《武汉工程大学学报》 2014年09期
12-15
出版日期：2014-09-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
天井对徽州传统民居室内热环境影响
0引言现阶段针对徽州传统民居中天井的建筑美学及构造研究已十分成熟，对室内热环境影响因素的讨论也很全面\[17\].但是从建筑物理环境方向展开天井对室内热环境贡献的研究却非常少.针对室内热环境的研究方法以测试室内温湿度及风速为主，由于测试结果包含的影响因子有限，并不能对室内热环境的优劣进行充分评价.考虑传统测试方法的局限性，选用PMV（Predicted Mean Vote）-PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied）指标为评价依据，分析天井对室内热舒适度的调节效果.而天井的基本构成是产生热压通风效应的关键：天井口多为建筑屋面围合而成，是天井系统接受太阳辐射热的主要构件；天井四壁由建筑外墙及面向天井侧的房屋隔断构成；天井底通常由青石条铺筑而成，下部与地面直接连接或设排水系统，使天井底部始终保持较低的温度.天井上下部分形成的自然温差，结合建筑平面布置格局，可以显著提高建筑室内的自然通风、调节温湿度.从而在炎热的夏季改善建筑室内热舒适度，提高居住环境质量.1徽州地区气候特征徽州地处北亚热带地区，受地带性因素影响，气候呈现湿润性季风气候特征，四季分明，年平均气温15～16 ℃，冬无严寒.年平均降水量1 670 mm，最高达2 700 mm，降水多集中于五月至八月.由于徽州地区夏季无炎热，但湿度高风速低，提高其室内热环境舒适感的有效方式应以通风除湿为主.2天井的平面形式结合建筑平面布局及建筑总体量的大小，天井的平面组合形式多样.单体建筑中仅有一个天井的平面形式，称为独立天井.独立天井的主要形式可概括为以下两类：“凹”字形（由三面房屋、一面围墙围合而成）和“回”字形（由四面房屋围合而成）.由两个及以上独立天井组合形成的平面形式，称为组合天井.两个“凹”字形天井背对相接形成类似大写字母“H”的组合天井；一个“凹”字形天井与一个“回”字形天井的组合，则形成“日”字形［1］.多样的天井形式不仅营造出丰富的徽州民居建筑空间，独特的细部构造处理，更使天井兼具通风、隔热、采光、赏景等多重功能，在科学技术尚不发达的年代为古徽州居民提供了舒适的居住环境，彰显出徽州传统民居建造者们巧妙的构思、娴熟的技艺以及对生活的热爱.3天井的通风降温原理在建筑热工学中，利用通风使室内空气温度下降，人体周围空气流速增加，提高人体散热及皮肤表面汗液蒸发的降温方式，称为通风降温.其中利用自然因素形成的空气流动，称为自然通风.徽州传统民居在建造时，电气设备尚未普及，古徽州工匠利用天井空间结合自然因素，创造出独特的“烟囱效应”，通过空气热压形成自然通风.“烟囱效应”适用于室外风速较小而室内外温差大的情况.徽州地区夏季室外温度高、风速低，为热压通风降温提供了良好的自然条件.天井上部开口受太阳直接辐射，温度高；其底部不受太阳直射，得热少.天井顶部空气受热后密度降低从而向上运动，使底部形成负压区，在压差作用下底部空气不断上升，天井四周房屋内温度高的空气则会源源不断地涌入天井内，对底部空气进行补充，从而形成自然通风（图1）［2］.热压通风效果主要取决于室内外空气温度差以及上下通风口的高度差，可用空气热压及通风量来衡量.图1热压作用形成的自然通风Fig.1Natural ventilation formed by hot stress热压的计算公式\[2\]为：ΔP=gH(ρe-ρt)≈0.043H(ti-te)（1）通风量的计算公式为：Q=(CDA)*2gHti-tete(2)(CDA)*=1(CDiAi)2+1(CDeAei)2-12(3)第9期李娟：天井对徽州传统民居室内热环境影响武汉工程大学学报第36卷4天井对夏季室内热环境影响实测室内热环境是由温度、湿度、气流及皮面辐射等多项因素综合形成的微气候，对建筑使用者的生活、工作、健康产生直接的影响.组成室内热环境的因素众多，且具有综合性和相互补偿性，很难采用单一指标对室内热环境进行衡量及评价.丹麦技术大学的房格尔教授所提出的PMV-PPD评价指标较为全面的反映出室内热环境各组成因素之间的客观关系.国际标注化组织在此基础上制定出《适中的热环境——PMV与PPD指标的确定及热舒适条件的确定》（IS07730）.本次测试即采用该标准对天井影响夏季室内热环境的效果进行评测.4.1测试原理ISO7730标准对建筑热环境进行评价所运用的“PMV-PPD指标” 推荐值为：PMV值在-0.3到+0.3之间，PPD＜10％.该指标综合考虑人体活动程度、衣服热阻(衣着情况)、空气温度、空气湿度、平均辐射温度、空气流动速度6项因素.以满足人体热平衡方程为条件，通过主观感觉试验确定出的绝大多数人的冷暖感觉等级（表1）.