传统外墙民居的微气候调节与暖居设计岭南民居天井的热环境价值

传统外墙民居的微气候调节与暖居设计岭南民居天井的热环境价值

传统民居的空间布局通常集中在一楼。一楼不仅容纳了教育、交流、工作和日常生活，还具有极大的热环境调整。这是中国传统民居中重要的自然生态空间。在热湿气候环境下的岭南地区,从气候建筑学的角度观察,天井更是具有通风、防暑、防潮等调节建筑局部微热环境的核心作用。这些经过岁月检验而流传下来的适应地域气候的建筑经验和营造方法,是先民留给我们的宝贵历史财富,非常值得我们去重新发掘和总结。且静观当下,天井这一优秀的传统空间在现代住宅设计中似乎正被有意无意地淡忘和疏远,如何在现代住宅当中恰当地设计和运用天井空间,让传统智慧继续为今天的居者带来良好的热湿环境,也是十分值得我们关注的问题。1建筑环境的测量岭南地处热带-亚热带季风气候区,日照时间长,太阳辐射量大,南岭山脉、武夷山脉和云开山脉共同形成天然屏障,为岭南地区阻挡了大部分来自北方的干燥冷空气,形成了岭南地区夏长冬暖的气候特征,夏季长而高温,最热月14时平均气温31℃~33℃,冬季短且不冷,最冷月平均14℃~17℃,全年湿度均较大。反映到建筑营造上,岭南传统民居非常讲究防热降湿,对夏季热湿气候的应对有着十分独到的经验,而天井的设置则是其中非常巧妙的一笔。为更好地摸清岭南传统民居中天井的实际热状况,2008和2009年夏天,笔者所在团队分别对五处具有代表性的岭南传统民居进行了热环境的实地测量,各民居的基本情况如表1。其中,民居A、B、C为广州西关特色传统民居,特点是面宽仅一开间,平面呈竹节状一节一节地向纵深发展,称为“竹筒屋”,是珠三角一带最常见的民居类型;民居D、E为典型的岭南“三间两廊”民居,基本格局为一列三间,明间为厅堂,两侧次间为卧房,厅前为天井,天井两侧为廊,是岭南广府民居最典型的基本形制。实测中,对五处民居进行了包括空气温度、湿度、风向风速、壁面温度及WBGT指数的测量,结合数据分析考察天井自身的热环境及其对其他户内空间的影响。通过理论分析与实测检验,说明岭南传统民居中的天井在热缓冲、遮阳、风压通风和热压通风方面均可有效改善民居户内微热环境,应对岭南夏季的热湿气候。1.1外墙接触的空间在岭南地区,夏季白天的室外气温是相当炙人的,极端最高气温可达38℃~42℃,加上常达50%~80%的相对湿度,感觉异常闷热。在此外界条件下,天井作为民居室内与室外的一个过渡空间,有效地缓冲了室外高温对室内的直接热作用。岭南传统民居形式多样,但由于天气炎热,大多具有一个普遍特征,那就是出于遮阳隔热的考虑,多自发地按连房广厦的组织方式建造房屋,即每个单体房屋的三面(两侧墙与后墙或前后墙与单侧墙)均与邻屋相接,惟有一面开向街巷。这样一来,除了开向街巷的那一面,天井就成了民居与外界接触的另一重要界面。它位于民居平面内,又向天空开放,成为室内外空气交换和热量交换的过渡空间。这种半室内半室外的空间特性使得天井成为一个有效的热缓冲空间,实测中,五处民居中的天井白天气温均比同时段的室外气温低,以降温效果最明显的民居A为例,白天首层天井与室外露天处的平均气温分别为29.2℃与34.6℃,温差达5.4℃。这样一来,与天井相邻的其他户内空间均能获得已被一定降温的外界空气,而无须“直面”室外严酷的露天气候条件。1.2检射用太阳x射线辐照法岭南地区位于低纬度的热带-亚热带区,强烈的日照给当地带来了大量的太阳辐射热量,是该区气候炎热的最直接原因。遮挡太阳的直接照射,尽量减少太阳直射辐射的热量,是岭南传统民居防热的重要途径。虽然是上部向天空敞开的半开放空间,但岭南民居天井有着独特的高宽比,特点是垂直方向较高而平面尺寸较小,这种“高深”的井状空间为民居内部提供了深邃的落影,遮挡了大量的太阳直射,使厅堂等内部空间所得到的太阳直射辐射热大为减少。实测中,根据天井中太阳落影的光斑记录,民居D在五处选例中接受直晒时间已属最多,但仍比门前露天处减少2.5小时(图1)。1.3室外风压小和静风影响如前所述,岭南传统民居多为三面与旁屋贴邻而仅有一面开向街巷,这种在我们现代看来比较封闭的布局情况下,民居内部的通风情况依然缺的巧妙作用。(1)风压通风为主时,为民居提供重要的上空取气口岭南地区夏季主导风向为东南风,以区内各城市的气象参数作平均计算,则夏季平均风速约为2.6m/s(1),可见本地区具有一定的自然风压通风潜力。