貴州山地對(duì)移民合院夏季室內(nèi)熱環(huán)境影響研究＊

楊真靜

合院民居是我國傳統(tǒng)建筑類型中分布最廣、最具影響力的組織形式之一，蘊(yùn)含了樸素的生態(tài)營建智慧[1]。由于其特殊的平面形制，多發(fā)源于東部平原地帶[2]，通過明清時(shí)期的移民運(yùn)動(dòng)傳到了貴州。貴州多山地，衍生出大量具有地域特色的山地合院民居。鎮(zhèn)遠(yuǎn)古城是貴州省歷史文化名城，其民居形式來源于徽式民居，是山地合院民居的典型代表[3]。

目前已有大量研究探討東部平原地區(qū)的合院民居生態(tài)經(jīng)驗(yàn)，如對(duì)影響庭院風(fēng)環(huán)境的四合院最佳寬長高比及室溫差異的研究[4]；對(duì)安徽省涇縣查濟(jì)村徽派民居，在夏季室外溫度較高的情況下，是否仍具有良好室內(nèi)熱舒適環(huán)境的研究[5]。這些研究有利于人們了解合院民居的氣候適應(yīng)能力，從中提取經(jīng)驗(yàn)以指導(dǎo)現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)。東部平原地區(qū)也存在少量山地合院民居，部分學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，如通過對(duì)北京爨底古村下的典型民居實(shí)測(cè)與模擬，研究山地合院民居生態(tài)代價(jià)及生態(tài)適應(yīng)效率[6-7]。

現(xiàn)有研究多聚焦原鄉(xiāng)的合院民居，對(duì)貴州合院民居的研究是對(duì)這一類型民居的補(bǔ)充。當(dāng)平原的合院來到貴州山地，其建筑形態(tài)為適應(yīng)貴州的氣候特征發(fā)生了變化，但目前缺乏對(duì)這一適應(yīng)性變化的研究。這一研究將有助于更全面地了解山地合院民居蘊(yùn)含的綠色營建理念，從中提取山地高差處理方式，以此豐富山地民居適地設(shè)計(jì)研究策略，為現(xiàn)代山地既有建筑和新建建筑的綠色設(shè)計(jì)提供參照。

本研究以貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)典型山地合院民居傅家大院為研究對(duì)象，在夏季典型日對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析其室內(nèi)熱環(huán)境，探究貴州山地高差在夏季對(duì)民居室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

1 移民運(yùn)動(dòng)影響下貴州合院的山地特色

貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)古城是典型的移民城市，移民帶來的合院民居與當(dāng)?shù)氐拿缂业跄_樓相融合，形成了獨(dú)特的山地合院民居。受貴州山地影響，民居在建筑形態(tài)上進(jìn)行了優(yōu)化。建筑平面上，仍為以庭院為中心的合院形式，不再追求坐北朝南和對(duì)稱布局，而是依據(jù)地形、道路走向、風(fēng)水等設(shè)計(jì)入口位置和空間布局。建筑剖面上，以盡可能少地改變山地環(huán)境為原則，通過在不同的高度上平整出各個(gè)平臺(tái)以建設(shè)不同的院落，解決了高差的問題[8]。這種逐級(jí)而上的方式，也帶來了更好的采光和日照，加強(qiáng)了室內(nèi)外通風(fēng)（圖1）。

1 鎮(zhèn)遠(yuǎn)山地合院民居微氣候示意

鎮(zhèn)遠(yuǎn)古城背靠石屏山，舞陽河從谷底穿過[9]（圖2），地勢(shì)南北高、中間低，河谷縱橫，山巒重疊。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，冬季無寒，夏無涼，日照少，雨量充沛。建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)屬夏熱冬冷IIIC區(qū)，應(yīng)滿足保溫、隔熱的設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)調(diào)自然通風(fēng)、遮陽設(shè)計(jì)[10]。

研究選取兩進(jìn)式合院民居傅家大院為研究對(duì)象（圖3），該民居為百年前江西商人傅氏移民至鎮(zhèn)遠(yuǎn)所建家宅，現(xiàn)由傅氏兩位老人居住。整座建筑依山而建、坐北朝南。兩進(jìn)院落沿地形依次抬高，分別落于三個(gè)臺(tái)地，前院抬高1.6m，后院抬高1.2m，建筑內(nèi)部高差共2.8m（圖4）。建筑外墻由8m高、400mm厚的石砌馬頭墻圍合，內(nèi)墻為全杉木結(jié)構(gòu)。

