河南傳統合院式民居在適應性中日照環境分析

鄭州大學建筑學院 韓文翔

開封建筑設計院有限公司 宋太華

珠海興業幕墻工程有限公司 苗桂榮

河南傳統合院式民居在適應性中日照環境分析

鄭州大學建筑學院 韓文翔

開封建筑設計院有限公司 宋太華

珠海興業幕墻工程有限公司 苗桂榮

傳統合院式民居建筑是經歷了千年留傳下來的建筑形式，其中的氣候適應性經驗，有些由于時代的局限，已經不能適應當代的建筑需要，但我們有必要利用現代技術，在不影響其經濟性和易用性的前提下，對其進行適當的改造和開發。發掘其中的氣候適應性經驗，然后進行適當的改進和優化，使得現代建筑更適應建筑地域生態環境，滿足人居環境的需要。

一、太陽輻射對民居的影響

目前大量研究都證實日照在殺滅細菌、保持健康、預防疾病等方面都具有重要作用，而且日照對我們日常工作采光、取暖等方面也起著非常重要的作用。我們的祖先早就認識到了這一點，因此在建筑設計中與日照環境緊密聯系著。對于日照的取利弊害中無礙乎有兩個方面，冬季的納陽保溫，和夏季的遮陽避暑。

冬季的納陽對北方民居是非常重要的，太陽輻射能地接受和兩個因素有關，太陽日照時間和輻射強度。

為了冬季有效地接受太陽能，就必須在一天中輻射強度最大的時間區域盡可能多地接受日照。中午輻射強度最大，例如安陽地區冬至日日照時間為7∶30-17∶30，那么從上午10點到下午2點的太陽輻射量占80%左右（見圖1）。

基于此我們總結經驗，建筑物集熱面的朝向決定太陽日照時間，太陽高度角決定輻射強度，總體來說日照時間還是最主要的因素。很明顯：集熱面在南向是日照時間最長的，而且日照時太陽高度角也比較高。我們看傳統民居是怎樣運用這一點的。

二、傳統合院式民居在日照氣候環境中的設計方法

1.建筑朝向對日照采光的影響。豫北屬于寒冷地區，氣候特征接近河北，與河北傳統合院式民居相似。基本形式是三合院（又稱抽屜院）、四合院（又稱盒子院）住宅，又有多重院子組合，比如二進院、三進院形式，豫北民居頂級的院子是四進院，共有九重門，俗稱“九門相照”，安陽縣蔣村馬坯瑤莊園是典型的“九門相照”（圖1）。

圖1 安陽馬坯瑤

正房大寒日日照時數為8個小時，東廂房2個小時的滿窗日照時數。西廂房3.5個小時的滿窗日照時數。可以看出豫北合院式民居面闊比較大，其實它是為了拉大南向建筑集熱面，更好地為冬季納陽服務。

豫北地區的院落闊深比要大些，與開封、豫東地區相比差別很小，豫西較小，豫西南更小。劉致平先生曾做過這樣的論述“院落與房屋的面積比例，就普通四合房來說(鄉間同此)約略1∶3，對于通風采光勉強適用，但是云南一顆印面積比例是1∶5.5，北京約為1∶2，遼寧約為1∶1.5……，院落愈北愈大的現象，也許和冬天納陽有關系”。

建筑物墻面上的日照時間，決定墻面接受太陽輻射熱量的多少。冬季因為太陽方位角變化范圍小，在各朝向墻面上獲得的日照時間的變化幅度很大，以安陽為例，在建筑物無遮擋的情況下，以南墻面的日照時間最長，自日出到日末，都能得到日照。北墻面全日得不到日照。在南偏東（西）30°朝向范圍內，冬至日可有9小時日照，而東、西朝向只有3.5小時日照。夏季由于太陽方位角變化的范圍較大，各朝向的墻面上，都能獲得一定的日照時間，東南和西南朝向獲得日照時間較多，北向較少。夏至日南偏東及偏西60°朝向的范圍內，日照時間均在8h以上。

2.墻體蓄熱。如圖2所示馬坯瑤正房為了蓄積熱量北向并沒有開窗戶，我們在冬至日對其進行熱工分析。

圖2 馬坯瑤正房

首先繪出北向不開窗戶的最冷日逐時得熱對比分析圖表。再來繪出北面開兩扇寬1.2m高1.5m窗戶的最冷日逐時得熱分析圖表。我們把經過處理的分析圖放在一起比較如圖3。

從圖上來看從太陽直接輻射得熱，結果傳導得熱，區域內得熱每一項的指標北向沒有開窗戶的正房均比北向開窗戶的正房要大，尤其是區域內得熱，一天中輻射得熱差不多相差800W，可見，北向不開窗或者開小窗可以提高我們住宅的保溫性能。

我們以此來聯想現代建筑中墻體集熱的設計。冬季北方太陽輻射位置較低，這一點，向墻體這樣的垂直面就會有效的接受太陽輻射熱，可以利用墻體進行蓄熱。可是白天蓄積的熱量如果不采取措施，到晚上墻體還會被迅速的冷卻下去，大量的熱再次揮發出去。因此如何有效的利用太陽輻射讓墻體吸收儲存熱量，減少熱量的流失，正是窗戶和隔熱設施所要做到的。

圖3 兩種情形比較

利用墻體蓄熱的基本原理是利用墻體的熱容量使得傳熱滯后，有3種形式見圖4。

圖4 墻體蓄熱的3種形式

設計蓄熱部分的關鍵在于能收集到熱量（射入室內太陽輻射的熱量），保溫隔熱（抑制熱量的流失），熱容量之間的平衡關系，其中隔熱保溫室最為重要。然而即便隔熱做得很好，如果墻體的蓄熱容量過大，室內溫度也不會太高；如果蓄熱容量過小，又會導致白天過熱夜晚溫度過低。

我們看到馬坯瑤民居就是以南向作為集熱面，將其他面的熱損失控制到最低限度，中間隔墻為蓄熱部位。是第3種混合蓄熱的一種形式。

以下是巴爾格木住宅（見圖5），混合型的一個典例：該住宅用土坯建成，其中溫室朝南，溫室包裹著其他房間，溫室和房間之間的隔斷為蓄熱墻。并且溫室上部的熱暖空氣，冬季時用風扇送到一層地板下邊的巖棉墊床，采暖和集熱；夏天，從溫室上部的氣孔排除到室外。

圖5 巴爾格木住宅

三、結語

從未來的發展來看，合院式民居作為中國社會最具有代表性的地方性建筑，寄托了人們太多的情感，依然會以各種形式繼續存在下去。對傳統合院民居的繼承和發展，不能僅僅停留在形式語言與符合語言的延續上，要分析和利用其中的文化實質意義和空間形態優勢，使其能在現代建筑設計中發揮作用。