湘西傳統民居火塘釋放污染物控制策略研究
——以鳳凰縣老洞村為例

程夢飛 | Cheng Mengfei

蔣滌非 | Jiang Difei

張 馳 | Zhang Chi

湘西地區傳統民居一般都是以堂屋為中心進行平面上的布局，而民居中的火塘則位于堂屋的一側，這有別于四川羌族以及云南一些少數民族的民居將火塘置于堂屋正中的傳統，筆者查找相關書籍文獻和對湘西老洞村、關田山等地的當地居民走訪，發現差異的原因在于苗族的祭祀活動[1]：“吃豬”“祭家先”“還儺愿”[2]活動的進行需要較大的活動空間，并且祭祀家先時，家人聚集在堂屋之中，向山墻面的祖先牌位跪拜，所以室內往往沒有隔墻，火塘置于側屋，位于堂屋的左側還是右側則是由主人的喜好決定的[3]。但是隨著改革開放進行，逐漸漢化后的祭拜家先活動逐漸從橫向祭祀變為在堂屋中進行的縱向祭祀，家先牌位位置也由側屋的山墻面變為堂屋的縱墻面[4]。1990年后建設的民居，室內已經開始有隔墻出現了。筆者在調研苗族的老洞村、關山巖等村子時發現其室內火塘所產生的濃煙彌漫其中，對居住者危害很大。因此對湘西傳統民居室內火塘的污染物控制是有必要的（圖1～圖2）。

圖1 湘西苗族傳統民居基本平面

圖2 湘西苗族部分民居平面一覽表

1 研究方法與研究對象

1.1 研究方法

隨著計算流體力學[5]的發展，CFD模型被越來越多地用來模擬建筑室內的風速、空氣齡、污染物濃度等等[6]，可用來衡量室內空氣質量。本文采用AIRPAK軟件對湘西傳統民居室內自然通風和污染物濃度進行模擬，首先通過總結實地調研所得火塘相對傳統民居堂屋位置的原型、結合立面改變窗大小和位置前后的模型、以及增加屋頂開口的模型。然后利用AIRPAK軟件進行各個模型的模擬，得到各組CO等污染物的濃度均值，從而對比歸納出湘西傳統民居控制火塘所產生污染物的設計方法，以期對新民居建設具有一定的參考價值，提高居住者的舒適度。

1.2 研究對象

老洞村位于湘西土家族苗族自治州鳳凰縣麻沖鄉，被列入第一批中國傳統村落名錄[7]，是一個歷史風貌保存完整、文化底蘊深厚的純苗族居住村。其寨內狹窄的街巷錯綜復雜，較小的窗口高低錯落，具有獨特的防御功能[8]。而坐南朝北的特殊朝向、厚重的墻體令本就不好的通風更加堪憂。村內保留有大量的歷史建筑：保家樓、湘西王故居、麻家宅院群、龍家宅院群等等。

2 火塘位置和平面功能優化

湘西傳統民居火塘普遍位于堂屋的兩側，但從實地調研和文獻閱讀[9]中獲知（表1），火塘除了分位于堂屋的兩側外，還有距離外墻遠近之分，經測量，發現湘西老洞村火塘距離外墻通風口的遠近范圍為1500～4000mm，筆者基于此通過AIRPAK模擬通風環境時，將距離分為1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、3500mm、4000mm六種情況，以此來得出改善室內污染物濃度的最優解。其中調研獲知火塘的尺寸（表1）在（800～950）mm×（800～950）mm之間的較多，故本文取火塘尺寸平均值850mm×850mm作為研究常量。并且湘西傳統民居床鋪一般只用黑色窗簾隔開，床鋪距離火塘的遠近也會對床鋪周圍空氣質量產生影響，從而影響居民的健康，所以針對模擬結果可以通過調節平面的功能布局來進行改善。

表1 湘西苗族老洞村火塘部分民居一覽表

將實測和文獻查找的結果用類型學的方式，總結出了幾種火塘位于堂屋位置的原型，并在保證火塘面積相等的同時，根據改變其與外墻之間的距離、是否有隔墻和吞口得出十種基本形（圖3），A～G為平面火塘位置變化，H～I為吞口處理變化，J為室內隔墻數量變化。以這些信息為載體，代入到基本的傳統湘西苗族民居堂屋中（圖1），進行AIRPAK軟件的模擬，模擬內容為不同組別的模型其室內碳氧化物物質濃度的均值；因為室內主要的污染源是火塘，所以AIRPAK模擬時主要考慮火塘所釋放的污染物。

