广府传统三间两廊天井空间风热参数特性现场研究

高云飞，莫健斌，刘 琳，陈师雅，林垚广，陈素青

（1. 广东工业大学 土木与交通工程学院, 广东 广州 510006；2. 武汉理工大学 艺术与设计学院, 湖北 武汉 430070；3. 广东工业大学 建筑与城市规划学院, 广东 广州 510090）

岭南地区，位于我国最南部，以五岭为界与内陆相离，属于夏热冬暖气候区，有着高温高湿、太阳辐射强、日照时间长等气候特征。由此，岭南传统建筑设计往往着重考虑隔热、遮阳和自然通风，天井作为连通建筑内部与外界的过渡空间，使得外界风可以从天井上部引入建筑内，增强风压通风；在夜晚，天井周围的围护结构由于上下温差，可以起到一定的热压通风作用[1]；在雨天，天井又充当了一个集水的空间，四周的坡屋面把雨水汇入天井当中，这在岭南传统文化中，有着“四水归堂”的寓意[2]。因此，天井空间在改善传统建筑的风热环境方面占有着很重要的地位，研究天井空间在风热耦合作用下的气流运动规律是十分有必要的。

国内外现有对天井、庭院等开敞空间的风热环境研究的成果主要有：Kindah等[3]对叙利亚大马士革老城区的一些传统庭院式建筑进行了热环境实测和入住调查，分析并证明了庭院的开口大小、开口位置、阴影区、树木的存在等因素对于自然通风的影响，指出了内部庭院的存在对被动式冷却技术具有巨大影响；曾志辉等[4-7]针对广府传统民居的自然通风进行了系列研究，分别从群组布局通风、单体通风和细部通风三个方面进行了实地测量，用大量数据来探讨传统民居的通风机理，并将传统的通风经验与现代建筑相结合，分析了传统通风在现代建筑中的实际应用；余梦琦等[8]对徽州传统民居的厢房、厅堂和天井三种典型区域的建筑形式进行了实测和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟，从空气温度、相对湿度、风速、换气次数等方面对徽州传统民居的室内热环境形成机理及优缺点展开了深入分析。

综合文献调研得知，当前代表性传统建筑的研究以定性分析居多，如“竹筒屋[9-10]”“围屋[11]”“徽州天井建筑[8,12-13]”等，虽然部分研究采取了室内热环境监测，但其往往选用少数代表性有限测点来描述大空间的风热环境特性。然而，天井类空间的风热环境参数的分布受到外界条件影响较大，个别监测点数据难以全面综合地反映建筑多区域的风热环境规律及特性。因此，本文采用横纵空间的网格布点与局部布点相结合的方法，在夏季最热季节对岭南地区典型的传统民居的风热环境进行详细的实测与分析，量化讨论天井空间风热参数的时空分布特性，清晰地呈现天井空间及与其相连接的厅堂、沿廊和建筑室内的风热联动作用。

1 研究区域

本研究选取广东省广州市炭步镇茶塘村为研究区域。茶塘村立村约700年，古建筑占地6.7万多平方米，现存较为完整的明清建筑约120座，村落整体沿东西走向坡地地势梳式布局，主体方向朝西，其建筑基本为“三间两廊”式传统建筑。实测对象为茶塘村财主巷足徵里茶塘北一巷6号的一座的“三间两廊”建筑。足徵里内的民居基本为同一时期建成的“三间两廊”式建筑，足徵里的建筑平面图如图1所示。

所研究天井空间呈矩形，尺寸为4 m×2 m×4 m，如图2所示。天井西面为一高4 m的青砖外墙，南北向为厢房的高2.4 m的青砖墙，东面为与天井连通的沿廊及厅堂，厅堂的檐口高度为4.4 m，厅堂面向天井空间的墙体下部为大理石，上部为青砖，如图2所示。

图2 实测建筑天井四周墙体结构拍摄图Fig.2 Photographs of the wall structure around the patio of the actual building

