江西天井式民居生态适宜性探究

■ 周志仪 ZHOU Zhiyi 王鹏飞 WANG Pengfei 马 凯 MA Kai

0 引言

随着科技的发展与多学科的交融，近些年国内学者对传统民居生态适宜性的研究数量飞速增长。董晓等[1]通过实地测量与软件模拟相结合的方式，研究秦岭山地传统民居的地域气候适应规律。张华等[2]调查江南水乡地区传统民居与现代民居的通风状况，并对典型案例进行测试研究，指出传统民居利用天井等半开敞空间能够很好地兼顾通风与隔热。吴迪等[3]通过风环境模拟、现场实测与问卷调查相结合的方式，对豫北道口镇典型砖木民居冬季热环境进行研究，发现寒冷地区历史城镇居民对冬季偏凉的室内环境具有较好的适应性。黄海静等[4]以黔东南丹寨县黄土寨苗族民居为例，研究传统民居建筑的空间特征对其光环境的影响，结果表明传统民居主要空间采光性能均未达到建筑采光设计标准要求。何苗等[5]应用分析软件对晋江市东山村的传统民居进行室内光环境模拟，发现当地传统民居的采光系数普遍不满足国家规定采光设计标准，且大部分房间采光均匀度较差。

目前，针对江西地方传统民居的生态适宜性研究数量不多，大部分研究主要围绕传统民居的外部环境展开，而对传统民居建筑单体的研究较少。喻汝青等[6]利用软件工具分析南昌市后万村村落街巷宽度和巷道两侧建筑高度在夏、冬两季对巷道风环境的影响。王振亚等[7]通过软件模拟金溪县全坊村自然通风条件下冬夏风速与气温，结果表明在夏季巷道具有明显的降温通风的调控作用，冬季北侧建筑的不连续形成风口，在一定程度上降低了防风效果。

江西属于典型的夏热冬冷地区，建筑物通常要满足夏季遮阳、通风降温等需求，同时冬季也应兼顾防寒保暖，因此江西的传统民居建筑形式有着其独特的气候应对策略与朴素的生态经验。通过技术手段与新研究方法的应用，对江西传统民居的生态适宜性进行量化分析并提出优化策略，可以探索江西地方传统民居建筑特色，弥补目前对江西地方传统建筑生态经验研究的不足；并以此为契机，寻找兼顾经济性、生态性、地域性的现代民居优化策略，提升农村居民的生态保护意识、文化遗产保护意识，以期为地区的新农村建设提供过程引导、设计启发与参考。

1 研究对象

金溪县被誉为江西省“文化名县”之首，全县至今拥有格局完整、风貌较好、古建筑成片、地方特色鲜明的传统村落101 个，包括中国历史文化名镇（名村）3 个、中国传统村落42 个，省级历史文化名镇名村9个、省级传统村落31 个、省级历史文化名街区2 个，已申报或待批的中国传统村落28 个；传统村落数量占江西省总数量的12.24%，在全国近260个县传统村落总数量排名第13。因此，金溪的传统村落无论是在数量上还是文化上，在江西省传统村落中都具有典型性和代表性，而金溪县的竹桥村又是其中风貌保留相对完好的古村。竹桥村始建于明代（1430 年），于2012 年入选首批中国传统村落，村落整体维持着完整的明清时代格局，村内现存有大量天井式民居。

当地民居出于家族聚集的需求，建筑通常以天井为核心，向四方进行延伸布置各房间，形成以“进”为单位的院落布局，产生不同大小规模的民居。当地民居中最基本、最典型的形式为“一明两暗三开间两进式”，其中：“一明”是指正对天井的明间厅堂，“两暗”则是指厅堂两侧的次间。位于竹桥村中部的余为平宅约有200～300 年历史，是典型的“一明两暗三开间两进式”天井式民居，是村落内数量最多、最常见的传统民居形式，故本文选择余为平宅进行模拟分析。

2 物理模型

研究对余为平宅进行模拟分析，并选取其东南面一现代民居作为参照组（图1）。

图1 研究对象区位图

余为平宅共有1 处天井、2 间厅堂、4 间厢房。天井平面长宽比为3:1，较为狭窄；建筑外墙墙角为条石铺砌，上部为空斗砖墙，内墙为木板隔墙。现代民居为两层平屋顶建筑，内部无天井，开间宽8.5 m，总进深8.6 m，采用砖混结构，外门均为钢制防盗门，窗户为单层玻璃窗，窗框为铝合金材质，是当地较为普遍的现代民居形式（图2）。为简化模型，减少计算节点，加快计算的收敛速度，在模拟过程中忽略各处微小凹凸处及次要构件，主要保留建筑的门窗、屋顶、楼板及墙体等主要构件。因现代民居位置相对处于村落外围，周边建筑密度较低，而传统民居多集中在村落中部，建筑密度较高，为控制周边环境条件的影响，模拟实验设定以四周空旷无遮挡的理想环境进行运算分析。

