熱濕氣候盆地區(qū)域民居不同尺度中庭夏季熱環(huán)境實(shí)測(cè)與分析

蒙泳君，何 江，趙雪秀，邱均沐，黃南雄

(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，以及國(guó)家對(duì)鄉(xiāng)村居民生活品質(zhì)的關(guān)注，居住環(huán)境是否舒適溫馨將會(huì)是今后需要關(guān)注的焦點(diǎn)，因此近年對(duì)如何滿足居民對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境需求的研究也越來(lái)越多[1-2]。在民居住宅設(shè)計(jì)中，中庭是其常用的空間設(shè)計(jì)手法。中庭空間營(yíng)造了與室外環(huán)境既隔離又融合的環(huán)境氛圍，其不僅可承載較多建筑內(nèi)部的公共活動(dòng)，而且可調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)的微熱環(huán)境[3]，甚至還有療養(yǎng)作用[4]。在不同的氣候區(qū)，會(huì)形成適應(yīng)于該氣候的中庭尺度。在夏季炎熱的南方，為了避免過(guò)量的太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內(nèi)，通常采用的中庭寬高比[進(jìn)深尺度(D)與高度(H)的比例]小于1∶1的天井式空間手法；在寒冷的北方，為了使室內(nèi)可接收更多的溫暖陽(yáng)光，通常采用的中庭寬高比大于1∶1的院落式空間手法。因而，中外學(xué)者對(duì)其空間尺度及其熱環(huán)境的研究一直是研究的熱點(diǎn)。段忠誠(chéng)等[3]基于適應(yīng)性模型理論分析了天井式中庭對(duì)徽州民居夏季室內(nèi)環(huán)境的影響。Martinelli等[5]在意大利氣候條件下，分析了不同中庭空間尺度及其高寬比在冬季和夏季分別對(duì)其熱環(huán)境的影響狀況，并得出適宜該氣候條件下的中庭尺度。Nasrollahi等[6]采用實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬的手段分析在干熱氣候區(qū)，不同圍合方式和不同尺度下的中庭空間對(duì)其微熱環(huán)境效果的影響。Soflaei等[7]分析了伊朗傳統(tǒng)建筑的中庭空間的尺寸比例對(duì)其微熱環(huán)境的影響，并推薦適宜在伊朗氣候地區(qū)發(fā)展的中庭空間尺度模型。Ghaffarianhoseini等[8]采用數(shù)值模擬分析方法，分析在馬來(lái)西亞濕熱氣候條件下，中庭在不同形式下的熱環(huán)境分布特征。Almhafdy等[9]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)軟件模擬分析了馬來(lái)西亞的濕熱氣候條件，在中庭空間不同的高寬比和是否遮陽(yáng)的情況下熱環(huán)境的分布特征，獲知能更好適應(yīng)馬來(lái)西亞濕熱氣候條件下的中庭尺度模型。Kubota等[10]采用實(shí)測(cè)的方法來(lái)分析在馬來(lái)西亞濕熱氣候下，傳統(tǒng)中式商鋪中不同尺度中庭空間的熱環(huán)境分布特征。

從以上已有研究成果可知，中庭的尺度會(huì)影響其微熱環(huán)境的調(diào)節(jié)效果，因而在某一特定氣候條件下應(yīng)有適應(yīng)于該氣候條件的中庭尺度模型。由于現(xiàn)今很少有相關(guān)研究關(guān)注在炎熱高濕少風(fēng)的內(nèi)陸盆地?zé)釢駳夂驐l件下，探討適應(yīng)于該地域氣候的中庭空間尺度模型，以使中庭能達(dá)到良好的微環(huán)境調(diào)節(jié)作用。因此，現(xiàn)先對(duì)處于熱濕氣候盆地區(qū)域的廣西東南部民居進(jìn)行中庭空間的尺度測(cè)繪分析，然后選取典型尺度的中庭進(jìn)行熱環(huán)境實(shí)測(cè)研究，以獲知不同尺度中庭的熱環(huán)境分布特征，進(jìn)而探討能適應(yīng)于該氣候條件的中庭空間形式及其高寬尺度，從而為該地區(qū)的建筑中庭尺度設(shè)計(jì)提供參考，并為該地區(qū)中庭空間熱舒適的改善提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)閺V西東南部的玉林市興業(yè)縣榜山村，其位于夏季高溫濕熱的內(nèi)陸盆地地帶。以候(5 d為一候)的平均氣溫穩(wěn)定在22 ℃以上時(shí)為夏季的氣候劃分方式來(lái)分析，該地區(qū)的夏季長(zhǎng)達(dá)半年(圖1)，氣候特征為炎熱、高濕、少風(fēng)，屬于夏熱冬暖氣候。榜山村所處的地形為西北高東南低，村落中的民居是順著山嶺的坡度而建，為坐西北朝東南向。為緩解夏季室外的炎熱高濕少風(fēng)氣候，該村落民居多采用四面房間圍合的中庭形式，有多種不同寬高尺度的中庭空間，為選取不同尺度的中庭空間作為研究對(duì)象提供了樣本。

