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1、湿热气候下民居天井空间的气候适应机制研究郝石盟 宋晔皓/ HAO Shimeng, SONG Yehao摘要：湿 热气候下，采用天井式院落布局具有重要的气候调节意义， 文章通过建筑物理环境测试手段，对渝东南地区典型天井式 民居的气候适应性机制及有效程度进行了验证。研究发现： 天井空间对白天空气温度峰值的削减作用显著；在夜间或室 内有采暖的条件下，能一定程度上减缓热量散失。同时，通 过实测及计算分析发现，此类天井的作用机制不能简单解释 为热压驱动下的“拔风”作用，但天井在热压作用下的通风 依然有意义，在其作用方向上可将天井底部较低温度的空气 经由房间内部流向室外。并且与同等体量的大进深建筑相 比
2、，在中部设置天井是保证室内自然通风的有效手段。关 键词：夏热冬冷地区民居天井气候适应性自然通风1 引言湿热气候下，建筑半室外空间在气候调节方面具有多 重意义（Helena Coch，1998；赵万民，2011；李先逵，2009）。 以巴蜀地区传统民居为例，赵万民（2011）将该地区传统民 居的建筑气候适应特征总结为“外封闭、内开敞、大出檐、 小天井、高勒脚、冷摊瓦”，其中涉及的天井、敞厅、穿堂、 开敞铺面、宽檐廊等半室外空间起到了非常重要的气候调节 作用（图1）。首先，作为家庭活动、生产生活的核心场所， 这些空间本身便在部分时段为人们提供了优于室外的环境 条件；其次，作为气候缓冲层，这类空间在
3、一定程度上削弱 或延迟了室外气候对主要居室的影响。其中天井空间是渝东 南合院式民居的核心构成要素，兼具遮阳、通风、采光等作 用，诸多研究从建筑气候适应性角度，对该地区或类似气候 区的民居天井空间进行了分析，但部分研究对其气候适应性 机制的分析和描述不够准确。本文通过对渝东南地区某典型 天井民居的测试研究，尝试进一步清晰地描述湿热气候下民 居天井空间的气候适应性机制。2研究方法2.1研究对象 的选取本文选取重庆武隆桐梓镇一栋建于1930年代的穿斗 式传统民居作为研究对象（表1）。该民居为四合院形式，当 地也称四合水、四合头，主体建筑有两层，中部设有天井， 天井空间的高宽比约为1.75:1。合院式
4、布局围绕庭院（天井） 展开，在主轴线上布置过厅、敞厅；正房3间，堂屋为敞厅； 厢房2间；倒座面向主街一侧为经营店面（图2）。该民居原 为地方较有财力的士绅所建，现在依然作为居住建筑，为多 户杂居。2.2测试方案及设备 测试小组分别于2011年8月 2228日（夏季）、2012年4月1220日（过渡季）、2013 年1月23日2月18日（冬季长期）、2014年2月1521 日（冬季极端天气），在武隆县桐梓镇开展了民居物理环境 测试工作。测试涉及的物理环境参数包括室内外空气温度、 相对湿度及风速等，并对围护结构进行了热成像拍摄。测试 期间对室内外及半室外空间的温度、湿度数据进行连续监 测，数据采集
5、间隔为20min；风速数据连续采集24h,数据 采集间隔为I5min。测试仪器及主要参数如表2所示。3测 试数据分析天井、穿堂、敞厅等半室外空间的气候调节作 用一般可从热环境和风环境两方面进行分析，其中热环境包 括遮阳效果、温湿度分布特征，风环境包括风速、风向、风 温等。图1渝东南地区民居中的半室外空间营造 表1测 试民居的详细建筑信息建筑编号解放街11号建成年代 1930结构形式穿斗木结构聚落形态聚集正立面朝向西南 平面形式四合头建筑空间层数2开放/半开放空间天井、 挑檐、穿堂、敞厅阁楼/阁层局部阁楼立面窗墙比0.15其他 开口山墙通风首层地面局部木地板楼面木楼面建筑界面 墙体 木板壁屋面
