熱濕氣候盆地區域民居不同尺度中庭夏季熱環境實測與分析

蒙泳君，何 江，趙雪秀，邱均沐，黃南雄

(廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004)

隨著經濟的發展和生活水平的提高，以及國家對鄉村居民生活品質的關注，居住環境是否舒適溫馨將會是今后需要關注的焦點，因此近年對如何滿足居民對室內熱環境需求的研究也越來越多[1-2]。在民居住宅設計中，中庭是其常用的空間設計手法。中庭空間營造了與室外環境既隔離又融合的環境氛圍，其不僅可承載較多建筑內部的公共活動，而且可調節建筑室內的微熱環境[3]，甚至還有療養作用[4]。在不同的氣候區，會形成適應于該氣候的中庭尺度。在夏季炎熱的南方，為了避免過量的太陽輻射進入室內，通常采用的中庭寬高比[進深尺度(D)與高度(H)的比例]小于1∶1的天井式空間手法；在寒冷的北方，為了使室內可接收更多的溫暖陽光，通常采用的中庭寬高比大于1∶1的院落式空間手法。因而，中外學者對其空間尺度及其熱環境的研究一直是研究的熱點。段忠誠等[3]基于適應性模型理論分析了天井式中庭對徽州民居夏季室內環境的影響。Martinelli等[5]在意大利氣候條件下，分析了不同中庭空間尺度及其高寬比在冬季和夏季分別對其熱環境的影響狀況，并得出適宜該氣候條件下的中庭尺度。Nasrollahi等[6]采用實測與數值模擬的手段分析在干熱氣候區，不同圍合方式和不同尺度下的中庭空間對其微熱環境效果的影響。Soflaei等[7]分析了伊朗傳統建筑的中庭空間的尺寸比例對其微熱環境的影響，并推薦適宜在伊朗氣候地區發展的中庭空間尺度模型。Ghaffarianhoseini等[8]采用數值模擬分析方法，分析在馬來西亞濕熱氣候條件下，中庭在不同形式下的熱環境分布特征。Almhafdy等[9]采用計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)軟件模擬分析了馬來西亞的濕熱氣候條件，在中庭空間不同的高寬比和是否遮陽的情況下熱環境的分布特征，獲知能更好適應馬來西亞濕熱氣候條件下的中庭尺度模型。Kubota等[10]采用實測的方法來分析在馬來西亞濕熱氣候下，傳統中式商鋪中不同尺度中庭空間的熱環境分布特征。

從以上已有研究成果可知，中庭的尺度會影響其微熱環境的調節效果，因而在某一特定氣候條件下應有適應于該氣候條件的中庭尺度模型。由于現今很少有相關研究關注在炎熱高濕少風的內陸盆地熱濕氣候條件下，探討適應于該地域氣候的中庭空間尺度模型，以使中庭能達到良好的微環境調節作用。因此，現先對處于熱濕氣候盆地區域的廣西東南部民居進行中庭空間的尺度測繪分析，然后選取典型尺度的中庭進行熱環境實測研究，以獲知不同尺度中庭的熱環境分布特征，進而探討能適應于該氣候條件的中庭空間形式及其高寬尺度，從而為該地區的建筑中庭尺度設計提供參考，并為該地區中庭空間熱舒適的改善提供數據支持。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

研究區域為廣西東南部的玉林市興業縣榜山村，其位于夏季高溫濕熱的內陸盆地地帶。以候(5 d為一候)的平均氣溫穩定在22 ℃以上時為夏季的氣候劃分方式來分析，該地區的夏季長達半年(圖1)，氣候特征為炎熱、高濕、少風，屬于夏熱冬暖氣候。榜山村所處的地形為西北高東南低，村落中的民居是順著山嶺的坡度而建，為坐西北朝東南向。為緩解夏季室外的炎熱高濕少風氣候，該村落民居多采用四面房間圍合的中庭形式，有多種不同寬高尺度的中庭空間，為選取不同尺度的中庭空間作為研究對象提供了樣本。

圖1 玉林市典型年主要氣象參數及舒適區分析

1.2 研究方法

根據《民用建筑室內熱濕環境評價標準》(GB/T 50785—2012)中的規定，可以選取夏季中的典型晴天日進行民用建筑室內熱濕環境的測量[11]。因而，選取了2019年夏季典型晴天日9月22日和9月23日進行實測。

由于在夏季最影響居民活動的是白天時段，特別是10:00—17:00，在這時段居民通常在庭院、廳堂等公共區域活動。因而，研究及評價該時段中庭區域的熱環境及熱舒適狀況會更有意義。

實測的參數有空氣溫度、空氣濕度、風速，各參數使用的測試儀器的性能如表1所示。按照《建筑熱環境測試方法標準》(JGJ/T 347—2014)中的規定[12]，空氣溫濕度、風速的測試點高度為距離地面1.1 m。空氣溫濕度參數采用每5 min自動記錄一次數據，風速采用每小時手動記錄一次，一次連續讀取6個風速數據。各儀器在測試前進行了校核，保證了測試數據的準確性。

