天井對徽州傳統民居冬季室內熱環境影響初探

付曉惠，張 浩，高 爽

(安徽工程大學 建筑工程學院，安徽 蕪湖 241000)

徽州傳統民居是我國民居建筑的重要組成部分之一，由于受到徽州特定的自然環境及人文因素影響，形成了典型的“多層、窄天井、院落式”的空間形式，以及自身獨特的建筑語言，如廣為人知的馬頭墻、磚雕、木雕和石雕等。隨著人們生活水平的不斷提高，傳統的生活方式也悄然改變，人們對居住環境的舒適度要求也在不斷提高，這對徽州傳統民居帶來了巨大的挑戰。如何解決傳統建筑形式與現代居住要求之間的矛盾成為了徽州傳統民居傳承和發展亟待解決的關鍵問題。

1 徽州傳統民居能耗特點分析

1.1 村落空間布局及建筑平面布局有利于改善微氣候環境

徽州古村落選址多依山伴水，體現了古人“天人合一”的思想，利用山麓抵擋冬季冷冽的寒風侵襲，豐富的植被與水體在夏季可以有效地降低空氣溫度，調節空氣濕度，從而改善村落的微氣候環境。

徽州古民居的空間布局多采用對稱式院落布局，廳堂常居中布置，坐北朝南，廂房位于廳堂兩側，由于受到自然環境限制，徽州傳統民居院落的尺度一般較小，形成了以天井為核心的院落空間。天井產生的原因源自于社會等級思想制度、宗族觀念及居民安全生產等多方面需要。天井在具備日常生活、禮教、勞作等基本功能的同時，還能夠有效地調節室內環境[1]。一方面天井作為建筑室內外過渡空間，可以起到聯系和緩沖室內外空間的作用；另一方面可以利用天井組織自然通風、采光、遮陽、收集雨水等，起到調節局部微氣候的作用。

1.2 外圍護結構的保溫隔熱性能不佳

徽州傳統民居的構造體系素有“厚外墻、薄頂、薄隔墻”之稱，采用傳統做法的屋頂和隔墻保溫隔熱性能不佳，能耗損失較大[2]。外墻一般多采用空斗砌筑的形式，內部填充泥土，并石灰抹面處理，墻體較厚，開窗較少，理論上其保溫隔熱性能較好。但由于徽州傳統民居建造時間久遠，外墻受氣候因素影響較大，雨水的常年沖刷導致房屋外墻的石灰抹面的防水性能下降，部分雨水透過墻體外表面滲透到內部，致使外墻整體保溫隔熱性能下降，難以滿足現代生活住宅的熱工性能要求。

1.3 內部通透，門窗及內部隔墻氣密性差

徽州傳統民居的內部隔墻及門窗多利用當地的木材建造而成，廂房與天井相鄰墻面一般開有門洞且有鏤空花格窗裝飾，并用油紙糊窗，內部通透，夏季通風效果較好。但隨著氣候影響及使用時間的延續，板材之間的拼合縫隙越來越大，氣密性越來越差，室外冷空氣從縫隙進入到內部空間，致使其保溫性能大幅度地下降。

2 研究對象概況

研究對象是位于安徽省黟縣盧村的一處古民居，名為述理堂，又稱稚翠堂，始建于清朝早期，是一座典型的四合屋式古民居(見圖1)，房屋與連廊圍合形成“回”字天井，連廊設有隔扇，四周屋檐均向天井內部傾斜，雨水流經屋檐并最終落入天井內設置的明溝之中，呈現出“四水歸堂”的形式。

圖1 述理堂鳥瞰圖 圖2 述理堂首層平面示意圖

3 測試及分析

3.1 測試時間及儀器

本次測試時間為2019年12月8日上午8時00分至12月9日上午8時00分，測試期間天氣晴朗有微風，建筑處于自然通風狀態。測試選用儀器為便攜式溫濕度電子記錄儀和熱球式風速儀，分別對入口處、庭院、門廳、天井及廳房的溫度、相對濕度及風速進行多點實測，儀器距離地面垂直高度為1.0 m，測點布置如圖2所示。