图2 建筑平面图

2.1 光环境模型

光环境模拟研究基于实地测绘数据建立三维空间模型，并在Ecotect软件中对照建立采光分析模型。受气候、历史积淀、生活民俗、营造工艺等一系列因素共同作用影响，传统民居存在墙面粗糙、墙体并非相互垂直、格栅积灰、反射不均等干扰因素，这些不可抗力因素相对难以把控，但影响较小，因此模拟中对其忽略、简化。研究分别选取2 栋民居的卧室（厢房）和起居室（厅堂），模拟各区域的采光系数、采光均匀度、照度，网格均设于距室内地面高度750 mm处，每个房间网格节点数为900 个，此精度下的模拟成果能较好地反映民居的采光情况，同时节约运算成本。

2.2 风环境模型

风环境模拟采用PHOENICS 软件进行，研究以《江西省绿色建筑设计标准》（DBJ/T 36—037—2017）为依据，设置相应的计算域，设定中保证建筑覆盖区域面积小于计算域面积的3%，并建筑物为圆心，水平计算区域半径不小于5H（H为建筑高度），建筑上空计算区域不小于3H。在确定计算区域后，运用PHOENICS 软 件 内 置 的PARSOL 功能进行结构化网格划分，并在建筑主体所在空间及近地面区域对网格进行加密处理，以提高计算精度。为了验证网格独立性，分别划分10 万、50万、100 万个网格进行实验，通过实验得出单元数量为50 万的网格能够保证计算精度，提高运行效率，故本文选用网格数为50 万个的计算单元进行数值模拟。

2.3 能耗模型

建筑能耗模拟采用EnergyPlus软件分析，根据实际测绘成果建立天井式住宅与现代住宅的三维立体模型，并设定门窗、外墙、屋顶、内墙、楼板等不同围护结构。使用EnergyPlus 气 象 数 据（EnergyPlus weather data file）中金溪县所属的抚州市气象台气象数据，设定为天井式民居与现代民居全年气象参数。天井式民居分为上厅堂、下厅堂、厢房等房间，分别设定为不同的热区（thermal zones），现代民居根据起居室、卧室、厕所、储藏室等不同功能的房间划分为不同的热区。在SketchUp 软件中完成三维建模后，导 出idf 文 件，利 用EnergyPlus 软件的idf 编辑器，对建筑围护结构的分层、厚度、材料导热系数、透光性能进行定义，同时对照明、人员、电气设备、暖通空调系统等参数进行设置，然后进行建筑能耗模拟。

3 计算设置及参数

3.1 光环境参数及数学模型

3.1.1 气象参数

根据中国光气候分区相关标准，竹桥村属于IV 类光气候区，室外天然光临界照度值为4 500 lx，设计照度值为3 500 lx，采用国际照明委员会规定的标准全阴天空标准，计算最不利条件下的采光情况，各部位表面反射比如表1 所示。

3.1.2 数学模型

采用分流法进行计算，忽略阳光的直接照射，将自然光分成3 个独立的组成部分，计算公式如下：

式中，FD为采光系数；CS为天空组分，表示通过窗户直接从天空射入房间内的部分；CER为外部反射组分，表示被大地、树及其他建筑物反射入房间的部分；CIR为反射组分，表示前两部分在室内表面上的内部反射。

3.2 风环境参数及数学模型

3.2.1 气象参数

研究对2 栋建筑的夏冬两季风环境状况进行评价，通过参考《空气调节设计手册（第三版）》，并咨询金溪县气象局，将主要气象参数设定如下：夏季主导风向为东南向，风速为2.8 m/s，室外设计温度为28.1 ℃；冬季主导风向为偏北风，风速为1.9 m/s，室外设计温度为7.4 ℃。

3.2.2 数学模型

研究采用标准k-ε模型计算，将空气流动视为不可压缩、低速湍流。在建筑的风环境研究中，控制方程包括质量守恒方程、动量方程与能量守恒方程。

质量守恒方程如下：

动量方程如下：

能量守恒方程如下：

式中，ρ表示流体密度；u表示速度矢量；ui表示坐标系中的x轴处的速度分量；uj表示坐标系中的y轴处的速度分量；xi表示坐标系中x轴处的位置；xj表示坐标系中y轴处的位置；μeff表示效热传导系数；p表示流体压力；T表示温度；ΓT,eff表示温度T下的有效扩散系数；ST表示温度T下的热的产生项；t表示时间。

