。而每年的新建建筑中真正称得上“节能建筑”的还不足1亿平方米，建筑耗能总量在中国能源消费总量中的份额已超过27%，逐渐接近三成。在建筑中积极提高能源使用效率，就能够大大缓解国家能源紧缺状况，促进中国国民经济建设的发展。因此，建筑节能是贯彻可持续发展战略、实现国家节能规划目标、减排温室气体的重要措施，符合全球发展的趋势1。广府民居，作为岭南建筑的典型代表之一，能非常好地反映出岭南地区的建筑特色，对现代民居建筑仍然具有借鉴与启示作用。因此，本论文选取广府民居作为研究岭南地区民居被动式节能的对象，具有一定的代表性和科学性。希望从具有丰厚历史沉淀的岭南民居中提取出岭南建筑的被动式节能特点，为现代建筑的发展尽绵薄之力。1.2 被动式节能的概念及意义被动式节能，即以非机械电气设备干预手段实现建筑能耗降低的节能技术，指在建筑规划设计中通过对建筑朝向的合理布置、遮阳的设置、建筑围护结构的保温隔热技术、有利于自然通风的建筑开口设计等实现建筑需要的采暖、空调、通风等能耗的降低2。通俗来讲，就是指建筑的通风保暖性能，一间建筑在自然状态下的通风隔热效果越好，就证明其被动式节能的效果越明显，就越值得我们去研究探索。所以，本文探讨的主要都是建筑的自然通风效果，措辞也主要是自然通风节能之类，少有晦涩难懂的专业术语。从我国的建筑节能现状可以看出，建筑节能的意义不亚于整个世界的节能减排的意义。中国人口总众多，每一点一滴的节能带来的都是巨大的经济效益，都能为中国的高速发展注入强大的动力。而且，对于被动式节能这种纯天然的节能方式来说，不仅能节省能源的使用，还能充分利用自然环境的能量，可以说，一旦把被动式节能技术成熟地运用在建筑领域上，其带来的利益是不可估量的。1.3 相关研究及结果 国外对于建筑被动式节能研究已十分成熟。其中，与广府民居相类似的气候环境主要集中在东南亚和南亚一带的亚热带季风气候区，如印度尼西亚、印度和泰国等地。印度学者Manoj Kumar Singh 等学者3在其相关的建筑节能研究中对印度东北部的本土建筑做了详细的研究，采用数据采集分析与建模相结合的方法，对泰普兹尔和乞拉朋齐两地的几所本土建筑进行了为期25天的数据采集。他们从实测得到的数据中发掘规律，并建立了一个相关度大于0.96的气温预测数学模型，用以预测当地的最高、最低和平均气温。 马来西亚学者Nasibeh Sadafia4对一座有内部庭院（天井）的房子进行了人体热舒适的研究。研究表明，房子的露天internal courtyard（天井）对房子内部的通风起了十分重要的作用，大大提高了人体热舒适性。另外，作者强烈建议在房屋建造中把这种建筑结构加进去，并和一些遮阳结构相结合，充分利用有效的空间达到建筑节能的效果。印度学者A.S. Dili等学者5同时对印度Kerala地区的传统民居和现代建筑进行了研究。在夏季，同时对二者进行室内外的热环境监测，利用PMV-PPD方程进行分析。实测数据和分析表明，传统民居具有室内外温差较小，延迟滞后时间更短，室内平均温度更低等一系列好处。从而指出在夏季，传统民居相比现代民居更适宜居住，其被动式节能效果比现代民居更为优秀。国内也有大量学者对建筑的被动式节能进行了深入的研究。清华大学、西安建筑科技大学、天津大学和华南理工大学都在这方面有着丰富的研究成果。其中，对于岭南广府民居的研究主要集中在华南理工大学、广东工业大学和广州大学这几所学校的学者研究中。华南理工大学的曾志辉博士6在其广府民居通风方法及现代建筑应用中对广府民居的通风特性做了详细的研究。作者通过数据实测与CFD数值模拟的方法，对广府民居进行了三个层次的研究，分别是传统群组的布局通风、传统民居的单体通风和传统民居的细部通风。得出广府传统民居的良好通风效果是由三个层面的通风效果综合而成的，并不是任一单一层面的效果所能达成的。另外，作者还总结出广府民居的几种通风模式并加以说明，用辩证的眼光对民居中的热压和风压两种通风方式的重要性进行了分析。