合院式民居天井空間防熱性能優(yōu)化研究

孫倩倩，范征宇，白魯建，毛曉敏

（1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055；3.西部綠色建筑國家重點實驗室，陜西 西安 710055）

0 引 言

天井在世界民居中應用廣泛，不同氣候條件、社會文化背景下的民居采用不同的天井空間原型。我國濕熱地區(qū)多分布于南方，夏季炎熱潮濕，天井是應對濕熱氣候的重要氣候調節(jié)空間。中國傳統(tǒng)民居的天井通常位于前后廳堂的中央軸線上，天井周邊設置的廳堂、檐廊等空間面向天井內，在空間形態(tài)上與天井連貫成為整體，是民居內部熱量向外傳遞的通道［1］；地中海國家建造面向天井的并列式房屋，并發(fā)展沿軸線排列的天井庭院序列［2］；在國外半干旱地區(qū)［3］和溫帶海洋性氣候地區(qū)［4］，天井設計同樣被視為有效的被動式設計策略。

國外學者對天井熱性能的主要研究有：通過對古巴卡馬圭歷史中心的建模和分析，證實不同三維縱橫比對室外熱條件的影響［5］；通過對中東地區(qū)的庭院熱舒適條件的調查，總結影響庭院熱性能的因素，包括幾何形狀、產生氣流的方式、蒸發(fā)冷卻、窗戶和植被的位置［6］；通過對馬來西亞地區(qū)庭院的熱性能模擬［7］，控制建筑高度比，以及庭院中植被的豐富程度，探索可接受的熱舒適水平［8］；天井的設計因素與提高室外熱舒適性相關，如反照率［9］、遮陽裝置［10］、樹木配置［11］和走廊［12］等配置。此外，一些研究關注于天井熱性能與周圍建筑屋頂形式之間的關聯(lián)。如，通過對四合院長波輻射自然冷卻作用的研究，表明斜屋頂沒有促進天井上方的空氣下沉到庭院中；帶有透明屋頂的天井在冬季可以儲存大量熱能，將其作為建筑中的熱源［13］。

國內學者對天井的熱環(huán)境研究，主要有石峰等對福州多進天井式民居研究，對比分析天井幾何形態(tài)對建筑風環(huán)境的影響［14］；李顏等采用采光和通風模擬軟件，對廣州竹筒屋進行生態(tài)作用的研究［15］；劉程明等結合建筑設計中“天井”模式下的被動節(jié)能手段與天井空間形態(tài)、文化內涵的結合策略進行了討論［16］；梁林等采用建筑性能模擬的方法，對嶺南傳統(tǒng)民居天井空間的再利用進行方案優(yōu)化比較［17］；周孝清等對竹筒屋中天井的熱壓通風的潛力進行分析，主要體現為天井高度、寬度和溫差對熱壓通風的影響［18］；黃河對不同高度類型的住宅建筑中天井空間進行解析［19］；郝石盟等通過測試發(fā)現天井空間對白天空氣溫度峰值削減作用顯著［20］；梁家輝等認為天井在嶺南傳統(tǒng)建筑西關大屋中起到自然通風及采光的作用［21］；蒙海波以廣西玉林地區(qū)傳統(tǒng)民居天井空間為研究對象，進行實測與模擬，研究微氣候調節(jié)效果［22］；李亞運以湖南傳統(tǒng)民居為研究對象，總結傳統(tǒng)天井式民居分布特點、平面形式等，針對典型“廳”類組合通風系統(tǒng)中的天井進行自然通風模擬研究［23］；李建勇通過對無天井案例進行環(huán)境、平面、功能分析，對有、無天井2種工況下的室內通風情況做了模擬［24］；孫倩倩等對騎樓式民居內部嵌入型天井空間形態(tài)進行了研究，模擬分析了天井頂部開口方式、剖面形態(tài)和高深比的變化對室內外熱環(huán)境的影響［25］。

以上研究評估了建筑中天井本身的熱性能，對天井空間的研究已有一些成果，圍繞天井周邊的主要建筑空間熱性能，隨天井設計因素改變的影響，尚未得到徹底研究。尤其對于民居中合院式民居內天井，在方案設計階段，應該如何控制其形態(tài)、比例和尺度，特別是天井空間要素變化對建筑防熱性能的影響研究，需進一步深化。因此，該研究提取濕熱地區(qū)合院式傳統(tǒng)民居的空間原型，對天井的面寬進深比、窗井比、建筑層高和豎向窗戶數量進行研究，為合院式民居設計中天井空間的形態(tài)尺度控制研究提供依據，有助于豐富建筑設計理論中天井的被動設計研究。