3.2.3 风环境边界

由于计算区域空间足够大，流体运动至出流面时已得到充分发展，上部和两侧边界流体运动受建筑物影响也较小，故在出流面上可认为流体已恢复为无建筑物阻碍时的正常流动，故将其出口压力设为大气压，上部和两侧边界在气流模拟中设为自由滑动对称边界。建筑壁面及下垫面的边界条件由于层流黏性作用影响加强，必须对标准k-ε模型加以修正，运算中以壁面函数法加以修正建筑物边界区。至于来流面边界，由于在现实中由于地表的摩擦的作用，接近地表的风速随着高度的减少而降低，需要根据大气梯度作用的规律进行修正，来流面风速的变化规律以指数率表示为：

式中，Z为计算高度；Zo为参考高度；Uz为高度为Z处的水平方向风速；Uo为参考高度的Zo处的风速；α为由地形粗糙度所决定的幂指数。根据国家相关标准规范规定，田野、乡村、丛林、丘陵地带α取0.16。

3.3 能耗参数及数学模型

3.3.1 数学模型

运用EnergyPlus 对住宅进行能耗模拟，所采用的负荷计算方法是房间热平衡法。假设为房间空气温度是均衡一致的，围护结构表面温度是均衡一致的。计算出任意干扰量下的墙体传热量后，求解房间的冷热负荷及温湿度状态。

房间空气热平衡方程式如下：

式中，qi,c表示通过第i个表面的对流传热量；N表示围护结构的表面个数；Ai表示围护结构第i个表面的实际传热面积；Qother表示表面热平衡方程中日射、设备、灯光及人员得热中的对流部分和水分蒸发等引起的潜热量；Ga表示新风与渗透风的风量之和；Cp表示空气的定压比热容；Ta-out表示室外空气温度；Tm表示区间温度；Qheat-extra表示内部空气散失到外界的热量；ρ表示流体密度；V表示建筑室内体积；t表示时间；Tin表示室内综合温度。

3.3.2 气象参数

在模拟中，假设使用照明与电器的人数和用电负荷与建筑面积成比例，将人口数量设置为8 人，根据江西省居住建筑节能设计的相关标准，照明和设备负荷分别设置为5.0 W/ m2和3.8 W/m2，开 启 时 间设置为6 h/d。室内夏季空调制冷温度设定为26 ℃，冬季室内制热温度设定为18 ℃；结合当地的气候条件，制冷时间设置为每年的6 月1日至10 月1 日，每天的制冷时间为12:00—14:00 、20:00—05:00，制热时间设置为每年的12 月15 日至次年3 月1 日。

3.3.3 材料参数方面

根据相关节能设计标准，结合当地的资源条件，与对模拟对象建筑实地调研的结果，对天井式民居建筑与现代民居围护结构参数分别设置，具体参数数值见表2。

表2 围护结构参数设置

4 模拟结果及分析

4.1 模拟结果

4.1.1 光环境模拟

根据《建筑环境通用规范》（GB 55016—2021），当地住宅建筑卧室和起居室最小采光系数不得低于2.20%，室内天然光照度最小值不低于330 lx。研究在理想状态下对光环境进行模拟，并对天井式民居与现代民居卧室与起居室的采光系数、照度进行对比（图3～6）。①天井式民居厢房（卧室）采光系数低于2.20%的区域面积占总面积的97.22%，照度低于330 lx 的区域面积占比达97.67%，平均照度29.04 lx；厅堂（起居室）采光系数低于2.20%的区域面积占总面积的63.11%，照度低于330 lx 的区域面积占比达67.57%，其中邻近天井、大门位置照度相对较高。②现代民居卧室采光系数低于2.20%的区域占模拟范围的51.56%，照度低于330 lx 的区域面积占比达54.11%，平均照度为607.75 lx，其中距离窗口近的区域照度较高；起居室采光系数低于2.20%的区域面积占总面积的48.33%，照度低于330 lx 的区域面积占比达54.11%，平均照度为578.01 lx，邻近大门处照度相对较高。

图3 采光系数低于2.2%的空间占比模拟分析

图4 采光系数模拟对比

图5 照度低于330 lx 的空间面积占比分析

图6 空间平均照度对比

4.1.2 风环境模拟

在理想状态下模拟得出：①夏季天井式民居大门至天井部分，风压明显提升，上、下两厅堂的通风情况较好，下厅堂大部分区域风速高达1.75～1.97 m/s，其余部分风速基本多处在0.44～0.66 m/s，但上厅堂两侧厢房通风情况较差（图7a）；现代民居的南侧大门及北侧后门附近风速最大，高达1.31～1.53 m/s，中间区域风速稍小，且较为均匀，通风效果显著，但两侧卧室内风速微弱，基本在0.22～0.44 m/s（图7b）。②冬季天井式民居室内风速较小，仅有中间走道邻近天井处有些许微风，风速在0.17～0.33 m/s（图8a）；现代民居北面开口较多，在开启通风的情况下，室内风速相对较大，在靠近北面的位置风速最大可达1.29 m/s，厅堂大部分区域风速也基本维持在0.32～0.48 m/s（图8b）。

