天井對徽州傳統民居室內熱環境影響

李 娟

合肥學院建筑工程系，安徽 合肥230601

0 引 言

現階段針對徽州傳統民居中天井的建筑美學及構造研究已十分成熟，對室內熱環境影響因素的討論也很全面[1-7].但是從建筑物理環境方向展開天井對室內熱環境貢獻的研究卻非常少.針對室內熱環境的研究方法以測試室內溫濕度及風速為主，由于測試結果包含的影響因子有限，并不能對室內熱環境的優劣進行充分評價.考慮傳統測試方法的局限性，選用PMV(Predicted Mean Vote)-PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)指標為評價依據，分析天井對室內熱舒適度的調節效果.而天井的基本構成是產生熱壓通風效應的關鍵：天井口多為建筑屋面圍合而成，是天井系統接受太陽輻射熱的主要構件；天井四壁由建筑外墻及面向天井側的房屋隔斷構成；天井底通常由青石條鋪筑而成，下部與地面直接連接或設排水系統，使天井底部始終保持較低的溫度.天井上下部分形成的自然溫差，結合建筑平面布置格局，可以顯著提高建筑室內的自然通風、調節溫濕度.從而在炎熱的夏季改善建筑室內熱舒適度，提高居住環境質量.

1 徽州地區氣候特征

徽州地處北亞熱帶地區，受地帶性因素影響，氣候呈現濕潤性季風氣候特征，四季分明，年平均氣溫15～16 ℃，冬無嚴寒.年平均降水量1 670 mm，最高達2 700 mm，降水多集中于五月至八月.由于徽州地區夏季無炎熱，但濕度高風速低，提高其室內熱環境舒適感的有效方式應以通風除濕為主.

2 天井的平面形式

結合建筑平面布局及建筑總體量的大小，天井的平面組合形式多樣.單體建筑中僅有一個天井的平面形式，稱為獨立天井.獨立天井的主要形式可概括為以下兩類：“凹”字形(由三面房屋、一面圍墻圍合而成)和“回”字形(由四面房屋圍合而成).由兩個及以上獨立天井組合形成的平面形式，稱為組合天井.兩個“凹”字形天井背對相接形成類似大寫字母“H”的組合天井；一個“凹”字形天井與一個“回”字形天井的組合，則形成“日”字形[1].

多樣的天井形式不僅營造出豐富的徽州民居建筑空間，獨特的細部構造處理，更使天井兼具通風、隔熱、采光、賞景等多重功能，在科學技術尚不發達的年代為古徽州居民提供了舒適的居住環境，彰顯出徽州傳統民居建造者們巧妙的構思、嫻熟的技藝以及對生活的熱愛.

3 天井的通風降溫原理

在建筑熱工學中，利用通風使室內空氣溫度下降，人體周圍空氣流速增加，提高人體散熱及皮膚表面汗液蒸發的降溫方式，稱為通風降溫.其中利用自然因素形成的空氣流動，稱為自然通風.徽州傳統民居在建造時，電氣設備尚未普及，古徽州工匠利用天井空間結合自然因素，創造出獨特的“煙囪效應”，通過空氣熱壓形成自然通風.

“煙囪效應”適用于室外風速較小而室內外溫差大的情況.徽州地區夏季室外溫度高、風速低，為熱壓通風降溫提供了良好的自然條件.天井上部開口受太陽直接輻射，溫度高；其底部不受太陽直射，得熱少.天井頂部空氣受熱后密度降低從而向上運動，使底部形成負壓區，在壓差作用下底部空氣不斷上升，天井四周房屋內溫度高的空氣則會源源不斷地涌入天井內，對底部空氣進行補充，從而形成自然通風(圖1)[2].熱壓通風效果主要取決于室內外空氣溫度差以及上下通風口的高度差，可用空氣熱壓及通風量來衡量.

