江西天井式民居生態適宜性探究

■ 周志儀 ZHOU Zhiyi 王鵬飛 WANG Pengfei 馬 凱 MA Kai

0 引言

隨著科技的發展與多學科的交融，近些年國內學者對傳統民居生態適宜性的研究數量飛速增長。董曉等[1]通過實地測量與軟件模擬相結合的方式，研究秦嶺山地傳統民居的地域氣候適應規律。張華等[2]調查江南水鄉地區傳統民居與現代民居的通風狀況，并對典型案例進行測試研究，指出傳統民居利用天井等半開敞空間能夠很好地兼顧通風與隔熱。吳迪等[3]通過風環境模擬、現場實測與問卷調查相結合的方式，對豫北道口鎮典型磚木民居冬季熱環境進行研究，發現寒冷地區歷史城鎮居民對冬季偏涼的室內環境具有較好的適應性。黃海靜等[4]以黔東南丹寨縣黃土寨苗族民居為例，研究傳統民居建筑的空間特征對其光環境的影響，結果表明傳統民居主要空間采光性能均未達到建筑采光設計標準要求。何苗等[5]應用分析軟件對晉江市東山村的傳統民居進行室內光環境模擬，發現當地傳統民居的采光系數普遍不滿足國家規定采光設計標準，且大部分房間采光均勻度較差。

目前，針對江西地方傳統民居的生態適宜性研究數量不多，大部分研究主要圍繞傳統民居的外部環境展開，而對傳統民居建筑單體的研究較少。喻汝青等[6]利用軟件工具分析南昌市后萬村村落街巷寬度和巷道兩側建筑高度在夏、冬兩季對巷道風環境的影響。王振亞等[7]通過軟件模擬金溪縣全坊村自然通風條件下冬夏風速與氣溫，結果表明在夏季巷道具有明顯的降溫通風的調控作用，冬季北側建筑的不連續形成風口，在一定程度上降低了防風效果。

江西屬于典型的夏熱冬冷地區，建筑物通常要滿足夏季遮陽、通風降溫等需求，同時冬季也應兼顧防寒保暖，因此江西的傳統民居建筑形式有著其獨特的氣候應對策略與樸素的生態經驗。通過技術手段與新研究方法的應用，對江西傳統民居的生態適宜性進行量化分析并提出優化策略，可以探索江西地方傳統民居建筑特色，彌補目前對江西地方傳統建筑生態經驗研究的不足；并以此為契機，尋找兼顧經濟性、生態性、地域性的現代民居優化策略，提升農村居民的生態保護意識、文化遺產保護意識，以期為地區的新農村建設提供過程引導、設計啟發與參考。

1 研究對象

金溪縣被譽為江西省“文化名縣”之首，全縣至今擁有格局完整、風貌較好、古建筑成片、地方特色鮮明的傳統村落101 個，包括中國歷史文化名鎮（名村）3 個、中國傳統村落42 個，省級歷史文化名鎮名村9個、省級傳統村落31 個、省級歷史文化名街區2 個，已申報或待批的中國傳統村落28 個；傳統村落數量占江西省總數量的12.24%，在全國近260個縣傳統村落總數量排名第13。因此，金溪的傳統村落無論是在數量上還是文化上，在江西省傳統村落中都具有典型性和代表性，而金溪縣的竹橋村又是其中風貌保留相對完好的古村。竹橋村始建于明代（1430 年），于2012 年入選首批中國傳統村落，村落整體維持著完整的明清時代格局，村內現存有大量天井式民居。

當地民居出于家族聚集的需求，建筑通常以天井為核心，向四方進行延伸布置各房間，形成以“進”為單位的院落布局，產生不同大小規模的民居。當地民居中最基本、最典型的形式為“一明兩暗三開間兩進式”，其中：“一明”是指正對天井的明間廳堂，“兩暗”則是指廳堂兩側的次間。位于竹橋村中部的余為平宅約有200～300 年歷史，是典型的“一明兩暗三開間兩進式”天井式民居，是村落內數量最多、最常見的傳統民居形式，故本文選擇余為平宅進行模擬分析。

