贵州山地对移民合院夏季室内热环境影响研究＊

杨真静

合院民居是我国传统建筑类型中分布最广、最具影响力的组织形式之一，蕴含了朴素的生态营建智慧[1]。由于其特殊的平面形制，多发源于东部平原地带[2]，通过明清时期的移民运动传到了贵州。贵州多山地，衍生出大量具有地域特色的山地合院民居。镇远古城是贵州省历史文化名城，其民居形式来源于徽式民居，是山地合院民居的典型代表[3]。

目前已有大量研究探讨东部平原地区的合院民居生态经验，如对影响庭院风环境的四合院最佳宽长高比及室温差异的研究[4]；对安徽省泾县查济村徽派民居，在夏季室外温度较高的情况下，是否仍具有良好室内热舒适环境的研究[5]。这些研究有利于人们了解合院民居的气候适应能力，从中提取经验以指导现代建筑设计。东部平原地区也存在少量山地合院民居，部分学者对其进行了研究，如通过对北京爨底古村下的典型民居实测与模拟，研究山地合院民居生态代价及生态适应效率[6-7]。

现有研究多聚焦原乡的合院民居，对贵州合院民居的研究是对这一类型民居的补充。当平原的合院来到贵州山地，其建筑形态为适应贵州的气候特征发生了变化，但目前缺乏对这一适应性变化的研究。这一研究将有助于更全面地了解山地合院民居蕴含的绿色营建理念，从中提取山地高差处理方式，以此丰富山地民居适地设计研究策略，为现代山地既有建筑和新建建筑的绿色设计提供参照。

本研究以贵州镇远典型山地合院民居傅家大院为研究对象，在夏季典型日对室内热环境进行实测，分析其室内热环境，探究贵州山地高差在夏季对民居室内热环境的影响。

1 移民运动影响下贵州合院的山地特色

贵州镇远古城是典型的移民城市，移民带来的合院民居与当地的苗家吊脚楼相融合，形成了独特的山地合院民居。受贵州山地影响，民居在建筑形态上进行了优化。建筑平面上，仍为以庭院为中心的合院形式，不再追求坐北朝南和对称布局，而是依据地形、道路走向、风水等设计入口位置和空间布局。建筑剖面上，以尽可能少地改变山地环境为原则，通过在不同的高度上平整出各个平台以建设不同的院落，解决了高差的问题[8]。这种逐级而上的方式，也带来了更好的采光和日照，加强了室内外通风（图1）。

1 镇远山地合院民居微气候示意

镇远古城背靠石屏山，舞阳河从谷底穿过[9]（图2），地势南北高、中间低，河谷纵横，山峦重叠。属亚热带季风湿润气候，冬季无寒，夏无凉，日照少，雨量充沛。建筑热工设计分区属夏热冬冷IIIC区，应满足保温、隔热的设计要求，强调自然通风、遮阳设计[10]。

研究选取两进式合院民居傅家大院为研究对象（图3），该民居为百年前江西商人傅氏移民至镇远所建家宅，现由傅氏两位老人居住。整座建筑依山而建、坐北朝南。两进院落沿地形依次抬高，分别落于三个台地，前院抬高1.6m，后院抬高1.2m，建筑内部高差共2.8m（图4）。建筑外墙由8m高、400mm厚的石砌马头墙围合，内墙为全杉木结构。

研究采取实测和软件模拟相结合的方法：首先测量典型民居主要热环境参数，统计位于不同标高院落的热环境分布；进而基于经过实测数据验证的模型，模拟山地高差对传统民居夏季室内热环境的影响。

测试方法参照《建筑热环境测试方法标准》（JGJ/ T347-2014）[11]制定。2021年7月15日17:00至7月18日10:00（共4日），对傅家大院室内外热环境参数进行测试。由于四合院左右对称，主要测试点布置于左侧和中轴线，包括位于一进的书房和二进的主卧、后房以及位于中轴的堂屋和前后院。测量参数主要包含室外温湿度、风速，围护结构内外壁面温度以及房间内部空气温度、湿度、地面温度、黑球温度。主要使用仪器见表1，详细测点位置见图4，测试间隔为每10min自动记录一次。软件模拟设置了3种高差变化工况，采用COMSOL Multiphysics软件模拟民居室内外风场，以及Design Builder软件模拟民居室内外温度场。