华南理工大学的余欣婷硕士7在其硕士论文中主要运用CFD计算机模拟的方法对广府传统民居进行了模拟分析，并对天井、敞厅、屋面和冷巷这几方面进行了细节的探讨，以探索其在整个通风系统中的重要性。作者总结出竹筒屋的通风模式为“冷巷天井”模式，三间两廊民居为“庭院敞厅”和“冷巷庭院”模式。广州大学的余喆硕士8在其硕士论文同样运用CFD计算机模拟的方法对广府民居进行了模拟分析。作者着重点在天井对自然通风的贡献。所以，作者通过改变天井的参数、位置等因素来探究天井的通风作用。最后，作者总结出天井是广府民居通风体系中不可或缺的核心组成部分，并利用合理的天井构造，设计出了通风良好的三层住宅。广东工业大学的学者谢浩9对西关大屋、竹筒屋、骑楼和围龙屋的整体布局和个体空间进行了分析，得到天井、冷巷等结构对建筑的热压和风压通风都有很好的促进作用，而且还能对建筑的遮阳隔热起帮助。广东交通职业技术学院的赵玉香10对西关大屋、佛山东华里民居、东莞可园、开平碉楼等建筑做了研究，发现建筑的朝向和整体布局或室内通风构件的方向对建筑的散热节能起着很大的作用，呼吁建造建筑时要因地制宜，充分合理地利用自然环境。综上所述，此前关于广府民居整体布局的研究已有很多，而卧室做为民居中重要的一个组成部分，对其单独进行研究的却很少。人有三分之一的时间会在停留在卧室中，同时卧室热环境对人的睡眠质量以及白天工作效率都其着关键性的影响作用。因此，本次课题研究的重点在于建筑内部布局对卧室室内热环境的影响，分析研究都以卧室为核心展开。其他复杂的建筑结构也许很有研究价值，但是不在本次研究的讨论范畴之内。1.4 研究方法供本课题的研究方法有多种多样，有理论推演与定性分析、调查问卷法、实测法、数值模拟或实测与数值模拟相结合的方法。对于此次研究，笔者做了不少探访调查，发现很多以前保存良好的广府民居现在都已经面目全非了。有些做了商品房，有些成了商店，还有一些被围起来作为古文物保存起来，拒绝参观。因此，本次课题研究主要采用是数值模拟的方法，其他方法实行难度高，时间有限的条件下暂不考虑了。本论文的框架大概分为两大部分：理论分析典型广府民居中卧室的被动式节能特点和数值模拟分析近似模型。理论分析部分主要选取了几座有代表性的不同形式的广府民居，分别代表着西关大屋、竹筒屋和庭院式住宅三种不同形式的广府民居。数值模拟部分采取的模型是基于理论分析选定的典型广府民居，并且做了一些简化，不会完全表现出整个广府民居的建筑几何模型，只会保留与卧室通风的相关广府民居的几何结构。通过理论分析和数值模拟分析这两部分工作，得出各种不同广府民居的建筑内部布局对民居中卧室的热环境的影响，从而发掘出其蕴藏的丰富建造经验和巧夺天工的建筑布局，进而运用到现代建筑中，为建筑的节能做出岭南广府民居应有的贡献。第二章 岭南建筑代表广府民居2.1广府民居建筑要说广府民居，先得从岭南民居说起。岭南地区处于亚热带季风气候区，气候特点是冬暖夏热，夏季日照时间长，太阳辐射强度大、气候炎热、空气潮湿、雨水充足、台风频繁等。因此，岭南地区的民居内部地面一般要比外部地面要高，为了防止洪水灾害；另外，建筑的遮阳通风构件也会被广泛应用，为了适应岭南独特的气候环境。还有，岭南民居一般都是坐北朝南的，虽然很多人认为有“风水”的因素，但是其实是为了建筑的通风保暖。岭南地区夏季迎来的是来自东南方向的湿润凉爽季风，冬季则是来自西北的干燥寒冷季风，所以坐北朝南的布局不仅可以利于夏季的通风采光，还能提高建筑冬季的保暖性能。广府民居，作为岭南民居的优秀代表之一，不仅能表现出岭南民居独有的特色，还折射出璀璨悠久的优秀岭南文化，是不可多得的宝贵文化遗产。其中，西关大屋、广东清代四大名园（顺德清晖园（图2-1）、番禺余荫山房（图2-2）、东莞可园、佛山梁园）、佛山三水大旗头村、从化钱岗村、开平碉楼、深圳大鹏所城是广府民居中的优秀代表。