研究采取實(shí)測(cè)和軟件模擬相結(jié)合的方法：首先測(cè)量典型民居主要熱環(huán)境參數(shù)，統(tǒng)計(jì)位于不同標(biāo)高院落的熱環(huán)境分布；進(jìn)而基于經(jīng)過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的模型，模擬山地高差對(duì)傳統(tǒng)民居夏季室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

測(cè)試方法參照《建筑熱環(huán)境測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/ T347-2014）[11]制定。2021年7月15日17:00至7月18日10:00（共4日），對(duì)傅家大院室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。由于四合院左右對(duì)稱，主要測(cè)試點(diǎn)布置于左側(cè)和中軸線，包括位于一進(jìn)的書房和二進(jìn)的主臥、后房以及位于中軸的堂屋和前后院。測(cè)量參數(shù)主要包含室外溫濕度、風(fēng)速，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外壁面溫度以及房間內(nèi)部空氣溫度、濕度、地面溫度、黑球溫度。主要使用儀器見表1，詳細(xì)測(cè)點(diǎn)位置見圖4，測(cè)試間隔為每10min自動(dòng)記錄一次。軟件模擬設(shè)置了3種高差變化工況，采用COMSOL Multiphysics軟件模擬民居室內(nèi)外風(fēng)場(chǎng)，以及Design Builder軟件模擬民居室內(nèi)外溫度場(chǎng)。

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 室外氣象

測(cè)試期間高溫多雨，據(jù)當(dāng)?shù)鼐用穹从?，測(cè)試期間的室外天氣符合當(dāng)?shù)氐牡湫蜌庀筇卣?。其中?5日、17日為晴天；16日夜間有雨（圖5），氣溫降低約1℃，濕度急劇上升達(dá)到飽和；17日早上轉(zhuǎn)晴，氣溫逐漸升高，相對(duì)濕度明顯下降。3天平均太陽輻射量為179W/m2，最高值達(dá)923W/m2。測(cè)試期間溫度相對(duì)穩(wěn)定，室外最高氣溫為40℃，最低氣溫為23℃，平均氣溫為28.5℃。

2.2 室內(nèi)熱環(huán)境分析

研究對(duì)室外、堂屋、主臥室、書房溫度的逐時(shí)變化進(jìn)行測(cè)試（圖6），其中室外溫度變化幅度最大，為17.5℃；室內(nèi)溫度較為穩(wěn)定，受室外溫度變化影響較小。對(duì)比各房間低于28℃的時(shí)長占比，堂屋比值最大，為47.2%；對(duì)比各房間平均溫度，堂屋溫度最低，為26.6℃。分析認(rèn)為，由于堂屋兩邊開敞，連接前后院，形成穿堂風(fēng)，所以平均溫度較低，更為舒適。對(duì)比位于一進(jìn)的書房和二進(jìn)的主臥，二者平均溫度均為27.0℃；對(duì)比低于28℃的時(shí)長占比，主臥為33.3%，大于一進(jìn)書房的29.2%，主臥舒適度略高于書房。

后院抬高1.2m，導(dǎo)致主臥室北墻靠山。為探究依靠山體這一因素對(duì)室內(nèi)溫度的影響，將該房間依靠山體的北墻和不依靠山體南墻的壁面溫度與室內(nèi)空氣溫度（圖7）進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)南墻的壁面溫度與室內(nèi)空氣溫度相近，但北墻壁面溫度明顯低于室內(nèi)空氣溫度，最大差值達(dá)3.5℃，全天吸收室內(nèi)熱量，可見后院高差引起的依靠山體這一因素具有明顯的冷源作用。

2.3 庭院熱環(huán)境分析

2 鎮(zhèn)遠(yuǎn)古鎮(zhèn)剖面圖

3 實(shí)測(cè)民居建筑風(fēng)貌

4 傅家大院平剖面及測(cè)點(diǎn)位置

前后兩院分別有1.6m和1.2m的高差，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前后院夜間溫度接近，但日間溫度后院明顯低于前院（圖8）。以16日為例，在12:00-16:00時(shí)段最熱，最高溫差達(dá)3.1℃。比較庭院太陽輻射與室外風(fēng)速（圖9），風(fēng)速與輻射量表現(xiàn)出明顯相關(guān)性，太陽輻射量與室外風(fēng)速在同一時(shí)間點(diǎn)達(dá)到最大值，與山地脊谷風(fēng)的規(guī)律[12]相符。比較室外風(fēng)速與前后院風(fēng)速，前院風(fēng)速明顯大于后院，后院平均風(fēng)速為0.11m/s，基本處于微風(fēng)或無風(fēng)狀態(tài)。

