白族傳統(tǒng)合院民居立體緩沖空間對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境影響研究＊

楊真靜 李宇鋒 熊珂 程燦華 田雨

中國(guó)云南省大理自治州是白族文化的發(fā)祥地，受到中原文化與當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境、人文地理等多重因素的影響，這里逐漸形成了獨(dú)具特色的白族民居建筑群。大理地區(qū)至今保存的漢式白族合院民居是一種中原漢文化與大理本土文化相結(jié)合、演化再創(chuàng)造的產(chǎn)物，在白族民居中占有十分重要的地位。

目前對(duì)白族傳統(tǒng)民居和緩沖空間的研究已經(jīng)取得一定成果，主要包括文脈起源、營(yíng)建方法與構(gòu)造做法、熱環(huán)境方面，其中對(duì)緩沖空間研究尚少。高婧對(duì)環(huán)洱海白族民居院落類型進(jìn)行了梳理并對(duì)其氣候適應(yīng)性進(jìn)行探討；錢肖樺研究了白族民居中的檐廊結(jié)構(gòu)功能，得出緩沖空間對(duì)室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)具有重要作用；肖毅強(qiáng)提出“氣候空間”的概念，對(duì)嶺南民居中的“通廊+天井”空間熱緩沖作用進(jìn)行研究；孫超法從太陽(yáng)和自然通風(fēng)兩方面對(duì)緩沖空間設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究；肖冰就不同緩沖空間類型對(duì)室內(nèi)外環(huán)境空間性能的調(diào)控作用進(jìn)行研究；陳旻對(duì)熱緩沖空間的建筑節(jié)能作用進(jìn)行了研究?？梢钥闯觯瑢?duì)白族民居的緩沖空間研究相對(duì)薄弱，多停留在定性分析，缺少量化數(shù)據(jù)支撐。

本文以大理喜洲古鎮(zhèn)典型白族三坊一照壁合院民居為研究對(duì)象，對(duì)其緩沖空間進(jìn)行剖析，并提出民居的“立體緩沖空間”的概念，即在水平與豎直方向緩沖空間聯(lián)合作用下，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生影響。

1 地理氣候?qū)ㄖ挠绊?/h2>

1.1 地理氣候特點(diǎn)

大理自治州位于云南省西部，地處云貴高原和橫斷山脈的結(jié)合部位，境內(nèi)山地占70%，水域和壩區(qū)各占15%，地勢(shì)西北高、東南低，地貌復(fù)雜多樣。喜洲古鎮(zhèn)位于大理古城以北18km處，東鄰洱海，西枕蒼山，是重要的白族聚居區(qū)，這里保留著最多、最好的白族民居建筑群。大理在低緯度和高原地形的共同作用下形成了低緯度高原季風(fēng)氣候，四季不分明，全年溫差不大，平均氣溫在12～18℃之間；日溫差較大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)列，6月最熱，1月最冷；干濕季分明，每年5—10月為雨季；地貌復(fù)雜，海拔高差懸殊，氣候垂直差異顯著。

1.2 氣候?qū)ㄖ挠绊?/h3>

大理在氣候分區(qū)中屬于溫和地區(qū)，一般認(rèn)為這里四季如春，氣候適宜，建筑無(wú)需過(guò)多處理就可實(shí)現(xiàn)舒適宜居的室內(nèi)環(huán)境。但實(shí)際上，獨(dú)特的氣候?qū)ㄖ杂胁焕绊?，具體表現(xiàn)為：

（1）日溫差較大。從多年氣候數(shù)據(jù)看，這一地區(qū)雖然全年溫差僅為11.4℃，但早晚溫差顯著，平均日溫差為13.1℃，導(dǎo)致白天和晚上室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，影響室內(nèi)熱穩(wěn)定性。

（2）太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈。大理海拔1 969～2 000m，使得白天太陽(yáng)輻射極強(qiáng)，年均太陽(yáng)總輻射5 799MJ/m（圖1），年均日照時(shí)數(shù)2 227.5h。太陽(yáng)輻射使圍護(hù)結(jié)構(gòu)升溫，給室內(nèi)帶來(lái)較強(qiáng)的溫度波動(dòng)。

（3）風(fēng)速較大。大理地處低緯度，冬季溫和，但特殊的地形及地理位置導(dǎo)致風(fēng)速較大，環(huán)洱海地區(qū)年均風(fēng)速為2.4m/s，下關(guān)鎮(zhèn)年均風(fēng)速可達(dá)4.1m/s，影響著居住環(huán)境的舒適性。

