湿热气候下民居天井空间的气候适应机制研究

湿热气候下民居天井空间的气候适应机制研究郝石盟宋晔皓/HAOShimeng,SONGYehao摘要：湿热气候下，采用天井式院落布局具有重要的气候调节意义，文章通过建筑物理环境测试手段，对渝东南地区典型天井式民居的气候适应性机制及有效程度进行了验证。研究发现：天井空间对白天空气温度峰值的削减作用显著；在夜间或室内有采暖的条件下，能一定程度上减缓热量散失。同时，通过实测及计算分析发现，此类天井的作用机制不能简单解释为热压驱动下的“拔风”作用，但天井在热压作用下的通风依然有意义，在其作用方向上可将天井底部较低温度的空气经由房间内部流向室外。并且与同等体量的大进深建筑相比，在中部设置天井是保证室内自然通风的有效手段。关键词：夏热冬冷地区民居天井气候适应性自然通风1引言湿热气候下，建筑半室外空间在气候调节方面具有多重意义（HelenaCoch,1998;赵万民，2011;李先逵，2009）以巴蜀地区传统民居为例，赵万民（2011）将该地区传统民居的建筑气候适应特征总结为“外封闭、内开敞、大由檐、小天井、高勒脚、冷摊瓦”，其中涉及的天井、敞厅、穿堂、开敞铺面、宽檐廊等半室外空间起到了非常重要的气候调节作用（图1）。首先，作为家庭活动、生产生活的核心场所，这些空间本身便在部分时段为人们提供了优于室外的环境条件；其次，作为气候缓冲层，这类空间在一定程度上削弱或延迟了室外气候对主要居室的影响。其中天井空间是渝东南合院式民居的核心构成要素，兼具遮阳、通风、采光等作用，诸多研究从建筑气候适应性角度，对该地区或类似气候区的民居天井空间进行了分析，但部分研究对其气候适应性机制的分析和描述不够准确。本文通过对渝东南地区更典型天井民居的测试研究，尝试进一步清晰地描述湿热气候下民居天井空间的气候适应性机制。2研究方法2.1研究对象的选取本文选取重庆武隆桐梓镇一栋建于1930年代的穿斗式传统民居作为研究对象（表1）。该民居为四合院形式，当地也称四合水、四合头，主体建筑有两层，中部设有天井，天井空间的高宽比约为1.75:1o合院式布局围绕庭院（天井）展开，在主轴线上布置过厅、敞厅；正房3间，堂屋为敞厅；厢房2间；倒座面向主街一侧为经营店面（图2）。该民居原为地方较有财力的士绅所建，现在依然作为居住建筑，为多户杂居。2.2测试方案及设备测试小组分别于2011年8月22〜28日（夏季）、2012年4月12〜20日（过渡季）、2013年1月23日〜2月18日（冬季长期）、2014年2月15〜21日（冬季极端天气），在武隆县桐梓镇开展了民居物理环境测试工作。测试涉及的物理环境参数包括室内外空气温度、相对湿度及风速等，并对围护结构进行了热成像拍摄。测试期间对室内外及半室外空间的温度、湿度数据进行连续监测，数据采集间隔为20min；风速数据连续采集24h,数据采集间隔为15min。测试仪器及主要参数如表2所示。3测试数据分析天井、穿堂、敞厅等半室外空间的气候调节作用一般可从热环境和风环境两方面进行分析，其中热环境包括遮阳效果、温湿度分布特征，风环境包括风速、风向、风温等。图1渝东南地区民居中的半室外空间营造表1测试民居的详细建筑信息建筑编号解放街11号建成年代1930结构形式穿斗木结构聚落形态聚集正立面朝向西南平面形式四合头建筑空间层数2开放/半开放空间天井、挑檐、穿堂、敞厅阁楼/阁层局部阁楼立面窗墙比0.15其他开口山墙通风首层地面局部木地板楼面木楼面建筑界面墙体木板壁屋面小青瓦坡屋面门窗木框单层玻璃采暖设备炭火盆炊事设备柴灶设备表2测试仪器名称及主要参数仪器名称仪器型号仪器参数全数字照度计XYI-mLuxmeteru范围：0.01〜10000lx,0.1〜100000lx;精度：±4%;分辨率：0.001lx红外热成像仪VarioCAMHRInspect范围：-40〜2000C；热灵敏度：0.05C温度自记仪天建华仪WZY-1范围：-20〜80C；精度：±0.3C温湿度自记仪天建华仪WSZY-1范围：温度-40〜100C,湿度0〜100%RH;分辨率：温度0.1C,湿度0.1%RH3.1天井等半室外空间对围护结构表面温度的影响天井等半室外空间主要通过在立面形成有效遮阳，来降低太阳辐射对围护结构表面温度的影响。