1 研究方法

《民用建筑綠色設計規(guī)范》中要求，在進行建筑設計和規(guī)劃布局時，宜進行場地風環(huán)境典型氣象條件下的模擬預測，模擬采用Autodesk CFD模擬軟件，該軟件是一款進行傳熱和流體流動分析的計算流體力學（CFD）的工具軟件，它可以進行高速湍流與不可壓縮流、導熱與對流熱的三維仿真分析。通過在軟件中設定室外氣象參數與熱舒適因子等邊界條件，得到建筑室內外空氣溫度、平均輻射溫度和風速矢量分布，形成直觀可視化的二維和三維圖像及視頻，并可通過布點的方式獲取熱環(huán)境相關參數的具體數值［26-27］。在模擬試驗時，可進行相同邊界條件，不同設計變量條件下的設計方案進行模擬結果對比。

1.1 邊界條件

模擬為自然通風下的運行狀態(tài)，根據《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范GB50736—2012》附錄A中關于室外空氣計算參數見表1，建筑材料設置為磚，導熱系數為0.72 W／（m·K），輻射率為0.94，并選取與夏季通風室外計算參數相近的典型時間點2020年7月26日一天中較熱的時刻中午12點作為模擬邊界條件。

表1 邊界條件說明Table 1 Description of boundary conditions

1.2 模擬方案

根據濕熱地區(qū)典型民居案例［28-31］，提取四面圍合型合院內天井建筑空間原型，南北主要用房（南／北主屋）為“一明兩暗”形制，即中央敞廳、兩側臥室，東西兩側為輔助用房，即廚房、儲物間等，中央為四面圍合形成內天井，由此建立基本模型（圖1）。采用控制變量法，以面寬進深比、窗井數量比、建筑層高和豎向窗數量4個變量，分別形成4個試驗工況（表2、表3）。

表2 試驗工況Table 2 Test conditions

表3 試驗方案Table 3 Test scheme

圖1 傳統(tǒng)民居與試驗模型平面Fig.1 Plan of traditional dwellings and test models

模擬試驗1，工況PF 01-03南北主屋單元尺度不變，為11.0 m×6.0 m，天井面寬定量為2.4 m，進深方向尺度分別為7.2，4.8和2.4 m，工況PF 03-05輔助用房單元尺度不變，為2.6 m×3.4 m，天井進深尺度定量為2.4 m，等比例改變天井面寬尺度，面寬方向分別為2.4，4.8和7.2 m，其中主屋單元開間、窗戶尺度與相對位置不變，廳堂與臥室的面寬對應天井面寬相對應改變。

模擬試驗2，模型中天井空間均為長面寬型，南北主屋單元尺度不變，天井面寬為7.2 m，進深為2.4 m，試驗引入“窗井數量比”，即在主導風方向，面對天井的房間門／窗數量與天井面寬進深比為1時等比例所需門／窗的數量比值。以工況PF 05為例，面對天井的房間為南北廳堂，單側界面門／窗數量為1，天井面寬是進深的3倍，等比例所需門／窗的數量是3，則窗井數量比為1∶3，同理，工況PF 05-N為1∶1。由于僅增加門／窗面積與等比例增加門／窗數量產生的通風效果不同，為更加精準提出優(yōu)化提升民居天井空間的設計方法，本試驗變量選取窗井數量比。

模擬試驗3，建筑層高變化引起天井空間高度變化，根據實地調研傳統(tǒng)民居與現代民居的層高統(tǒng)計，以天井空間形態(tài)和門窗尺度為定量，以層高高度為變量，分別形成3，4和5 m 3種不同層高等級，對應工況PF 06，PF 03和PF 07。

模擬試驗4，以天井高度5.0 m為定量，建筑空間形態(tài)和尺度均不變，以豎向窗戶數量分別為單層和上下雙層為變量，形成工況PF 07和PF 07-N。

1.3 熱環(huán)境評價指標

模擬選取風速、溫度和人體熱感覺作為熱環(huán)境的評價指標。風速、溫度等試驗數據選取人活動的區(qū)域高度1.2 m的數值。根據《民用建筑室內熱濕環(huán)境評價標準》（GB／T 50785—2012），選取非人工冷熱源熱濕環(huán)境下的預計適應平均熱感覺指標（APMV）作為熱環(huán)境評價依據。