“三间两廊”是岭南地区典型的传统民居，在此建筑形式基础上，结合宅基地面积、家庭人口以及使用功能的变化，岭南传统建筑形式也逐渐演变成各类建筑布局，比如：一开间的企头房、两开间的一偏一正和四开间的一连四间，如图3所示。因此本文研究对象是具有普适意义的。

图3 基于“三间两廊”演变的建筑布局图[14]Fig.3 Architectural layout based on the evolution of "three rooms and two corridors"[14]

2 实测方法

本研究主要对选定建筑的天井空间、沿廊、与天井连通的厅堂和厢房及村落气流来流处、巷道进行风速、黑球温度和空气温度的全天24 h自动测量，以获得不同空间空气的温度、辐射温度、速度等状态参数。天井空间尺寸为4.0 m×2.0 m×4.0 m，厅堂为4.5 m×4.4 m，两边厢房为3.3 m×3.2 m，走廊为0.9 m×4.4 m。其中天井空间为主要测试区域，其余为简要测试部分。测量时间选为夏季最热月晴天，并考虑建筑外门开启和关闭两种工况，测试时间为2020年8月28日9:00至2020年8月30日9:00，两种工况各测试一天，具体测试仪器型号及相关参数如表1所示。

表1 测试参数及仪器Table 1 Test parameters and instrumentation

1) 天井空间的测量

以天井空间为主要测试部分，测量方法采用网格布点法，综合考虑测量仪器数量、天井高度、居民活动区域等因素，分别在0.5，1.5，2.5，3.5，4.5 m高度处设置测量点，共计25个测点，考虑到天井四周建筑立面高度的不同，将影响其对天井空间室外风的引导作用，故选取了两个纵面，即A纵面和B纵面分别进行布点，图4展示了天井空间测试布置现场及布点。

图4 实测建筑天井空间布置现场及布点图Fig.4 Site and layout plan of the actual building patio space

2) 室外、沿廊与房间的测量

为了解室外环境、天井空间和与其相连接的建筑空间风热特性与关系，分别在厅堂、走廊、厢房、巷道(测量民居北门侧)和村落气流来流处位置的1.5 m高度处进行布点，利用三角支架固定测量仪器，进行48 h连续自动测量，测点位置见图1和图5。

图5 实测建筑整体布点平面图Fig.5 Overall layout plan of the measured building

3 实测数据分析

3.1 室外空间风热环境特性

3.1.1 村落来流和巷道的风热特性

测试期间，测量区域的风向主要为西风，村落气流来流和巷道参数测量结果如图6和图7显示：风速从上午6:00时开始逐步增大，13:00～14:00达到最大值2.1 m/s，随之迅速下降，21:00～22:00达到最小值0.37 m/s，之后风速趋于平缓，风速基本维持0.37～0.55 m/s之间。黑球温度和空气温度变化曲线一致，从凌晨5:00开始上升，下午14:00达到最大值，随之下降，于次日凌晨5:00达到最小值。具体数值见表2和表3。

图6 室外、巷道风速折线图Fig.6 Outdoor and alleyway wind speed folding diagram

图7 实测区域室外环境温度折线图Fig.7 Broken line diagram of outdoor ambient temperature in the measured area

表2 外门开启时气流来流处的参数结果Table 2 Parameter results of air flow when the outer door is opened

表3 外门关闭时气流来流处的参数结果Table 3 Parameter results of air flow when the outer door is closed

巷道的风热参数变化规律与村落气流来流处一致，具体数值见表4和表5。

表4 外门开启时巷道处的参数结果Table 4 Parameter results at the roadway when the outer door is opened

表5 外门关闭时巷道处的参数结果Table 5 Parameter results at the roadway when the outer door is closed

