传统民居的气候适应性研究

传统民居的气候适应性研究

传统民居的气候适应性受到高度赞扬，传统民居的气候适应性包括一些有价值的策略和技术，有助于研究当前的生态建筑。2005年7月,我们在湖北省阳新县玉堍村进行了一次民居热舒适性实验。试图找出民居解决夏季热舒适性的关键,探索民居气候适应性的根源。一实验地点和测量数据阳新县属于夏热冬冷地区,农村夏季是农忙期,需要获得较舒适的居住环境保证休息质量,以应付繁重的体力劳动,冬季是农闲期,可以在家生火取暖,因此,当地传统民居在设计建造时主要考虑避免夏季过热。因此我们考察研究的重点也放在夏季热舒适性方面。实验地点:湖北省阳新县玉堍村。实验时间:2005年7月18日上午8:00~7月19日上午8:00。实验设备:温湿自计仪,电子微风仪。测量数据:温度、湿度、风速。测量方法:选择连续的晴热天气,24小时连续记录,每小时记录一次。天气状况:今年夏季最热的天气段,连续9天持续晴热高温。18日和19日天气晴热,南风2~3级。18日午后13:00~14:00左右出现短暂多云天气。二居民的性最好的新、老居民各布达拉宫在进行广泛的走访后,根据当地居民的意见和笔者实际的体验,选择了当地民居中热舒适性最好的新、老民居各一处。还选择了村里一处著名的官宅(此建筑建造规格高,材料和施工都很考究,但是热舒适性却很差),作为反例进行分析。同时还选择了室外树荫下作为测量点,不仅可以反映天气的状况,而且还可以和建筑内部状况进行对比研究(图1)。1传统居民的热舒适性李氏支祠老宅是一处保存比较好的传统民居,始建于民国初年,典型的南方传统天井式民居,是当地村民公认的热舒适性最好的。建筑东西朝向,正面朝西。建筑外墙体采用400mm厚传统“金包银”砖墙,内部隔墙部分使用砖墙,部分使用土坯。庭院和天井为青石地面,室内是三合土地面。建筑内部通过3个天井串联,形成了通畅的通风巷道,非常凉爽舒适,中午我们都喜欢去那里休息纳凉。走进老宅,明显感觉空气清凉,微风阵阵,当天天气预报最高温度38℃,但是中午坐在巷道口人体感觉舒适凉快,不会出汗。为了对比传统民居中庭院和室内的热舒适性,在此宅中选择了2个测量点。选择天井旁舒适的巷道口作为测量点B,同时选择了B点旁边的一户人家的卧室内作为测量点A(图2)。2热舒适性原则。根据建筑的结构特点,分为7个外热层、综合分李相剑宅是当地一个乡村建筑师李相剑的住宅,3层楼的新民居,建于1983年,是村里第一批新民居。采用实心红砖、水泥、楼板等新材料建造。共3层,1~2层住人,3层只有半层高,作为仓库,存放粮食和杂物,兼作隔热层。建筑东西朝向,正面朝西。为了节省材料,降低造价,建筑非常简单实用,一层窗台下是实心砖墙,上面全部是空斗墙,只有正面用水泥砂浆抹灰,侧面和背面都是清水砖墙,屋顶是传统小青瓦的坡屋顶。外观非常简单,没有任何装饰,给人的感觉甚至有点简陋,但是却具有良好的热舒适性。在下午2:00左右最热的时候,室内温度适宜,有微风,躺在竹床上睡觉很舒服,人不觉得热,不出汗。本宅的测量点位于2楼靠西面的卧室,而没有选择靠北的最凉快的卧室,这样选择的目的是为了和李氏支祠老宅A测量点获得类似的空间位置,两个测量点在西面都有一个房间间隔,这样更有利于分析问题(图3)。3建筑建筑是热舒适性的建筑光禄大夫第建于清朝末年,是二品官员的宅邸,典型的传统南方天井式住宅形式,建造规格较高,用材比较考究。建筑东西朝向,正面向西。建筑墙体全部采用400mm厚传统“金包银”砖墙,庭院和天井为青石地面,室内是三合土地面。建筑从用材、空间设计到建造都相当不错,然而它却是村里人公认的热舒适性最差的传统民居,村支书曾经在里面住过好多年,用他的话来形容就是“夏热冬冷”。