3.2 測試方法及結果

每個測點的溫度及相對濕度記錄間隔為5 min，每個時段的溫度及相對濕度值取該時段測定所有數據的平均值，通過對現場24 h的實測數據進行整理，其結果如圖3、圖4所示。

圖3 冬季民居室內外溫度曲線 圖4 冬季民居室內外空氣相對濕度曲線

(1)溫度。對述理堂內所設5個測點的溫度數據進行整理和分析，各測點空氣溫度值對比如表1所示。由表1可知，室外空氣溫度變化幅度較大，日較差大約為12 ℃，最高溫度出現在下午14點的1號測點民居的入口處，溫度為13.9 ℃，最低溫度出現在上午4點的1號測點民居的入口處，溫度為1.8 ℃。室內空氣溫度相較于室外空氣溫度而言，變化幅度較小，日較差大約為8.5～9.4 ℃，最高溫度出現在位于門廳的3號測點，時間大約是下午15點，溫度為12.7 ℃，最低溫度同樣出現在3號測點(門廳)的上午6點左右，溫度為3.3 ℃。位于廳房的5號測點溫度日較差約為8.5 ℃，均小于溫度波動，與處在入口處及庭院的1號及2號測點相比較，其波動振幅較小。

表1 民居各測點空氣溫度值對比

通過對測試數據分析整理發現，同樣位于室外條件下，1號測點(入口)空氣溫度最高值高于2號測點(庭院)及4號測點(天井)，其主要原因是受不同的下墊面以及建筑遮擋的影響。三者溫度日較差最小處為4號測點(天井)，約10℃，主要原因是天井下部由于白天受到相鄰建筑物的互相遮陰,吸收到的太陽輻射較入口及庭院處要少，導致其溫度低于二者，夜間受相鄰建筑物圍護結構不斷向外散熱的影響，導致其空氣溫度略高于其他室外空間；位于室內的3號測點(門廳)及5號測點(廳房)二者空氣溫度最高值低于室外，夜間空氣溫度受圍護結構蓄熱作用及熱惰性的影響，其室內溫度最低值高于室外，且溫度最低值出現的時間較室外空間要延遲1～2 h左右，溫度變化波幅小于室外。

(2)相對濕度。各測點空氣相對濕度值對比如表2所示。由表2可知，室外空氣相對濕度變化范圍大約在42%～83%之間，最低值出現在位于民居入口處的1號測點，時間大約在下午14點左右，相對濕度為42.4%；最高值出現在位于庭院處的2號測點，時間大約在上午5點左右，相對濕度為82.1%，二者空氣相對濕度日較差分別為37.6%和39.2%。位于室內空間的門廳及廳房內部的3號測點及5號測點，空氣相對濕度變化范圍大約在45%～76%之間，相對濕度日較差小于室外空間的1號、2號及4號測點，分別為20.5%和16.2%。

表2 民居各測點空氣相對濕度值對比

通過對測試數據分析整理發現，民居室內外各點空氣濕度變化趨勢基本一致，室外相對濕度波動規律與溫度波動規律相反，即溫度越高,相對濕度越低；門廳及廳房的室內空氣相對濕度日較差相較于室外空間的入口及庭院而言，變化幅度較小，空氣相對濕度絕大部分時間都大于60%，室內整體感覺比較陰冷潮濕；天井作為室內外空間的過渡空間，其空氣相對濕度變化幅度相較于入口和庭院而言要小，空氣相對濕度日較差為22.5%。