夏季中午时段红外热成像图显示（图3）,天井处于阴面和阴影中的界面平均温度为22.6C,最高温度为29.5C；太阳直射界面平均温度为25.8C,最高温度为37.9C；其中,平均温度相差3.2C,最高温度相差8.4C,同层立面垂直温差达15.8C。敞厅内界面平均温度为23.1C,最高温度为24.4C；太阳直射界面平均温度为29.2C,最高温度为44.7C；其中，平均温度相差6.1C,最高温度相差20.3C。穿堂内界面平均温度为23.8C,最高温度为25.2C；外立面平均温度为29.6C,最高温度为47.4C；其中，平均温度相差5.8C,最高温度相差22.2Co根据以上数据发现，通过设置天井、敞厅、穿堂等室外与半室外空间，可以非常有效地降低夏季建筑围护结构的表面温度。图2测试民居平面、剖面及测点布置3.2天井等半室外空间对空气温度和湿度的影响3.2.1空气温度在空气温度方面（图4）,按季节分别对室内外温度进行线性回归，夏季和过渡季R2在0.92〜0.94之间，即半室外空间空气干球温度变化90%以上可以由室外空气干球温度变化解释，二者相关性高。冬季穿堂和天井1.5m高处与室外温度的R2为0.81,天井4m处为0.88,这一季节性差异可能缘于半室外空间周边各房间在冬季使用采暖热源。半室外空间温度分布离散程度和波动范围均小于室外，其中天井1.5m处离散程度和波动范围最小。夏季，半室外空间温度标准差介于2.2〜2.8C之间，室外温度标准差为3.4C；穿堂与天井1.5m高处温度波动范围分别为9.1C和8.2C；天井4m高处温度波动范围为12.6C,比较接近室外（12.9C）。过渡季，半室外空间温度标准差介于1.5〜2.0C之间，室外温度标准差为2.2C；天井1.5m高处温度波动范围最小，为6.4C；其次是天井4m高处，为8.8C；穿堂和室外接近，为8.8〜9.0C。冬季，半室外空间温度标准差仅为0.5〜0.6C,室外温度标准差为1.1C；半室外空间温度波动范围为2.8〜3.7C,低于室外（7.5C）。在夏季测试期间，穿堂（测点T1-B）、天井1.5m高（测点T1-C）、天井4m高（测点T1-I）处的平均空气温度为21.2〜21.4C,低于室外（测点T1-A）平均空气温度（22.0C）o室外空气最高温度为29.8C,天井4m高处与之接近，为29.7C,其余两个测点最高温度显著低于室外，分别为26c和25.8Co室外空气最低温度为16.9C,穿堂与天井4m高处与之接近，分别为16.9C和17.1C,天井1.5m处最低温度高于室外，为17.6C。过渡季测试期间，半室外空间平均空气温度为12.4〜12.8C,低于室外平均空气温度（13.6C）。室外空气最高温度为19.8C,天井1.5m高处温度最低，为17.2C,其余两个测点分别为18.5C和18.3C。室外空气最低温度为11C,半室外空间测点最低温度均低于室外，介于9.5〜10.8C之间。冬季测试期间，冬季平均空气温度为0.6〜1.4C,高于室外平均空气温度（0.2C）。室外空气最高温度为5.2C,半室外空间测点空气最高温度为2.3〜2.6Co室外空气最低温度为-2.3C,半室外空间测点最低温度高于室外，其中穿堂处为-0.2C,其余两个测点分别为-1.3C和-1.4C（图5）。图3红外热成像（拍摄时间为夏季11:00,过渡季15:30）图4各测点与室外干球温度散点图5天井各测点与室外空气温度分布时间分布上（图6）,夏季与过渡季测试期间的日由时间为6:20左右，日落时间为19:20左右；冬季测试期间的日由时间为7:25左右，日落时间为18:35左右。半室外空间热延迟作用不明显，基本与室外温度变化同步。晴朗天气下，日由前空气温度降至最低点，阴天时受云层影响，室外温度上升时间有所延迟。