自然通風條件下徽州傳統民居熱環境模擬分析

石團團 錢偉 張樣 黃志甲*

安徽工業大學建筑工程學院

自然通風條件下徽州傳統民居熱環境模擬分析

石團團 錢偉 張樣 黃志甲*

安徽工業大學建筑工程學院

本文基于生態分析軟件ECOTECT的熱環境分析及可視化氣象數據分析功能，以典型徽州傳統民居為研究對象，分析在自然通風條件下該傳統民居熱環境狀況及全年處于熱舒適區域的時間百分比。模擬結果顯示：徽州傳統民居圍護結構隔熱性能較好，防寒效果較差；采用自然通風技術后，全年舒適時間延長8%。

徽州傳統民居 自然通風 熱環境

傳統民居是適應當地自然和社會發展的產物，因地制宜，就地取材，符合綠色建筑的發展趨勢，蘊藏著大量的建筑氣候適應方法。國內外許多學者對各地的傳統民居進行了大量的研究[1～5]。徽州傳統民居具有鮮明的地方特色，天井、馬頭墻等地方元素的形成與徽州歷史文化密不可分。徽州民居的外墻高大而厚實，外墻上采用少開窗或開小窗來達到防火防盜的目的，室內的通風與采光主要依賴于天井。陳曉揚等[6]在過渡季節對宏村某一典型傳統民居進行實測和CFD模擬，分析了徽州傳統民居在過渡季節室內的環境特征以及成因，發現其防熱效果好，而保溫效果較差，天井的通風潛力未能充分挖掘。東南大學的陳秋菊等[7]探索了徽州民居自然通風優化設計方法，對不同天井尺寸下室內風環境進行了模擬分析并進行了優化設計。

本研究在前人研究的基礎上，利用ECOTECT軟件分析徽州傳統民居在自然通風條件下室內的熱環境。

1 研究方案

1.1 研究對象

樹人堂是宏村典型的三合院式傳統民居，是徽州傳統民居最基本的一種布局模式，也是最經濟的一種布局模式。通常為一進兩層住宅，天井位于中央，一層為明堂，臥室位于明堂的左右廂房中，天井的兩側為過廂。

1.2 圍護結構

徽州傳統民居的外墻十分厚重，建筑材料采用當地盛產的磚石，就地選材，屬生態環保型低能耗建材。民居室內通常采用木板做隔斷，外墻和木板之間留有30～50mm厚的空氣層；外墻幾乎不開窗或開窗面積較小，門窗基本上都處于透空狀態，無密封處理措施；徽州傳統民居屋頂的做法是蓋瓦下設置望磚或望板，再設置木掾條，在蓋瓦和望磚之間設有空氣夾層，可以加強屋頂的保溫隔熱性能。徽州傳統民居圍護結構特性如表1所示。

表1 徽州傳統民居圍護結構特性

1.3 研究方法及物理模型

ECOTECT軟件用于建筑方案概念設計階段的室內聲、光、熱環境分析。ECOTECT的熱環境分析是求解室內外各種擾動作用下室內熱環境參數，是一種動態負荷計算方法。其中外擾主要是室外的氣候參數，作用在建筑的圍護結構上，通過各種不同的傳熱方式影響室內熱環境；內擾主要是室內人員、設備的影響，直接影響室內熱環境。在ECOTECT中，對于外擾的描述主要來源于逐時氣象參數，對于內擾的描述主要來源于對室內設備的設定及人員散熱。基于ECOTECT的可視化氣象數據分析功能，利用焓濕圖上的熱舒適區域百分比可以對建筑節能設計方案進行分析[8]。

徽州傳統民居天井常年處于透空狀態，冬季室外冷風易從天井口進入室內，影響室內熱舒適性，本文以樹人堂為研究對象，以來源于清華大學《中國建筑熱環境分析專用氣象數據庫》實測的屯溪市全年氣象參數為依據，采用ECOTECT軟件模擬分析該傳統民居全年在自然通風情況下的室內熱環境及全年舒適時間分布，物理模型如圖1所示。

圖1 樹人堂物理模型

2 模擬結果分析

2.1 典型日溫度分布

圖2為徽州地區過渡季節典型日（4月30日）室內外逐時溫度分布，從模擬結果中可以看出，徽州民居在過渡季節20:00～9:00時間段內，室內溫度高于室外溫度，該時間段內室內外平均溫差為0.76℃，9:00～ 19:00時間段內，室外溫度高于室內溫度，該時間段內室內外平均溫差為2.8℃，模擬結果能夠表明傳統民居圍護結構在夏季隔熱性能較好。

圖2 過渡季節典型日逐時溫度分布

圖3為夏季典型日（7月14日）室內外逐時溫度分布，從圖中可以看出，9:00～19:00時間段內，室外溫度高于室內溫度，室內外溫差在4～5℃，夜晚室內溫度高于室外溫度，室內外溫差在5～6℃，傳統民居由于天井的存在，夏季室內外溫差較大，為室內熱壓通風提供了有利的條件。