2 物理模型

研究對余為平宅進行模擬分析，并選取其東南面一現代民居作為參照組（圖1）。

圖1 研究對象區位圖

余為平宅共有1 處天井、2 間廳堂、4 間廂房。天井平面長寬比為3:1，較為狹窄；建筑外墻墻角為條石鋪砌，上部為空斗磚墻，內墻為木板隔墻?，F代民居為兩層平屋頂建筑，內部無天井，開間寬8.5 m，總進深8.6 m，采用磚混結構，外門均為鋼制防盜門，窗戶為單層玻璃窗，窗框為鋁合金材質，是當地較為普遍的現代民居形式（圖2）。為簡化模型，減少計算節點，加快計算的收斂速度，在模擬過程中忽略各處微小凹凸處及次要構件，主要保留建筑的門窗、屋頂、樓板及墻體等主要構件。因現代民居位置相對處于村落外圍，周邊建筑密度較低，而傳統民居多集中在村落中部，建筑密度較高，為控制周邊環境條件的影響，模擬實驗設定以四周空曠無遮擋的理想環境進行運算分析。

圖2 建筑平面圖

2.1 光環境模型

光環境模擬研究基于實地測繪數據建立三維空間模型，并在Ecotect軟件中對照建立采光分析模型。受氣候、歷史積淀、生活民俗、營造工藝等一系列因素共同作用影響，傳統民居存在墻面粗糙、墻體并非相互垂直、格柵積灰、反射不均等干擾因素，這些不可抗力因素相對難以把控，但影響較小，因此模擬中對其忽略、簡化。研究分別選取2 棟民居的臥室（廂房）和起居室（廳堂），模擬各區域的采光系數、采光均勻度、照度，網格均設于距室內地面高度750 mm處，每個房間網格節點數為900 個，此精度下的模擬成果能較好地反映民居的采光情況，同時節約運算成本。

2.2 風環境模型

風環境模擬采用PHOENICS 軟件進行，研究以《江西省綠色建筑設計標準》（DBJ/T 36—037—2017）為依據，設置相應的計算域，設定中保證建筑覆蓋區域面積小于計算域面積的3%，并建筑物為圓心，水平計算區域半徑不小于5H（H為建筑高度），建筑上空計算區域不小于3H。在確定計算區域后，運用PHOENICS 軟 件 內 置 的PARSOL 功能進行結構化網格劃分，并在建筑主體所在空間及近地面區域對網格進行加密處理，以提高計算精度。為了驗證網格獨立性，分別劃分10 萬、50萬、100 萬個網格進行實驗，通過實驗得出單元數量為50 萬的網格能夠保證計算精度，提高運行效率，故本文選用網格數為50 萬個的計算單元進行數值模擬。

2.3 能耗模型

建筑能耗模擬采用EnergyPlus軟件分析，根據實際測繪成果建立天井式住宅與現代住宅的三維立體模型，并設定門窗、外墻、屋頂、內墻、樓板等不同圍護結構。使用EnergyPlus 氣 象 數 據（EnergyPlus weather data file）中金溪縣所屬的撫州市氣象臺氣象數據，設定為天井式民居與現代民居全年氣象參數。天井式民居分為上廳堂、下廳堂、廂房等房間，分別設定為不同的熱區（thermal zones），現代民居根據起居室、臥室、廁所、儲藏室等不同功能的房間劃分為不同的熱區。在SketchUp 軟件中完成三維建模后，導 出idf 文 件，利 用EnergyPlus 軟件的idf 編輯器，對建筑圍護結構的分層、厚度、材料導熱系數、透光性能進行定義，同時對照明、人員、電氣設備、暖通空調系統等參數進行設置，然后進行建筑能耗模擬。