夏季最低温度一般由现在凌晨5:00〜6:00;过渡季最低温由现在5:00〜7:00,阴天时可延迟至9:00;冬季最低温由现在6:00〜8:00。日由后温度开始上升，阴天午后14:00〜15:00空气温度达到最高值；天气晴朗时受太阳直射辐射影响，聚落与建筑各界面温度较高，午后空气温度仍继续上升，在16:00〜17:30左右达到最高值，之后开始下降。半室外空间与室外温度差的平均值，在夏季和过渡季小于0,分别为-0.8〜0.6C和-1.2〜-0.8C；在冬季大于0,为0.4〜1.2C（图7、8）。在夏季和过渡季白天有太阳辐射的时段，由于半室外空间的遮阳较为充分，因此其空气温度上升速率小于室外，对室外温度峰值的削减作用尤其显著：夏季，半室外空间与室外最大温度差可达-5.9〜-4.0C,过渡季可达-3.1〜-2.7C；夜间至凌晨时段，空气温度降低，围护结构也向外散热，由于天井内空气体积小，相对于室外而言，空气温度下降速度较慢，二者温度差逐渐缩小，夏季夜间室外空气温度甚至会低于半室外空间。但夜间温度差值低于白天，夏季夜间最大差值为0.8〜1.4C,过渡季为-0.2〜0.4Co冬季，测试前两日为雨雪天气，室外空气温度低且日照辐射较少，受天井周边各房间采暖热源的影响，半室外空间温度略高于室外：天井周边的房间特别是首层起居室、厨房等朝向天井开门，被加热的室内空气与天井内空气对流换热，其次，采暖和炊事活动导致面向天井的围护结构温度升高，再加上对流和长波辐射作用，使得天井底部空气温度略高于室外，最高可超过室外温度1.1〜2.4C。在冬季晴天11:00〜18:00的时段，室外温度高于半室外空间，最大差值为-3.5〜-2.7C。总体上，测试期间80%的时间半室外空间与室外的空气温度差值在-2.8〜0.7C（夏季）、-2.2〜-0.1C（过渡季）、-0.2〜1.0C（冬季）区间。可见，半室外空间的确起到了“气候缓冲层”的作用，对晴朗天气午后温度峰值的削弱作用较为显著，在夜间及冬季阴天有采暖的时段，有减缓温度散失的效果。图6各测点干球温度时间分布图7天井各测点与室外空气温度差图8各测点与室外干球温度差时间分布3.2.2空气湿度上在空气湿度方面（图9）,半室外空间内的绝对湿度大部分时间高于室外，以天井1.5m高处测点为例，夏季测试期间约80%的时间天井内绝对湿度高于室外，过渡季和冬季测试期间则为90%o但在数值上差异不大，半室外空间与室外绝对湿度平均差值为夏季0.3g/m3、过渡季0.7g/m3、冬季0.1g/m3。在夏季和过渡季，半室外空间相对湿度也高于室外，分别平均高由4.2%和10.4%;冬季，由于天井温度高于室外，因此相对湿度有70%的时间低于室外。图9天井1.5m高处测点与室外空气湿度散点图3.3天井空间对自然通风的影响夏季自然通风的作用主要体现在两个方面：一是直接增加人体周边的空气流速，从而提高热舒适度；二是通过通风带走高温空气，引入低温空气，避免室内湿度蓄积。冬季自然通风的意义主要在于保证室内空气品质，尤其是在有传统采暖和炊事设备的空间。为验证天井的自然通风效果及原理，本文分别在夏季和冬季对渝东南地区合院式民居天井空间进行了风环境测试。夏季测试结果显示（图10）:白天室外平均风速为0.77〜0.82m/s,天井1.5m高处平均风速为0.17m/s。夏季传统民居半室外空间3个测点的平均风速为0.24m/s,其中穿堂处测点平均风速最大，为3.0m/s；天井1.5m处最小，为0.17m/s；室内平均风速为0.15m/s,其中一层为0.17m/s,二层为0.08m/s。现代民居室内平均风速为0.12m/s,其中一层敞厅和楼梯间均为0.19m/s,二层为0.07m/so即半室外空间平均风速大于室内,小于室外。设有天井空间的民居与中等进深的现代民居室内平均风速接近，在冬季白天室外平均风速为0.28m/s,夜间为0.22m/s,冬季天井1.5m高处平均风速白天仅为0.06m/s,夜间为0.05m/s（图11）。