天井對徽州傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境影響初探

付曉惠，張 浩，高 爽

(安徽工程大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

徽州傳統(tǒng)民居是我國民居建筑的重要組成部分之一，由于受到徽州特定的自然環(huán)境及人文因素影響，形成了典型的“多層、窄天井、院落式”的空間形式，以及自身獨(dú)特的建筑語言，如廣為人知的馬頭墻、磚雕、木雕和石雕等。隨著人們生活水平的不斷提高，傳統(tǒng)的生活方式也悄然改變，人們對居住環(huán)境的舒適度要求也在不斷提高，這對徽州傳統(tǒng)民居帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如何解決傳統(tǒng)建筑形式與現(xiàn)代居住要求之間的矛盾成為了徽州傳統(tǒng)民居傳承和發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題。

1 徽州傳統(tǒng)民居能耗特點(diǎn)分析

1.1 村落空間布局及建筑平面布局有利于改善微氣候環(huán)境

徽州古村落選址多依山伴水，體現(xiàn)了古人“天人合一”的思想，利用山麓抵擋冬季冷冽的寒風(fēng)侵襲，豐富的植被與水體在夏季可以有效地降低空氣溫度，調(diào)節(jié)空氣濕度，從而改善村落的微氣候環(huán)境。

徽州古民居的空間布局多采用對稱式院落布局，廳堂常居中布置，坐北朝南，廂房位于廳堂兩側(cè)，由于受到自然環(huán)境限制，徽州傳統(tǒng)民居院落的尺度一般較小，形成了以天井為核心的院落空間。天井產(chǎn)生的原因源自于社會等級思想制度、宗族觀念及居民安全生產(chǎn)等多方面需要。天井在具備日常生活、禮教、勞作等基本功能的同時(shí)，還能夠有效地調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境[1]。一方面天井作為建筑室內(nèi)外過渡空間，可以起到聯(lián)系和緩沖室內(nèi)外空間的作用；另一方面可以利用天井組織自然通風(fēng)、采光、遮陽、收集雨水等，起到調(diào)節(jié)局部微氣候的作用。

1.2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能不佳

徽州傳統(tǒng)民居的構(gòu)造體系素有“厚外墻、薄頂、薄隔墻”之稱，采用傳統(tǒng)做法的屋頂和隔墻保溫隔熱性能不佳，能耗損失較大[2]。外墻一般多采用空斗砌筑的形式，內(nèi)部填充泥土，并石灰抹面處理，墻體較厚，開窗較少，理論上其保溫隔熱性能較好。但由于徽州傳統(tǒng)民居建造時(shí)間久遠(yuǎn)，外墻受氣候因素影響較大，雨水的常年沖刷導(dǎo)致房屋外墻的石灰抹面的防水性能下降，部分雨水透過墻體外表面滲透到內(nèi)部，致使外墻整體保溫隔熱性能下降，難以滿足現(xiàn)代生活住宅的熱工性能要求。

1.3 內(nèi)部通透，門窗及內(nèi)部隔墻氣密性差

徽州傳統(tǒng)民居的內(nèi)部隔墻及門窗多利用當(dāng)?shù)氐哪静慕ㄔ於桑瑤颗c天井相鄰墻面一般開有門洞且有鏤空花格窗裝飾，并用油紙糊窗，內(nèi)部通透，夏季通風(fēng)效果較好。但隨著氣候影響及使用時(shí)間的延續(xù)，板材之間的拼合縫隙越來越大，氣密性越來越差，室外冷空氣從縫隙進(jìn)入到內(nèi)部空間，致使其保溫性能大幅度地下降。

2 研究對象概況

研究對象是位于安徽省黟縣盧村的一處古民居，名為述理堂，又稱稚翠堂，始建于清朝早期，是一座典型的四合屋式古民居(見圖1)，房屋與連廊圍合形成“回”字天井，連廊設(shè)有隔扇，四周屋檐均向天井內(nèi)部傾斜，雨水流經(jīng)屋檐并最終落入天井內(nèi)設(shè)置的明溝之中，呈現(xiàn)出“四水歸堂”的形式。