3 計算設置及參數

3.1 光環境參數及數學模型

3.1.1 氣象參數

根據中國光氣候分區相關標準，竹橋村屬于IV 類光氣候區，室外天然光臨界照度值為4 500 lx，設計照度值為3 500 lx，采用國際照明委員會規定的標準全陰天空標準，計算最不利條件下的采光情況，各部位表面反射比如表1 所示。

3.1.2 數學模型

采用分流法進行計算，忽略陽光的直接照射，將自然光分成3 個獨立的組成部分，計算公式如下：

式中，FD為采光系數；CS為天空組分，表示通過窗戶直接從天空射入房間內的部分；CER為外部反射組分，表示被大地、樹及其他建筑物反射入房間的部分；CIR為反射組分，表示前兩部分在室內表面上的內部反射。

3.2 風環境參數及數學模型

3.2.1 氣象參數

研究對2 棟建筑的夏冬兩季風環境狀況進行評價，通過參考《空氣調節設計手冊（第三版）》，并咨詢金溪縣氣象局，將主要氣象參數設定如下：夏季主導風向為東南向，風速為2.8 m/s，室外設計溫度為28.1 ℃；冬季主導風向為偏北風，風速為1.9 m/s，室外設計溫度為7.4 ℃。

3.2.2 數學模型

研究采用標準k-ε模型計算，將空氣流動視為不可壓縮、低速湍流。在建筑的風環境研究中，控制方程包括質量守恒方程、動量方程與能量守恒方程。

質量守恒方程如下：

動量方程如下：

能量守恒方程如下：

式中，ρ表示流體密度；u表示速度矢量；ui表示坐標系中的x軸處的速度分量；uj表示坐標系中的y軸處的速度分量；xi表示坐標系中x軸處的位置；xj表示坐標系中y軸處的位置；μeff表示效熱傳導系數；p表示流體壓力；T表示溫度；ΓT,eff表示溫度T下的有效擴散系數；ST表示溫度T下的熱的產生項；t表示時間。

3.2.3 風環境邊界

由于計算區域空間足夠大，流體運動至出流面時已得到充分發展，上部和兩側邊界流體運動受建筑物影響也較小，故在出流面上可認為流體已恢復為無建筑物阻礙時的正常流動，故將其出口壓力設為大氣壓，上部和兩側邊界在氣流模擬中設為自由滑動對稱邊界。建筑壁面及下墊面的邊界條件由于層流黏性作用影響加強，必須對標準k-ε模型加以修正，運算中以壁面函數法加以修正建筑物邊界區。至于來流面邊界，由于在現實中由于地表的摩擦的作用，接近地表的風速隨著高度的減少而降低，需要根據大氣梯度作用的規律進行修正，來流面風速的變化規律以指數率表示為：

式中，Z為計算高度；Zo為參考高度；Uz為高度為Z處的水平方向風速；Uo為參考高度的Zo處的風速；α為由地形粗糙度所決定的冪指數。根據國家相關標準規范規定，田野、鄉村、叢林、丘陵地帶α取0.16。

3.3 能耗參數及數學模型

3.3.1 數學模型

運用EnergyPlus 對住宅進行能耗模擬，所采用的負荷計算方法是房間熱平衡法。假設為房間空氣溫度是均衡一致的，圍護結構表面溫度是均衡一致的。計算出任意干擾量下的墻體傳熱量后，求解房間的冷熱負荷及溫濕度狀態。

房間空氣熱平衡方程式如下：

式中，qi,c表示通過第i個表面的對流傳熱量；N表示圍護結構的表面個數；Ai表示圍護結構第i個表面的實際傳熱面積；Qother表示表面熱平衡方程中日射、設備、燈光及人員得熱中的對流部分和水分蒸發等引起的潛熱量；Ga表示新風與滲透風的風量之和；Cp表示空氣的定壓比熱容；Ta-out表示室外空氣溫度；Tm表示區間溫度；Qheat-extra表示內部空氣散失到外界的熱量；ρ表示流體密度；V表示建筑室內體積；t表示時間；Tin表示室內綜合溫度。