测量点位于中堂靠近天井的位置(图4)。4太阳落山后温度变化样本4选择在光禄大夫第后面不远处的高地上,由于地势高所以通风效果比较好。测量点选择在一片小树林中(图5)。由于是室外,没有任何围护,所以温度变化剧烈,不稳定。下午太阳落山后直到早上8:00以前,室外都比较凉爽舒适,尤其是夜间,即使是夏季最热的天,室外夜间也非常凉快。但是早上9:00以后就逐渐热了起来,中午2:00的时候最热,人体感觉酷热难耐。三李氏支祠老宅的热舒适性通过24小时连续测量,我们获得了4个样本测量点的温度、湿度和风速的数据。为了方便对比,把4个样本的温度和湿度数据合成在两张图中,同时标出了不同时间段人的活动,这样就可以将室内热环境的变化和人的活动结合在一起研究(图6)。风的指标采用平均风速,反映一天的通风状况(图7)。在所选择的4个样本中,李氏支祠老宅B点和李相剑宅的热舒适性较好。这两个地点不仅温度、湿度比较低,而且风速较大,人体感觉舒适。李氏支祠老宅B点在白天高温时段,尤其是14:00~18:30的热舒适性比李相剑宅好,这与传统民居厚重的墙体的热稳定性有关。而李相剑宅的降温比较快,在晚上20:00~早上6:00时段,李相剑宅温度比李氏支祠老宅B点低,这得益于李相剑宅空斗墙较少的蓄热。李相剑宅的湿度在53%~71%之间,相对于李氏支祠老宅B点58%~81%的湿度要小,这和测量点的选择有关,李相剑宅的测量点选择在楼上,所以湿度较小。从数值分析和人体感觉上来说,李相剑宅的热舒适性稍胜一筹,而且是室内环境,卫生条件比较好,李氏支祠老宅B点是半室外环境,密闭性差,蚊虫多。李氏支祠老宅A点和光禄大夫第的热舒适性较差。李氏支祠老宅A点位于传统民居的室内,窗户很小,通风条件很差,基本上没有风,而且很潮湿,湿度63%~86%。光禄大夫第的测量点通风条件也很差,基本上没有风,湿度64%~80%。早上8:00一直到次日凌晨3:00,光禄大夫第测量点的温度一直高于李氏支祠老宅A点,温差在0.2~1℃之间。凌晨4:00~早上8:00,光禄大夫第测量点温度下降比较快,温度低于李氏支祠老宅A点。这和光禄大夫第测量点离天井比较近有关系,比较容易接受到天井下降的冷空气,凌晨4:00以后,墙体蓄热基本放完,天井对流换热的效果开始明显起来,温度下降较快,而李氏支祠老宅A点由于对外的窗户很小,热量难以散发,所以降温很慢。四影响住宅的舒适度的重要因素1建筑通风方式的选用在防止夏季过热方面,传统民居主要依靠两种方法:一是通过墙体和屋顶遮挡,避免阳光直射,减少建筑的得热,二是组织良好的通风带走热量。在村里建筑密集建造互相遮挡的环境中,虽然墙体不会被直接照射,但是屋顶还是会受到太阳的直接照射而获得热量,必须依靠通风带走这些热量才能保证良好的室内热舒适性。如果通风不良,这些热量无法被顺利带走,积累起来就会造成室内过热。因此通风对于建筑降温非常重要。从测量结果中我们可以发现,通风效果的好坏对热舒适性有着非常大的影响。传统民居的通风方式有两种:热压通风和风压通风。热压通风是依靠天井热压效应的通风方式,风速通常很小。经过测量发现,鄂东南传统民居中运作良好的天井热压通风风速通常只有0.2m/s~0.3m/s,这样的风速人体不会有明显的吹风感,只有轻微的阴凉感。除了利用天井的热压通风,传统民居还利用风压通风,即通过捕获自然风,引导进入建筑内部,然后利用缩小的巷道减小通风的截面面积,从而加速风的流动,获得较好的通风效果。乡村通常地势开阔,有明显的自然风,通过合理的组织,风压通风的风速通常在1m/s以上,这种风速人体有较明显的吹风感,散热作用比较明显。热压通风和风压通风适用的地方不同。在传统民居中,由于空间结构的限制和私密性的原因,不可能组织巷道风直接穿越卧室,风压通风只能在庭院中被实现,室内则主要依靠天井热压通风。