圖1 述理堂鳥瞰圖 圖2 述理堂首層平面示意圖

3 測試及分析

3.1 測試時(shí)間及儀器

本次測試時(shí)間為2019年12月8日上午8時(shí)00分至12月9日上午8時(shí)00分，測試期間天氣晴朗有微風(fēng)，建筑處于自然通風(fēng)狀態(tài)。測試選用儀器為便攜式溫濕度電子記錄儀和熱球式風(fēng)速儀，分別對入口處、庭院、門廳、天井及廳房的溫度、相對濕度及風(fēng)速進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)測，儀器距離地面垂直高度為1.0 m，測點(diǎn)布置如圖2所示。

3.2 測試方法及結(jié)果

每個(gè)測點(diǎn)的溫度及相對濕度記錄間隔為5 min，每個(gè)時(shí)段的溫度及相對濕度值取該時(shí)段測定所有數(shù)據(jù)的平均值，通過對現(xiàn)場24 h的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，其結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 冬季民居室內(nèi)外溫度曲線 圖4 冬季民居室內(nèi)外空氣相對濕度曲線

(1)溫度。對述理堂內(nèi)所設(shè)5個(gè)測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，各測點(diǎn)空氣溫度值對比如表1所示。由表1可知，室外空氣溫度變化幅度較大，日較差大約為12 ℃，最高溫度出現(xiàn)在下午14點(diǎn)的1號測點(diǎn)民居的入口處，溫度為13.9 ℃，最低溫度出現(xiàn)在上午4點(diǎn)的1號測點(diǎn)民居的入口處，溫度為1.8 ℃。室內(nèi)空氣溫度相較于室外空氣溫度而言，變化幅度較小，日較差大約為8.5～9.4 ℃，最高溫度出現(xiàn)在位于門廳的3號測點(diǎn)，時(shí)間大約是下午15點(diǎn)，溫度為12.7 ℃，最低溫度同樣出現(xiàn)在3號測點(diǎn)(門廳)的上午6點(diǎn)左右，溫度為3.3 ℃。位于廳房的5號測點(diǎn)溫度日較差約為8.5 ℃，均小于溫度波動，與處在入口處及庭院的1號及2號測點(diǎn)相比較，其波動振幅較小。

表1 民居各測點(diǎn)空氣溫度值對比

通過對測試數(shù)據(jù)分析整理發(fā)現(xiàn)，同樣位于室外條件下，1號測點(diǎn)(入口)空氣溫度最高值高于2號測點(diǎn)(庭院)及4號測點(diǎn)(天井)，其主要原因是受不同的下墊面以及建筑遮擋的影響。三者溫度日較差最小處為4號測點(diǎn)(天井)，約10℃，主要原因是天井下部由于白天受到相鄰建筑物的互相遮陰,吸收到的太陽輻射較入口及庭院處要少，導(dǎo)致其溫度低于二者，夜間受相鄰建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)不斷向外散熱的影響，導(dǎo)致其空氣溫度略高于其他室外空間；位于室內(nèi)的3號測點(diǎn)(門廳)及5號測點(diǎn)(廳房)二者空氣溫度最高值低于室外，夜間空氣溫度受圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱作用及熱惰性的影響，其室內(nèi)溫度最低值高于室外，且溫度最低值出現(xiàn)的時(shí)間較室外空間要延遲1～2 h左右，溫度變化波幅小于室外。

(2)相對濕度。各測點(diǎn)空氣相對濕度值對比如表2所示。由表2可知，室外空氣相對濕度變化范圍大約在42%～83%之間，最低值出現(xiàn)在位于民居入口處的1號測點(diǎn)，時(shí)間大約在下午14點(diǎn)左右，相對濕度為42.4%；最高值出現(xiàn)在位于庭院處的2號測點(diǎn)，時(shí)間大約在上午5點(diǎn)左右，相對濕度為82.1%，二者空氣相對濕度日較差分別為37.6%和39.2%。位于室內(nèi)空間的門廳及廳房內(nèi)部的3號測點(diǎn)及5號測點(diǎn)，空氣相對濕度變化范圍大約在45%～76%之間，相對濕度日較差小于室外空間的1號、2號及4號測點(diǎn)，分別為20.5%和16.2%。