3.3.2 氣象參數

在模擬中，假設使用照明與電器的人數和用電負荷與建筑面積成比例，將人口數量設置為8 人，根據江西省居住建筑節能設計的相關標準，照明和設備負荷分別設置為5.0 W/ m2和3.8 W/m2，開 啟 時 間設置為6 h/d。室內夏季空調制冷溫度設定為26 ℃，冬季室內制熱溫度設定為18 ℃；結合當地的氣候條件，制冷時間設置為每年的6 月1日至10 月1 日，每天的制冷時間為12:00—14:00 、20:00—05:00，制熱時間設置為每年的12 月15 日至次年3 月1 日。

3.3.3 材料參數方面

根據相關節能設計標準，結合當地的資源條件，與對模擬對象建筑實地調研的結果，對天井式民居建筑與現代民居圍護結構參數分別設置，具體參數數值見表2。

表2 圍護結構參數設置

4 模擬結果及分析

4.1 模擬結果

4.1.1 光環境模擬

根據《建筑環境通用規范》（GB 55016—2021），當地住宅建筑臥室和起居室最小采光系數不得低于2.20%，室內天然光照度最小值不低于330 lx。研究在理想狀態下對光環境進行模擬，并對天井式民居與現代民居臥室與起居室的采光系數、照度進行對比（圖3～6）。①天井式民居廂房（臥室）采光系數低于2.20%的區域面積占總面積的97.22%，照度低于330 lx 的區域面積占比達97.67%，平均照度29.04 lx；廳堂（起居室）采光系數低于2.20%的區域面積占總面積的63.11%，照度低于330 lx 的區域面積占比達67.57%，其中鄰近天井、大門位置照度相對較高。②現代民居臥室采光系數低于2.20%的區域占模擬范圍的51.56%，照度低于330 lx 的區域面積占比達54.11%，平均照度為607.75 lx，其中距離窗口近的區域照度較高；起居室采光系數低于2.20%的區域面積占總面積的48.33%，照度低于330 lx 的區域面積占比達54.11%，平均照度為578.01 lx，鄰近大門處照度相對較高。

圖3 采光系數低于2.2%的空間占比模擬分析

圖4 采光系數模擬對比

圖5 照度低于330 lx 的空間面積占比分析

圖6 空間平均照度對比

4.1.2 風環境模擬

在理想狀態下模擬得出：①夏季天井式民居大門至天井部分，風壓明顯提升，上、下兩廳堂的通風情況較好，下廳堂大部分區域風速高達1.75～1.97 m/s，其余部分風速基本多處在0.44～0.66 m/s，但上廳堂兩側廂房通風情況較差（圖7a）；現代民居的南側大門及北側后門附近風速最大，高達1.31～1.53 m/s，中間區域風速稍小，且較為均勻，通風效果顯著，但兩側臥室內風速微弱，基本在0.22～0.44 m/s（圖7b）。②冬季天井式民居室內風速較小，僅有中間走道鄰近天井處有些許微風，風速在0.17～0.33 m/s（圖8a）；現代民居北面開口較多，在開啟通風的情況下，室內風速相對較大，在靠近北面的位置風速最大可達1.29 m/s，廳堂大部分區域風速也基本維持在0.32～0.48 m/s（圖8b）。

圖7 夏季風速圖

圖8 冬季風速圖

4.1.3 能耗模擬

天井式民居全年能耗的構成中，暖通空調系統的電耗占總能耗的62.31%，照明系統的電耗占總能耗的17.53%，設備系統的電耗占總能耗的20.16%?，F代民居全年能耗的構成中，暖通空調系統的電耗占總能耗的68.76%，照明系統的電耗占總能耗的14.53%，設備系統的電耗占總能耗的16.71%。天井式民居全年能耗23.54 kWh/m2，現代民居全年能耗28.68 kWh/m2（表3）。