圖3 火塘位置類型截面研究

將模擬出的結果進行比較，選取人體活動口鼻常在高度925mm水平面為參考平面[10]，從各原型堂屋平面模擬結果（圖4）可以發現，隨著火塘距外窗的距離不斷增加，房屋內部污染物均值呈現先遞減后遞增的趨勢，并且以火塘距離外窗2500mm時為最佳。而在火塘置于堂屋中間時，其CO平均值明顯高于火塘置于堂屋一側，一部分原因為污染物排放無法通過外窗排除，并被入風口的風吹向房屋各個角落。苗族民居往往都有吞口的特色入口處理方式[11]，本文通過模擬吞口處理，其結果無論是有無吞口側門，都有遞減的趨勢，所以可以肯定，在白天使用火塘時，若打開吞口處側向的門，可以有效地減少室內污染物的濃度。

筆者調研發現老洞村大部分民居的室內已有隔墻，相關文獻也有記載，自1990年起苗族民居室內已出現隔墻。筆者針對室內隔墻的數量變化對污染物的均值產生影響進行研究，首先對隔墻數量為2、4、6三種情況模擬，如圖4隨著隔墻數量的增加，污染物的均值均有下降的趨勢。但隔墻的增加使火塘間部分污染物集中，而堂屋和另一側屋內污染物則劇減。為了更容易得出結論，筆者進行了多次實驗，得出如圖5和圖6所示的污染物濃度與隔墻數量、室內風速與隔墻數量的折線圖。由圖可知，隨著室內隔墻數量的增加，污染物的均值會有小幅度的降低，而火塘間的污染物濃度則不斷增加。結合圖6的室內風速變化分析：由于隔墻的出現，空氣的流動減慢，室內空氣齡[12]增加，從而導致室內污染物濃度分布不均，火塘間大量聚集的情況。所以可以通過改變隔墻的分布來減少帶有床鋪房間內的污染物濃度，又不會過度增加火塘間污染物濃度。

圖4 各原型平面AIRPAK模擬研究情況

圖5 隔墻數量與污染物均值關系圖

圖6 隔墻數量與室內風速均值關系圖

3 窗開口大小和位置優化

自然通風通過民居窗口流入或流出時，窗的開口位置的變化以及窗地比都會影響建筑內部的空氣齡，從而導致污染物在室內的流動有所改變。調研發現，湘西苗族老洞村的窗大小為（600～1400）mm×（600～1400）mm之間，在AIRPAK模擬中將窗大小分為600mm、800mm、1100mm、1400mm四種；而窗的高度分布有下部開口在塊石中的，中部開口在片石中的，以及上部開口在粘土中的。其中上部高窗位置為粘土材料，便于開窗。在AIRPAK中進行模擬時，可以進行分別模擬；考慮到風壓通風可以形成室內的全面換氣[13]，本文在背風面進行適當開口，以期驗證室內污染物是否可以通過風壓通風方式改善。

（1）窗開口位置優化設計過程

將模擬數值帶入民居基本形體中，用AIRPAK分析得出結果如圖7，隨著窗的高度的改變，污染物的均值有所下降，分析發現原因是隨著窗戶高度的增加會有一部分形成熱壓通風，從而使得污染物的排放通過熱壓通風形成動力，加快污染物排出。而窗臺高度改變到1500mm以上時，污染物的均值改變才會呈現出明顯的變化，所以對于有文化意義的民居并不合適。但老洞村立面上部高窗處為粘土材料，則可以適當開口以便提高室內空氣品質。

圖7 立面窗開口類型AIRPAK模擬研究情況

（2）窗開口大小優化設計過程

通過改變窗的大小，污染物均值有很明顯的改變，并且隨著窗戶的逐漸變大，窗開口大小增加到1000mm×1000mm以上時，污染物均值改變效果明顯，但考慮到老洞村的窗面積一般在1.21m2左右，在改進措施中，建議窗的大小可以適當擴大，但也應考慮其中文化的因素，所以最佳尺寸為1200mm×1200mm。