表2 民居各測點(diǎn)空氣相對濕度值對比

通過對測試數(shù)據(jù)分析整理發(fā)現(xiàn)，民居室內(nèi)外各點(diǎn)空氣濕度變化趨勢基本一致，室外相對濕度波動規(guī)律與溫度波動規(guī)律相反，即溫度越高,相對濕度越低；門廳及廳房的室內(nèi)空氣相對濕度日較差相較于室外空間的入口及庭院而言，變化幅度較小，空氣相對濕度絕大部分時(shí)間都大于60%，室內(nèi)整體感覺比較陰冷潮濕；天井作為室內(nèi)外空間的過渡空間，其空氣相對濕度變化幅度相較于入口和庭院而言要小，空氣相對濕度日較差為22.5%。

(3)風(fēng)速。室內(nèi)外風(fēng)速測點(diǎn)布置及記錄間隔與溫濕度測點(diǎn)一致，對民居室內(nèi)外風(fēng)速分布及平均風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，測試期間天氣晴朗，民居入口及庭院相對開闊，對流及通風(fēng)效果較好，平均風(fēng)速分別為1.1 m/s和0.8 m/s；門廳常年處于開敞狀態(tài)，平均風(fēng)速為0.6 m/s；天井內(nèi)部平均風(fēng)速為0.2 m/s；廳房由于受到墻面開口面積較小，且溫度低于室外空氣溫度的影響，風(fēng)壓和熱壓通風(fēng)效果都不理想，室內(nèi)平均風(fēng)速為0.1 m/s，部分時(shí)段出現(xiàn)了無風(fēng)靜止?fàn)顟B(tài)?？傮w來看，由于徽州民居平面布局通常比較緊湊，天井在冬季建筑室內(nèi)外自然通風(fēng)上的改善效果并不明顯，建筑內(nèi)部通風(fēng)效果不夠理想，尤其是主要使用空間通風(fēng)狀況堪憂。

表3 民居各測點(diǎn)風(fēng)速分布及平均風(fēng)速

總體來看，徽州地區(qū)冬季室外溫度較低，空氣相對濕度較大，建筑布局緊湊，建筑相互遮擋影響較大，外部形式封閉，且天井在冬季改善室內(nèi)外通風(fēng)方面作用不明顯，導(dǎo)致房間內(nèi)部通風(fēng)條件不理想，室內(nèi)空氣溫度低且相對濕度較高，室內(nèi)潮濕陰冷，居住環(huán)境不甚理想[3]。

針對上述問題，通?？梢圆扇∫韵氯N方式來改善徽州傳統(tǒng)民居的室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量。首先，提高徽州傳統(tǒng)民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能，根據(jù)保溫構(gòu)造形式墻體可以選取外保溫、內(nèi)保溫或者是夾心保溫的形式，屋頂可以在不改變原有基礎(chǔ)構(gòu)造形式的基礎(chǔ)上選用保溫性能較好的材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的苫被層，以提高其保溫性能[4]；其次，提高門窗的氣密性，如在入口處加設(shè)門斗、采用高性能的玻璃等方式減少冬季冷風(fēng)滲透帶來的熱量流失；最后，可以對天井進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。前面兩種措施在改造過程中因施工需要及涉及面較廣的問題，均對民居日常生活產(chǎn)生不同程度的影響，而天井的優(yōu)化改造過程均被限制在特定的區(qū)域內(nèi)，因此對居民影響較小，施工方便，可以廣泛推廣。因此，著重從天井優(yōu)化改造方面進(jìn)行闡述。

4 天井優(yōu)化設(shè)計(jì)