广府民居通常符合通风与阴凉的要求，这是岭南建筑的共同特点，其次就是依据自然条件包括地理条件、气候特点，体现出的防潮、防晒的特点；还有就是大量吸取西方建筑精髓，体现了兼容并蓄的风格11。图2-2 番禺余荫山房图2-1 顺德清晖园除此之外，有些广府民居还有一个很大的“镬耳”（图2-3）特点，以其屋两边墙上筑起两个象镬耳一样的挡风墙而得名。镬耳屋是粤西特有的建筑。明清两代，只要有了钱,发了财,当地人就会建造一所镬耳屋来显示其富有与气量。镬耳最初的用途是用于彰显富贵身份的，因为其形极似官帽两耳，寓意“独占鳌头”。后来在实际应用中才发现其防火挡风的功能。虽然这种建筑结构对建筑的通风节能起到的作用很少，但是由于其独特的寓意以及传统思想的影响，这种结构在广府民居中到处可见，是保存得比较完好的建筑结构之一11。综上所述，广府民居一般都有的特点是通风、防晒、纳凉和隔热等等。后面将会选几间典型的广府民居细加分析，详述其被动式节能的特点。2.2 自然通风图2-3 镬耳岭南地区建筑的被动式节能主要指的是通风隔热性能。而对于广府民居来讲，其主要的被动式节能形式当然是自然通风。在研究各种典型民居的自然通风特点之前，必须先了解自然通风的两大形式风压通风和热压通风12。风压通风指的是当自然风向建筑吹来，由于建筑本身对气流形成的阻挡，造成建筑不同的外墙有着不同的压力分布，从而促使气流在建筑中通过，形成风压通风。迎风墙自然就是压力高的一面，背风墙就是压力低的另一面。总体来讲，气流从高压流向低压，但是由于建筑内部结构不同，气体在里面的流动方式就会千差万别，就会造成不同房间的通风性能会大相径庭。所以，要合理地安排墙面的通风口与室内通风结构之间的关系，这样才能最大化引进气流，达到通风节能效果。热压通风指的是指建筑物内外在高度方向上的热力差所产生的气流流动现象，即我们通常所说的“烟囱反应”。当建筑物内外的平均气温不一致时或建筑不同高度的开口附近的空气温度有差别时，空气密度就会产生差异，室内和室外的压力梯度也相应有所不同，在此压差之下气流即产生了运动，形成了自然对流。因此，组织建筑热压通风的关键就在于通过空间形态、组合等各种手段形成不同部位之间的局部温差，并且合理设置建筑开口，增大不同开口间的高差，以令建筑形成由热压驱动的良好的自然通风作用。 风压与热压相结合。一般的建筑通风都是由这两种通风方式共同构成的，单一的热压通风和风压通风都不能提供非常好的通风效果。在风速比较大的时候，风压通风为主导，热压通风为辅；在静风闷热的时候，热压通风为主导，能带动民居内部的空气流动，更换室内的空气。在炎热无风的夏天，这样的换气对于人体健康来说是十分重要的。2.3 典型广府民居的形式及其被动式节能特点2.3.1 西关大屋西关大屋（图2-4），顾名思义，就是在西关的大屋。西关，即广州荔湾区靠西边沿珠江一带地域的旧称。在清朝的同治光绪年间，在广州西关一带的富贵人家一般都会建造这种大屋以彰显自己的地位财权，所谓的“西关小姐”也正是由于如此鲜明的地域特性而被传称至今。图2-4 西关大屋由于近些年的发展，西关一带保存下来的西关大屋所剩无几，仅在荔湾区龙津路、多宝路等街道还能找到些许影子。其他的地方拆的拆、建的建，全部都是现代化钢筋水泥结构，旧时的西关繁荣景象很难再被追忆起，这不得不说是岭南建筑文化里一个莫大的遗憾。笔者曾实地调查过，发现目前广州保存完好的西关大屋只有位于荔湾区的西关民俗馆。西关大屋一般包括的建筑结构有正厅、偏厅、饭厅，正房、二房、客房等，天井、厨房、冷巷等等。众多的房间被合理巧妙地安排在一定的面积内，虽然房间数目众多，但是其通风效果还是十分不错，置身里面参观都能感受到阵阵的清凉。图2-5是西关大屋的典型的平面布局。从中可以发现一些很明显的特点：房子两边的两条青云巷格外引人注目。青云巷，又长又直，从大屋前面一直贯穿到底部，有气贯长虹之势。在老广州眼里，青云巷有“平步青云”，“官运财运亨通”的寓意，是非常重要的建筑结构之一。