3.1.2 村落来流与巷道空间气流风热原理分析

茶塘村在2020年8月28～30日的日出日落时间分别为7:00和18:00，村落来流风从7:00开始增大，主要是由于村落池塘与晒坪的温差导致。太阳升起后,因为晒坪和巷道的地面是水泥地和石板地，比热容比池塘内的水要小，故晒坪和巷道的升温速度比池塘快，在温度分布上，晒坪和巷道的温度高而池塘水面温度低，温度差形成了池塘吹向村落的风；14:00后，空气温度差达到最值，风速达到最大；之后，太阳辐射开始减少，水面温度降低速度小于晒坪空气降温速度，故而风速降低；18:00之后趋于日落，局地温差更弱，速度平稳。巷道和村落来流风速变化趋势相同，说明巷道与村落来流风速密切相关。

在外门开启和外门关闭两种工况测试时间下，巷道的温度变化规律与村落来流的温度变化规律是一致的。外门关闭时的巷道黑球温度和空气温度均比村落来流处要大，与外门开启时的情况完全相反，这是由于在外门关闭时，巷道内的风速比外门开启时的风速要小，导致巷道内排热量的速度较小，温度下降速度比外门开启时的要慢。

3.2 天井空间的风热参数分布

3.2.1 天井空间的风场特性

天井空间A、B纵面风速箱型图如图8和图9所示，两纵面各点风速均值在0.2～0.4 m/s之间，风速波动范围随着高度的升高而增大，天井内气流以2.5 m为分界线，上部风速活跃，下部风速相对稳定；在外门开启时，天井空间在1.5 m内的风速波动比外门关闭时要稍大，说明了外门的启闭会引起天井空间1.5 m内的风速波动。B3点的风速波动远比其他测点要大，这主要是由于B3点位于天井空间顶部东面边界处，受到东面吹来室外风的影响更大，导致风速波动更大。

图8 外门开启或关闭下天井的A纵面风速箱型图Fig.8 Longitudinal A wind velocity box diagram of the patio under the opening or closing of the outer doors

图9 外门开启或关闭下天井的B纵面风速箱型图Fig.9 Longitudinal B wind velocity box diagram of the patio under the opening or closing of the outer doors

以测试期间最热时段14:00的风速参数为依据进行天井空间风场云图绘制，插值方法采用kriging法，将A、B纵面的网格划分为60×100，如图10所示。云图显示，随着高度的增大，风速由0.18 m/s向0.81 m/s逐步增大。在外门开启时，天井空间2.5 m内的风速主要在0.45 m/s以内；而在外门关闭时，天井空间2.5 m内的风速主要在0.36 m/s以内，外门的启闭对于天井空间2.5 m以上部分的风速参数影响不大，可见外门的启闭对于天井空间风场的影响范围主要在2.5 m高度以内。

图10 外门开启和关闭情况下的天井空间风速云图Fig.10 Wind speed cloud map of patio space under the condition of opening and closing of external doors

3.2.2 天井空间的温度场特性

考虑到天井内不同区域获得太阳辐射的差异，以黑球温度作为温度场分析参数，如图11所示：外门开启和关闭两种情况下，天井内温度呈现分层分布的现象，上部温度高，下部温度低，而且温度波动范围是逐步减小的。4.5 m测点与0.5 m测点之间的均值温差可达2 ℃。4.5，3.5，2.5 m高度处的黑球温度中位数与室外参数一致；而1.5 m高度内，黑球温度中位数基本维持在30～30.5 ℃左右，普遍低于室外温度1～2 ℃。这表明天井空间确实存在着热缓冲作用，2.5 m以上高度的黑球温度受室外参数的影响更大，而在1.5 m高度内，黑球温度有所下降且能保持在相对稳定的数值上。0.5，1.5，2.5 m高度处黑球温度最大最小值范围比3.5，4.5 m高度处要高，这是因为天井空间受到了太阳辐射、地面辐射、热对流等因素综合作用影响导致的。

天井空间的黑球温度云图处理方法与风速处理方法相同，以测试期间最热时段14:00所测得的黑球温度、空气温度为依据绘制天井空间温度场云图，如图12和图13所示。在天井空间内，黑球温度分层明显，其中最大值出现在天井上部中央位置，最大值可达45.3 ℃(A5、B5测点)，这其中的原因在前文已进行论述。在2.5 m高度内，黑球温度随着高度的增加而升高；图13的天井空间空气温度场同样显示出了天井上部温度高、下部温度低的分层分布规律，但是空气温度与高度是呈一定线性关系的，空气温度随着高度的增加而增大。外门的启闭对于温度场的影响不明显。