1.3 建筑的應(yīng)對(duì)策略——厚墻+緩沖空間

獨(dú)特的地形和氣候不斷對(duì)當(dāng)?shù)孛窬舆M(jìn)行重塑，建筑逐漸向著適應(yīng)氣候的方向發(fā)展。千百年來(lái)的建造智慧積累沉淀于建筑中，賦予了白族民居應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻木G色適用的生態(tài)營(yíng)造策略。形式豐富的氣候緩沖空間，是白族民居對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻姆e極響應(yīng)。喜洲古鎮(zhèn)現(xiàn)存的漢式合院民居形式多樣，三坊一照壁是最普遍的布局形式。由三個(gè)坊及一面照壁組成，坊與坊之間形成天井與院落，院落與坊之間又以檐廊相隔（圖2）。這種靈活多變的空間布局，使得緩沖空間成為民居的重要組成部分，發(fā)揮著氣候緩沖作用。民居每坊兩層，一層為居住空間，二層為祭祀空間；外圍一般為夯土厚墻，密實(shí)敦厚，抵御室外氣候波動(dòng)；朝向內(nèi)院的墻體則為輕薄通透的木板壁，將光熱引入室內(nèi)。這時(shí)緩沖空間充當(dāng)中介，將經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的室外氣候送進(jìn)室內(nèi)，彌補(bǔ)輕薄墻體的缺陷。

根據(jù)所處位置不同，緩沖空間分為水平緩沖空間與豎向緩沖空間（圖3），水平緩沖空間與使用空間同處一層，直接與室外相接，主要由庭院、天井和檐廊組成，由庭院大空間逐漸過(guò)渡到檐廊小空間；位于二層的祭祀房間在豎向上成為了使用空間的保護(hù)層，緩沖室外氣候，成為豎向緩沖空間。水平與豎向緩沖空間包圍著居住空間，共同抵御室外氣候，將室內(nèi)氣候調(diào)節(jié)到舒適的狀態(tài)。

2 研究對(duì)象與方法

為分析民居緩沖空間對(duì)當(dāng)?shù)厝諟夭畲蟆⑤椛鋸?qiáng)烈、風(fēng)速較大等不利氣候的應(yīng)對(duì)機(jī)理，本文選取喜洲白族三坊一照壁合院某典型民居為對(duì)象進(jìn)行熱環(huán)境實(shí)測(cè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其適應(yīng)性技術(shù)進(jìn)行量化分析。

2.1 研究對(duì)象

該典型民居尹宅位于喜洲古鎮(zhèn)東部邊緣，距離洱海2.3km，院子坐西朝東，位于蒼山洱海之間的平壩上，背山面水（圖4,5）；建造于民國(guó)時(shí)期，基本保留著傳統(tǒng)民居完整的結(jié)構(gòu)和材料，目前有兩戶人家居住于此（圖6-8）。建筑外墻為600mm厚夯土，內(nèi)墻采用60mm厚木板，圍護(hù)結(jié)構(gòu)信息如表1所示。

2.2 研究方法

本文通過(guò)數(shù)據(jù)分析與實(shí)地調(diào)研相結(jié)合的方法，以實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)為支撐對(duì)白族合院民居緩沖空間的熱環(huán)境影響機(jī)制進(jìn)行解析。實(shí)驗(yàn)于2021年7月10日—2021年7月14日進(jìn)行，測(cè)量參數(shù)包括室內(nèi)外溫濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、壁面溫度和黑球溫度，測(cè)量?jī)x器每間隔10min記錄一次（表2）。

表1 建筑構(gòu)造做法及熱工性能

表2 測(cè)量?jī)x器信息

1 大理地區(qū)年均太陽(yáng)輻射

2 三坊一照壁布局

3 水平與豎向緩沖空間

4 白族民居布局

5 尹宅現(xiàn)狀

6 尹宅一層平面圖

7 尹宅二層平面圖8 尹宅剖面圖

3 緩沖空間對(duì)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)作用

3.1 水平緩沖空間

白族民居中院落檐廊在水平方向充當(dāng)著緩沖氣候的角色。從圖9、10所示緩沖空間與部分室內(nèi)空間的溫度變化情況可以看出，室外溫度波幅最為劇烈達(dá)18.5℃，到庭院空間降為13.4℃，最高溫度和最低溫度分別下降4.2℃和0.9℃，天井的降溫作用次之。由庭院到檐廊，波幅降低到8.9℃，將室外最高溫和最低溫調(diào)節(jié)為7.7℃和1.6℃。到室內(nèi)后，一層房間平均溫度波幅收窄到3.9℃，最高溫度與最低溫度與室外差值為9.8℃和2.4℃。