其实，青云巷的作用远不止寄托美好愿望而已，它在西关大屋的通风散热中起着关键的作用。两条长而直的巷道能很好的引导空气的流动，当风从大屋的两边流过的时候，根据流体力学的知识我们很容易知道，屋内的空气会被“吸出来”，这样空气就能很好地贯穿整个大屋，其达到的通风散热效果也就不言而喻了。另外，我们还可以明显地发现一间屋子里居然有多达五个的天井。天井这种结构，不仅能增加采光，还是室内通风的核心组成部分。从平面图可以看出，每一个天井的周围都有房间，厅等结构，而且这些结构的开门与开窗都是朝向天井的，从这里就可以看出天井这一结构在西关大屋里面的重要性。天井由于是狭窄而瘦高的，受太阳照射的时间较少，所以常保持在比周围环境低的温度环境内。当大屋有风压通风时，天井作为出口，能很好地带动周围的房屋和大厅的空气流动，形成良好的通风效果；当没风时，屋内热空气上升，冷巷的冷空气下沉补充进屋里，这样的“自然空调”能让人感到十分舒适。图2-5 西关大屋平面图如果我们再分析深入一点，可以看出天井和旁边的青云巷的布局是非常合理的。天井、厅房的开门、青云巷，三者在横向是一致贯通的，每个天井在纵向又是自成一体的，所以这就像有好几条街道纵横穿梭在大屋里面，空气在里面流动就像顺流而行，毫无阻挡。所以说，西关大屋的通风节能效果绝对是非常优秀的，作为广府民居中的优秀代表，它当仁不让。2.3.2 竹筒屋同样的，顾名思义，之所以叫竹筒屋，是因为其形状似竹筒，又长又窄，一节一节的。从图2-6可以看出，一般竹筒屋都是相连并靠而建的，两间竹筒屋之间基本没有大多空隙。那是因为随着时代的发展，人口密度不断增大，而屋地面积紧张，只能选择这种狭窄瘦长的竹筒屋作为民居形式。竹筒屋虽然说建造空间狭小，没有西关大屋的宽敞，又没有两条又长又直的青云巷来引导空气流动，但是其通风效果却一点也不差。图2-6 竹筒屋图2-7是竹筒屋一般的平面图。从图中可以很容易发现竹筒屋的形状颇像“竹筒”，这也就不难理解其名字的来由了。竹筒屋一般深宽比能达到4:1，有些甚至能达到8:1。无论民居面积多小，我们可以发现，有几个结构在西关大屋里也是有的，那就是天井和冷巷。竹筒屋的通风不能通过房子两边的风压通风来解决，所以只能靠房子里面的热压通风来主导散热。既然需要充分利用热压通风，那就得增加屋子里面的温差，所以我们可以看见竹筒屋一般都有几层高，不仅仅是充分利用建地面积，而且是充分增加天井的高度，这样天井的高处跟低处的温差就能拉大，热压通风的效果也能增强不少。可以看到，竹筒屋里也有两个天井，每个房子都向天井开窗或开门，然后冷巷也是贯通整个屋子的，这些布局跟西关大屋相类似，都是能很好地提升建筑的通风散热性能。图2-7 竹筒屋平面图另外，竹筒屋没有青云巷，其风压通风主要靠的是门前的大街。从图2-6中可以看到竹筒屋都是十分密密麻麻地排列在街道两侧，这条街道就类似青云巷一样，从各个方向吹来的风都被汇聚在街道上。风吹过的时候，房子里面就相当于“负压”状态，里面的空气就被吸出来，其工作原理跟西关大屋是一样的。当然，这种风压通风是基于竹筒屋沿街道两侧紧密分布的布局上的，如果相邻的竹筒屋之间距离太大，那这种风压通风的效果则会大打折扣了。所以说，每一种形式的屋子都有其独特的通风特点，都值得我们去深入研究。2.3.3 骑楼图2-8 骑楼骑楼（图2-8），空间布局从外面咋一看跟竹筒屋没太大区别，都是紧密排列在街道两侧，都是几层楼的建筑，就是在门前多了个廊道。的确，骑楼是由竹筒屋发展过来的，所以也保留了不少竹筒屋的影子，但它有个最有特点的地方廊道。廊道，不仅仅能够遮阳挡雨，还能作为日常活动的重要地点，成为品茗、聊天、纳凉、会客的好地方。但是，其实它的产生最重要的促进因素并不是居民的日常所需，而是商业所需。廊道的空间一般被人叫做灰空间。灰空间，简单来说就是过渡空间，是建筑内部跟外部过渡的一种空间。