天井是由四棟房屋、三棟房屋和一面墻體，或者兩棟房屋和兩面墻體組成的中部空間，通常位于民居的前部和后部[5]。天井按照圍合構(gòu)成形式可分為“一”字天井和“回”字天井。前者多見于三合屋式古民居建筑，一般由三面房屋和一面圍墻圍合而成，后者多見于四合屋式古民居，主要由四面房屋或連廊圍合而成。天井四周屋面均向內(nèi)傾斜并設(shè)置挑檐，雨水通過挑檐落入天井底部明溝或水池，形成“四水歸堂”之勢[6]。

天井的空間開放程度介于庭院完全開放與室內(nèi)的完全封閉之間，它被周邊建筑及墻體所環(huán)繞，且周邊主要使用房間均設(shè)有面向天井的窗戶，使得天井與室內(nèi)空間緊密聯(lián)系，而面向外部空間的墻體多采用封閉形式或者開口較小，室內(nèi)空間的通風(fēng)、采光等只能借助天井與外部環(huán)境相聯(lián)系。天井作為民居室內(nèi)外空間的過渡緩沖區(qū)域，能夠有效減緩室外環(huán)境對室內(nèi)的影響。

4.1 不同季節(jié)下天井的作用

(1)夏季。夏季白天，一方面可以利用狹窄天井的遮陽作用，減少太陽輻射得熱，降低室內(nèi)空氣溫度；另一方面徽州民居的天井底部均設(shè)有明溝或者水池及布置少量植物，可以利用水體蒸發(fā)和植物蒸騰作用，有效降低天井底部溫度，從而改善局部微環(huán)境。夏季夜晚，天井主要利用夜間熱壓通風(fēng)作用，將臨近的室內(nèi)多余熱量和水分帶走，從而降低室內(nèi)空氣溫度和相對濕度。利用天井改善民居夏季室內(nèi)熱環(huán)境的做法被國內(nèi)外學(xué)者實(shí)測研究所證實(shí)。Kubota T[7]等通過對位于馬來西亞地區(qū)唐人街房屋的建筑室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測研究發(fā)現(xiàn)，天井底部水體蒸發(fā)和植物蒸騰作用能夠有效帶走室內(nèi)部分多余熱量；黃志甲[8]等通過對傳統(tǒng)民居馀慶堂的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，在夏季夜間，室內(nèi)高溫空氣通過天井口流向室外,在庭院及廳堂前后門均關(guān)閉的情況下,室外的空氣一部分通過廳堂前后門縫隙進(jìn)入室內(nèi)，另一部分通過天井進(jìn)入室內(nèi)，天井既是出風(fēng)口也是入風(fēng)口，與開敞天井臨近的廳堂及廂房通風(fēng)降溫效果明顯，同時(shí)帶走大量室內(nèi)濕氣。

(2)過渡季節(jié)。在過渡季節(jié)時(shí)可以充分利用通風(fēng)來改善室內(nèi)熱環(huán)境，從通風(fēng)原理上可以分為熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)。白天當(dāng)處于無風(fēng)或者風(fēng)速較小的狀態(tài)時(shí)，天井主要利用熱壓通風(fēng)，因天井高寬比較大，呈現(xiàn)出狹窄的“井”式空間特點(diǎn)。白天天井上部空氣受到太陽直接輻射的影響，空氣溫度較高，底部受到建筑物遮擋，接收到的太陽輻射較少，空氣溫度較低，天井內(nèi)部空氣形成溫差，上部熱空氣上升，底部形成負(fù)壓區(qū)，天井內(nèi)部空氣呈現(xiàn)由下向上的流動模式，周邊房間的空氣便需不斷進(jìn)行補(bǔ)充，從而形成室內(nèi)外的循環(huán)通風(fēng)。陳曉揚(yáng)[9]通過實(shí)測數(shù)據(jù)表明某典型徽州傳統(tǒng)民居在過渡季節(jié)時(shí)白天天井下的溫度比室外明顯低，從而能有效降低廂房和正廳的白天溫度。天井內(nèi)溫度呈垂直狀分布，井上與井下平均溫差3 ℃，最高溫差可達(dá)10 ℃，說明狹小天井通過遮陽降溫效果明顯。