圖1 熱壓作用形成的自然通風

熱壓的計算公式[2]為：

ΔP=gH(ρe-ρt)≈0.043H(ti-te)

(1)

通風量的計算公式為：

(2)

(3)

4 天井對夏季室內熱環境影響實測

室內熱環境是由溫度、濕度、氣流及皮面輻射等多項因素綜合形成的微氣候，對建筑使用者的生活、工作、健康產生直接的影響.組成室內熱環境的因素眾多，且具有綜合性和相互補償性，很難采用單一指標對室內熱環境進行衡量及評價.丹麥技術大學的房格爾教授所提出的PMV-PPD評價指標較為全面的反映出室內熱環境各組成因素之間的客觀關系.國際標注化組織在此基礎上制定出《適中的熱環境——PMV與PPD指標的確定及熱舒適條件的確定》(IS07730).本次測試即采用該標準對天井影響夏季室內熱環境的效果進行評測.

4.1 測試原理

ISO7730標準對建筑熱環境進行評價所運用的“PMV-PPD指標” 推薦值為：PMV值在-0.3到+0.3之間，PPD<10%.該指標綜合考慮人體活動程度、衣服熱阻(衣著情況)、空氣溫度、空氣濕度、平均輻射溫度、空氣流動速度6項因素.以滿足人體熱平衡方程為條件，通過主觀感覺試驗確定出的絕大多數人的冷暖感覺等級(表1).

表1 PMV熱感覺標尺

ISO7730標準中用來描述人體對室內熱環境的熱舒適度主要由以下3種方式：預計平均投票數PMV、預測不滿意百分數PPD、氣流風險DR(Draught Rating).DR用以描述人體特定部位的熱舒適度.PMV及PPD用以描述整個人體的熱舒適度，是研究建筑室內熱環境的常用方式.該方式綜合考慮影響人體熱感覺6因素之間的耦合關系，得出PMV計算公式(4)[4].計算結果對比PMV感覺標尺，對被研究對象的熱環境優劣進行評價.

PMV=(0.303e-0.0365M+0.028){(M-W)-

3.05×10-3×[5733-6.99(M-W)-ρa]-0.42×

[(M-W)-58.15]-1.7×10-5M(5867-ρa)-

0.0014M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4+

4.2 測試點概況及布置

本次測試對象為徽州地區一棟較為典型的“一屋一井”式民居建筑.該建筑建造于清朝嘉慶年間.建筑平面布局簡單緊湊，立面為大面積實墻上開少量窗洞口，室內采用當地產杉木作為裝飾隔斷.建筑入口處的“凹”字形天井是整棟建筑的主要通風及采光口.該民居由兩層正室及一層夾層組成：一層為堂屋、臥室及偏廳，圖2(a)；二層為書房、臥室，圖2(b)；夾層層高較矮，用于農務倉儲，圖2(c).

圖2 測試居民平面圖

通過對比相同室外熱環境及測試條件下，同一棟建筑中距離天井位置不同的兩處房間的PMV數值，對天井的通風降溫效果進行評價.測試點分別選取靠近天井的一樓堂屋及遠離天井的二樓書房,圖2(a)、圖2(b).

測試時間為七月(徽州地區最熱月)十五日下午2:00至6:30.當天室外天氣為多云轉雷陣雨，微風.全天室外溫度均低于30 ℃(圖3)，屬于夏季的舒適溫度；相對濕度在90%上下浮動，晚間10點左右更是接近100%(圖4).盡管當天室外氣溫不高，但是相對濕度過高，在自然界的微風條件下，空氣中多余的水分無法被及時帶走，易使人產生悶熱潮濕的不舒適感.測試儀器為INNOVA 1221 ，該儀器共有4個輸入模塊及12個測試探頭，在使用備用電池的情況下可連續工作18 h；最短測量時間間隔為十分之一秒，測試數據及計算指數最終以圖表形式在聯接計算機后直接導出.本次測試以評價熱舒適度為主，選用的輸入模塊為“舒適度模塊UA1276”，共使用6枚探頭對測試點的人體活動程度、衣服熱阻(衣著情況)、空氣溫度、空氣濕度、平均輻射溫度、空氣流動速度6項因素進行測試和設定，從而得出測試點PMV值變化情況.