圖1 玉林市典型年主要?dú)庀髤?shù)及舒適區(qū)分析

1.2 研究方法

根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)中的規(guī)定，可以選取夏季中的典型晴天日進(jìn)行民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境的測(cè)量[11]。因而，選取了2019年夏季典型晴天日9月22日和9月23日進(jìn)行實(shí)測(cè)。

由于在夏季最影響居民活動(dòng)的是白天時(shí)段，特別是10:00—17:00，在這時(shí)段居民通常在庭院、廳堂等公共區(qū)域活動(dòng)。因而，研究及評(píng)價(jià)該時(shí)段中庭區(qū)域的熱環(huán)境及熱舒適狀況會(huì)更有意義。

實(shí)測(cè)的參數(shù)有空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速，各參數(shù)使用的測(cè)試儀器的性能如表1所示。按照《建筑熱環(huán)境測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 347—2014)中的規(guī)定[12]，空氣溫濕度、風(fēng)速的測(cè)試點(diǎn)高度為距離地面1.1 m。空氣溫濕度參數(shù)采用每5 min自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)，風(fēng)速采用每小時(shí)手動(dòng)記錄一次，一次連續(xù)讀取6個(gè)風(fēng)速數(shù)據(jù)。各儀器在測(cè)試前進(jìn)行了校核，保證了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表1 實(shí)測(cè)儀器

為掌握不同尺度中庭之間的熱環(huán)境差異情況，對(duì)實(shí)測(cè)的空氣溫度數(shù)據(jù)采用四分位差方法進(jìn)行分析。首先對(duì)氣溫?cái)?shù)據(jù)按從小到大的順序排列后，然后分成四等分，分別為下四分位數(shù)(Q1)，中位數(shù)(Q2)，上四分位數(shù)(Q3)，最后運(yùn)用箱型圖來(lái)分析識(shí)別與剔除異常值，從而降低異常值對(duì)不同寬高比中庭之間存在的熱環(huán)境差異的干擾，可直觀呈現(xiàn)出不同尺度中庭之間的熱環(huán)境差異[13]。

在評(píng)價(jià)不同尺度中庭的熱舒適狀況時(shí)，將各中庭的空氣溫濕度參數(shù)導(dǎo)入Ecotect軟件中，來(lái)分析適宜該區(qū)域的適應(yīng)性模型尺度，同時(shí)討論熱舒適改善時(shí)應(yīng)采用的策略。

2 中庭尺度分析及實(shí)測(cè)對(duì)象

2.1 中庭尺度分析

為了獲知在熱濕氣候內(nèi)陸盆地區(qū)域常采用的中庭尺度，測(cè)繪了榜山村20棟民居，并對(duì)測(cè)繪民居中的26個(gè)中庭進(jìn)行空間尺度的分析(表2)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于中庭的開間面闊(L)基本相近于廳堂的面闊，通常各民居之間的廳堂面闊較為相近，因而中庭的開間面闊(L)尺寸較為相近，大多數(shù)在4.5～5.0 m，變化范圍較小。但是，中庭高度(H)和進(jìn)深寬度(D)的尺度則會(huì)有較大差異(圖2)。H最低為2.5 m，最高為5.4 m，其中多數(shù)的中庭高度處于3.2～4.2 m。H<4 m的有13個(gè)，H>4 m的有13個(gè)，說(shuō)明該地區(qū)民居的圍合中庭的南側(cè)建筑多為一層或兩層。D多數(shù)在2.1～3.7 m，D<3 m的有15個(gè)，可知該地區(qū)的中庭多數(shù)采用進(jìn)深寬度較小的方式。

表2 榜山村民居中庭空間的尺度分析

從圖2(b)可知，中庭寬高比(D∶H)多數(shù)在1∶2～1∶1，這樣的中庭空間有19處，約占73%。D∶H相近于1∶2比例的中庭空間有13處。D∶H≥1∶1的中庭空間有9處，最大D∶H為2∶1。這反映了在夏長(zhǎng)冬短、且夏季炎熱高濕的氣候條件下，該地區(qū)的民居中庭大多數(shù)采用的是“天井式”的設(shè)計(jì)手法。

圖2 榜山村民居的中庭空間尺度及其占比分析

2.2 實(shí)測(cè)對(duì)象概況

從2.1節(jié)的中庭尺度分析可知，D∶H基本在1∶2～2∶1。由于榜山村傳統(tǒng)民居建筑都采用青磚灰瓦材料，中庭地面用青磚鋪墊，因而在L尺度較為相近的情況下，影響中庭熱環(huán)境的主要因素為其寬高尺度。為此，在D∶H為1∶2～2∶1，分別選取不同尺度的中庭空間為實(shí)測(cè)對(duì)象。