2 测试结果

2.1 室外气象

测试期间高温多雨，据当地居民反映，测试期间的室外天气符合当地的典型气象特征。其中，15日、17日为晴天；16日夜间有雨（图5），气温降低约1℃，湿度急剧上升达到饱和；17日早上转晴，气温逐渐升高，相对湿度明显下降。3天平均太阳辐射量为179W/m2，最高值达923W/m2。测试期间温度相对稳定，室外最高气温为40℃，最低气温为23℃，平均气温为28.5℃。

2.2 室内热环境分析

研究对室外、堂屋、主卧室、书房温度的逐时变化进行测试（图6），其中室外温度变化幅度最大，为17.5℃；室内温度较为稳定，受室外温度变化影响较小。对比各房间低于28℃的时长占比，堂屋比值最大，为47.2%；对比各房间平均温度，堂屋温度最低，为26.6℃。分析认为，由于堂屋两边开敞，连接前后院，形成穿堂风，所以平均温度较低，更为舒适。对比位于一进的书房和二进的主卧，二者平均温度均为27.0℃；对比低于28℃的时长占比，主卧为33.3%，大于一进书房的29.2%，主卧舒适度略高于书房。

后院抬高1.2m，导致主卧室北墙靠山。为探究依靠山体这一因素对室内温度的影响，将该房间依靠山体的北墙和不依靠山体南墙的壁面温度与室内空气温度（图7）进行比较，发现南墙的壁面温度与室内空气温度相近，但北墙壁面温度明显低于室内空气温度，最大差值达3.5℃，全天吸收室内热量，可见后院高差引起的依靠山体这一因素具有明显的冷源作用。

2.3 庭院热环境分析

2 镇远古镇剖面图

3 实测民居建筑风貌

4 傅家大院平剖面及测点位置

前后两院分别有1.6m和1.2m的高差，对比发现，前后院夜间温度接近，但日间温度后院明显低于前院（图8）。以16日为例，在12:00-16:00时段最热，最高温差达3.1℃。比较庭院太阳辐射与室外风速（图9），风速与辐射量表现出明显相关性，太阳辐射量与室外风速在同一时间点达到最大值，与山地脊谷风的规律[12]相符。比较室外风速与前后院风速，前院风速明显大于后院，后院平均风速为0.11m/s，基本处于微风或无风状态。

表1 仪器参数表

综合来看，前后院风速差与温差变化在时间上具有同步性，在室外温度达到最高时，风速越大，室内温度越高；室外温度越高，风速差带来的降温效果越明显。比较前后庭院空间形态，前院开敞，后院相对封闭，后院热环境优于前院，可能的原因为接收的太阳辐射较少或前后院高差带来的风速影响，但准确原因还需进一步探究。

3 模拟分析

按照研究对象建立模型，采用3种对比方式，6种工况，分别改变前院高差、后院高差和抬高级数（表2）。针对上述6种工况，分别通过COMSOL Multiphysics软件模拟风场和Design Builder软件模拟热环境。

3.1 风场模拟

选用湍流k—ε(spf)稳态方程模拟计算，根据典型年气象数据，模拟风向确定为南风，夏季风速取最大风速均值V=1.5m/s，室内墙体为无滑移速度、绝热边界。将3种对比工况进行模拟计算，依据建筑中轴线1-1剖面，分析风速场分布（表3）。研究发现：1）随着前院高差的增大，前院风速逐渐降低，最大风速从1.01m/s降至0.87m/s，后院风速变化不明显，难以在堂屋形成穿堂风；2）改变台阶级数后发现，2级抬高的情况下，堂屋内部形成穿堂风，最大风速达1.05m/s，后院风速也随之增大，最大风速达0.61m/s；3）改变后院高差，前院、堂屋、后院风速变化均不明显，后院高差对建筑内部风环境影响不大。

3.2 热模拟

将测试的气象参数和围护结构热物性参数[13-14]作为已知条件（表4），模拟分析上述3种高差的变化对室内热环境的影响。人员密度和活动时间见表5，室内通风方式为自然通风。将实测2021年7月16日至7月18日（共3天）的气象数据（干球温度、露点温度、湿度、风速、太阳辐射）写入典型气象年epw天气文件，对比主卧7月17日模拟温度与实测温度（图10）。所得结果在趋势上一致，最大差值为1.0℃，最小差值为0.1℃，平均值相差0.3℃，方差为0.1，拟合效果较好，证明该建模方法与参数设置可行。

