自然通风条件下徽州传统民居热环境模拟分析

石团团 钱伟 张样 黄志甲*

安徽工业大学建筑工程学院

自然通风条件下徽州传统民居热环境模拟分析

石团团 钱伟 张样 黄志甲*

安徽工业大学建筑工程学院

本文基于生态分析软件ECOTECT的热环境分析及可视化气象数据分析功能，以典型徽州传统民居为研究对象，分析在自然通风条件下该传统民居热环境状况及全年处于热舒适区域的时间百分比。模拟结果显示：徽州传统民居围护结构隔热性能较好，防寒效果较差；采用自然通风技术后，全年舒适时间延长8%。

徽州传统民居 自然通风 热环境

传统民居是适应当地自然和社会发展的产物，因地制宜，就地取材，符合绿色建筑的发展趋势，蕴藏着大量的建筑气候适应方法。国内外许多学者对各地的传统民居进行了大量的研究[1～5]。徽州传统民居具有鲜明的地方特色，天井、马头墙等地方元素的形成与徽州历史文化密不可分。徽州民居的外墙高大而厚实，外墙上采用少开窗或开小窗来达到防火防盗的目的，室内的通风与采光主要依赖于天井。陈晓扬等[6]在过渡季节对宏村某一典型传统民居进行实测和CFD模拟，分析了徽州传统民居在过渡季节室内的环境特征以及成因，发现其防热效果好，而保温效果较差，天井的通风潜力未能充分挖掘。东南大学的陈秋菊等[7]探索了徽州民居自然通风优化设计方法，对不同天井尺寸下室内风环境进行了模拟分析并进行了优化设计。

本研究在前人研究的基础上，利用ECOTECT软件分析徽州传统民居在自然通风条件下室内的热环境。

1 研究方案

1.1 研究对象

树人堂是宏村典型的三合院式传统民居，是徽州传统民居最基本的一种布局模式，也是最经济的一种布局模式。通常为一进两层住宅，天井位于中央，一层为明堂，卧室位于明堂的左右厢房中，天井的两侧为过厢。

1.2 围护结构

徽州传统民居的外墙十分厚重，建筑材料采用当地盛产的砖石，就地选材，属生态环保型低能耗建材。民居室内通常采用木板做隔断，外墙和木板之间留有30～50mm厚的空气层；外墙几乎不开窗或开窗面积较小，门窗基本上都处于透空状态，无密封处理措施；徽州传统民居屋顶的做法是盖瓦下设置望砖或望板，再设置木掾条，在盖瓦和望砖之间设有空气夹层，可以加强屋顶的保温隔热性能。徽州传统民居围护结构特性如表1所示。

表1 徽州传统民居围护结构特性

1.3 研究方法及物理模型

ECOTECT软件用于建筑方案概念设计阶段的室内声、光、热环境分析。ECOTECT的热环境分析是求解室内外各种扰动作用下室内热环境参数，是一种动态负荷计算方法。其中外扰主要是室外的气候参数，作用在建筑的围护结构上，通过各种不同的传热方式影响室内热环境；内扰主要是室内人员、设备的影响，直接影响室内热环境。在ECOTECT中，对于外扰的描述主要来源于逐时气象参数，对于内扰的描述主要来源于对室内设备的设定及人员散热。基于ECOTECT的可视化气象数据分析功能，利用焓湿图上的热舒适区域百分比可以对建筑节能设计方案进行分析[8]。

徽州传统民居天井常年处于透空状态，冬季室外冷风易从天井口进入室内，影响室内热舒适性，本文以树人堂为研究对象，以来源于清华大学《中国建筑热环境分析专用气象数据库》实测的屯溪市全年气象参数为依据，采用ECOTECT软件模拟分析该传统民居全年在自然通风情况下的室内热环境及全年舒适时间分布，物理模型如图1所示。

图1 树人堂物理模型

2 模拟结果分析

2.1 典型日温度分布

图2为徽州地区过渡季节典型日（4月30日）室内外逐时温度分布，从模拟结果中可以看出，徽州民居在过渡季节20:00～9:00时间段内，室内温度高于室外温度，该时间段内室内外平均温差为0.76℃，9:00～ 19:00时间段内，室外温度高于室内温度，该时间段内室内外平均温差为2.8℃，模拟结果能够表明传统民居围护结构在夏季隔热性能较好。

图2 过渡季节典型日逐时温度分布

图3为夏季典型日（7月14日）室内外逐时温度分布，从图中可以看出，9:00～19:00时间段内，室外温度高于室内温度，室内外温差在4～5℃，夜晚室内温度高于室外温度，室内外温差在5～6℃，传统民居由于天井的存在，夏季室内外温差较大，为室内热压通风提供了有利的条件。