这种空间的好处就是舒缓人的隔膜心理。当你站在廊道里面，你会觉得你既属于外面，又属于里面，你会不知不觉消除排斥感，从而想进去建筑内部一探究竟，这种结构对商业活动的贡献是非常大的，消费者在廊道里不仅能遮阳纳凉，还能顺便参观商店，真是一举多得。至于骑楼的通风，是跟竹筒屋一样的原理，在这么密集的布局下，要优先考虑热压通风的作用，再去考虑风压通风的作用。所以，骑楼也有高高瘦瘦的天井，里面也有贯通的冷巷。2.3.4 庭院式住宅庭院式住宅（图2-9），是源于大户人家，达官显贵在基本没有建地面积限制的情况下兴建的大型住宅。一般的庭院式住宅都有很大的庭院在中间，或建水池，或植花草，四周围绕着厅堂、住房等。庭院在整个建筑布局中起着枢纽的作用，使得同一庭院内的各栋单体建筑在交通联系上，使用功能上联结成一体。庭院在各类型建筑中都起到把离散的建筑单体从使用功能上和空间构成上联结成聚合的有机整体的纽带、结点作用.图2-9 庭院式住宅庭院式的布局还具有重要的通风调节机能。庭院天井与廊檐结合，可以取得良好的遮阴、纳凉、采光效果。由院墙、门、屋围合的庭院封闭空间，可以有效地抵挡寒风，阻隔风沙漫扬。另外，顶界面的露天通透，使天井既当入风口，又可以当出风口，与敞厅等组成效能很高的通风系统。正是通过调节天井的大小、高低、开合，使庭院式建筑既能适合北方的日照、防风要求，又能适应南方突出的遮阳、通风要求。另外，庭院式布局的民居其实在用地面积方面也是比较科学的。尚廓、杨玲玉14对此作过分析。在同一方块地段，按南北方折中比值布置标准四合院，建筑面积与庭院面积分别占基地的70和30，如采用西方低层独立式布置，则建筑与外院占地百分比适得其反。如将70的建筑占地改用独立式布置，则周边所余空地已无法利用。这一比较分析很有说服力，表明庭院式布局对于充分利用占地是有它的长处的。2.4 本章小结 从上面的论述可以看出，广府民居的形式多种多样，有西关大屋，竹筒屋，骑楼和庭院式住宅等等。这几种形式的民居布局各有各的不同，其通风效果也各有所异，但是还是可以找到这几种建筑形式的共同被动式节能特点： 天井。这个建筑结构可以说是广府民居自然通风的核心组成部分，通过加强热压通风作用来达到自然通风效果。天井，作为民居中连通住房卧室、大厅与外界空气的建筑结构，其大小、形状，方位都对整个民居的通风起着举足轻重的效果。在几个形式中，天井的特点就是尽可能地与各个房间连通，这样就能最大化发挥其通风效果。冷巷。西关大屋中，有两条又长又直的青云巷；在竹筒屋跟骑楼中，是贯穿内部整体的冷巷；在庭院式住宅中，是四周的廊道。这两个结构在很多的广府民居中都可以找到相近的影子，说明其在广府民居自然通风形式组织中起着必不可少的作用。然而，当这两种结构相对房间的位置有所不同时，民居中各个房间的通风状态又会怎样呢？它们的布局对民居中房间的通风影响有多大？这将是接下来要理论分析将要研究的一些问题。第三章 建筑内部布局对广府民居中卧室热环境的影响3.1广府民居的整体布局传统民居总是存在于一定的群体聚落当中的，它们从来都不会是形单影只、孤立于环境之外的“空中楼阁”，所以对任何传统民居的研究都不应该脱离民居所依存的群组布局状况。对广府传统民居的通风研究同样如此，民居单体建筑所能取得的一切通风及相应的热环境条件，都是依托于它所处的群组布局环境中的，是民居群组对其外更大范围的局地自然气候条件“过滤”后的结果。通过过大量的实地调查，相关文献总结了岭南传统民居的典型群组布局类型,在城镇街巷布局上可分为线状布局与网格状布局，在村落中主要可分为梳式布局、密集式布局、围团式布局和自由式布局等。而在广府地区，则是以网格状布局与梳式布局为主。本文在对这些群组布局的通风特性的进一步研究发现，若从群组布局对自然通风的引导及其为民居单体提供的外部通风条件的角度去考量，广府传统民居群组布局可进一步细分为以下的类型15：3.1.1 村落梳式布局梳式布局是广府地区最主要最典型的村落民居群组布局方式，在广府族系聚居的粤中、粤西地区相当普遍，其中以珠江三角洲地区最常见。