選取實(shí)測(cè)對(duì)象的原則分兩個(gè)方向：一是選取D∶H尺度相對(duì)相差較大的，獲知在不同高寬比尺度下，中庭空間的熱環(huán)境分布情況。由此，在9月22日，選取了D∶H為1∶2、1∶1.4、1.3∶1、2∶1的中庭為實(shí)測(cè)對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表3所示；二是選取高寬比相對(duì)相近、但高寬尺度有些差距的中庭空間進(jìn)行實(shí)測(cè)，獲知在相近D∶H下，不同尺度的中庭空間的熱環(huán)境分布情況。由此，在9月23日，選取了D∶H為1∶2、1∶1.1、1∶1、1.3∶1、1.5∶1的中庭為實(shí)測(cè)對(duì)象，結(jié)果如表3所示。實(shí)測(cè)對(duì)象的各測(cè)點(diǎn)均分布于中庭空間的中心，并在2 d里分別分為A、B、C、D 4組同時(shí)進(jìn)行。與此同時(shí)，在該村村口空曠、無(wú)遮陽(yáng)處，設(shè)置室外氣象參考點(diǎn)，以獲知無(wú)中庭影響下室外氣象狀況。

表3 實(shí)測(cè)的中庭及測(cè)點(diǎn)分布

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 室外氣象參數(shù)

9月22日—23日的室外氣象監(jiān)測(cè)如圖3所示。從圖3可知，在10:00—17:00，榜山村的室外氣溫幾乎在30 ℃以上，最高氣溫可至36 ℃以上，平均氣溫為33 ℃左右，較為炎熱；空氣相對(duì)濕度范圍在55%～75%，屬于高濕狀況；村落室外風(fēng)速為小于1.5 m/s的弱風(fēng)狀態(tài)。由此可知，處于內(nèi)陸盆地的熱濕氣候地區(qū)，夏季的白天較為炎熱，且少風(fēng)悶熱。同時(shí)，這兩天的室外氣象也較為相近，為對(duì)比這兩天實(shí)測(cè)對(duì)象的熱環(huán)境狀況提供了一定的可比性。

圖3 實(shí)測(cè)日的室外氣象狀況

3.2 不同尺度中庭的熱環(huán)境實(shí)測(cè)結(jié)果分析

不同尺度中庭的空氣溫濕度實(shí)測(cè)如圖4所示。從圖4可知，在11：00—16:00時(shí)段，中庭有著較為明顯的調(diào)節(jié)作用。在中午時(shí)刻，寬高比越大的中庭空間，其氣溫與室外無(wú)遮陽(yáng)環(huán)境參考點(diǎn)的氣溫越相近，特別是院落式中庭(D11、D12、D21、D22)；在12:00—14:00的中午時(shí)段，中庭的氣溫與無(wú)遮陽(yáng)參考室外氣溫已較為相近，可高至35 ℃。而寬高比為1∶2的天井式中庭(A11、B11、A21)，可在白天各時(shí)段均維持較為穩(wěn)定的熱環(huán)境，氣溫可維持在30 ℃左右，最多可比室外氣溫低6 ℃左右。

圖4 實(shí)測(cè)中庭的空氣溫濕度逐時(shí)變化

通過(guò)采用四分位差方法進(jìn)行分析后的結(jié)果如圖5所示，在9月22日的實(shí)測(cè)中可知，如圖5(a)所示，在高寬比尺度相對(duì)相差較大的情況下(如A11、C11、D12、D11測(cè)點(diǎn)的中庭空間)，寬高比越大的中庭，氣溫的Q1值和Q3值則會(huì)越高。其中，寬高比為1∶2的天井式中庭的氣溫(A11和B11)會(huì)較寬高比為2∶1的院落式中庭(D11)低了2.7 ℃以上，比室外氣溫低4～6 ℃。

在9月23日的實(shí)測(cè)中，如圖5(b)所示，在寬高比相近的情況下(如B21、B22、C21、D22測(cè)點(diǎn)的中庭空間)，寬度越大，中庭的氣溫會(huì)越高。結(jié)合圖4(a)和圖4(b)兩天的實(shí)測(cè)結(jié)果可知，中庭的寬高比小于1∶1，均對(duì)室外炎熱的氣候環(huán)境有著較為明顯的調(diào)節(jié)效果。當(dāng)中庭的寬高比小于1∶1，且其寬度小于 3 m，則氣溫的Q1值會(huì)低于30 ℃(如A11、B11、C11、A21)，會(huì)有更顯著的調(diào)節(jié)效果；當(dāng)中庭的寬高比小于1∶1，而寬度大于3 m，則氣溫的Q1值會(huì)高于 30 ℃，則調(diào)節(jié)效果相對(duì)不佳。

