自然通風條件下徽州傳統(tǒng)民居熱環(huán)境模擬分析

石團團 錢偉 張樣 黃志甲*

安徽工業(yè)大學建筑工程學院

自然通風條件下徽州傳統(tǒng)民居熱環(huán)境模擬分析

石團團 錢偉 張樣 黃志甲*

安徽工業(yè)大學建筑工程學院

本文基于生態(tài)分析軟件ECOTECT的熱環(huán)境分析及可視化氣象數(shù)據(jù)分析功能，以典型徽州傳統(tǒng)民居為研究對象，分析在自然通風條件下該傳統(tǒng)民居熱環(huán)境狀況及全年處于熱舒適區(qū)域的時間百分比。模擬結果顯示：徽州傳統(tǒng)民居圍護結構隔熱性能較好，防寒效果較差；采用自然通風技術后，全年舒適時間延長8%。

徽州傳統(tǒng)民居 自然通風 熱環(huán)境

傳統(tǒng)民居是適應當?shù)刈匀缓蜕鐣l(fā)展的產(chǎn)物，因地制宜，就地取材，符合綠色建筑的發(fā)展趨勢，蘊藏著大量的建筑氣候適應方法。國內(nèi)外許多學者對各地的傳統(tǒng)民居進行了大量的研究[1～5]?；罩輦鹘y(tǒng)民居具有鮮明的地方特色，天井、馬頭墻等地方元素的形成與徽州歷史文化密不可分。徽州民居的外墻高大而厚實，外墻上采用少開窗或開小窗來達到防火防盜的目的，室內(nèi)的通風與采光主要依賴于天井。陳曉揚等[6]在過渡季節(jié)對宏村某一典型傳統(tǒng)民居進行實測和CFD模擬，分析了徽州傳統(tǒng)民居在過渡季節(jié)室內(nèi)的環(huán)境特征以及成因，發(fā)現(xiàn)其防熱效果好，而保溫效果較差，天井的通風潛力未能充分挖掘。東南大學的陳秋菊等[7]探索了徽州民居自然通風優(yōu)化設計方法，對不同天井尺寸下室內(nèi)風環(huán)境進行了模擬分析并進行了優(yōu)化設計。

本研究在前人研究的基礎上，利用ECOTECT軟件分析徽州傳統(tǒng)民居在自然通風條件下室內(nèi)的熱環(huán)境。

1 研究方案

1.1 研究對象

樹人堂是宏村典型的三合院式傳統(tǒng)民居，是徽州傳統(tǒng)民居最基本的一種布局模式，也是最經(jīng)濟的一種布局模式。通常為一進兩層住宅，天井位于中央，一層為明堂，臥室位于明堂的左右?guī)恐?，天井的兩側為過廂。

1.2 圍護結構

徽州傳統(tǒng)民居的外墻十分厚重，建筑材料采用當?shù)厥a(chǎn)的磚石，就地選材，屬生態(tài)環(huán)保型低能耗建材。民居室內(nèi)通常采用木板做隔斷，外墻和木板之間留有30～50mm厚的空氣層；外墻幾乎不開窗或開窗面積較小，門窗基本上都處于透空狀態(tài)，無密封處理措施；徽州傳統(tǒng)民居屋頂?shù)淖龇ㄊ巧w瓦下設置望磚或望板，再設置木掾條，在蓋瓦和望磚之間設有空氣夾層，可以加強屋頂?shù)谋馗魺嵝阅??；罩輦鹘y(tǒng)民居圍護結構特性如表1所示。

表1 徽州傳統(tǒng)民居圍護結構特性

1.3 研究方法及物理模型

ECOTECT軟件用于建筑方案概念設計階段的室內(nèi)聲、光、熱環(huán)境分析。ECOTECT的熱環(huán)境分析是求解室內(nèi)外各種擾動作用下室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)，是一種動態(tài)負荷計算方法。其中外擾主要是室外的氣候參數(shù)，作用在建筑的圍護結構上，通過各種不同的傳熱方式影響室內(nèi)熱環(huán)境；內(nèi)擾主要是室內(nèi)人員、設備的影響，直接影響室內(nèi)熱環(huán)境。在ECOTECT中，對于外擾的描述主要來源于逐時氣象參數(shù)，對于內(nèi)擾的描述主要來源于對室內(nèi)設備的設定及人員散熱?；贓COTECT的可視化氣象數(shù)據(jù)分析功能，利用焓濕圖上的熱舒適區(qū)域百分比可以對建筑節(jié)能設計方案進行分析[8]。

徽州傳統(tǒng)民居天井常年處于透空狀態(tài)，冬季室外冷風易從天井口進入室內(nèi)，影響室內(nèi)熱舒適性，本文以樹人堂為研究對象，以來源于清華大學《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)庫》實測的屯溪市全年氣象參數(shù)為依據(jù)，采用ECOTECT軟件模擬分析該傳統(tǒng)民居全年在自然通風情況下的室內(nèi)熱環(huán)境及全年舒適時間分布，物理模型如圖1所示。

圖1 樹人堂物理模型

2 模擬結果分析

2.1 典型日溫度分布

圖2為徽州地區(qū)過渡季節(jié)典型日（4月30日）室內(nèi)外逐時溫度分布，從模擬結果中可以看出，徽州民居在過渡季節(jié)20:00～9:00時間段內(nèi)，室內(nèi)溫度高于室外溫度，該時間段內(nèi)室內(nèi)外平均溫差為0.76℃，9:00～ 19:00時間段內(nèi)，室外溫度高于室內(nèi)溫度，該時間段內(nèi)室內(nèi)外平均溫差為2.8℃，模擬結果能夠表明傳統(tǒng)民居圍護結構在夏季隔熱性能較好。