6、小青瓦坡屋面门窗木框单层玻璃采暖设 备炭火盆炊事设备柴灶设备表2测试仪器名称及主要参 数仪器名称仪器型号仪器参数全数字照度计XYI -III Luxmeteru 范围：0.01 10 000lx, 0.1 100 000lx；精度：土 4%；分辨率:0.001lx红外热成像仪 VarioCAM HR Inspect范 围：-402 000；热灵敏度：0.05r温度自记仪 天建华仪 WZY-1范围：-2080C；精度：0.3C温湿度自记仪 天 建华仪WSZY-1范围：温度-40100C，湿度0100%RH； 分辨率：温度0.1 C，湿度0.1%RH 3.1天井等半室外空间对 围护结构表面温度的影
7、响天井等半室外空间主要通过在立 面形成有效遮阳，来降低太阳辐射对围护结构表面温度的影 响。夏季中午时段红外热成像图显示（图3）,天井处于阴 面和阴影中的界面平均温度为22.6r，最高温度为29.5r； 太阳直射界面平均温度为25.8r,最高温度为37.9r；其中， 平均温度相差3.2r，最高温度相差8.4r，同层立面垂直温 差达i5.8r。敞厅内界面平均温度为23.1 r，最高温度为 24.4r ；太阳直射界面平均温度为29.2r，最高温度为 44.7r ；其中，平均温度相差6.1 r，最高温度相差20.3ro 穿堂内界面平均温度为23.8r，最高温度为25.2r ；外立面 平均温度为29.6
8、r，最高温度为47.4r ；其中，平均温度相 差5.8r，最高温度相差22.2 ro根据以上数据发现，通过 设置天井、敞厅、穿堂等室外与半室外空间，可以非常有效 地降低夏季建筑围护结构的表面温度。图2测试民居平面、 剖面及测点布置3.2天井等半室外空间对空气温度和湿度 的影响3.2.1空气温度 在空气温度方面（图4），按季节分 别对室内外温度进行线性回归，夏季和过渡季R2在0.92 0.94之间，即半室外空间空气干球温度变化90%以上可以由 室外空气干球温度变化解释，二者相关性高。冬季穿堂和天 井1.5m高处与室外温度的R2为0.81，天井4m处为0.88, 这一季节性差异可能缘于半室外空间周
9、边各房间在冬季使 用采暖热源。半室外空间温度分布离散程度和波动范围均 小于室外，其中天井1.5m处离散程度和波动范围最小。夏 季，半室外空间温度标准差介于2.22.8C之间，室外温度 标准差为3.4C ；穿堂与天井1.5m高处温度波动范围分别为 9.1 和8.2C ；天井4m高处温度波动范围为12.6C，比较 接近室外（12.9C）。过渡季，半室外空间温度标准差介于 1.52.0C之间，室外温度标准差为2.2C ；天井1.5m高处 温度波动范围最小，为6.4C；其次是天井4m高处，为8.8C； 穿堂和室外接近，为8.89.0C。冬季，半室外空间温度标 准差仅为0.50.6C，室外温度标准差为1
10、.1C；半室外空间 温度波动范围为2.83.7C，低于室外（7.5C）。在夏季测 试期间，穿堂（测点T1-B）、天井1.5m高（测点T1-C）、天 井4m高（测点T1-I）处的平均空气温度为21.221.4C， 低于室外（测点T1-A）平均空气温度（22.0C）。室外空气 最高温度为29.8C，天井4m高处与之接近，为29.7C，其 余两个测点最高温度显著低于室外，分别为26C和25.8C。 室外空气最低温度为16.9C，穿堂与天井4m高处与之接近， 分别为16.9C和 17.1 C，天井1.5m处最低温度高于室外， 为17.6C。过渡季测试期间，半室外空间平均空气温度为 12.412.8C，
11、低于室外平均空气温度（13.6C）。室外空气 最高温度为19.8C，天井1.5m高处温度最低，为17.2C， 其余两个测点分别为18.5 C和 18.3C。室外空气最低温度为 11C，半室外空间测点最低温度均低于室外，介于9.5 10.8C之间。冬季测试期间，冬季平均空气温度为0.61.4C， 高于室外平均空气温度（0.2C）。室外空气最高温度为5.2C， 半室外空间测点空气最高温度为2.326C。室外空气最低 温度为-2.3 C，半室外空间测点最低温度高于室外，其中穿 堂处为-0.2C，其余两个测点分别为-1.3C和-1.4C（图5）。 图3红外热成像（拍摄时间为夏季11:00,过渡季15:
12、30）图 4各测点与室外干球温度散点图5天井各测点与室外空气 温度分布 时间分布上（图6）,夏季与过渡季测试期间的日 出时间为6:20左右，日落时间为19:20左右；冬季测试期间 的日出时间为7:25左右，日落时间为18:35左右。半室外空 间热延迟作用不明显，基本与室外温度变化同步。晴朗天气 下，日出前空气温度降至最低点，阴天时受云层影响，室外 温度上升时间有所延迟。夏季最低温度一般出现在凌晨5:006:00；过渡季最低温出现在5:007:00，阴天时可延迟 至9:00；冬季最低温出现在6:008:00。日出后温度开始上 升，阴天午后14:0015:00空气温度达到最高值；天气晴朗 时受太阳
13、直射辐射影响，聚落与建筑各界面温度较高，午后 空气温度仍继续上升，在16:0017:30左右达到最高值，之 后开始下降。半室外空间与室外温度差的平均值，在夏季 和过渡季小于0，分别为-0.80.6C和-1.2-0.8C ；在冬季 大于0，为0.41.2C（图7、8）。在夏季和过渡季白天有太 阳辐射的时段，由于半室外空间的遮阳较为充分，因此其空 气温度上升速率小于室外，对室外温度峰值的削减作用尤其 显著：夏季，半室外空间与室外最大温度差可达-5.9-4.0C， 过渡季可达-3.1-2.7C ；夜间至凌晨时段，空气温度降低， 围护结构也向外散热，由于天井内空气体积小，相对于室外 而言，空气温度下降
14、速度较慢，二者温度差逐渐缩小，夏季 夜间室外空气温度甚至会低于半室外空间。但夜间温度差值 低于白天，夏季夜间最大差值为0.81.4C，过渡季为-0.2 0.4C。冬季，测试前两日为雨雪天气，室外空气温度低且日 照辐射较少，受天井周边各房间采暖热源的影响，半室外空 间温度略高于室外：天井周边的房间特别是首层起居室、厨 房等朝向天井开门，被加热的室内空气与天井内空气对流换 热，其次，采暖和炊事活动导致面向天井的围护结构温度升 高，再加上对流和长波辐射作用，使得天井底部空气温度略 高于室外，最高可超过室外温度1.12.4C。在冬季晴天 11:0018:00的时段，室外温度高于半室外空间，最大差值 为
15、-3.5-2.7C。总体上，测试期间80%的时间半室外空间与 室外的空气温度差值在-2.80.7C （夏季）、-2.2-0.1C （过 渡季）、-0.21.0C（冬季）区间。可见，半室外空间的确起 到了 “气候缓冲层”的作用，对晴朗天气午后温度峰值的削 弱作用较为显著，在夜间及冬季阴天有采暖的时段，有减缓 温度散失的效果。图6各测点干球温度时间分布 图7天 井各测点与室外空气温度差图8各测点与室外干球温度差 时间分布3.2.2空气湿度上在空气湿度方面（图9），半室 外空间内的绝对湿度大部分时间高于室外，以天井1.5m高 处测点为例，夏季测试期间约80%的时间天井内绝对湿度高 于室外，过渡季和冬
16、季测试期间则为90%。但在数值上差异 不大，半室外空间与室外绝对湿度平均差值为夏季0.3g/m3、 过渡季0.7g/m3、冬季0.1g/m3。在夏季和过渡季，半室外空 间相对湿度也高于室外，分别平均高出4.2%和 10.4%；冬季， 由于天井温度高于室外，因此相对湿度有70%的时间低于室 外。图9天井1.5m高处测点与室外空气湿度散点图3.3天 井空间对自然通风的影响夏季自然通风的作用主要体现在 两个方面：一是直接增加人体周边的空气流速，从而提高热 舒适度；二是通过通风带走高温空气，引入低温空气，避免 室内湿度蓄积。冬季自然通风的意义主要在于保证室内空气 品质，尤其是在有传统采暖和炊事设备的空间。为验证天 井的自然通风效果及原理，本文分别在夏季和冬季对渝东南 地区合院式民居天井空间进行了风环境测试。夏季测试结果 显示（图10）：白天室外平均风速为0.770.82m/s，天井1.5m 高处平均风速为0.17m/so夏季传统民居半室外空间3个测点 的平均风速为0.24m/s，其中穿堂处测