图12 天井空间黑球温度云图Fig.12 Cloud map of black sphere temperature in patio space

图13 天井空间空气温度云图Fig.13 Cloud map of air temperature in patio space

3.3 沿廊及房间的风热特性

3.3.1 沿廊及房间的风场特性

沿廊及各房间的风速箱型图如图14所示。外门的启闭，对于沿廊及房间内的风速有较大影响，在外门开启时，沿廊(C2、C3、C4)内风速波动在0～0.3 m/s之间，均值为0.19 m/s，南北厢房和厅堂的(C1、C5、C6)风速波动在0～0.1 m/s内，南北厢房(C1、C5)风速均值为0.05 m/s，厅堂(C6)风速均值为0.03 m/s。当外门关闭时，各点风速波动范围均变小，所有房间内测点的风速几乎为0，这是由于在外门开启的情况下，巷道内的风可以通过外门进入沿廊从而形成穿堂风，使得沿廊和各房间内风速有所提升。

图14 外门开启或关闭下沿廊及房间的风速箱型图Fig.14 Wind velocity box diagram along the corridor and rooms under the opening or closing of external doors

3.3.2 沿廊及房间的温度场特性

如图15所示，沿廊部分的测点C2、C3、C4的黑球温度波动比其他各房间测点的黑球温度大，大小关系为：沿廊＞厢房＞厅堂。在外门开启和关闭两种工况下，所有测点的中位数及均值都在30～31 ℃之间，室外环境参数对各测点的影响不大。

图15 外门开启或关闭下沿廊及房间的黑球温度箱型图Fig.15 Black ball temperature box diagram along the corridor and rooms under the opening or closing of the outer doors

3.4 天井对相邻建筑空间风热环境的影响

计算天井空间同一高度处5个测点数据的平均值，以该值作为对应时刻等高度处的代表值，其他空间均取平均值作为代表值，将天井空间、沿廊、厢房、厅堂、巷道和室外来流的风速和黑球温度做相关性分析。

巷道与室外来流处两天的相关系数分别为0.91和0.7，巷道与室外来流风相关性显著。天井空间内不同高度处与室外来流的风速相关系数均大于0.4，但0.5 m和1.5 m处的风速与室外的相关系数明显小于其他高度，即虽天井空间各测点与室外来流相关性显著，但存在一定的差异。其次，天井空间与沿廊及与其相通的厢房之间也具有明显的正相关关系，但是厅堂与天井空间之间主要呈现负相关关系，而且相关性并不明显，表明沿廊及厢房内气流的引入与运动主要是依靠天井空间来完成，但是厅堂室内风的引入和流动并不依赖于天井空间。最后，在外门启闭的对比分析中发现，天井空间、沿廊和厢房之间的相关系数在外门关闭的情况下都会有所减小，在外门关闭的情况下，巷道、天井1.5 m内的空间、沿廊和厢房之间的相关系数有很明显的下降，这说明了外门的启闭对于天井空间、沿廊和厢房的风环境也有影响，外门的开启有利于形成穿堂风，增大天井空间1.5 m内的空间、沿廊及厢房内的气流运动。

天井空间各高度黑球温度与相邻空间黑球温度的相关系数均大于0.4，显著相关，并且这种相关关系随高度增加而增强。对于外门启闭工况对天井空间与室内房间风热环境联动关系的影响和多工况下的天井风速特性及其联动规律将在后续的模拟分析中进一步论述。

3.5 天井空间热压中和面分析

天井可以看作成一个通过天井井口和外门与外环境系统进行热质交换的空气腔。室外风通过天井井口、外门以风压的形式作用于天井，其流动规律将在后续的研究中讨论，同时天井内部始终存在热压作用