然而连房广厦的群组布局一定程度上阻碍了外界风从门窗洞口水平进入室内,此时,天井成为另一个引入自然风的主要风口,室外风从民居上方吹过,在天井墙的导引下,部分气流沿天井下行,进入户内。同时,由于二氧化碳和空气扬尘等空气污染物多比空气重,它们在空气中以下沉扩散运动为主,故天井上空流进户内的空气往往比贴近地面的空气更清洁新鲜。(2)外界风压小和静风时,为民居带来热压通风的重要条件虽然岭南地区具备一定的风压通风潜力,但由于各种天气条件和地形地貌的影响,同时也存在可达30%的静风频率。在外界风压很小甚至静风时,民居仍然具有透过通风降温除湿的本领,这是岭南传统民居非常突出的一个优点。如在民居B中,在外界无风的时段内,从冷巷流进天井底部仍有0.2~0.33m/s的风速,此时依靠的就是主要由天井带来的热压通风。在阳光照射下,天井上部开口附近升温较快,气温较高,而天井底部由于周围的遮挡受晒极少,空气温度较低,由此便形成了垂直方向上的温度梯度,天井内的空气产生了向上浮升的动力,从天井上部开口排出室外,同时带动与天井紧邻的房间内的空气进入天井底部补充,从而形成了外界无风时民居内部的热压空气流动,使人产生阴凉感,并给户内带来换气、降温、除湿的作用。2岭南传统居民的热特性为了更深入了解天井自身性状的不同所带来的天井本身及整个民居的热环境差异,本文进一步对五处选例间的天井参数和热环境效果进行了横向对比,通过比较分析,发现岭南传统民居当中天井的热特性具有以下规律。2.1内部热环境的改变民居B天井原有一个居民自己加建的雨篷盖顶,封闭了整个天井的上部开口,实测时予以了拆除,并充分利用了拆除前后的情况作对比,对拆除前和拆除后的两个工况都进行了测量,结果发现天井上口在人工封闭和自然开敞两种不同条件下,天井内部的热特性变化很大,且带来整个民居的内部热环境也发生较大改变。雨篷拆除后,天井内的平均风速从0.13m/s提高到0.50m/s,增加了三倍多,湿度大幅减小10%~21%,气温上升0.3℃~1.4℃。厅堂的平均风速也从0.22m/s提高到0.39m/s,卧房从0.13m/s提高到0.30m/s,可见户内风速同样增幅明显,户内厅房等主要空间的相对湿度下降4%~10%,户内气温略有上升,接近天井处的冷巷口与卧房的气温轻微上升0.1℃~0.4℃,这是由于与外界的空气交换加大的同时引入了室外热量。由于风速倍增,湿度下降,尽管气温轻微上升,室内热舒适性仍有明显提高,人在其中感觉不时有凉风吹过,“闷热”感大大减少。以10点的厅堂为例,PMV值从0.9变为0.66;晚上的卧房则更明显,20点的PMV值从0.83变为0.48,更接近中性舒适状态。由此可见天井对民居整体热环境的影响确实不可忽视。2.2双有效内空气流动五个实测选例当中,民居A为双天井,于屋中和屋后各存一个,其余四处民居为单天井。实测当中发现,双天井民居内的空气流动更为活跃,两个天井中的日平均风速均大于其他四处选例。这是因为比起单天井,双天井相当于多了一个对外风口,此情况下,当室外有风时,两个天井一进一出,则无论风向如何,均能带动户内空气流动;而当室外静风时,两个天井所形成的热压通风,使前后天井可能一进一出,也可能两个都成为出风口,同样有效带动室内外气流交换。2.3自设门口与前语言四个单天井民居选例当中,民居D、E的天井位于屋的前部,B、C的天井则位于房屋的后端部,在这两种类型中,后天井比前天井更能带来屋内的风压通风。这是由于后天井可与厅堂处的门窗洞口形成一对进出风口,而以屋内空间为主气流通道,带动屋内空间获得通风换气;而前天井与入口端的门窗洞口相距太近,即进出风口之间距离过近,气流大部分未能进入屋内已被排出户外,对屋内空间的气流影响相对较少。实测中,民居D白天厅堂处风速为0.12m/s,而民居B(自然开敞工况下)则可达到0.39m/s,可见天井位置如果能尽可能使室内气流路径合理地保证一定的长度,减少形成气流“短路”,则可带来更好的通风效果。2.4热压通风作用原理五处民居中天井的高宽比从大到小排列为:A>B、C>D、E。实测中发现,当室外接近静风时,由天井热压带来的通风量也是按基本相同的顺序排列,即高天井比低天井能带来更大的热压通风动力。从热压通风的原理可知,热压作用的大小与高度差和空气温度差密切相关,高度差越大、温度差越大则热压作用越明显。