(3)風速。室內外風速測點布置及記錄間隔與溫濕度測點一致，對民居室內外風速分布及平均風速進行統計和分析，結果如表3所示。由表3可知，測試期間天氣晴朗，民居入口及庭院相對開闊，對流及通風效果較好，平均風速分別為1.1 m/s和0.8 m/s；門廳常年處于開敞狀態，平均風速為0.6 m/s；天井內部平均風速為0.2 m/s；廳房由于受到墻面開口面積較小，且溫度低于室外空氣溫度的影響，風壓和熱壓通風效果都不理想，室內平均風速為0.1 m/s，部分時段出現了無風靜止狀態。總體來看，由于徽州民居平面布局通常比較緊湊，天井在冬季建筑室內外自然通風上的改善效果并不明顯，建筑內部通風效果不夠理想，尤其是主要使用空間通風狀況堪憂。

表3 民居各測點風速分布及平均風速

總體來看，徽州地區冬季室外溫度較低，空氣相對濕度較大，建筑布局緊湊，建筑相互遮擋影響較大，外部形式封閉，且天井在冬季改善室內外通風方面作用不明顯，導致房間內部通風條件不理想，室內空氣溫度低且相對濕度較高，室內潮濕陰冷，居住環境不甚理想[3]。

針對上述問題，通常可以采取以下三種方式來改善徽州傳統民居的室內熱環境質量。首先，提高徽州傳統民居圍護結構的保溫性能，根據保溫構造形式墻體可以選取外保溫、內保溫或者是夾心保溫的形式，屋頂可以在不改變原有基礎構造形式的基礎上選用保溫性能較好的材料代替傳統的苫被層，以提高其保溫性能[4]；其次，提高門窗的氣密性，如在入口處加設門斗、采用高性能的玻璃等方式減少冬季冷風滲透帶來的熱量流失；最后，可以對天井進行優化設計。前面兩種措施在改造過程中因施工需要及涉及面較廣的問題，均對民居日常生活產生不同程度的影響，而天井的優化改造過程均被限制在特定的區域內，因此對居民影響較小，施工方便，可以廣泛推廣。因此，著重從天井優化改造方面進行闡述。

4 天井優化設計

天井是由四棟房屋、三棟房屋和一面墻體，或者兩棟房屋和兩面墻體組成的中部空間，通常位于民居的前部和后部[5]。天井按照圍合構成形式可分為“一”字天井和“回”字天井。前者多見于三合屋式古民居建筑，一般由三面房屋和一面圍墻圍合而成，后者多見于四合屋式古民居，主要由四面房屋或連廊圍合而成。天井四周屋面均向內傾斜并設置挑檐，雨水通過挑檐落入天井底部明溝或水池，形成“四水歸堂”之勢[6]。

天井的空間開放程度介于庭院完全開放與室內的完全封閉之間，它被周邊建筑及墻體所環繞，且周邊主要使用房間均設有面向天井的窗戶，使得天井與室內空間緊密聯系，而面向外部空間的墻體多采用封閉形式或者開口較小，室內空間的通風、采光等只能借助天井與外部環境相聯系。天井作為民居室內外空間的過渡緩沖區域，能夠有效減緩室外環境對室內的影響。

4.1 不同季節下天井的作用

(1)夏季。夏季白天，一方面可以利用狹窄天井的遮陽作用，減少太陽輻射得熱，降低室內空氣溫度；另一方面徽州民居的天井底部均設有明溝或者水池及布置少量植物，可以利用水體蒸發和植物蒸騰作用，有效降低天井底部溫度，從而改善局部微環境。夏季夜晚，天井主要利用夜間熱壓通風作用，將臨近的室內多余熱量和水分帶走，從而降低室內空氣溫度和相對濕度。利用天井改善民居夏季室內熱環境的做法被國內外學者實測研究所證實。Kubota T[7]等通過對位于馬來西亞地區唐人街房屋的建筑室內熱環境實測研究發現，天井底部水體蒸發和植物蒸騰作用能夠有效帶走室內部分多余熱量；黃志甲[8]等通過對傳統民居馀慶堂的實測數據表明，在夏季夜間，室內高溫空氣通過天井口流向室外,在庭院及廳堂前后門均關閉的情況下,室外的空氣一部分通過廳堂前后門縫隙進入室內，另一部分通過天井進入室內，天井既是出風口也是入風口，與開敞天井臨近的廳堂及廂房通風降溫效果明顯，同時帶走大量室內濕氣。