在热压作用下，建筑内空间某一点余压可表示为

式中：PX为某处的余压；PX0为中和面上的余压；h为某处至中和面的距离； ρn为天井内部空气密度，取天井内部不同时刻温度平均值对应的空气密度，kg/m3； ρw为天井外部空气密度，取顶部井口、外门、厅门不同时刻温度对应的密度，kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

仅考虑热压作用，通过门窗的空气量为

式中：G为门窗的空气量，kg/s；μ 为门窗的流量系数，大小与门窗的构造有关，一般小于1，本次取0.65[15]；F为门窗及井口的面积，南、北厢房门口面积取1.9 m2，厅门面积取3.3 m2，顶部井口面积取8.0 m2；ρ 为测量处不同时刻温度对应的空气密度，kg/m3。

天井空间作为与外界产生交流的缓冲空间，其尺寸为4 m×2 m×4 m，根据质量守恒定律得到中和面与天井总高度的关系式为

式中：GT为天井空间顶部井口与室外流通的空气量；GC1为 北厢房与天井空间之间流通的空气量；GC5为南厢房与天井之间流通的空气量；GC6为厅堂与天井之间流通的空气量；H为天井空间的总高度；h1为中和面与排风余压最大值测量点的距离；h2为中和面与进风余压最大值测量点的距离。

结合式(1)～(4)可得到中和面的高度。中和面高度随时间变化的点线图如图16所示，在外门开启的工况下，中和面高度在6:00～21:00时间段内，在2～4.5 m之间波动，高于房门高度。表明在天井空间内，下部处于进风状态，自然风从厢房和厅堂流入天井，上部处于排风状态，自然风从天井空间的上部井口流出。22:00～次日7:00时间段，中和面高度基本低于1 m甚至接近于0 m，这是因为在深夜及凌晨时间段，天井内的上下温差(0.5 ℃)很小，这使得天井整体温度趋向于室外，天井空间已经不能充当一个缓冲空间，而是成为了室外环境的一部分，此时热压通风作用主要来源于房间与天井的温度差，房间内的温度高于天井空间温度，使得自然风从天井流入各房间。而在外门关闭的工况下，中和面的高度变化基本与开门相似，但中和面高度在17:00就开始下降，比前一工况提前了一小时，这是由天井高空的外界风导致的，在17:00～18:00这时间段，天井高空处的风速突增，导致天井空间上部的排热作用远大于蓄热作用，使得天井空间的上下温差迅速缩小，减弱了热压通风。在20:00时的天井中和面高度的回升也是由排热和蓄热的相互影响导致的。

图16 天井空间中和面高度折线图Fig.16 Folding line diagram of the height of the neutral surface in the patio space

根据算得的中和面高度及式(2)可算得热压通风的空气量，具体如图17所示，结合图16，天井空间的通风量有两个高峰，即在11:00及14:00，通风量会达到5.8 kg/s，这时热压通风作用最强，天井空间底部进风，顶部排风；而在21:00之后，天井空间的通风量只能达到2.1 kg/s以下，与白天的通风量相差2.8倍，热压通风作用最弱，此时天井空间内上下温差很小，使得天井本身的热压作用几乎没有，此时气体流动主要依靠房间内与天井本身的温度差产生的动力进行，气体从天井流入各房间。

图17 天井空间通风量折线图Fig.17 Folding line diagram of patio space ventilation

3.6 讨论

曾志辉[5,7]分别在三水大旗村和佛山东华里街区对其当地的“三间两廊”进行了实测，对于天井空间的风热特性有以下总结：在风场分析上，天井主要受两侧廊引入的风、天井上口引入的上空外界风以及天井自身的热压抽气作用的影响，在垂直高度上，高处的风速活跃程度更高。在温度场分析上，天井空间在白天，其垂直气温分布会出现上高下低的现象，而在夜间，气温分布则会出现上低下高的相反现象。余欣婷[16]在前人的实测数据基础上进行了CFD模拟，对“三间两廊”的天井空间风热特性进行了验证，基本符合实测结果，并提出了天井空间气流的运动机理，天井处风压和热压气流的方向在通常情况下相同，为垂直方向上的顺时针旋涡，但其作用的发挥要依靠建筑其他部位出风口。