表1 實測儀器

為掌握不同尺度中庭之間的熱環境差異情況，對實測的空氣溫度數據采用四分位差方法進行分析。首先對氣溫數據按從小到大的順序排列后，然后分成四等分，分別為下四分位數(Q1)，中位數(Q2)，上四分位數(Q3)，最后運用箱型圖來分析識別與剔除異常值，從而降低異常值對不同寬高比中庭之間存在的熱環境差異的干擾，可直觀呈現出不同尺度中庭之間的熱環境差異[13]。

在評價不同尺度中庭的熱舒適狀況時，將各中庭的空氣溫濕度參數導入Ecotect軟件中，來分析適宜該區域的適應性模型尺度，同時討論熱舒適改善時應采用的策略。

2 中庭尺度分析及實測對象

2.1 中庭尺度分析

為了獲知在熱濕氣候內陸盆地區域常采用的中庭尺度，測繪了榜山村20棟民居，并對測繪民居中的26個中庭進行空間尺度的分析(表2)。研究結果發現：由于中庭的開間面闊(L)基本相近于廳堂的面闊，通常各民居之間的廳堂面闊較為相近，因而中庭的開間面闊(L)尺寸較為相近，大多數在4.5～5.0 m，變化范圍較小。但是，中庭高度(H)和進深寬度(D)的尺度則會有較大差異(圖2)。H最低為2.5 m，最高為5.4 m，其中多數的中庭高度處于3.2～4.2 m。H<4 m的有13個，H>4 m的有13個，說明該地區民居的圍合中庭的南側建筑多為一層或兩層。D多數在2.1～3.7 m，D<3 m的有15個，可知該地區的中庭多數采用進深寬度較小的方式。

表2 榜山村民居中庭空間的尺度分析

從圖2(b)可知，中庭寬高比(D∶H)多數在1∶2～1∶1，這樣的中庭空間有19處，約占73%。D∶H相近于1∶2比例的中庭空間有13處。D∶H≥1∶1的中庭空間有9處，最大D∶H為2∶1。這反映了在夏長冬短、且夏季炎熱高濕的氣候條件下，該地區的民居中庭大多數采用的是“天井式”的設計手法。

圖2 榜山村民居的中庭空間尺度及其占比分析

2.2 實測對象概況

從2.1節的中庭尺度分析可知，D∶H基本在1∶2～2∶1。由于榜山村傳統民居建筑都采用青磚灰瓦材料，中庭地面用青磚鋪墊，因而在L尺度較為相近的情況下，影響中庭熱環境的主要因素為其寬高尺度。為此，在D∶H為1∶2～2∶1，分別選取不同尺度的中庭空間為實測對象。

選取實測對象的原則分兩個方向：一是選取D∶H尺度相對相差較大的，獲知在不同高寬比尺度下，中庭空間的熱環境分布情況。由此，在9月22日，選取了D∶H為1∶2、1∶1.4、1.3∶1、2∶1的中庭為實測對象進行對比分析，結果如表3所示；二是選取高寬比相對相近、但高寬尺度有些差距的中庭空間進行實測，獲知在相近D∶H下，不同尺度的中庭空間的熱環境分布情況。由此，在9月23日，選取了D∶H為1∶2、1∶1.1、1∶1、1.3∶1、1.5∶1的中庭為實測對象，結果如表3所示。實測對象的各測點均分布于中庭空間的中心，并在2 d里分別分為A、B、C、D 4組同時進行。與此同時，在該村村口空曠、無遮陽處，設置室外氣象參考點，以獲知無中庭影響下室外氣象狀況。

表3 實測的中庭及測點分布

3 實測結果與分析

3.1 室外氣象參數

9月22日—23日的室外氣象監測如圖3所示。從圖3可知，在10:00—17:00，榜山村的室外氣溫幾乎在30 ℃以上，最高氣溫可至36 ℃以上，平均氣溫為33 ℃左右，較為炎熱；空氣相對濕度范圍在55%～75%，屬于高濕狀況；村落室外風速為小于1.5 m/s的弱風狀態。由此可知，處于內陸盆地的熱濕氣候地區，夏季的白天較為炎熱，且少風悶熱。同時，這兩天的室外氣象也較為相近，為對比這兩天實測對象的熱環境狀況提供了一定的可比性。

圖3 實測日的室外氣象狀況

3.2 不同尺度中庭的熱環境實測結果分析

不同尺度中庭的空氣溫濕度實測如圖4所示。從圖4可知，在11：00—16:00時段，中庭有著較為明顯的調節作用。在中午時刻，寬高比越大的中庭空間，其氣溫與室外無遮陽環境參考點的氣溫越相近，特別是院落式中庭(D11、D12、D21、D22)；在12:00—14:00的中午時段，中庭的氣溫與無遮陽參考室外氣溫已較為相近，可高至35 ℃。而寬高比為1∶2的天井式中庭(A11、B11、A21)，可在白天各時段均維持較為穩定的熱環境，氣溫可維持在30 ℃左右，最多可比室外氣溫低6 ℃左右。