表1 儀器參數(shù)表

綜合來看，前后院風(fēng)速差與溫差變化在時(shí)間上具有同步性，在室外溫度達(dá)到最高時(shí)，風(fēng)速越大，室內(nèi)溫度越高；室外溫度越高，風(fēng)速差帶來的降溫效果越明顯。比較前后庭院空間形態(tài)，前院開敞，后院相對(duì)封閉，后院熱環(huán)境優(yōu)于前院，可能的原因?yàn)榻邮盏奶栞椛漭^少或前后院高差帶來的風(fēng)速影響，但準(zhǔn)確原因還需進(jìn)一步探究。

3 模擬分析

按照研究對(duì)象建立模型，采用3種對(duì)比方式，6種工況，分別改變前院高差、后院高差和抬高級(jí)數(shù)（表2）。針對(duì)上述6種工況，分別通過COMSOL Multiphysics軟件模擬風(fēng)場(chǎng)和Design Builder軟件模擬熱環(huán)境。

3.1 風(fēng)場(chǎng)模擬

選用湍流k—ε(spf)穩(wěn)態(tài)方程模擬計(jì)算，根據(jù)典型年氣象數(shù)據(jù)，模擬風(fēng)向確定為南風(fēng)，夏季風(fēng)速取最大風(fēng)速均值V=1.5m/s，室內(nèi)墻體為無滑移速度、絕熱邊界。將3種對(duì)比工況進(jìn)行模擬計(jì)算，依據(jù)建筑中軸線1-1剖面，分析風(fēng)速場(chǎng)分布（表3）。研究發(fā)現(xiàn)：1）隨著前院高差的增大，前院風(fēng)速逐漸降低，最大風(fēng)速從1.01m/s降至0.87m/s，后院風(fēng)速變化不明顯，難以在堂屋形成穿堂風(fēng)；2）改變臺(tái)階級(jí)數(shù)后發(fā)現(xiàn)，2級(jí)抬高的情況下，堂屋內(nèi)部形成穿堂風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)1.05m/s，后院風(fēng)速也隨之增大，最大風(fēng)速達(dá)0.61m/s；3）改變后院高差，前院、堂屋、后院風(fēng)速變化均不明顯，后院高差對(duì)建筑內(nèi)部風(fēng)環(huán)境影響不大。

3.2 熱模擬

將測(cè)試的氣象參數(shù)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱物性參數(shù)[13-14]作為已知條件（表4），模擬分析上述3種高差的變化對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。人員密度和活動(dòng)時(shí)間見表5，室內(nèi)通風(fēng)方式為自然通風(fēng)。將實(shí)測(cè)2021年7月16日至7月18日（共3天）的氣象數(shù)據(jù)（干球溫度、露點(diǎn)溫度、濕度、風(fēng)速、太陽輻射）寫入典型氣象年epw天氣文件，對(duì)比主臥7月17日模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度（圖10）。所得結(jié)果在趨勢(shì)上一致，最大差值為1.0℃，最小差值為0.1℃，平均值相差0.3℃，方差為0.1，擬合效果較好，證明該建模方法與參數(shù)設(shè)置可行。

表2 三種模擬工況設(shè)定明細(xì)

表3 剖面風(fēng)速場(chǎng)分布

5 室外逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)

6 室內(nèi)外溫度變化箱型圖

7 壁面溫度比較

8 庭院逐時(shí)溫度曲線

9 太陽輻射和庭院風(fēng)速逐時(shí)曲線

10 模擬驗(yàn)證溫度曲線

采用典型氣象年epw天氣文件，模擬7月溫度變化，對(duì)比1-1剖面4個(gè)空間平均空氣溫度（表6）。研究發(fā)現(xiàn)：1）隨著前院高差增加，前院平均溫度降低0.9℃，堂屋平均溫度變化不大，但波幅減小，日溫差降低3.8℃，后院和后屋溫度變化不明顯；2）抬高2級(jí)和抬高1級(jí)相比，后屋日溫差變化最大，降低2.5℃；3）隨著后院高差增加，前院溫度變化不明顯，后院平均溫度變化最明顯，降低0.6℃，日溫差降低1.9℃。堂屋和后屋平均溫度變化不大，但日溫差分別降低了5.7℃和2.6℃。