它的建筑组成以三合院或四合院的民居为主，并有祠堂、家庙、私塾等，建筑群前通常是一个露天小广场，做晒谷之用，称为禾坪，或称埕。禾坪之前常是池塘，有月牙形、半圆形和不规则长圆形，可养鱼、灌溉、防洪，又可作消防蓄水之用，并有“风水池”之意，几乎是必不可少的村前水域。若村落本身就靠近河溪，方不再另辟池塘。建筑群落之后多为山体，有靠山之意，亦有栽种密竹密林者。建筑群组本身的组合方式则相当规矩方整，民居单体沿村落纵深方向排布成列，四、五间到十几间不等，两列民居建筑之间留一巷道，通常称为“里”或“里巷”，以其作为群落内的主要交通通道，民居单体多开侧门面对“里巷”。若聚落纵深方向太长，则会沿横排方向设置若干小横巷作为辅助交通连接。遇有横巷或位于聚落群组最前排时，民居单体则也有开正门面对外部的做法。整个群组布局排列的平面形状犹如一把梳子，从群组前的禾坪沿里巷向纵深方向渗透，以今天的规划眼光审视，它的组织合理，布局规律性强，肌理明确，能适应聚落人口规模在合理范围内的自然扩张，因此自然成为了广府地区最典型的村落群组布局方式。三水乐平镇大旗头村（图3-1），从化太平镇钟楼村及广州黄埔区沙浦村（图3-2）均是梳式布局的典型例子。图 3-2 黄埔沙浦村图3-1 乐平大旗头村3.1.2 村落自由布局 在广府民系聚居的地区，梳式布局是村落的主要群组布局方式，许多的村落都按照这一模式进行布局组织与空间发展的。而在某些多山地区，往往不具备进行梳式布局所需的平整开阔空间，这时候，民居群组的组织布局就会更多地先考虑自然条件的因素，以结合地形地貌、方便生产生活为首要考虑，因地制宜，建造契合山区地形的民居群落，规整平顺的要求退居其次，这就形成了自由式布局。 自由式布局多顺应山势靠山而建，依据山地地形地台逐级升高，形成前低后高的跌级关系，且建造时多选址在山的南麓，这样一来，夏季东南季风可被深入带进到村落的内部。冬季北方的寒风来流则自然为山体所阻隔，难对村落群组内部造成侵扰。且自由式布局下民居单体间的间距较宽，也有利于减少对自然风的遮挡，只是对季风的引导没有梳式布局般明确。同时，由于靠近自然山体，山上的成片植被具有良好的白天降温夜间保温作用，故此可带来较好的局地山林风。3.1.3城镇三间两廊式 在城镇网格状空间布局当中，有一类群组组合是以在广府村落中最典型的“三间两廊”民居为基本组合单元的，它们有着和村落梳式布局相似的空间组织方式。一般是以横街作为一个街区的主干交通联系，并由此发展出向南和向北的两片梳式布局群组，“三间两廊”民居分布其中。纵向的巷道与横街垂直相通，深入到民居群组内部，串联起各个民居的侧向大门，形成局部的梳式空间结构。 佛山东华里历史传统街区就是此类城镇型群组组合的典型例子。其街巷空间组合格局如图 3-3，主街东西走向，两边的“三间两廊”民居排布成列，各条纵巷向南向北延伸连接后排的民居。民居开侧门与纵巷相连，临近主街的首排民居则开正门与主街直通。图3-3 东华里平面图3.1.4 城镇竹筒屋式“三间两廊”民居是单层为主局部二层的民居类型，并且在群组中需要留出空间设置纵巷以连接每户的侧门，对用地的利用还未算最充分。随着广府地区城镇商业的飞速发展与中心城镇用地的持续紧张，出现了一种对宅地利用更紧凑的民居类型及其特有的相应群组布局模式，这种民居就是“竹筒屋”。 “竹筒屋”（图3-4）是一种平面单开间而进深很长的广府传统类型民居，层数从平房演化为二到三层，甚至更高的楼房。大门从正面开向横街，无需纵巷的连接，减小了不少设置纵巷所需要的用地面积，在当时的技术条件下，这种布局方式是最能取得大容积高密度的民居群组组合模式，因此在广府各地的城镇中迅速发展开来，成为了城镇型民居群组的一种典型形式。