從圖10可以看出，最低溫度與最高溫度走勢(shì)相反，高溫時(shí)段從室外到一樓臥室溫度逐漸降低，而在低溫時(shí)段從室外到一樓臥室溫度逐漸升高，緩沖空間不僅在白天減少了傳入室內(nèi)的熱量，在晚上還可以減少室內(nèi)熱量的傳出，從而使較大的晝夜溫差波動(dòng)在室內(nèi)趨于穩(wěn)定。

為進(jìn)一步剖析緩沖空間的效果和作用機(jī)制，以臥室一為研究對(duì)象，其南側(cè)墻（600mm夯土墻）直接受到室外氣候的影響，北側(cè)墻（60mm木板）無(wú)太陽(yáng)直接輻射，僅受到經(jīng)過(guò)緩沖空間作用后的空氣溫度影響，室外氣候經(jīng)庭院過(guò)檐廊到室內(nèi)。兩面墻體采用了不同的解決方式，最終效果體現(xiàn)在內(nèi)表面溫度上，最高溫平均值比較接近，都能降低室外溫度峰值10℃左右，降峰效果僅相差1.2℃，但緩沖空間側(cè)墻的溫度波動(dòng)是夯土墻內(nèi)表面的2倍（圖11,12）。

臥室一南北兩側(cè)與室外氣候相接的兩面墻體根據(jù)所處位置不同，選擇不同的技術(shù)措施來(lái)滿足功能需求。外圍夯土墻展現(xiàn)出強(qiáng)大的降峰穩(wěn)溫效果，而南側(cè)的木板壁墻雖材料熱性能差，但通過(guò)緩沖空間達(dá)到了接近的降峰效果，且滿足通透的空間需求，真正體現(xiàn)出建造的智慧。

3.2 豎向緩沖空間

通常，白族民居二層做用于祭祀和放置雜物，不做居住使用，這就成為一層在豎向上的緩沖空間。同樣選擇臥室一的豎向溫度分布進(jìn)行分析，剖面由上至下溫度逐漸降低，室外空氣溫度平均值為27.2℃，經(jīng)過(guò)屋面瓦層、二層空氣、一層頂面，最后到一層空氣，溫度降低到23.7℃，降溫3.5℃（圖13）。由上到下呈現(xiàn)明顯溫度梯度，越往下溫度越穩(wěn)定，波動(dòng)越小。從室外空氣到一層頂面溫度波幅縮小到室外的1/7，僅為2.5℃，溫度峰值較室外低12.1℃，一方面因?yàn)樵娇拷孛?，受夏季冷輻射越?qiáng)，另一方面經(jīng)二層房間緩沖，白天由屋頂傳入的熱輻射衰減明顯（圖14），很好地減少室外熱量傳入一層房間，從而讓一層溫度峰值和波幅大大降低。

3.3 連續(xù)時(shí)段下緩沖空間對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用

為了綜合衡量立體緩沖空間對(duì)居住房間夏季降溫的效果，將測(cè)試的三天作為連續(xù)變化時(shí)段來(lái)分析，取各部位溫度最高的5個(gè)小時(shí)來(lái)比較。7月12日最熱時(shí)段（11:00～16:00）室外平均溫度較前日升高5.9℃，7月13日繼續(xù)升高1.7℃；豎向緩沖空間最熱時(shí)段（14:00～19:00）12日升溫3℃，13日升溫1℃；水平緩沖空間中庭院（13:00～18:00）和檐廊（14:00～19:00）在12日和13日分別升溫3.9、1.3℃和2.8、1.0℃，而一層房間（正坊堂屋）最高溫度時(shí)段（15:00～20:00）這兩日僅升溫1.9℃和0.5℃（圖15）?？梢缘贸鍪彝鉁囟让可?℃，豎向緩沖空間升溫約0.5～0.6℃，庭院和檐廊分別升溫0.7～0.8℃和0.5～0.6℃，居住空間升溫約0.3℃，是豎向空間和水平空間的一半。也就是說(shuō)，室外氣候經(jīng)過(guò)緩沖空間可以實(shí)現(xiàn)約70%的降溫效果。