圖3 溫度變化圖

圖4 相對濕度變化圖

圖5 總輻射強度變化圖

4.3 測試結果分析

一樓堂屋(測點一)的測試時間段為下午2:00至4:00，該時間段的太陽輻射量(圖5)及溫度(圖3)都是當天最高，相對濕度(圖4)也處于較高階段.二樓書房(測點二)的測試時間段為下午4:30至6:30，該時間段的太陽輻射量逐漸降低，溫度也隨之明顯下降，相對濕度為當天最低.單純對比當天氣候因素，測點二的太陽輻射強度、溫度及濕度均顯著低于測點一，按常理推測測點二的熱舒適度應高于測點一.但是兩點的PMV值實際測試結果卻與推測相反：靠近天井處的測點一PMV值維持在2.0，對應的熱感覺為“暖”(圖6)遠離天井處的測點二PMV值在2.5上下，對應熱感覺介于“暖”、“熱”之間(圖7).實測熱舒適度是測點一明顯高于測點二，充分體現出天井對室內熱環境的調節作用.天井的“熱壓通風”帶走了室內的熱空氣，降低溫度；同時帶走空氣中多余的水分，有效降低相對濕度.由于測試當天太陽的輻射強度不高，導致天井上部溫度沒有明顯升高，天井內部上下溫差并未達到理想值.若室外云量少、太陽輻射強度大，天井的“煙囪效應”將更加顯著，對室內熱環境的調節效果也更加優越.

圖6 測點一PMV值

圖7 測點二PMV值

5 結 語

對比測試點的環境溫度及濕度：測試點一的溫度及濕度均顯著高于測試點二，按傳統理論推斷結果為測試點一的熱環境較測試點二不舒適.但是選取綜合考慮影響人體熱舒適度六要素的評價指標PMV為測試值，對遠離天井及靠近天井處的房間分別進行測試.結果顯示測試點一的PMV值較測試點二更為接近舒適值.造成該結果的最主要原因即測試點一靠近天井，直接受天井的調節影響.在環境溫度高、濕度大且微風的情況下，天井利用熱壓通風原理增大周邊房間的通風，降低室內溫濕度，提高室內環境的熱舒適度.

致 謝

本項目受合肥學院2014年度科研發展基金支持,合肥工業大學饒永副教授為本研究提供了設備支持及理論指導，在此一并致謝.

[1] 程極悅.徽州古建筑發展概述[J].安徽建筑,1999 (1):36-38.

CHEN Ji-rui. Overview of Huizhou ancient architecture development [J]. Anhui Architecture,1999 (1):36-38.(in Chinese)

[2] 柳孝圖.建筑物理[M].3版. 北京:中國建筑工業出版社. 2010:122.

LIU Xiao-tu.Building Physics[M]. Third Edition.Beijing: China Building Industry Press. 2010:122. (in Chinese)

[3] Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy (ASHRAE Standard 55-2004) [S]. Atlanta：American Society of Heating，Refrigerating and Air Conditioning Engineers.

[4] 黃凌江,鄧傳力,蘭兵.拉薩鄉村傳統民居與新式民居冬季室內熱環境對比分析[J]. 建筑科學,2012 (12):61-66.

HUANG Ling-jiang,DENG Chuan-li,LAN Bing.Comparative study on indoor thermal environment in winter of modern and traditional rural dwellings in Lhasa [J]. Building Science,2012 (12):61-66. (in Chinese)

[5] 梁傳志,武涌,呂萌萌,等.西安市冬季室內熱環境現狀與改造需求分析[J]. 北京工業大學學報,2013 (8):1210-1215.

LIANG Chuan-zhi,WU Yong,LYU Meng-meng,et al. Indoor thermal environment and requirements of energy eficiency retrofits for existing residential buildings in Xi’an [J]. Journal of Beijing University of Technology,2013 (8):1210-1215. (in Chinese)

[6] 李娟,饒永.合肥市居住建筑空調設備使用調查與分析[J].建筑新技術,2010(5): 307-311.

LI Juan,RAO yong. Air conditioning equipment survey and analysis of residential building in Hefei [J]. New Technology of Building,2010(5): 307-311.(in Chinese)

[7] 冉茂宇,劉曉迅,胡深,等.廈門某海濱住宅夏季自然通風與室內熱環境實測與分析[J]. 福建建筑,2010 (9):98-101.

RAN Mao-yu,LIU Xiao-xun,HU Shen,et al. The measurement and analysis of the natural ventilation and indoor thermal environmentin summer for a beach residence at Xiamen [J]. Fujian Architecture,2010 (9):98-101. (in Chinese)