自然通风的物理机理包括风压通风与热压通风，部分研究将天井的自然通风作用机理解释为“夏季白天太阳辐射使天井上部空气温度升高，底部空气温度较低，产生温度梯度，因此天井内空气上升，从上部开口排由室外，带动底部空气流动”，进而将天井内的自然通风总结为“抽风”或“拔风”作用（梅森，2013;曾志辉，2010）。但从理论分析以及实测结果来看，这种描述并不完全准确。首先，对空气流动方向的判断并不准确。自然通风是由开口处于不同的压力环境导致的，由温度差异引起的压力差即为热压通风，由吹向建筑的风导致的压力差即为风压通风（吉沃尼，2010）。天井内空气温度梯度影响压力差的形成，而非空气流动的直接原因。“空气密度和压力随高度上升而降低”，由于天井内和室外空气“温度分布不同，压力降低的速率也不同”（吉沃尼，2010）,因此在天井下部和上部开口处，天井和室外产生了气压差，从而形成热压通风。夏季白天，天井内底部空气温度低于室外，在底部开口处同一水平高度上，天井内空气密度高，室外空气密度低，天井内气压高于室外；而在天井上部开口处天井内空气温度与室外接近，或因高温屋面的长波辐射作用而略高于室外，因此天井上部开口处气压接近或低于室外。因此在夏季白天，仅在热压作用下的天井内空气流动方向应该是从天井内经底部开口流向室外，而并非由顶部开口处流动带动底部空气流动形成“拔风”。在夏季夜间，天井底部温度高于室外时，空气流动方向相反，从下部开口处流入，从上部开口处流生，但由于夜间天井内和室外空气温度差减小，热压通风的作用也减弱了（图12）。图10夏季室内外风环境图11冬季天井1.5m高处风环境其次，“促进”通风的说法也不准确。天井底部开口一般选择在迎纳夏季主要风向的方向，在这种情况下，夏季白天热压作用下的气流方向与主导风向相反，因此相比于单独风压通风的情况，风速没有因热压作用加快，反而减慢了。这一点可通过理论计算与实测风速的比照来进行验证。热压产生的气流量与3个物理量相关：开口有效净面积、两端开口之间的垂直距离以及室内外平均温度差，计算方法如式1所示（吉沃尼，2010,1982）:其中：为气流量，m3/min;A为开口有效净面积，m2;h为上层开口与下层开口的垂直距离，m；吸为室内外空气温度差，C；K为比例常数（假设开口效率为65%,米制单位下ASHRAE取值6.96）o根据式1计算晴朗夏季午后室内外温差最大时（5.89C）的热压通风气流速率，进由口垂直距离为7m、开口有效面积为3.88m2。热压通风气流量计算结果转换单位后为2.89m3/s,除以天井底部开口面积，得到底部开口处空气流速为0.74m/s。此时室外风速为0.84m/s,西南风向，经计

算可得，天井底部开口处由风压通风引起的风速为0.58m/so算可得，天井底部开口处由风压通风引起的风速为0.58m/so而天井底部开口处风速实测值为0.33m/s,天井1.5m处实测值为0.22m/s,小于单一压力导致的风速。夏季夜间，天井内部与室外温差减小，热压通风减弱，主导风向为东南风向和东北风向，室内外温差最大值为1.30C,热压导致的气流速率为0.35m/s；冬季白天以东南风向为主，平均风速为0.28m/s,白天天井与室外温度平均差为0.27C,热压产生的气流速率为0.16m/s,与风压同向；冬季夜间以东北风向为主，平均风速为0.22m/s,天井与室外温度平均差为0.56C,热压产生的气流速率为0.23m/s,与风压逆向。而实测天井内冬季平均风速白天为0.06m/s,夜间为0.05m/s。冬季白天低于理论分析数值，这可能是由于冬季白天天井下部开口处附近有热源，其空气温度高于室外和天井温度，对空气流速造成了影响①。图12天井内空气温度分布示意从数值上看，热压通风在夏季白天并没有提高风速，但由热压引起的气流方向对于降低室内温度更为有利：热压通风的作用路径上，天井内温度较低的空气经由房间内部流向室外，而在风压通风的作用路径上，室外温度较高的空气会进入室内。止匕外，天并对于相邻室内空间通风的“促进”作用，必须结合有效的开口设置，即在面向天井及室外的两侧立面都设有开口，在需要通风时段开启，并且房间进深不能太大，内部阻碍也要尽量减小。