圖3 夏季典型日室內外逐時溫度分布

圖4為冬季典型日（12月31日）室內外逐時溫度分布，從圖中可以看出，典型日大部分時間段室內溫度高于室外溫度，室內外平均溫差為0.8℃，模擬結果表明傳統民居圍護結構冬季保溫防寒效果較差。2.2傳統民居室內得熱分析

圖4 冬季典型日室內外逐時溫度分布

圖5為傳統民居自然通風條件下全年室內得熱及失熱情況，正值表示室內得熱，負值表示室內失熱。由圖可知，在冬季通過圍護結構損失的熱量很大，占總熱損失的51.1%，表明傳統民居圍護結構在冬季保溫效果不佳。在冬季室外冷風通過天井口進入室內，帶走室內的熱量很大。因此，天井在冬季應封閉，減少冷風侵入帶走的熱量。在夏季傳統民居通過圍護結構得熱量占到總得熱量的5.5%，表明傳統民居通過圍護結構隔熱性能較好，全年通過太陽輻射得熱量占全年總得熱量的61.4%，在冬季通過太陽輻射能夠為室內提供熱量，而在夏季時應考慮遮陽。

圖5 傳統民居全年得熱

2.3 徽州傳統民居全年舒適區分析

基于ECOTECT的可視化氣象數據分析功能，以屯溪市的全年氣象參數為依據，分析徽州傳統民居全年處于舒適區的時間分布，分析采用自然通風技術后全年舒適時間的變化，自然通風的設置依據室外氣象參數中的風速及風頻。

圖6為該傳統民居全年熱舒適區域，黃色區域為不采用自然通風技術的熱舒適區，全年只有4月下旬、5月中下旬、9月上旬和10月下旬處于舒適區。紅色區域為該傳統民居采用自然通風技術后的熱舒適區，全年的4月下旬、5月中下旬、6月上旬、9月中上旬和10月下旬處于舒適區。

圖6 舒適區范圍

圖7為全年逐月舒適時間比例，黃色為不采用自然通風技術逐月的舒適時間百分比，全年5%的時間處于舒適區；紅色為采用自然通風技術后逐月的舒適時間百分比，從圖中可以看出，在過渡季節的5月、9月，40%的時間處于舒適區。全年13%的時間處于舒適區，采用自然通風使全年舒適區時間延長8%，對于節能具有重要意義。

圖7 逐月舒適時間百分比

3 結論

1）通過對徽州傳統民居熱環境模擬可知，在夏季傳統民居夜間室內溫度高于室外溫度，溫差在5～6℃，為天井熱壓通風提供了有利的條件。夏季通過圍護結構得熱量占到總得熱量的5.5%，表明民居圍護結構隔熱性能較好。

2）冬季典型日傳統民居室內外平均溫差為0.8℃，通過圍護結構損失的熱量很大，占總熱損失的51.1%，表明傳統民居在冬季防寒效果較差。

3）通過對徽州地區全年熱舒適區分析可知，采用自然通風技術后全年舒適時間延長8%。

[1]Ooka R.Field study on s ustainable indoor climate design of a Japanese traditional folk house in cold climate area[J].Building and Environment,2002,37:319-329

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[3]劉加平,趙群,周偉.中國傳統民居中的生態建筑經驗芻議[J].新建筑,2005,(4):7-9

[4]湯國華.嶺南傳統建筑適應濕熱氣候的經驗和理論[D].廣州:華南理工大學,2002

[5]林波榮,王鵬,趙彬,等.傳統四合院民居風環境的數值模擬研究[J].建筑學報,2002,(5):47-48

[6]陳曉揚,仲德崑.宏村徽州傳統民居過渡季節室內環境分析[J].建筑學報,2009,(S2):68-70

[7]陳秋菊,陳曉揚.徽州傳統民居自然通風優化設計方法[J].華中建筑,2012,(11):56-59

[8]黃志甲,張國志,張樣.基于焓濕圖的建筑節能方案選擇[J].節能技術,2008,(6):543-544

The rm a l Environm e nt Sim ula tion Ana lys is of Huizhou Tra ditiona l Re s ide nc e w ith Na tura l Ve ntila tion

SHI Tuan-tuan,QIAN Wei,ZHANG Yang,HUANG Zhi-jia*
School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of technology

Based on thermal environment and meteorological data analysis function of ECOTECT,the typical Huizhou traditional residence was taken as the object to analysis the thermal environment and percentage of thermal comfort time throughout the year.The simulation result shows that the heat insulation performance of envelope for Huizhou traditional residence give good results,but have a poor cold protection,and the time of thermal comfort throughout the year prolong 8%under natural ventilation.

Huizhou traditional residence,natural ventilation,thermal environment

1003-0344（2015）05-091-3

2014-6-8

黃志甲（1963～），男，博士，教授；安徽省馬鞍山市湖東路59號安徽工業大學建筑工程學院（243032）；E-mail:hzj@ahut.edu.cn

住房和城鄉建設部科學計劃項目（2013-K1-34）；安徽省住房城鄉建設科學技術計劃項目（2013YF-33）