(2)過渡季節。在過渡季節時可以充分利用通風來改善室內熱環境，從通風原理上可以分為熱壓通風和風壓通風。白天當處于無風或者風速較小的狀態時，天井主要利用熱壓通風，因天井高寬比較大，呈現出狹窄的“井”式空間特點。白天天井上部空氣受到太陽直接輻射的影響，空氣溫度較高，底部受到建筑物遮擋，接收到的太陽輻射較少，空氣溫度較低，天井內部空氣形成溫差，上部熱空氣上升，底部形成負壓區，天井內部空氣呈現由下向上的流動模式，周邊房間的空氣便需不斷進行補充，從而形成室內外的循環通風。陳曉揚[9]通過實測數據表明某典型徽州傳統民居在過渡季節時白天天井下的溫度比室外明顯低，從而能有效降低廂房和正廳的白天溫度。天井內溫度呈垂直狀分布，井上與井下平均溫差3 ℃，最高溫差可達10 ℃，說明狹小天井通過遮陽降溫效果明顯。

(3)冬季。徽州地區地處夏熱冬冷地區，冬季陰冷潮濕，對述理堂冬季天井及廳堂空間的實測數據整理及分析可以發現，位于開敞空間的庭院處平均風速為0.8 m/s，天井內部風速則明顯下降，平均風速只有0.2 m/s，且與廳房內部的空間溫度相差不大，天井利用熱壓和風壓產生的通風效果不明顯。而居民在冬季仍保有開窗習慣，冬季冷風不斷進入室內，且墻體保溫性能不佳，導致室內空氣溫度下降，同時濕氣無法有效排出，從而使得室內熱環境舒適度降低。由此可見，天井在冬季反而成為了營造舒適民居室內熱環境的不利因素。

4.2 天井優化改造方法

從天井在不同季節的作用可以看出，在夏季及過渡季節，可以利用天井的遮陽及通風作用來調節室內熱環境舒適度，而冬季則需避免因開放的天井帶來的冷風影響。針對這一特點，可以對天井頂部或周邊加設可控制開啟的玻璃頂棚或者幕墻，可開啟洞口要保證一定的面積且洞口位置應有利于通風組織，以便滿足不同季節的需要。在夏季及過渡季節頂棚或隔墻保持開啟狀態以便組織通風。冬季則保持關閉狀態,一方面可以有效減少冷風進入，從而減少能耗損失；另一方面可以利用封閉天井空間，發揮溫室效應，提高空氣溫度。此外，玻璃材質對采光影響較小。

(1)加設玻璃頂棚。頂部采用玻璃頂棚進行封閉，常見做法是在天井頂部周邊屋檐上加設一定高度的鋼構架玻璃天窗，天窗可以采用多種形式，如平天窗、鋸齒形天窗、梯形天窗等。封閉后的天井可以作為室內空間的擴展和延續，擴大居住者的活動空間，但因剛構架自重大，對周邊檐口的結構剛度有一定要求，當剛度不滿足要求時還需要加設附屬支撐構件[10]。

(2)加設玻璃幕墻。沿天井四周檐口位置設置玻璃幕墻，并在幕墻適當位置留有一定可開啟的窗洞口，將天井與室內空間完全分隔。夏季，窗口處于開啟狀態，以便利用天井通風降溫；冬季，窗口處于關閉狀態，減少冷風進入，減少室內熱量流失。優點是對原有結構剛度沒有附加要求，且施工難度系數較低，同時對民居原有風貌影響較小[10]。

5 結語

隨著我國新農村建設的不斷發展和推進，傳統建筑所蘊含的地域文化內涵及技術精髓也被廣泛認識。通過對傳統建筑的深入研究，對傳統材料和技術賦予新生命，并在現代建筑的發展中得以應用和延續，弘揚了中國傳統文化的同時也有利于實現社會可持續發展。