(3)冬季?；罩莸貐^(qū)地處夏熱冬冷地區(qū)，冬季陰冷潮濕，對述理堂冬季天井及廳堂空間的實(shí)測數(shù)據(jù)整理及分析可以發(fā)現(xiàn)，位于開敞空間的庭院處平均風(fēng)速為0.8 m/s，天井內(nèi)部風(fēng)速則明顯下降，平均風(fēng)速只有0.2 m/s，且與廳房內(nèi)部的空間溫度相差不大，天井利用熱壓和風(fēng)壓產(chǎn)生的通風(fēng)效果不明顯。而居民在冬季仍保有開窗習(xí)慣，冬季冷風(fēng)不斷進(jìn)入室內(nèi)，且墻體保溫性能不佳，導(dǎo)致室內(nèi)空氣溫度下降，同時(shí)濕氣無法有效排出，從而使得室內(nèi)熱環(huán)境舒適度降低。由此可見，天井在冬季反而成為了營造舒適民居室內(nèi)熱環(huán)境的不利因素。

4.2 天井優(yōu)化改造方法

從天井在不同季節(jié)的作用可以看出，在夏季及過渡季節(jié)，可以利用天井的遮陽及通風(fēng)作用來調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境舒適度，而冬季則需避免因開放的天井帶來的冷風(fēng)影響。針對這一特點(diǎn)，可以對天井頂部或周邊加設(shè)可控制開啟的玻璃頂棚或者幕墻，可開啟洞口要保證一定的面積且洞口位置應(yīng)有利于通風(fēng)組織，以便滿足不同季節(jié)的需要。在夏季及過渡季節(jié)頂棚或隔墻保持開啟狀態(tài)以便組織通風(fēng)。冬季則保持關(guān)閉狀態(tài),一方面可以有效減少冷風(fēng)進(jìn)入，從而減少能耗損失；另一方面可以利用封閉天井空間，發(fā)揮溫室效應(yīng)，提高空氣溫度。此外，玻璃材質(zhì)對采光影響較小。

(1)加設(shè)玻璃頂棚。頂部采用玻璃頂棚進(jìn)行封閉，常見做法是在天井頂部周邊屋檐上加設(shè)一定高度的鋼構(gòu)架玻璃天窗，天窗可以采用多種形式，如平天窗、鋸齒形天窗、梯形天窗等。封閉后的天井可以作為室內(nèi)空間的擴(kuò)展和延續(xù)，擴(kuò)大居住者的活動空間，但因剛構(gòu)架自重大，對周邊檐口的結(jié)構(gòu)剛度有一定要求，當(dāng)剛度不滿足要求時(shí)還需要加設(shè)附屬支撐構(gòu)件[10]。

(2)加設(shè)玻璃幕墻。沿天井四周檐口位置設(shè)置玻璃幕墻，并在幕墻適當(dāng)位置留有一定可開啟的窗洞口，將天井與室內(nèi)空間完全分隔。夏季，窗口處于開啟狀態(tài)，以便利用天井通風(fēng)降溫；冬季，窗口處于關(guān)閉狀態(tài)，減少冷風(fēng)進(jìn)入，減少室內(nèi)熱量流失。優(yōu)點(diǎn)是對原有結(jié)構(gòu)剛度沒有附加要求，且施工難度系數(shù)較低，同時(shí)對民居原有風(fēng)貌影響較小[10]。

5 結(jié)語

隨著我國新農(nóng)村建設(shè)的不斷發(fā)展和推進(jìn)，傳統(tǒng)建筑所蘊(yùn)含的地域文化內(nèi)涵及技術(shù)精髓也被廣泛認(rèn)識。通過對傳統(tǒng)建筑的深入研究，對傳統(tǒng)材料和技術(shù)賦予新生命，并在現(xiàn)代建筑的發(fā)展中得以應(yīng)用和延續(xù)，弘揚(yáng)了中國傳統(tǒng)文化的同時(shí)也有利于實(shí)現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展。