表2 三种模拟工况设定明细

表3 剖面风速场分布

5 室外逐时气象数据

6 室内外温度变化箱型图

7 壁面温度比较

8 庭院逐时温度曲线

9 太阳辐射和庭院风速逐时曲线

10 模拟验证温度曲线

采用典型气象年epw天气文件，模拟7月温度变化，对比1-1剖面4个空间平均空气温度（表6）。研究发现：1）随着前院高差增加，前院平均温度降低0.9℃，堂屋平均温度变化不大，但波幅减小，日温差降低3.8℃，后院和后屋温度变化不明显；2）抬高2级和抬高1级相比，后屋日温差变化最大，降低2.5℃；3）随着后院高差增加，前院温度变化不明显，后院平均温度变化最明显，降低0.6℃，日温差降低1.9℃。堂屋和后屋平均温度变化不大，但日温差分别降低了5.7℃和2.6℃。

对比3种工况主卧的平均温度（图11），前院高差对主卧温度几乎无影响，后院高差对依靠山体的主卧温度影响最大，后院高差越大，主卧温度降低越多。在原模型基础上，改变后院高差分别为0m、0.6m、1.2m、1.8m、2.6m，模拟主卧7月平均温度，得到回归曲线（图12），主卧温度和后院高差为强负相关，相关性系数为—0.94，线性回归系数为—0.34。

3.3 山地高差对合院热环境影响机理分析

镇远合院式民居依山傍水，夏季白天山谷风盛行[14]，风在白天从河边山谷吹向山坡，风速较高，风温较低。凉风从大门和二层阁楼进入前院，遇到前院1.6m高差后，风速降低，向内回流，在前院形成蜗旋风场（图13）。前后院都有高差的情况下，更易形成堂屋穿堂风并吹入后院，风速逐渐减小。风在后院遇到1.2m高差，形成风速极低的回流风场。

11 主卧温度变化统计图

12 后院高差和主卧温度回归分析

表4 围护结构热工参数设置

表5 人员作息模式和活动时间

表6 剖面平均空气温度箱型图

山地高差对合院热环境影响示意

温度方面，后院温度变化主要受山体冷辐射影响。后院背靠山体，均为石砌墙，蓄热能力强，热容量大，白天升温慢，温度较低，对靠山的主卧产生冷辐射。后院高差和主卧温度呈强负相关，后院高差越大，主卧平均温度越低。

综合风场和热模拟情况，前院高差虽然降低了前院风速，但在前院形成了回流风场，风在前院停留时间更久，前院平均温度略有降低。后院高差未使后院风速增大，其平均温度降低的主要原因为依靠山体造成的冷辐射。前院风速大于后院而温度高于后院，可能的原因为前院开敞，后院相对封闭，前院受到较多太阳辐射。当前后院有两级高差时，堂屋有穿堂风，但堂屋外表面受到太阳辐射的面积也随之增大，因此平均温度无明显下降，但日温差降低，热稳定性升高。

综上所述，山地高差促使镇远合院民居利用山谷风，增强堂屋的穿堂风，山体稳定的热工性能提升了前后院的热稳定性，且山体的冷辐射对依靠山体的房间降温效果明显，在不借助主动设备调控的情况下，更利于营造较舒适的夏季室内热环境。

4 结论

通过对镇远山地合院民居夏季室内热环境的实测和模拟，得到以下结论。

（1）镇远山地合院民居受地形高差影响，形成前后院逐级而上的布局，前院风速、温度均高于后院，室内热环境较舒适。

（2）前院高差降低了前院风速，但在前院形成回流风场；后院高差对后院风环境无明显影响；前后院均有高差的情况下，通风效果最佳，此时风更易进入室内，在堂屋形成穿堂风，后院风速相对增大。

（3）山体稳定的热工性能提升了前后院的热稳定性。模拟得出：前院高差增加至2.8m，前院平均温度降低0.9℃，日温差降低3.8℃；后院高差增加至2.6m，后院平均温度降低0.6℃，日温差降低1.9℃。山体对室内温度的影响主要针对依靠山体的主卧，其平均温度和后院高差为强负相关，线性回归系数为—0.34。

图片来源

1,2,4-13作者自绘

3作者自摄

表格来源

1-6 作者自绘