图3-4 广州西关竹筒屋3.1.5城镇庭院式在城镇发展的过程中，除了平民百姓的大量性民居以外，有一类庭院式布局的居所同样值得我们关注，它们大多是为商贾大户所拥有，或由官绅文人回乡后兴建。这类住宅的普遍特点是占地较大，拥有自家的私园，院与宅结合在一起，有着较高的空间品质。由于宅址占地较大，生活功能用房多样，如有正堂偏厅、头房、从房、书塾、仆房等，这些居住空间的布局组织就是通过庭院的穿插来完成的。在这里，由于单个院宅的占地已经很大，庭院式群组布局所连接组织的已不再是若干个民居，而是一户大宅内的不同居住空间。在这种布局情况下，宅院内的建筑覆盖率大为降低，庭院空地则大为增加，外界自然风可通畅地进入宅邸的庭院之内，在建筑之间自由流动，形成非常通畅的群组风场。另外由于庭院面积相对较宽裕，主人也多为当时社会的上层，多有爱好文雅之士，庭院中往往十分注意理水与花木栽植。水体有着非常良好的热特性，能为附近的环境降温，也同时带来局地环境内的水陆风。植物的作用亦与水体相仿，于前文已有叙述，不再赘说。由此可见，在庭院式群组布局当中，风场通畅，庭院当中具有相当好的通风效果，这也为穿插于庭院的室内居住空间提供了良好的自然通风动力。3.2 典型单栋广府民居的内部布局3.2.1 西关民俗馆 本次研究的民居之一西关民俗馆（图3-5），位于广州市荔湾区逢源北街82号，是目前保存的比较好的西关大屋之一。 图3-6 民俗馆平面图图3-5 西关民俗馆图3-6是西关民俗馆的平面图。民俗馆采用三开间布局，正对门口的是正厅（神厅），而正厅上方，还搭建有神楼，用于供奉祖先；正厅后面用屏门围隔成头房，是家中最老的长辈居住之处；头房后是二厅，是家人用膳之处。正厅西侧为偏厅，东侧是书厅。从图中可以看到，正厅的面积最大，在民居的中间；左右分别是偏厅和书房；正厅的后面是主人房，在主人房的后面是饭厅，然后紧接着就是天井，天井两边是两条冷巷。西关民俗馆是两层的建筑，楼梯是沿着饭厅右边的空间建上去的。在第二层，主人房的上方也有一间卧室。卧室的一边是饭厅，一边是正厅，两个厅都是到顶的，而且卧室向两边都开了窗。 对于主人房来讲，民居的冷巷和它后面的天井都可以直接促进它的通风散热，所以这种建筑布局中卧室的通风模式可以归纳成“卧室冷巷天井”。3.2.2 竹筒屋这次选取的竹筒屋的模型是参考余欣婷硕士在广府地区传统民居自然通风技术研究论文中的实例广州荔湾区宝源路20民居。宝源路 20 号民居位于广州西关竹筒屋的集中片区，为广州市文物保护单位。它是一栋典型的北向两层竹筒屋民居，两旁与邻屋紧靠并排面向城市的小马路，其后同样是和与之大致呈镜像关系的另一座民居贴邻相接。 图3-7是其平面图。大门进去是一个厅堂，然后是小房、大房，再后面就是天井，旁边一条冷巷从厅堂贯穿到天井。天井后面是厨房、厕所跟杂物间。对于小房来讲，只有一个门开向冷巷，其他的地方没有开口，只有冷巷能直接促进其通风散热，这样的通风模式可以归纳成“卧室冷巷“。图3-7 竹筒屋平面图对于大房来讲，有一个开向冷巷的门，有两个开向天井的窗户，这样的通风模式我们可以归纳为“卧室冷巷天井”。3.2.3 东华里民居这个模型是参考曾志辉博士在广府传统民居通风方法及其现代建筑应用论文中的例子佛山东华里35号民居。东华里历史传统街区面积约八千平方米，主街长超过一百米，呈东西走向，各条纵巷与主街垂直向南北方向延伸，前后相接的“三间两廊”民居群被这些纵巷自然分隔成若干纵列。整个街区为南北向，主街北侧的民居单体坐北朝南，南侧的单体则坐南朝北，各户多开侧门从纵巷出入，主街两侧的前排户则可开正门从主街出入。整个街区以主街和多条纵巷作为交通空间组织联系，布局结构井然有序。 图3-8 东华里民居图3-9 东华里民居平面图图3-8是民居的立体图，图3-9是民居的平面图。可以看出，这种建筑布局是以民居中间的天井为核心，在四周安排各种房子，而且开口都是朝向天井的。对于厅堂两侧的房子来说，其有两个窗户开向外界，有一个门开向厅堂，而厅堂是紧接着天井的，所以这种布局的通风模式可以归纳为“卧室窗户天井”。