图7 夏季风速图

图8 冬季风速图

4.1.3 能耗模拟

天井式民居全年能耗的构成中，暖通空调系统的电耗占总能耗的62.31%，照明系统的电耗占总能耗的17.53%，设备系统的电耗占总能耗的20.16%。现代民居全年能耗的构成中，暖通空调系统的电耗占总能耗的68.76%，照明系统的电耗占总能耗的14.53%，设备系统的电耗占总能耗的16.71%。天井式民居全年能耗23.54 kWh/m2，现代民居全年能耗28.68 kWh/m2（表3）。

表3 能耗模拟对比

4.2 模拟结果分析

4.2.1 建筑光环境

从采光系数分布来看，天井式民居厅堂采光情况明显好于其他部分，而现代建筑自然采光分布均匀，无偏重区域。从自然采光照度来说，天井式民居通过天井获取厅堂部分良好采光的同时，减少太阳直射室内的情况，保证主要活动区域的采光需求，而由于厢房私密性过强，仅通过朝天井的内窗采光，导致厢房采光条件不能达到《建筑环境通用规范》（GB 55016—2021）中最低标准；反观现代民居，由于在门窗布局上更为自由，各部位开窗较为规整均匀，各区域数据较为相近，整体采光情况优于天井式民居。

4.2.2 建筑风环境

在夏季，天井式民居厅堂区域风速显著提升，可以更好地改善室内夏季闷热环境，但由于厢房只有朝天井的内窗，通风效果较差。在冬季，天井式民居室内风速稳定，只有辅助空间局部存在微风，对主要使用空间影响不大；而现代民居的室内风速较大，甚至出现穿堂风。总体来说，天井式民居厢房的自然通风效果并不理想，但在主要的活动区域，自然通风效果在夏、冬两季都能更好地调节建筑的室内风环境，在夏热冬冷地区能够更好的维持建筑的室内舒适性。

4.2.3 建筑能耗

根据实测得知，天井式民居与现代民居夏、冬两季室内温度相差并不大，但由于天井式民居门窗洞口相比现代民居更小，因此在夏、冬两季室内外热交换也较小，减少了一部分能耗损失；其次天井式民居天井面积有限，夏季室内热交互能力也相对有限，空调系统制冷能耗占比较低，因此，整体上来看天井式民居相较于现代民居更为节能 。

5 结论

借助软件的模拟分析，可以看出天井式民居中天井的设置可加强室内外通风，坡顶结构及传统材料可削减热辐射，门窗洞口方向与尺寸的设计可调节室内外的热交换，天井式民居可在不使用现代设备的情况下，带来更舒适、更节能的生活环境，在现代民居设计中值得借鉴。但在现代生活的需求条件下，天井式民居由于空间封闭性过强，在室内采光、湿度环境等方面较差，在这方面应当积极发挥现代建筑设计的优势，在合理吸取天井式民居设计方法的同时，融入现代手法进行改良，从而设计出同生态环境更为适应的现代乡土民居。由此，可总结出以下乡土民居综合优化设计策略。

（1）光环境方面，天井式传统民居可通过增加部分屋面亮瓦和下采光口的方式，增加室内的光照，再对内部墙面进行粉饰，加强并协调室内墙体对光的反射，使室内采光更加的均匀；其次，可利用现代手段于北面后墙处增设窗口，并扩大南面窗口，来有效增加采光需要的窗地面积比，同时需要注意相应的对位关系，并统一窗口形式和装饰风格，维持原始建筑立面风貌。

（2）风环境方面，天井式传统民居主要利用天井的热压通风保证主要活动空间风环境的稳定，在现代民居设计中，也可以设置通风屋面或天窗，加强被动式通风。而天井式民居厢房由于有效通风面积的不足，通风较差，可与采光优化一同考虑，通过增设和扩大窗口形成更好的气流路径，加强室内的自然通风。

（3）能耗方面，天井式传统民居的优势主要得益于对较高热惰性传统材料的使用与更具生态性的建筑形制，在现代乡土民居设计中，可以进一步加强对生土、木、石等传统材料的使用，发挥传统材料在节能方面的优势。然而由于传统民居密封性较差，在冬季能耗优势并不明显，可以在门窗缝隙和其他结构企口处添堵密封材料，并在天井处设置活动式遮阳装置，降低雨雪天气的冷空气入侵和交流换热所产生的能耗。