表1PMV热感觉标尺Table 1Thermal sensation staff gauge of PMV热感觉热暖微暖适中微凉凉冷PMV值3210-1-2-3ISO7730标准中用来描述人体对室内热环境的热舒适度主要由以下3种方式：预计平均投票数PMV、预测不满意百分数PPD、气流风险DR(Draught Rating）.DR用以描述人体特定部位的热舒适度.PMV及PPD用以描述整个人体的热舒适度，是研究建筑室内热环境的常用方式.该方式综合考虑影响人体热感觉6因素之间的耦合关系，得出PMV计算公式（4）\[4\].计算结果对比PMV感觉标尺，对被研究对象的热环境优劣进行评价. PMV=(0.303e-0.0365M+0.028){(M-W)-3.05×10-3×\[5733-6.99(M-W)-ρa\]-0.42×\[(M-W)-58.15\]-1.7×10-5M(5867-ρa)-0.0014M(34-ta)-3.96×10-8fcl\[(tcl+273)4+(r+273)4\]-fclhc(tcl-ta)}公式(4)中符号含义\[6\]：M为人体能量代谢率，W/m2；W为人体所做的机械功，W/m2；fcl为穿衣面积系数；ta为空气温度，℃；r为平均辐射温度，℃；ρa为水蒸气分压力，Pa；hc为对流换热系数，W/(m2·K)；tcl衣服外表面温度，℃；4.2测试点概况及布置本次测试对象为徽州地区一栋较为典型的“一屋一井”式民居建筑.该建筑建造于清朝嘉庆年间.建筑平面布局简单紧凑，立面为大面积实墙上开少量窗洞口，室内采用当地产杉木作为装饰隔断.建筑入口处的“凹”字形天井是整栋建筑的主要通风及采光口.该民居由两层正室及一层夹层组成：一层为堂屋、卧室及偏厅，图2（a）；二层为书房、卧室，图2（b）；夹层层高较矮，用于农务仓储，图2（c）.图2测试居民平面图Fig.2Floor plan通过对比相同室外热环境及测试条件下，同一栋建筑中距离天井位置不同的两处房间的PMV数值，对天井的通风降温效果进行评价.测试点分别选取靠近天井的一楼堂屋及远离天井的二楼书房,图2(a)、图2(b）.测试时间为七月（徽州地区最热月）十五日下午2:00至6:30.当天室外天气为多云转雷阵雨，微风.全天室外温度均低于30 ℃（图3），属于夏季的舒适温度；相对湿度在90%上下浮动，晚间10点左右更是接近100%（图4）.尽管当天室外气温不高，但是相对湿度过高，在自然界的微风条件下，空气中多余的水分无法被及时带走，易使人产生闷热潮湿的不舒适感.测试仪器为INNOVA 1221 ，该仪器共有4个输入模块及12个测试探头，在使用备用电池的情况下可连续工作18 h；最短测量时间间隔为十分之一秒，测试数据及计算指数最终以图表形式在联接计算机后直接导出.本次测试以评价热舒适度为主，选用的输入模块为“舒适度模块UA1276”，共使用6枚探头对测试点的人体活动程度、衣服热阻(衣着情况)、空气温度、空气湿度、平均辐射温度、空气流动速度6项因素进行测试和设定，从而得出测试点PMV值变化情况.图3温度变化图Fig.3Temperature changes图4相对湿度变化图Fig.4Relative humidity changes图5总辐射强度变化图Fig.5Total radiation intensity changes4.3测试结果分析一楼堂屋（测点一）的测试时间段为下午2:00至4:00，该时间段的太阳辐射量（图5）及温度（图3）都是当天最高，相对湿度（图4）也处于较高阶段.二楼书房（测点二）的测试时间段为下午4:30至6:30，该时间段的太阳辐射量逐渐降低，温度也随之明显下降，相对湿度为当天最低.单纯对比当天气候因素，测点二的太阳辐射强度、温度及湿度均显著低于测点一，按常理推测测点二的热舒适度应高于测点一.但是两点的PMV值实际测试结果却与推测相反：靠近天井处的测点一PMV值维持在2.0，对应的热感觉为“暖”（图6）远离天井处的测点二PMV值在2.5上下，对应热感觉介于“暖”、“热”之间（图7）.实测热舒适度是测点一明显高于测点二，充分体现出天井对室内热环境的调节作用.天井的“热压通风”带走了室内的热空气，降低温度；同时带走空气中多余的水分，有效降低相对湿度.由于测试当天太阳的辐射强度不高，导致天井上部温度没有明显升高，天井内部上下温差并未达到理想值.若室外云量少、太阳辐射强度大，天井的“烟囱效应”将更加显著，对室内热环境的调节效果也更加优越.图6测点一PMV值Fig.6The PMV of point 1图7测点二PMV值Fig.7The PMV of point 25结语对比测试点的环境温度及湿度：测试点一的温度及湿度均显著高于测试点二，按传统理论推断结果为测试点一的热环境较测试点二不舒适.但是选取综合考虑影响人体热舒适度六要素的评价指标PMV为测试值，对远离天井及靠近天井处的房间分别进行测试.结果显示测试点一的PMV值较测试点二更为接近舒适值.造成该结果的最主要原因即测试点一靠近天井，直接受天井的调节影响.在环境温度高、湿度大且微风的情况下，天井利用热压通风原理增大周边房间的通风，降低室内温湿度，提高室内环境的热舒适度.致谢本项目受合肥学院2014年度科研发展基金支持,合肥工业大学饶永副教授为本研究提供了设备支持及理论指导，在此一并致谢.