3.3 内部布局对卧室热环境的影响3.3.1 西关民俗馆西关民俗馆的通风模式是“卧室冷巷天井”。简单来讲，就是卧室的自然通风效果主要是由冷巷和天井共同作用而成的。从图3-6平面图我们可以看出，房子两边的冷巷是其风压通风的主要贡献者。当冷巷有风吹过时，饭厅和正厅的空气会被抽出去冷巷，而这时卧室的空气就会被间接抽出来补充饭厅跟正厅的空气，由于饭厅跟正厅的空间远比卧室要大，所以卧室的空气流速要比厅的大；也就是说，只需要在冷巷吹过一阵不大的稳定的风，就能在卧室引起不错的风压通风效果，这种利用空间比来造成的放大效应对于卧室的通风来说是非常有益的。再说到热压通风，卧室后面的天井因为受太阳照射比较少，又没有太多人为活动干扰，所以是冷空气的储存源。由于夏天的时候，室外温度要比室内温度要高不少，所以天井内的冷空气会上升，流向室外，这时候室内的空气就会被吸出来，形成热压通风。虽然这种热压通风的效果不是非常明显，但是对于人体健康来讲是非常有必要的。像这种“卧室冷巷天井”自然通风模式，更多时候都是风压、热压同时存在的，空气流动状况也绝不像描述的那样简单，但是有一点不会变的就是天井跟冷巷在这个通风模式中永远都是核心部分。3.3.2 竹筒屋从图3-7宝源路20号民居的平面图来看，它有两个卧室，因为布局不一样，每个卧室的通风模式又有所不同。小房的通风模式是“卧室冷巷”。小房除了向冷巷开了一个门之外就没有其他的开口了，可见，这间卧室的通风基本就是靠来自冷巷的风压通风。天井的热压通风对于小房的影响基本可以忽略。对于大房的话，通风模式就是“卧室冷巷天井”了，而且这间竹筒屋的大房通风效果要比西关民俗馆的卧室要好，因为这间卧室是直接与冷巷和天井相连的。从厅堂进来的风进入狭窄瘦长的冷巷之后，风速又会进一步提升，空气直接进入卧室，再通过天井流向外界，这样是最简单且高效的风压通风过程。热压通风也一样，天井的冷空气直接可以进入卧室交换空气。而西关民俗馆虽然也是这样的通风模式，但是卧室没有直接与天井或冷巷相连，这样的话，通风效果相比之下略显不足。竹筒屋这种高而窄的天井，使其底部受晒机会更少，底部气温更低，于是形成的天井上下温差更大。而且高差的增大也是热压作用增大的重要条件，故此竹筒屋的天井会比“三间两廊”式民居的天井具有更强的热压抽吸效果。另外，按照理论分析，如果把天井放在小房跟大房之间，再让两个房间都向天井开窗的话，通风效果就可以兼顾到两个卧室了。但是，这样布局的话，大房后面的厕所、厨房和杂物间就基本不存在通风了。厕所、厨房和杂物间虽然不是主要活动点，但是细菌很多，往往它们的通风比卧室的通风还重要，所以也只能舍弃小房的通风效果，而选择后面三间屋子的通风。3.3.3 东华里民居三间两廊式住宅的自然通风模式是“卧室天井”。对于这里面的卧室来讲，风压通风的效果并不好，因为卧室周围根本没有太多引流的结构，只有紧邻的隔壁屋子。唯一能让卧室有比较好的通风效果应该要靠民居中间的天井了。这里的天井要比西关大屋、竹筒屋的面积要大，因为它要连接的是四周所有房子的空间，只有这样，才能有足够的动力形成足够的热压通风，让本来就通风不好的卧室得到一点通风效果。这里把卧室安排在高大的厅堂两侧，也算是对卧室通风的一点补偿了。高大的厅堂有很大的空间，由于厅堂卧室空间比比较大，在热压通风的时候，卧室里面的空气被抽吸的速度就会大于厅堂的速度，所以说不把卧室安排在天井的两侧，而是安排在厅堂的两侧，也是有一定道理的。3.4 本章小结 本章主要就是以几种典型的单栋广府民居为例，总结不同民居中关键内部结构的布局，归纳了“卧室冷巷天井”、“卧室冷巷”、“卧室天井”这几种自然通风模式，并且理论分析了这几种模式对卧室热环境的影响。第四章 数值模拟分析4.1 CFD概述 本次数值模拟分析将采用CFD商用软件FLUENT。计算流体力学（CFD）是近代流体力学，数值数学和计算机科