2 結果與討論

2.1 面寬進深比

2.1.1 風速比較

由圖2和表4可知，隨著進深尺度增加，PF 01-03 3種工況天井內人體活動高度區(qū)域內風速逐漸減小，頂部風速逐漸增大；北側建筑的室內風速變化較為明顯，進深越大，北側敞廳室內風速越小，南側建筑室內風速變化不明顯；在面寬進深比例為1∶1時，即工況PF 03，天井空間與建筑室內空間平均風速值最高；南側建筑室內風速平均值僅次于天井，北側建筑與輔助用房室內風環(huán)境較差；PF 03一層平面中，天井平均風速為0.87 m／s，北側主要房屋建筑室內平均風速為0.24 m／s；各類建筑空間中，北側臥室平均風速最低，以PF 01為例，其天井風速平均值高出北臥室0.70 m／s（圖2，表4）。

圖2 PF 01-05平面與剖面風速矢量Fig.2 Plane and section wind speed vector illustration of PF 01-05

當天井空間進深尺度不變，隨著面寬尺度增加，PF 03-05 3種工況天井中心風速與最大風速值升高，但平均風速減小，天井東西兩側的風影區(qū)面積持續(xù)增大，并出現了渦流，后側廳堂及臥室的室內風速變化并不明顯；PF 05面寬尺度最大，其一層天井平均風速僅為0.50 m／s，除北側建筑一層風速變化不明顯，其他各層南北主要用房室內風速隨面寬尺度增加而下降明顯，其中北主屋二層室內平均風速僅為0.08 m／s。因此在進行民居天井設計時，不建議采用過大的面寬尺度（圖2，表4）。

表4 試驗1各層建筑空間風速特征值Table 4 Characteristic values of wind speed in building space of each floor of Test One m·s-1

2.1.2 溫度比較

隨著進深比例增加，進深越大，人的活動高度區(qū)域溫度越高，北側建筑二層室內溫度變化最為明顯。PF 01-03 3種工況下各建筑空間溫度相比，二層北側主要用房的廳堂及臥室溫度變化明顯，PF 03的北敞廳平均溫度最低，為33.3℃，與PF 01相比，低0.89℃，兩者北臥室相比，PF 03平均溫度低1.49℃，將敞廳與臥室溫度進行平均，得到北側主屋PF 03的平均溫度比PF 01低1.29℃。天井空間溫度最大值相比，PF 01二層天井最高，為33.91℃（圖3，表5）。

表5 試驗1各層建筑空間溫度特征值Table 5 Characteristic values of building space temperature on each floor of Test One ℃

圖3 PF 01-05平面溫度分布Fig.3 Plane temperature distribution of PF 01-05

當天井空間進深不變，面寬尺度增加時，天井溫度最高值在一層時降低，但各層平均溫度逐漸升高，面寬進深比為3∶1的PF 05工況天井空間溫度最高，一層平均溫度31.51℃，二層平均溫度33.25℃，分別高出PF 03工況0.14℃和0.31℃。一層北側敞廳及臥室的室內溫度變化并不明顯，二層南北側建筑及輔助用房的室內溫度隨面寬尺度增大而增大，PF 05二層北側建筑室內平均氣溫35.63℃，高于PF 03工況1.16℃。

在主要用房窗戶數量和尺度不變時，當天井采用過大的面寬尺度時，亦會產生主要用房和天井空間空氣溫度升高的結果。在面寬相同的條件下，進深尺度小、面寬與進深比為1∶1的工況PF 03天井空間及室內空間平均溫度相對較低，具有較好的室內熱環(huán)境。