这就造成了夏季传统民居中最舒适的地方不是室内,而是庭院和巷道口。在李氏支祠老宅的测量中充分证明了这一点,巷道口平均风速1.4m/s,凉风阵阵,而室内风速几乎为零。风速小使得室内的热量很难被带走,室内测量点的温度一直比巷道口的温度高,温差在1.5~2.5℃。通风条件的不同造成的室内和庭院的热舒适性差异是非常明显的。2建筑通风不良单从建造技术和建筑材料的隔热性能来看,光禄大夫第是最好的,李相剑宅是最差的。从建筑单体的角度来看,所选择的3个民居,建筑平面设计都考虑了通风的组织,都具备良好通风的条件,包括实际通风条件很差的光禄大夫第其通风设计也非常完善。因此单从建筑单体来考虑,光禄大夫第的热性能应该是最好的,但是实验结果和人体感觉却恰恰相反。通过观察和分析我们发现,除了建筑本身的热性能外,建筑所处的小环境对建筑内部的热舒适性影响非常大,它对建筑的遮阴和通风都有很大的影响。(1)李氏支祠老宅小环境分析李氏支祠老宅南边是篮球场、稻田、小广场,非常开敞,只有2栋低矮的平房,同时南墙周围的建筑形成了一个捕风口,刚好将夏季的南风引导至建筑内部,然后进入贯通建筑南北向的通风巷道,获得了良好的通风效果,对建筑降温非常有利。建筑的东面和北面都有密集的建筑遮挡,基本不会受阳光的直接照射。建筑的西面有一些加建的建筑可以帮助遮挡部分西晒阳光,但是测量点A外的西墙前面是没有任何遮挡的晒谷场。墙体吸热、蓄热量非常大,经过一天的暴晒,下午5:00左右西墙用手摸明显感觉很热,对测量点A的温度影响非常大。正是小环境造就的良好通风条件使位于巷道口的测量点B凉爽宜人,而西晒和通风不良造成了室内测量点A的炎热难耐(图8)。(2)李相剑宅小环境分析在采访房主乡村建筑师李相剑时,得知该住宅设计特别注意了夏季防热问题。选址注意周围建筑对通风的影响,选择比较有利的地形,同时建筑平面设计有意识进行了通风设计,建筑通风非常顺畅。建筑平面作九宫格布局,西面因为西晒的原因,全部作储藏等辅助用房。南北向都有卧室,据主人介绍,夏天热的时候就住北边的卧室,冬天就住南边的卧室。考虑到防晒,屋顶没有用楼板做平屋顶,而是加高半层,用青瓦作了坡屋顶,既解决了存放粮食的问题,也兼作隔热层。从环境分析图上,我们能够发现建筑选址的妙处。建筑的南边是开阔的稻田,南风可以毫无遮挡的吹过来,前面和后面的两排建筑刚好形成了一个通风的通道,而李相剑宅就位于通风通道的中间,同时和西面的3层小楼房靠近,利用它遮挡西晒的阳光,很大程度上避免了东西朝向带来的不利。正是由于良好的小环境和建筑设计时防热的考虑使李相剑宅具有良好的热舒适性(图9)。(3)光禄大夫第小环境分析光禄大夫第周围小环境不利于建筑的通风降温。从图10上可以看到,建筑的南面完全被山遮挡,无法接受到夏季南向来风。而且建筑本身位于一片低地中,东面和南面被一个陡坎包围,陡坎高度基本和建筑高度相同。这种格局更加剧了建筑通风不良的状况。建筑周围光秃秃的,没有任何建筑或者树木遮挡,从早上太阳升起,建筑就完全暴露在烈日下。尤其是下午,西晒的阳光直接通过天井和大门深入建筑内部,造成内部过热。经过一天的暴晒,外墙温度很高。墙体蓄热到了夜间开始释放,由于通风不良,热量很难被带走,所以夜晚内部降温非常慢,直到凌晨3:00左右才觉得稍微凉快一点。通风不良,加上地处低洼地,造成了建筑内部湿度过大,64%~80%的湿度使人体感觉更加闷热。这种小环境到了冬季对于保温也非常不利,西面正对着山口和开阔地,导致冬天的西北风长驱直入,直接正对着建筑的大门吹,导致冬季室内寒冷。从这个例子我们可以看出,建筑的热舒适性不仅取决于建筑单体的热工性能,也与周围的小环境关系密切,虽然单体设计不错,但是如果周围的小环境不良,建筑的热舒适性可能会很差。