圖5 不同尺度中庭的氣溫分布分析

綜上可知，在熱濕氣候盆地區(qū)域，當(dāng)中庭的D∶H=1∶1且其D<3 m時(shí)，對(duì)夏季室外炎熱的氣候有較為明顯的調(diào)節(jié)效果。其中，D∶H=1∶2的天井式中庭，則會(huì)營(yíng)造出更加穩(wěn)定且相對(duì)舒適的熱環(huán)境，其氣溫比室外氣溫低4～6 ℃，是較為適應(yīng)于該氣候區(qū)的民居中庭尺度模型。

4 不同尺度中庭的氣候適應(yīng)性分析

由于研究對(duì)象位于夏季較長(zhǎng)且炎熱、高濕、少風(fēng)的熱濕氣候盆地區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆谙臒岫瘹夂騾^(qū)，且實(shí)測(cè)的民居為自然通風(fēng)建筑，使用人群對(duì)室內(nèi)高濕熱環(huán)境具有較強(qiáng)的熱適應(yīng)性，參照《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)中對(duì)非人工冷熱源建筑的評(píng)價(jià)，需采用適應(yīng)性熱舒適理論來(lái)討論實(shí)測(cè)中庭空間的熱舒適狀況[11]。

可以基于適應(yīng)性熱舒適模型(adaptive model, AM)用Ecotect軟件來(lái)創(chuàng)建熱舒適范圍，以分析出不同尺度中庭的熱適應(yīng)狀況。在夏熱冬暖地區(qū)，可采用公式Tn=10.578+0.554To,m來(lái)創(chuàng)建熱舒適區(qū)的界限，其中Tn為中性溫度，To,m為該月室外平均溫度[14]。將實(shí)測(cè)期間記錄的不同尺度中庭的空氣溫濕度數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ecotect軟件中，可生成具有逐點(diǎn)分布數(shù)據(jù)的焓濕圖(圖6)。從圖6可知，在炎熱高濕少風(fēng)的室外氣象條件下，會(huì)造成各實(shí)測(cè)中庭空間都處于高溫、高濕的環(huán)境，熱舒適感覺均不宜接受。由于室外風(fēng)環(huán)境為小于1.5 m/s的弱風(fēng)狀態(tài)，圍合式的中庭空間則更難以有舒適的氣流。那么，在該地區(qū)的中庭熱環(huán)境設(shè)計(jì)中，還需考慮一定的熱舒適性改善措施，才能更好地滿足現(xiàn)代人的舒適性需求。如：可采用吊扇或壁扇增大氣流，通過(guò)增大氣流為 2 m/s 即可使寬高比為1∶2的天井式中庭內(nèi)人體的熱舒適感覺為舒適。由此，通過(guò)一定的熱舒適改善措施，寬高比為1∶2的天井式中庭還是比寬高比大于1∶1的院落式中庭更適宜熱濕氣候區(qū)。

圖6 不同尺度中庭空間的氣候適應(yīng)性分析

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)熱濕氣候區(qū)廣西東南部民居不同尺度中庭進(jìn)行夏季熱環(huán)境的實(shí)測(cè)與氣候適應(yīng)性分析，得到了以下結(jié)論。

(1)經(jīng)實(shí)測(cè)分析民居中庭空間的寬高尺度，可知絕大多數(shù)中庭空間的寬高比在1∶2～1∶1，其中有73%的中庭空間寬高比小于1∶1。由此可知，在熱濕氣候地區(qū)，民居中庭普遍采用天井式設(shè)計(jì)。

(2)在熱濕氣候盆地區(qū)域，寬高比為1∶2的天井式中庭可營(yíng)造室內(nèi)較為穩(wěn)定且相對(duì)舒適的熱環(huán)境，其氣溫比室外氣溫低4～6 ℃。因此，寬高比為1∶2的天井式中庭更適宜熱濕氣候盆地區(qū)域。

(3)在熱濕氣候區(qū)的中庭尺度設(shè)計(jì)上，寬高比不宜大于1∶1，且當(dāng)中庭的進(jìn)深寬度不超過(guò)3 m時(shí)，中庭會(huì)有較為明顯的熱環(huán)境調(diào)節(jié)效果。

(4)由于炎熱高濕的室外氣候，加上室外風(fēng)環(huán)境本身較弱，中庭空間是難以形成有效對(duì)流的風(fēng)環(huán)境。因而，在內(nèi)陸少風(fēng)悶熱的熱濕盆地區(qū)域，中庭空間的熱舒適性設(shè)計(jì)上，還需采用主動(dòng)式熱調(diào)節(jié)方式，才能獲得更好的舒適性。