圖4 實測中庭的空氣溫濕度逐時變化

通過采用四分位差方法進行分析后的結果如圖5所示，在9月22日的實測中可知，如圖5(a)所示，在高寬比尺度相對相差較大的情況下(如A11、C11、D12、D11測點的中庭空間)，寬高比越大的中庭，氣溫的Q1值和Q3值則會越高。其中，寬高比為1∶2的天井式中庭的氣溫(A11和B11)會較寬高比為2∶1的院落式中庭(D11)低了2.7 ℃以上，比室外氣溫低4～6 ℃。

在9月23日的實測中，如圖5(b)所示，在寬高比相近的情況下(如B21、B22、C21、D22測點的中庭空間)，寬度越大，中庭的氣溫會越高。結合圖4(a)和圖4(b)兩天的實測結果可知，中庭的寬高比小于1∶1，均對室外炎熱的氣候環境有著較為明顯的調節效果。當中庭的寬高比小于1∶1，且其寬度小于 3 m，則氣溫的Q1值會低于30 ℃(如A11、B11、C11、A21)，會有更顯著的調節效果；當中庭的寬高比小于1∶1，而寬度大于3 m，則氣溫的Q1值會高于 30 ℃，則調節效果相對不佳。

圖5 不同尺度中庭的氣溫分布分析

綜上可知，在熱濕氣候盆地區域，當中庭的D∶H=1∶1且其D<3 m時，對夏季室外炎熱的氣候有較為明顯的調節效果。其中，D∶H=1∶2的天井式中庭，則會營造出更加穩定且相對舒適的熱環境，其氣溫比室外氣溫低4～6 ℃，是較為適應于該氣候區的民居中庭尺度模型。

4 不同尺度中庭的氣候適應性分析

由于研究對象位于夏季較長且炎熱、高濕、少風的熱濕氣候盆地區域，該區域屬于夏熱冬暖氣候區，且實測的民居為自然通風建筑，使用人群對室內高濕熱環境具有較強的熱適應性，參照《民用建筑室內熱濕環境評價標準》(GB/T 50785—2012)中對非人工冷熱源建筑的評價，需采用適應性熱舒適理論來討論實測中庭空間的熱舒適狀況[11]。

可以基于適應性熱舒適模型(adaptive model, AM)用Ecotect軟件來創建熱舒適范圍，以分析出不同尺度中庭的熱適應狀況。在夏熱冬暖地區，可采用公式Tn=10.578+0.554To,m來創建熱舒適區的界限，其中Tn為中性溫度，To,m為該月室外平均溫度[14]。將實測期間記錄的不同尺度中庭的空氣溫濕度數據導入Ecotect軟件中，可生成具有逐點分布數據的焓濕圖(圖6)。從圖6可知，在炎熱高濕少風的室外氣象條件下，會造成各實測中庭空間都處于高溫、高濕的環境，熱舒適感覺均不宜接受。由于室外風環境為小于1.5 m/s的弱風狀態，圍合式的中庭空間則更難以有舒適的氣流。那么，在該地區的中庭熱環境設計中，還需考慮一定的熱舒適性改善措施，才能更好地滿足現代人的舒適性需求。如：可采用吊扇或壁扇增大氣流，通過增大氣流為 2 m/s 即可使寬高比為1∶2的天井式中庭內人體的熱舒適感覺為舒適。由此，通過一定的熱舒適改善措施，寬高比為1∶2的天井式中庭還是比寬高比大于1∶1的院落式中庭更適宜熱濕氣候區。

圖6 不同尺度中庭空間的氣候適應性分析

5 結論

經過對熱濕氣候區廣西東南部民居不同尺度中庭進行夏季熱環境的實測與氣候適應性分析，得到了以下結論。

(1)經實測分析民居中庭空間的寬高尺度，可知絕大多數中庭空間的寬高比在1∶2～1∶1，其中有73%的中庭空間寬高比小于1∶1。由此可知，在熱濕氣候地區，民居中庭普遍采用天井式設計。

(2)在熱濕氣候盆地區域，寬高比為1∶2的天井式中庭可營造室內較為穩定且相對舒適的熱環境，其氣溫比室外氣溫低4～6 ℃。因此，寬高比為1∶2的天井式中庭更適宜熱濕氣候盆地區域。

(3)在熱濕氣候區的中庭尺度設計上，寬高比不宜大于1∶1，且當中庭的進深寬度不超過3 m時，中庭會有較為明顯的熱環境調節效果。

(4)由于炎熱高濕的室外氣候，加上室外風環境本身較弱，中庭空間是難以形成有效對流的風環境。因而，在內陸少風悶熱的熱濕盆地區域，中庭空間的熱舒適性設計上，還需采用主動式熱調節方式，才能獲得更好的舒適性。