据当地村民介绍,当年光禄大夫第的选址特别注意了风水。前面正对案山,面临开阔的平地和小河,背后有靠山,左右群山环抱,符合传统风水理论最佳选址的要求,可惜这种风水的考虑不仅没有好处,反而造成了很不利的小环境。这个依据风水理论选址失败的特例值得我们深思。五屋顶对建筑热性能的影响单纯从单体建筑热工性能的角度考虑,传统民居的热工性能并不好,甚至可以说很差。虽然建筑的墙体很厚,隔热效果好,但是屋顶过于薄弱,单层的瓦屋面隔热和保温性能非常差。而且屋顶的面积很大,因此屋顶对于建筑热性能的影响非常明显。不仅如此,屋顶上还有几个完全敞开的天井,传统民居内部围绕天井的墙面为了采光和通风,都不用砖墙,而是布满孔洞的木隔扇,上面糊一层纸,隔热性能非常差。这就造成热量可以通过薄弱的隔扇和天井大量向外散失。拥有厚重的墙体和天井的传统民居就像一个开了口的保温瓶,四周的保温效果虽然好,但是顶上却有一个很大的热流通道,不可能获得良好的热性能。那么传统民居良好的气候适应性从何而来?我们认为传统民居依靠两种方法和策略来实现:一是有组织密集建造的群体优化效应,二是民居内部多样性空间的优化组合利用。1组织地与建筑之间的遮挡机在南方传统村落中,建筑总是密集地建造在一起,这样可以增大整体的体积,获得比较稳定的内部环境,利用建筑之间的相互遮挡,减少和外界不利环境直接接触的表面积,这种方式可称为群体优化效应。只有这样,才能充分发挥传统民居建筑厚重的墙体和天井的气候调节优势,克服它们的固有的缺点。厚重的墙体不仅有隔热作用,砖和土的厚墙还有巨大的蓄热作用。如果建筑单独建造没有遮挡,则墙体白天受太阳直射,吸收大量热量,晚上很难冷却下来,白天蓄积的热量通过辐射作用散发到室内,造成室内温度过高。光禄大夫第就是一个典型的例子。而在传统村落密集建造的情况下,建筑互相遮挡,位于内部的大部分墙面基本不会受太阳直射,这就避免了墙体厚重蓄热带来的不利因素,而充分发挥厚重墙体的隔热作用。同样,天井的热压通风作用只有在密集建造的情况下才能发挥作用,建筑必须处于阴影中,建筑周围的空气温度才可能低于天井上空的空气温度,有温差,天井的热压通风作用才能实现(图11)。如果建筑单独建造没有遮挡,周围地面直接受太阳直射,则建筑四周底部空气温度不会和天井上空的空气温度有什么差别,就不可能实现热压通风。传统民居的密集建造是有组织地密集建造,有组织地密集建造可以兼具遮挡和通风的优势。一方面通过建筑之间的相互遮挡,避免夏季阳光对墙体的直射,另一方面通过建筑整体的合理规1划3和安排,形成贯通的内部巷道,组织良好的通风迅速带走热量。从玉堍村一片保存较好的传统民居建筑群中我们可以清晰地看出这种有组织地密集建造(图12)。2夏季热舒适性的优势从我们对4个样本点的测量数据中可以发现,室内、室外的温度在一天不同的时刻各具优势,室外白天温度高,但是夜晚降温快,晚上9:00以后至次日清晨6:00,温度明显低于室内;而在室外温度很高的上午10:00~下午5:00时段,室内温度则明显低于室外。充分利用室内、室外热舒适性最好的时段,让人总是处于最舒适的空间中,无疑是最理想的选择。传统民居正是利用其内部室内、室外相结合的多种空间类型,充分利用了不同空间的优势。这种优势综合体现在传统民居的庭院空间中。传统民居中的天井空间,四周有建筑遮挡,不会受到阳光直射,室外温度很高的时候可以保持较低的温度,顶部开敞,通风良好,晚上可以很快的降温,很好地结合了室内、室外的优势。夏季热舒适性的优势非常明显。而且这种空间在民居内部,具有良好的私密性和领域感,非常适合人的活动。3室内空间、建筑围合的半室外的具有重要的家庭空间和