對(duì)比3種工況主臥的平均溫度（圖11），前院高差對(duì)主臥溫度幾乎無影響，后院高差對(duì)依靠山體的主臥溫度影響最大，后院高差越大，主臥溫度降低越多。在原模型基礎(chǔ)上，改變后院高差分別為0m、0.6m、1.2m、1.8m、2.6m，模擬主臥7月平均溫度，得到回歸曲線（圖12），主臥溫度和后院高差為強(qiáng)負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為—0.94，線性回歸系數(shù)為—0.34。

3.3 山地高差對(duì)合院熱環(huán)境影響機(jī)理分析

鎮(zhèn)遠(yuǎn)合院式民居依山傍水，夏季白天山谷風(fēng)盛行[14]，風(fēng)在白天從河邊山谷吹向山坡，風(fēng)速較高，風(fēng)溫較低。涼風(fēng)從大門和二層閣樓進(jìn)入前院，遇到前院1.6m高差后，風(fēng)速降低，向內(nèi)回流，在前院形成蝸旋風(fēng)場(chǎng)（圖13）。前后院都有高差的情況下，更易形成堂屋穿堂風(fēng)并吹入后院，風(fēng)速逐漸減小。風(fēng)在后院遇到1.2m高差，形成風(fēng)速極低的回流風(fēng)場(chǎng)。

11 主臥溫度變化統(tǒng)計(jì)圖

12 后院高差和主臥溫度回歸分析

表4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)置

表5 人員作息模式和活動(dòng)時(shí)間

表6 剖面平均空氣溫度箱型圖

山地高差對(duì)合院熱環(huán)境影響示意

溫度方面，后院溫度變化主要受山體冷輻射影響。后院背靠山體，均為石砌墻，蓄熱能力強(qiáng)，熱容量大，白天升溫慢，溫度較低，對(duì)靠山的主臥產(chǎn)生冷輻射。后院高差和主臥溫度呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)，后院高差越大，主臥平均溫度越低。

綜合風(fēng)場(chǎng)和熱模擬情況，前院高差雖然降低了前院風(fēng)速，但在前院形成了回流風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)在前院停留時(shí)間更久，前院平均溫度略有降低。后院高差未使后院風(fēng)速增大，其平均溫度降低的主要原因?yàn)橐揽可襟w造成的冷輻射。前院風(fēng)速大于后院而溫度高于后院，可能的原因?yàn)榍霸洪_敞，后院相對(duì)封閉，前院受到較多太陽輻射。當(dāng)前后院有兩級(jí)高差時(shí)，堂屋有穿堂風(fēng)，但堂屋外表面受到太陽輻射的面積也隨之增大，因此平均溫度無明顯下降，但日溫差降低，熱穩(wěn)定性升高。

綜上所述，山地高差促使鎮(zhèn)遠(yuǎn)合院民居利用山谷風(fēng)，增強(qiáng)堂屋的穿堂風(fēng)，山體穩(wěn)定的熱工性能提升了前后院的熱穩(wěn)定性，且山體的冷輻射對(duì)依靠山體的房間降溫效果明顯，在不借助主動(dòng)設(shè)備調(diào)控的情況下，更利于營造較舒適的夏季室內(nèi)熱環(huán)境。

4 結(jié)論

通過對(duì)鎮(zhèn)遠(yuǎn)山地合院民居夏季室內(nèi)熱環(huán)境的實(shí)測(cè)和模擬，得到以下結(jié)論。

（1）鎮(zhèn)遠(yuǎn)山地合院民居受地形高差影響，形成前后院逐級(jí)而上的布局，前院風(fēng)速、溫度均高于后院，室內(nèi)熱環(huán)境較舒適。

（2）前院高差降低了前院風(fēng)速，但在前院形成回流風(fēng)場(chǎng)；后院高差對(duì)后院風(fēng)環(huán)境無明顯影響；前后院均有高差的情況下，通風(fēng)效果最佳，此時(shí)風(fēng)更易進(jìn)入室內(nèi)，在堂屋形成穿堂風(fēng)，后院風(fēng)速相對(duì)增大。

（3）山體穩(wěn)定的熱工性能提升了前后院的熱穩(wěn)定性。模擬得出：前院高差增加至2.8m，前院平均溫度降低0.9℃，日溫差降低3.8℃；后院高差增加至2.6m，后院平均溫度降低0.6℃，日溫差降低1.9℃。山體對(duì)室內(nèi)溫度的影響主要針對(duì)依靠山體的主臥，其平均溫度和后院高差為強(qiáng)負(fù)相關(guān)，線性回歸系數(shù)為—0.34。

圖片來源

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