9 不同房間溫度對(duì)比10 不同位置溫度波動(dòng)幅度11 水平緩沖空間作用機(jī)制

12 臥室一墻體內(nèi)表面溫度13 豎向溫度對(duì)比14 豎向緩沖空間作用機(jī)制

臥室一頂面溫度最高時(shí)段（16:00～21:00）平均值7月12日比前日升溫1.45℃，7月13日升溫0.45℃；北側(cè)墻溫度最高時(shí)段（15:00～20:00）平均值7月12日升溫1.71℃，7月13日升溫0.49℃。可以看出室外溫度每升高1℃，頂面升溫約0.26℃，北側(cè)墻升溫0.29℃，豎向緩沖空間與水平緩沖空間緩沖效果幾乎相同，豎向緩沖效果稍強(qiáng)。

4 緩沖空間對(duì)風(fēng)速的調(diào)節(jié)作用

大理地區(qū)多風(fēng)，白族民居水平緩沖空間相互聯(lián)通，這在一定程度上有利于建筑內(nèi)部空氣的流通。通過(guò)測(cè)試天井、檐廊以及室外的風(fēng)速變化，從圖16中可以看出，檐廊和天井風(fēng)速變化很?。ㄏ噍^于室外和庭院），即使在室外風(fēng)速很小的情況下依然有風(fēng)存在，且兩者風(fēng)速變化趨勢(shì)一致，天井風(fēng)速增大，檐廊風(fēng)速往往也隨之變大，即具有一定聯(lián)動(dòng)性。

為了驗(yàn)證兩者在通風(fēng)方面的相關(guān)性，計(jì)算天井和檐廊風(fēng)速得到相關(guān)系數(shù)IrI=0.85，表示相關(guān)性極強(qiáng)，而室外風(fēng)速與天井、檐廊相關(guān)性系數(shù)分別為0.52和0.55，相關(guān)性弱。這說(shuō)明白族合院民居具有較好的防風(fēng)性能，天井和檐廊通風(fēng)聯(lián)系緊密，天井在夏季通過(guò)熱壓形成通風(fēng)，再通過(guò)檐廊進(jìn)行聯(lián)動(dòng)通風(fēng)，改善建筑內(nèi)部的風(fēng)環(huán)境（圖17）。

5 研究結(jié)論

白族合院民居緩沖空間不僅為居民生活提供了多元化空間，更為民居的熱環(huán)境營(yíng)造創(chuàng)造了諸多有利條件。本文結(jié)合夏季室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)，對(duì)白族傳統(tǒng)三坊一照壁合院民居緩沖空間熱環(huán)境營(yíng)造機(jī)制進(jìn)行定量化分析，并解析緩沖空間對(duì)建筑熱環(huán)境的調(diào)節(jié)機(jī)制，得出以下結(jié)論：

（1）白族合院民居體現(xiàn)出優(yōu)秀的建造智慧，為營(yíng)造居住空間的舒適性，根據(jù)不同功能需求采取適宜技術(shù)，厚墻+立體緩沖空間的做法能降峰約10℃，降低溫度波幅14.6℃，院落/天井和檐廊組成的水平緩沖空間降峰效果接近夯土墻，穩(wěn)溫效果為夯土墻的一半。

（2）白族合院民居緩沖空間在夏季能有效減少室外熱量進(jìn)入居住房間，降溫約70%，豎向緩沖空間效果稍強(qiáng)于水平緩沖空間。

（3）白族合院民居外側(cè)圍合緊密，緩沖空間天井和檐廊在夏季具有穩(wěn)定的風(fēng)環(huán)境，且檐廊連通坊間天井形成通風(fēng)廊道，利用熱壓通風(fēng)來(lái)改善內(nèi)部風(fēng)環(huán)境。

15 不同空間逐日升溫情況

16 室外和緩沖空間風(fēng)速對(duì)比

17 緩沖空間聯(lián)動(dòng)通風(fēng)

＊ 本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“基于多元文化的西部地域綠色建筑模式與技術(shù)體系”（2017YFC072400）之課題“西南多民族聚居區(qū)綠色建筑模式與技術(shù)體系”（2017YFC0702403）資助。

1來(lái)源于www.solargis.cn/imaps

2-4,6-17作者自繪

5作者自攝

表1,2作者自繪