通過適當增加背風面的開口，由圖7可以看出，隨著背風面開口的設置和其大小的改變，可以明顯地改善室內污染物的濃度。并且在背風面開口大小增加到與迎風面開口大小相同時，效果更加顯著。這也驗證了風壓通風不僅僅可以改善室內的空氣齡，也可以改善室內污染物濃度。

4 屋頂優化設計

老洞村在氣候上夏季炎熱，冬季寒冷，因此在民居的屋頂就有一些利于通風的構造措施。如煙囪、天窗格柵、以及“貓兒鉆”[14]等等；其可以改善室內通風，因為火塘燃燒秸稈的同時會釋放大量熱量，室外的冷空氣進來，經過火塘后變為熱空氣從屋頂排出，從而形成動力，推動自然通風的速率，加快火塘污染物的排放。筆者通過CFD模擬來定量研究這些構造措施對于室內污染物控制的最佳方式。

（1）屋頂開口位置優化過程

對于屋頂開口位置優化，筆者從屋頂面中均勻選取九個數據采樣點。模擬過程中，開口的大小固定為300mm×300mm，模擬結果如圖8所示，取頂部無開口設計的模擬結果2.91e-007為對比值進行優化效果的比較，除了點1、4、7所對應的數值明顯低于對比值以外，其他開口位置優化效果均不明顯，甚至高于對比值。由于室內污染物向室外流動的過程受兩個因素影響，即：流動的速率和距出風口的距離。所以導致這種情況的一部分原因是：其距離出風口的路程變大的同時，各點流動速率又明顯減小，導致污染物流動到室外的時間增加。所以最佳的開口位置是1、4、7三個點，即位于測屋一側的屋頂。

圖8 屋頂開口位置對污染物濃度影響CFD模擬研究

（2）屋頂開口大小優化過程

根據文獻資料可知，一般房間的進風口和出風口越大，氣流場所對應的數值也將增大，當開口的面積為室內面積的15%～20%時，通風效率是最佳的[15]。筆者對屋頂開口大小模擬得到結果如圖9，隨著屋頂開口尺度的增加，室內污染物的濃度是逐漸降低的，但是這種做法的前提是既不破壞傳統民居文化特色，又能充分挖掘歷史文化遺產的價值。

圖9 屋頂開口大小對污染物濃度影響CFD模擬研究

（3）屋頂開口方式特點

筆者在調研過程中發現，天窗與貓兒鉆構造措施的運用較為明顯，而老虎窗的形式基本無發現，而在對關田山村龍迷兵、龍迷鳳家的走訪中剛好恰逢陰雨天，傳統民居中很多天窗都是后期屋頂瓦片遭到破壞形成的，雨天時，雨會通過天窗進入到民居室內，如果火塘正上方屋頂是格柵時，火塘較容易受到雨天的影響，此時貓兒鉆的方式利用范圍更高，但是尺度有限，在不破壞文化特色的同時，可增加其數量。

結語

由上述分析可知，湘西傳統民居室內污染物控制仍有優化的可能。通過CFD模擬對平面布局、立面設計、節點結構三個方面量化實驗，總結出以下幾種優化的方式：

①火塘與外窗的距離在2500mm左右，污染物控制效果為宜，有吞口處理時，開啟側門有利于污染物排放；當有隔墻并且數量在一定范圍內，可以在改善污染物濃度的同時，將污染物控制在一定的平面范圍內，有效的將臥室隔開。

②當增加窗尺度到1000mm×1000mm以上或高度到1500mm以上時，污染物得到了很好的控制；當增加背風面開口時，污染物均值有下降趨勢，并且在出入口與進風口面積相等時，優化效果顯著。

③通過改變屋頂開口位置到側屋、增加天窗、貓兒鉆、排煙煙囪的尺度或數量時，可以有效降低污染物均值。但也應考慮天窗無法遮雨、煙囪形式對文化的適應、貓兒鉆數量的增加等影響。

湘西民居無論是現在還是未來，室內火塘的污染物控制是非常有實用價值的，對其他類型的傳統建筑也有一定的意義，特別是最近新型冠狀病毒的出現，健康建筑是未來的發展趨勢，所以火塘污染物的控制勢必要有所改善。

資料來源：

圖2：部分來源于參考文獻[1]；

文中其余圖表均為作者自繪。