在整体分析上，本文的实测基本符合前人的结论。但在局部分析上，天井风场和温度场的特性是有所不同的，在B纵面上，测点B3和B15的风速波动范围和平均值均比同一高度处的测点要大得多，这是因为B3点布置在厅堂的檐口处，该处在余欣婷[15]的CFD模拟中是天井高空的入风口，风速变化剧烈，部分高空自然风遇到厅堂墙面开始在沿廊空间里发生下沉，最后到达地面重新流入天井空间，但这部分自然风只对B3点和B15点产生较大影响，即对天井空间靠近厅堂的顶部和底部两部分产生影响。综合分析A、B纵面的风速云图，在2.5 m高度内，等风速线有左疏右密且左小右大的现象，这可以推断出在该天井空间内，风速非活跃区主要是在天井2.5 m高度内的西南部分，但这也与当时的室外风向有关，这一部分会在后续的模拟中做进一步的分析。在风速云图中，风速会有对角两极化的现象，即若天井空间顶部一角的风速值最大，则在其底部另一角的风速值最小。在黑球温度云图中，黑球温度在天井空间3.5 m处最大，并以3.5 m中心点为中心，温度呈波纹式扩散，使得云图呈现出中部高、两侧低的现象。

4 结论

本文立足于岭南地区传统民居天井空间的风热特性，对案例民居的天井空间、厅廊空间、室内外空间的32个典型测点进行了连续48 h的风热参数实测和对比分析，得到结论如下。

在整体上，天井空间沿从高到低的垂直方向，风速和黑球温度波动范围逐步减小，2.5 m及以上高度的风热参数更容易受到室外参数的影响；外门的启闭对于天井空间风场的影响范围主要在2.5 m高度以内，但对温度场的影响不明显。外门的开启让天井空间对于室外风速变化的反应速度更快。

在局部细节上，天井空间内风速非活跃区主要在天井2.5 m高度内的西南部分，从檐口处流入的自然风对天井空间靠近厅堂的顶部和底部两部分产生较大影响，而对其余部分的影响很小。同时在天井空间的纵面风速分布中，会有风速对角两极化的现象。对于天井空间的黑球温度分布，黑球温度在天井空间3.5 m处最大，并以3.5 m中心点为中心，温度呈波纹式扩散，呈现出中部高，两侧低的现象。

在6:00～21:00期间，天井空间由于自身的温度差形成热压通风，使得天井空间底部进风，顶部排风，在11:00和14:00中热压作用最强，达到5.8 kg/s；在21:00之后，天井空间的上下温差很小，并趋向于室外温度，热压作用主要来自房间与天井的温度差，使得天井空间底部排风，顶部进风，通风量只有2.1 kg/s，热压作用较弱。

巷道对于室内沿廊及与其连通的厢房有一定的通风效果。在外门关闭时，沿廊及厢房的风速波动范围都有所减小，但外门的启闭对于厅堂内的风速变化几乎没有影响。沿廊及各房间的黑球温度关系为：沿廊＞厢房＞厅堂。沿廊及各房间黑球温度变化与室外黑球温度有直接关系。

天井空间、室外环境、沿廊、厢房之间的风速参数具有显著的正相关关系，厅堂内气体的引入与流动并不依赖于天井空间。外门关闭不利于天井空间、沿廊、厢房和厅堂内的气体流动。它们之间的黑球温度参数都具有显著的正相关关系，而且随着高度的增大而增强。

本文以详实的实验方式展示了典型岭南传统民居内天井空间的风热参数特性；讨论了天井风热参数对厅廊的影响以及通过厅廊传递对室内的作用，对岭南地区传统民居天井空间的风热环境进行了空间参数化解读，量化地体现了传统民居的建筑设计智慧，为传统建筑研究、保护和修缮提供了辅助依据。