图3 夏季典型日室内外逐时温度分布

图4为冬季典型日（12月31日）室内外逐时温度分布，从图中可以看出，典型日大部分时间段室内温度高于室外温度，室内外平均温差为0.8℃，模拟结果表明传统民居围护结构冬季保温防寒效果较差。2.2传统民居室内得热分析

图4 冬季典型日室内外逐时温度分布

图5为传统民居自然通风条件下全年室内得热及失热情况，正值表示室内得热，负值表示室内失热。由图可知，在冬季通过围护结构损失的热量很大，占总热损失的51.1%，表明传统民居围护结构在冬季保温效果不佳。在冬季室外冷风通过天井口进入室内，带走室内的热量很大。因此，天井在冬季应封闭，减少冷风侵入带走的热量。在夏季传统民居通过围护结构得热量占到总得热量的5.5%，表明传统民居通过围护结构隔热性能较好，全年通过太阳辐射得热量占全年总得热量的61.4%，在冬季通过太阳辐射能够为室内提供热量，而在夏季时应考虑遮阳。

图5 传统民居全年得热

2.3 徽州传统民居全年舒适区分析

基于ECOTECT的可视化气象数据分析功能，以屯溪市的全年气象参数为依据，分析徽州传统民居全年处于舒适区的时间分布，分析采用自然通风技术后全年舒适时间的变化，自然通风的设置依据室外气象参数中的风速及风频。

图6为该传统民居全年热舒适区域，黄色区域为不采用自然通风技术的热舒适区，全年只有4月下旬、5月中下旬、9月上旬和10月下旬处于舒适区。红色区域为该传统民居采用自然通风技术后的热舒适区，全年的4月下旬、5月中下旬、6月上旬、9月中上旬和10月下旬处于舒适区。

图6 舒适区范围

图7为全年逐月舒适时间比例，黄色为不采用自然通风技术逐月的舒适时间百分比，全年5%的时间处于舒适区；红色为采用自然通风技术后逐月的舒适时间百分比，从图中可以看出，在过渡季节的5月、9月，40%的时间处于舒适区。全年13%的时间处于舒适区，采用自然通风使全年舒适区时间延长8%，对于节能具有重要意义。

图7 逐月舒适时间百分比

3 结论

1）通过对徽州传统民居热环境模拟可知，在夏季传统民居夜间室内温度高于室外温度，温差在5～6℃，为天井热压通风提供了有利的条件。夏季通过围护结构得热量占到总得热量的5.5%，表明民居围护结构隔热性能较好。

2）冬季典型日传统民居室内外平均温差为0.8℃，通过围护结构损失的热量很大，占总热损失的51.1%，表明传统民居在冬季防寒效果较差。

3）通过对徽州地区全年热舒适区分析可知，采用自然通风技术后全年舒适时间延长8%。

[1]Ooka R.Field study on s ustainable indoor climate design of a Japanese traditional folk house in cold climate area[J].Building and Environment,2002,37:319-329

[2]Kim D K.The natural environment control system of Korean traditional architecture:comparison with Korean contemporary architecture[J].Building and Environment,2006,41:1905-1912

[3]刘加平,赵群,周伟.中国传统民居中的生态建筑经验刍议[J].新建筑,2005,(4):7-9

[4]汤国华.岭南传统建筑适应湿热气候的经验和理论[D].广州:华南理工大学,2002

[5]林波荣,王鹏,赵彬,等.传统四合院民居风环境的数值模拟研究[J].建筑学报,2002,(5):47-48

[6]陈晓扬,仲德崑.宏村徽州传统民居过渡季节室内环境分析[J].建筑学报,2009,(S2):68-70

[7]陈秋菊,陈晓扬.徽州传统民居自然通风优化设计方法[J].华中建筑,2012,(11):56-59

[8]黄志甲,张国志,张样.基于焓湿图的建筑节能方案选择[J].节能技术,2008,(6):543-544

The rm a l Environm e nt Sim ula tion Ana lys is of Huizhou Tra ditiona l Re s ide nc e w ith Na tura l Ve ntila tion

SHI Tuan-tuan,QIAN Wei,ZHANG Yang,HUANG Zhi-jia*
School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of technology

Based on thermal environment and meteorological data analysis function of ECOTECT,the typical Huizhou traditional residence was taken as the object to analysis the thermal environment and percentage of thermal comfort time throughout the year.The simulation result shows that the heat insulation performance of envelope for Huizhou traditional residence give good results,but have a poor cold protection,and the time of thermal comfort throughout the year prolong 8%under natural ventilation.

Huizhou traditional residence,natural ventilation,thermal environment

1003-0344（2015）05-091-3

2014-6-8

黄志甲（1963～），男，博士，教授；安徽省马鞍山市湖东路59号安徽工业大学建筑工程学院（243032）；E-mail:hzj@ahut.edu.cn

住房和城乡建设部科学计划项目（2013-K1-34）；安徽省住房城乡建设科学技术计划项目（2013YF-33）