天井越高,则上部开口与地面的高差越大,所带来的热压作用自然加强。再者,天井高宽比越大,意味着天井底部接受到的太阳照射越少,底部的温度越低,与天井上部附近长期受晒下的温度之差则越大,也就越能加强热压作用。所以,“高深”的天井能为热压通风带来更强的源动力。2.5规模控制的影响岭南地区地处地理纬度较低的热带-亚热带地区,全年太阳高度角均较高,如果天井太大太宽敞,则必将受到过多的太阳直射辐射,温度骤升而无异于全室外露天环境。正是顾及到这种气候因素,岭南先民普遍把天井平面规模控制在较小的尺寸内,使其免受过多的太阳热力侵扰,让天井成为有效的热缓冲空间,保证其内气温始终低于室外露天气温,使户内各主要空间免于直接接触户外炎热的露天环境。以实测的五处典型民居为例,当中的天井尺寸均较小,仅为2mx2.1m至4.3mx4.4m不等。而进一步比较天井类型相同的民居D和E,可以发现,天井较宽的民居D天井与街道白天平均温差为0.75℃,而天井相对较窄的民居E为1.35℃,可见窄天井的热缓冲作用更为明显。2.6降低温度、吸热岭南传统民居天井中常有水井或小水池,并栽种灌木类或爬藤类植物,一方面美化私家环境,营造自然氛围,另一方面,又可降低天井底部的气温。这是因为水的比热大,吸热后升温少,其蒸发作用又可带走潜热冷却环境,而植物叶片的遮阳作用和蒸腾作用也能为环境降温。实测当中,民居D的天井设有小水池和植物栽种,虽然其高宽比最小,理论上受晒最多,但其地面附近气温也不致过高,就是水体与植物在其中发挥了自然降温的作用。3宅型d与fps分析天井在岭南传统民居中发挥着调节户内热环境的良好作用,然而在大量的岭南现代住居建筑创作中,天井却似乎渐渐为大众所遗忘。如何把天井良好的调节户内热环境的作用重新发挥出来,使之合理地融入到岭南现代住宅设计当中,以结合天井改善建筑布局的设计手段,而不是以一味加大建筑能耗的方式来达到改善户内住居热舒适性的目的,是非常值得我们研究的问题。中山泮庐园林住宅小区就在这方面做了非常有益的探索。该小区位于广东省中山市五桂山间,为充分共享周边优美的山水景观,并尽量减少对环境的影响,区内设计全为低层住宅,且以传统民居意象为设计蓝本,使房子可朴素自然地融入到山水之中。所有宅型的户内平面组织上,均引入了天井设计,不但丰富了户内空间布局,也带来了改善户内微热环境的良好作用。在提高室内热舒适性方面,宅型D(图2~3)与宅型F1(图4~5)的天井的效果最为明显,笔者所在团队对该二宅型进行了使用回访与热环境实测。透过回访反馈及数据分析,我们发现,天井的引入确实给宅型D与F1的户内微热环境带来了实质性的改善作用。第一,通过照度测量,证实与天井贴邻的房间采光充足,照度均匀。这是由于天井的存在,使与之相邻的所有房间从单面采光变成两面都能采光,采光量增加,屋内照度分布更为均匀;且从天井引入的光照经过天井墙面的多次反射,光线也更柔和。第二,通过风速测量,印证了由于天井的存在,使得户内穿堂风更加通畅,流场所覆盖的室内空间更大,减少了通风死角,明显改善了户内通风效果。当室外风速较大,住宅正背面风压差足够大时,户内穿堂风即产生。但现代住宅除宿舍外基本不可能只有单面布房,则一旦有双面布房甚至三进布房,房间之间的隔墙就成为了户内通风的屏障,户内通风死角增多,穿堂风不畅;而天井的开放式属性,使它不会成为风道上的障碍,可以通畅地“连接”前后房间,让风可经窗口和天井顺畅地通过,使得穿堂风的流场更均匀,覆盖房间内的空间更多。第三,实测也印证了天井内壁面温度和空气温度都有上高下低的垂直梯度,这是天井四周墙自身的遮阳引起的,不仅为首二层房间带来较好的遮阳效果,同时也促成了天井内热压通风的形成。透过风速测量发现,当室外静风时,天井上口部仍能录得0.25~0.45m/s的向上气流,使户内在外界无风的情况下,仍能保持稳定的气流交换。第四,对天井中的气温测量证实了天井应用在现代住宅中同样具有明显的热缓冲作用。以宅型D为例,当室外露天处气温高于30℃时,首层天井内的气温仅为27℃~28℃,可以推断当夏季室外气温过高时,客厅与卧室关闭外窗适当抑制该处的热空气流入,而打开连接天井的窗,即可利用天井这一热缓冲空间作为厅房的取气口,使室内获得相对清凉的空气。天h开敞者的热特性通过理论推演与实例检验,初步掌握了岭南传统民居当中,天井所发挥的独特的改善户内微热环境的作用。这些作用包