2.1.3 熱感覺指標比較

根據溫度、風速等指標計算，得到預計適應性平均熱感覺指標APMV［32-33］（圖4）。各工況一層天井空間和南主屋的熱濕環(huán)境評價等級多為Ⅱ級，其余工況下為Ⅲ級。對于天井空間，當面寬不變，進深比例變化時，一層天井空間的APMV值變化不大；當進深不變，面寬尺度增加時，一層天井APMV值則隨之升高；二層天井的APMV值則在工況PF 03下數值最低。北主屋位于天井北側，一層APMV值隨面寬增大而減小，工況PF 05熱感覺指標相對較低，二層則在工況PF 03下最低。輔助用房的熱感覺指標變化規(guī)律與北主屋相似。南主屋處于迎風面，一層空間在天井面寬與進深比例相差較大時，APMV值相對較低，二層則在工況PF 03下最低。綜合分析各個建筑空間的平均熱感覺指標，工況PF 03的熱環(huán)境較優(yōu)，即天井面寬與進深比控制在1∶1時，天井空間及大部分主要建筑用房的熱環(huán)境較優(yōu)。

圖4 PF01-05主要建筑空間熱感覺指標Fig.4 APMV of main building space in PF 01-05

2.2 窗井數量比

2.2.1 風速比較

通過對2種工況的對比，可發(fā)現增大天井的窗井數量比時，即工況PF 05-N建筑室內風環(huán)境和天井風環(huán)境均得到較大改善（圖5，圖6，表6）。建筑北側和天井內部東西兩側的風影區(qū)面積減少，天井空間平均風速在一二層分別提高了0.11和0.23 m／s。南北兩側主要建筑用房室內風環(huán)境也得到了明顯改善，其中南側主屋二層室內平均風速提高了0.17 m／s。

表6 試驗2各層建筑空間風速特征值Table 6 Characteristics value of wind speed in building space of each floor of Test Two m·s-1

圖5 PF 05、PF 05-N平面與剖面風速矢量Fig.5 Plane and section wind speed vectors of PF 05 and PF 05-N

圖6 PF05、05-N主要使用房間風速特征值Fig.6 Characteristic values of wind speed in the main room of PF05，05-N

因此當采用面寬尺度較大的天井時，應根據天井面寬與進深比例，等比例增加天井南北兩側建筑的窗戶數量，以達到改善建筑風環(huán)境的目的。

2.2.2 溫度比較

窗井數量比增加時各層平面的平均溫度均隨之降低。一層平面中，天井平均溫度降低0.74℃，南側主要用房和輔助用房室內分別降低0.35℃和0.61℃；二層平面中，天井空間平均溫度降低0.93℃，南側主要用房和輔助用房分別降低0.40℃和0.67℃。北側主要用房一層敞廳溫度變化不大，二層敞廳溫度隨窗井比增大有明顯降低（圖7，表7）。

圖7 PF 05、PF 05-N平面溫度分布Fig.7 Plane temperature distribution of PF 05 and PF 05-N

表7 試驗2各層建筑空間溫度特征值Table 7 Characteristic values of building space temperature on each floor of Test Two ℃

2.2.3 熱感覺指標比較

與PF 05相比，PF 05-N的建筑空間在各層熱濕環(huán)境評價均相對較優(yōu)。其中一層中的天井空間、南主屋和輔助用房等級為Ⅱ級，低于PF 05的同類建筑空間；北主屋受窗井比的影響不大；南主屋和東西兩側輔助用房均隨著窗井比例增加，熱感覺指標降低。由此可見，對于天井面寬比例較大的四面圍合型建筑，通過增加南北向相對門窗比例的方法，可以有效改善自然通風，改善室內熱環(huán)境（圖8）。

圖8 PF05、05-N主要建筑空間熱感覺指標Fig.8 APMV of main building space in PF05 and 05-N

2.3 建筑層高

2.3.1 風速比較

圖9為該組模型在一層1.2 m和二層1.2 m（分別為4.2，5.2，6.2 m）的風速分布。三種工況下建筑風場分布特點相似，天井與北敞廳的風速隨著天井高度（建筑層高）的增加而逐漸減小（表8）。當建筑層高增加至5 m時，由于門窗高度受限，天井上部出現較大風影區(qū)，室內敞廳、臥室頂部空氣不流通，并且較高的層高會增加建筑造價。因此建筑層高不宜過高。

圖9 PF 03，PF 06，PF 07平面與剖面風速矢量Fig.9 Plane and section wind speed vectors of PF 03，PF 06 and PF 07

表8 試驗3各層建筑空間風速特征值Table 8 Characteristic values of wind speed in building space of each floor of Test Three m·s-1