圖2 過渡季節(jié)典型日逐時溫度分布

圖3為夏季典型日（7月14日）室內(nèi)外逐時溫度分布，從圖中可以看出，9:00～19:00時間段內(nèi)，室外溫度高于室內(nèi)溫度，室內(nèi)外溫差在4～5℃，夜晚室內(nèi)溫度高于室外溫度，室內(nèi)外溫差在5～6℃，傳統(tǒng)民居由于天井的存在，夏季室內(nèi)外溫差較大，為室內(nèi)熱壓通風提供了有利的條件。

圖3 夏季典型日室內(nèi)外逐時溫度分布

圖4為冬季典型日（12月31日）室內(nèi)外逐時溫度分布，從圖中可以看出，典型日大部分時間段室內(nèi)溫度高于室外溫度，室內(nèi)外平均溫差為0.8℃，模擬結果表明傳統(tǒng)民居圍護結構冬季保溫防寒效果較差。2.2傳統(tǒng)民居室內(nèi)得熱分析

圖4 冬季典型日室內(nèi)外逐時溫度分布

圖5為傳統(tǒng)民居自然通風條件下全年室內(nèi)得熱及失熱情況，正值表示室內(nèi)得熱，負值表示室內(nèi)失熱。由圖可知，在冬季通過圍護結構損失的熱量很大，占總熱損失的51.1%，表明傳統(tǒng)民居圍護結構在冬季保溫效果不佳。在冬季室外冷風通過天井口進入室內(nèi)，帶走室內(nèi)的熱量很大。因此，天井在冬季應封閉，減少冷風侵入帶走的熱量。在夏季傳統(tǒng)民居通過圍護結構得熱量占到總得熱量的5.5%，表明傳統(tǒng)民居通過圍護結構隔熱性能較好，全年通過太陽輻射得熱量占全年總得熱量的61.4%，在冬季通過太陽輻射能夠為室內(nèi)提供熱量，而在夏季時應考慮遮陽。

圖5 傳統(tǒng)民居全年得熱

2.3 徽州傳統(tǒng)民居全年舒適區(qū)分析

基于ECOTECT的可視化氣象數(shù)據(jù)分析功能，以屯溪市的全年氣象參數(shù)為依據(jù)，分析徽州傳統(tǒng)民居全年處于舒適區(qū)的時間分布，分析采用自然通風技術后全年舒適時間的變化，自然通風的設置依據(jù)室外氣象參數(shù)中的風速及風頻。

圖6為該傳統(tǒng)民居全年熱舒適區(qū)域，黃色區(qū)域為不采用自然通風技術的熱舒適區(qū)，全年只有4月下旬、5月中下旬、9月上旬和10月下旬處于舒適區(qū)。紅色區(qū)域為該傳統(tǒng)民居采用自然通風技術后的熱舒適區(qū)，全年的4月下旬、5月中下旬、6月上旬、9月中上旬和10月下旬處于舒適區(qū)。

圖6 舒適區(qū)范圍

圖7為全年逐月舒適時間比例，黃色為不采用自然通風技術逐月的舒適時間百分比，全年5%的時間處于舒適區(qū)；紅色為采用自然通風技術后逐月的舒適時間百分比，從圖中可以看出，在過渡季節(jié)的5月、9月，40%的時間處于舒適區(qū)。全年13%的時間處于舒適區(qū)，采用自然通風使全年舒適區(qū)時間延長8%，對于節(jié)能具有重要意義。

圖7 逐月舒適時間百分比

3 結論

1）通過對徽州傳統(tǒng)民居熱環(huán)境模擬可知，在夏季傳統(tǒng)民居夜間室內(nèi)溫度高于室外溫度，溫差在5～6℃，為天井熱壓通風提供了有利的條件。夏季通過圍護結構得熱量占到總得熱量的5.5%，表明民居圍護結構隔熱性能較好。

2）冬季典型日傳統(tǒng)民居室內(nèi)外平均溫差為0.8℃，通過圍護結構損失的熱量很大，占總熱損失的51.1%，表明傳統(tǒng)民居在冬季防寒效果較差。

3）通過對徽州地區(qū)全年熱舒適區(qū)分析可知，采用自然通風技術后全年舒適時間延長8%。

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[7]陳秋菊,陳曉揚.徽州傳統(tǒng)民居自然通風優(yōu)化設計方法[J].華中建筑,2012,(11):56-59

[8]黃志甲,張國志,張樣.基于焓濕圖的建筑節(jié)能方案選擇[J].節(jié)能技術,2008,(6):543-544

The rm a l Environm e nt Sim ula tion Ana lys is of Huizhou Tra ditiona l Re s ide nc e w ith Na tura l Ve ntila tion

SHI Tuan-tuan,QIAN Wei,ZHANG Yang,HUANG Zhi-jia*
School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of technology

Based on thermal environment and meteorological data analysis function of ECOTECT,the typical Huizhou traditional residence was taken as the object to analysis the thermal environment and percentage of thermal comfort time throughout the year.The simulation result shows that the heat insulation performance of envelope for Huizhou traditional residence give good results,but have a poor cold protection,and the time of thermal comfort throughout the year prolong 8%under natural ventilation.

Huizhou traditional residence,natural ventilation,thermal environment

1003-0344（2015）05-091-3

2014-6-8

黃志甲（1963～），男，博士，教授；安徽省馬鞍山市湖東路59號安徽工業(yè)大學建筑工程學院（243032）；E-mail:hzj@ahut.edu.cn

住房和城鄉(xiāng)建設部科學計劃項目（2013-K1-34）；安徽省住房城鄉(xiāng)建設科學技術計劃項目（2013YF-33）