表3 能耗模擬對比

4.2 模擬結果分析

4.2.1 建筑光環境

從采光系數分布來看，天井式民居廳堂采光情況明顯好于其他部分，而現代建筑自然采光分布均勻，無偏重區域。從自然采光照度來說，天井式民居通過天井獲取廳堂部分良好采光的同時，減少太陽直射室內的情況，保證主要活動區域的采光需求，而由于廂房私密性過強，僅通過朝天井的內窗采光，導致廂房采光條件不能達到《建筑環境通用規范》（GB 55016—2021）中最低標準；反觀現代民居，由于在門窗布局上更為自由，各部位開窗較為規整均勻，各區域數據較為相近，整體采光情況優于天井式民居。

4.2.2 建筑風環境

在夏季，天井式民居廳堂區域風速顯著提升，可以更好地改善室內夏季悶熱環境，但由于廂房只有朝天井的內窗，通風效果較差。在冬季，天井式民居室內風速穩定，只有輔助空間局部存在微風，對主要使用空間影響不大；而現代民居的室內風速較大，甚至出現穿堂風?？傮w來說，天井式民居廂房的自然通風效果并不理想，但在主要的活動區域，自然通風效果在夏、冬兩季都能更好地調節建筑的室內風環境，在夏熱冬冷地區能夠更好的維持建筑的室內舒適性。

4.2.3 建筑能耗

根據實測得知，天井式民居與現代民居夏、冬兩季室內溫度相差并不大，但由于天井式民居門窗洞口相比現代民居更小，因此在夏、冬兩季室內外熱交換也較小，減少了一部分能耗損失；其次天井式民居天井面積有限，夏季室內熱交互能力也相對有限，空調系統制冷能耗占比較低，因此，整體上來看天井式民居相較于現代民居更為節能 。

5 結論

借助軟件的模擬分析，可以看出天井式民居中天井的設置可加強室內外通風，坡頂結構及傳統材料可削減熱輻射，門窗洞口方向與尺寸的設計可調節室內外的熱交換，天井式民居可在不使用現代設備的情況下，帶來更舒適、更節能的生活環境，在現代民居設計中值得借鑒。但在現代生活的需求條件下，天井式民居由于空間封閉性過強，在室內采光、濕度環境等方面較差，在這方面應當積極發揮現代建筑設計的優勢，在合理吸取天井式民居設計方法的同時，融入現代手法進行改良，從而設計出同生態環境更為適應的現代鄉土民居。由此，可總結出以下鄉土民居綜合優化設計策略。

（1）光環境方面，天井式傳統民居可通過增加部分屋面亮瓦和下采光口的方式，增加室內的光照，再對內部墻面進行粉飾，加強并協調室內墻體對光的反射，使室內采光更加的均勻；其次，可利用現代手段于北面后墻處增設窗口，并擴大南面窗口，來有效增加采光需要的窗地面積比，同時需要注意相應的對位關系，并統一窗口形式和裝飾風格，維持原始建筑立面風貌。

（2）風環境方面，天井式傳統民居主要利用天井的熱壓通風保證主要活動空間風環境的穩定，在現代民居設計中，也可以設置通風屋面或天窗，加強被動式通風。而天井式民居廂房由于有效通風面積的不足，通風較差，可與采光優化一同考慮，通過增設和擴大窗口形成更好的氣流路徑，加強室內的自然通風。

（3）能耗方面，天井式傳統民居的優勢主要得益于對較高熱惰性傳統材料的使用與更具生態性的建筑形制，在現代鄉土民居設計中，可以進一步加強對生土、木、石等傳統材料的使用，發揮傳統材料在節能方面的優勢。然而由于傳統民居密封性較差，在冬季能耗優勢并不明顯，可以在門窗縫隙和其他結構企口處添堵密封材料，并在天井處設置活動式遮陽裝置，降低雨雪天氣的冷空氣入侵和交流換熱所產生的能耗。