例如二层房间面向天井的开口关闭，一层房间面向天井的户门在白天时段开敞，二层室内风速就明显小于一层。结合前文所述夏季风环境测试结果来看，天井式合院民居，相较于中等进深主要依靠风压通风的集中式民居而言，室内风速并没有得到显著提升，但与同等体量的大进深建筑相比，设置天井无疑是“促进”自然通风的有利手段。4结论综上所述，天井、敞厅、穿堂等半室外空间是提高大进深地段气候适应性的有效技术手段，其气候调节意义在于：第一，作为重要的生活场所，这些空间本身在部分时段直接为人们提供了优于室外的物理环境；第二，这些空间对周边室内空间起到气候缓冲的作用，为室内空间的一侧界面提供波动范围小于室外环境的外部条件。具体体现在：（1）应对室外空气温度波动上，对温度峰值的削减作用显著，主要通过遮阳实现，但在冬季白天则成为内立面得热的障碍；（2）在夜间和冬季有采暖的情况下，由于室外风速的降低和热压通风作用的减弱，在一定程度上减缓了热量散失；（3）绝对湿度上，此类半室外空间绝对湿度略高于室外，但在数值上差异不大。一般定性研究认为，川渝地区传统民居中的天井，特别是小口天井由于热压通风作用而具有良好的“拔风”效果（HelenaCoch,1998;赵万民，2011）,但部分相关研究对其进行的原理与过程解释以及对其“促进”通风的评价并不完全准确，特别是对于本文研究选取的渝东南地区中尺度天井（高宽比为1.75:1）而言。夏季白天，热压驱动的空气流动模式是从天井底部开口流生，而非从上部开口流生，会由现与风压驱动空气流动方向相反的情况，天井内的风速并未因热压通风而有所提高。而对于天井周边室内空间，促进室内通风必须结合有效的开口设置，相较于中等进深且主要依靠风压作用通风的民居而言，天井周边房间的室内风速并没有显著提升。虽然如此，由热压引起的气流方向对于降低室内温度更为有利，在热压通风的作用路径上，天井内温度较低的空气经由房间内部流向室外。并且与同等体量的大进深建筑相比，在中部设置天井是保证室内自然通风的有效手段。注释①在以上计算中，由于没有采集天井上部开口处的风压风速数据而忽略了该部分开口的风压影响，计算结果具有不准确性，但可作为定性判断的依据。天井内风环境的影响因素复杂多变，对天井作用机理的进一步解释还需要后续补充研究。参考文献：[1]HelenaCoch.Chapter4-BioclimatisminVernacularArchitecture[J].RenewableSustainableEnergyReviews,1998,2(1).[2]赵万民.巴渝古镇聚居空间研究[M].南京：东南大学生版社，2011.[3]李先逵.四川民居[M].北京：中国建筑工业由版社，2009.[4]梅森.江南民居自然通风强化技术经验挖掘及CFD验证[D].西安:西安建筑科技大学，2013.[5]曾志辉.广府传统民居通风方法及其现代建筑应用[D].广州：华南理工大学，2010.[6]吉沃尼.建筑设计和城市设计中的气候因素[M].汪芳，译.北京：中国建筑工业由版社，2010.[7]吉沃尼.人•气候•建筑[M].陈士麟，译.北京：中国建筑工业由版社,1982.2016-11-01THECLIMATERESPONSIVEMECHANISMOFCOURTYARDDWELLINGSINHOT-HUMIDCLIMATEAbstract:Inhot-humidclimate,courtyardhassignificancestomodifytheindoormicroclimate.Inthispaper,severalfieldinvestigationsandmeasurementsareconductedinatypicalcourtyardvernaculardwellingofthesoutheastofChongqinganditsclimateresponsivemechanismandeffectivenessareverified.Thestudyfindsthatthepeakairtemperatureduringtheda