2.3.2 溫度比較

圖10為模型在各層的溫度分布，通過3種工況溫度特征值進行對比，天井與主要用房的溫度隨著建筑層高減小，呈現逐漸降低的趨勢。PF 06工況，天井與南北兩側主要用房室內平均溫度最低，與PF 07工況相比，一層南側主屋溫度低0.7℃，冷巷降低0.28℃（表9）。

表9 試驗3各層建筑空間溫度特征值Table 9 Characteristic values of building space temperature on each floor of Test Three ℃

圖10 PF 03，PF 06，PF 07平面溫度分布Fig.10 Plane temperature distribution of PF 03，PF 06 and PF 07

2.3.3 熱感覺指標比較

3種工況下對比建筑空間在各層的熱濕環(huán)境評價指標，如圖11所示，可發(fā)現隨著建筑層高分別為4，3和5 m時，天井空間、一層南主屋和一層北主屋的APMV值相比，在3 m時最低；輔助用房與二層南北主屋則在層高為4 m時APMV值最低。可見，當建筑層高不宜過高，應控制在3～4 m，層高過高影響建筑室內外空間的熱舒適度。

圖11 PF03，06，07主要建筑空間熱感覺指標Fig.11 APMV of main building space in PF03，06 and 07

2.4 豎向窗戶數量

2.4.1 風速比較

圖12為該組模型的風速場矢量分布圖，當天井高度不變時，PF 07-N增加了豎向窗戶的數量，南北兩側建筑的敞廳和臥室為上下雙層窗，風環(huán)境得到明顯改善。從天井中心縱剖面看，樓板底部空氣自然對流增大，天井頂部的渦旋區(qū)減?。ū?0）。

圖12 PF 07，PF 07-N平面與剖面風速矢量Fig.12 Plane and section wind speed vectors of PF 07 and 07-N

表10 試驗4各層建筑空間風速特征值Table 10 Characteristic values of wind speed in building space of each floor of Test Four m·s-1

2.4.2 溫度比較

當天井高度為5.0 m不變，PF 07-N的雙層豎向窗工況下，除一層天井1.2 m平面高度處與PF 07相比較高外，其他建筑空間，如南北兩側建筑的敞廳和臥室，平均溫度均低于工況PF 07。其中，二層北主屋和輔助用房溫度變化較為明顯（圖13），平均溫度分別降低0.73℃和1.17℃（表11）。

圖13 PF 07，PF 07-N溫度分布Fig.13 Plane temperature distribution of PF 07 and PF 07-N

表11 試驗4各層建筑空間溫度特征值Table 11 Characteristic values of building space temperature on each floor of Test Four℃

2.4.3 熱感覺指標比較

2種工況下對比建筑空間在各層的熱濕環(huán)境評價指標，可發(fā)現當層高為5 m的建筑內設上下兩層窗時，即對應工況PF 07-N，二層各建筑空間的APMV值降低明顯（圖14），這說明二層窗的設置對于改善頂層建筑空間的熱環(huán)境具有明顯的作用。

圖14 PF 07 PF07-N主要建筑空間APMV分布Fig.14 APMV distribution of PF 07 and 07-N

3 結 論

1）合院式民居中央設天井，應盡量減少過大的進深尺度設計，進深比例過大，對背風面建筑的熱環(huán)境影響較大，而較大面寬比例的天井空間熱環(huán)境不佳。當天井的進深與面寬尺度相近時，可獲得較好的建筑風環(huán)境與熱環(huán)境。

2）當建筑因功能或形體設計要求，需天井面寬進深比較大時，可根據天井進深方向尺度，在面寬方向等距增加窗戶數量，以增強室內外自然通風對流散熱。這種通過控制天井南北兩側界面門窗洞口數量及對應面積的設計方法，能夠提升天井周邊主要用房的通風降溫作用。

3）民居層高不宜過高，建筑層高增加會提升造價，且造成室內頂部空氣不流通，民居層高宜控制在3～4 m，層高為3 m時，天井和一層南北主屋的熱環(huán)境較優(yōu)；層高為4 m時，輔助用房和二層南北主屋的熱環(huán)境較優(yōu)。

4）當民居建筑層高超過4 m時，宜在每層建筑立面設上下高低窗，增加每層空間頂部的空氣對流，也有利于改善頂層人體活動區(qū)域范圍內的熱舒適度。