徽州传统民居内部日照环境研究

程 建，黄志甲，鲁月红

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243032)

徽州传统民居内部日照环境研究

程 建，黄志甲，鲁月红

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243032)

以徽州传统民居作为研究对象，利用Ecotect软件对其内部的日照时数和光斑分布以及改变建筑朝向及天井高宽比后厢房内的太阳辐射得热量进行模拟。结果表明：民居内部夏季凉爽的主要原因是超过80%的区域的日照时数都小于1 h，同时夏季太阳主要照射在天井底部，增强了天井底部水体的自然蒸发冷却和夜晚的自然通风；冬季约15%的高日照时数区域都位于厢房和厅堂的内部，在为居住者提供健康、卫生的室内环境的同时减少了厢房的采暖负荷；建筑朝向正南时，厢房内太阳辐射得热量最大，同时其得热量随着天井高宽比的减小而增加；在最佳方案下，太阳能够在冬季为民居住宅提供约14.7%的冬季采暖需求热量。

徽州传统民居；日照时数；天井高宽比；太阳辐射得热

建筑日照方面的研究主要集中在两个方面，即建筑阴影和人体热舒适性之间的关系以及从日照间距和阴影方面评价建筑好坏的研究。Martinelli等[1]利用Rayman模型，研究广场夏季阴影模式和人体热舒适性之间的关系，认为阴影区域使人感到更加舒适；Watanabe等[2]对亚热带地区完全暴露在阳光下、建筑阴影下、植物阴影下3种日照状态下的人体热舒适性进行研究后也得到了类似的结论。Savvides等[3]通过模拟研究建筑遮挡下村落街道的天空可视系数和日照时数，结果表明街道两侧的建筑在夏季提供了阴影，降低了夏季的温度；宋波等[4]对北京农村地区几种不同形式合院式传统民居进行了日照模拟，从日照间距和院落阴影两个方面分析了建筑的优劣；李金牛等[5]利用Ecotect软件对商业步行街建筑阴影进行模拟，模拟结果在分析了步行街规划合理性的同时验证了Ecotect模型的准确性。

徽州传统民居作为独特的地域性建筑，民居中的采光、通风、纳阳均通过天井与外界进行交互。现有研究中对天井采光[6-7]和通风[8-10]的研究已经比较丰富。在天井的日照方面，张乾等[11]分析了鄂东南天井式建筑的天井高宽比对日照时数的影响。但徽州传统民居日照对夏季增强建筑内部被动蒸发冷却、促进自然通风，冬季改善室内卫生条件、降低采暖负荷原理的研究还有所欠缺。本文以徽州传统民居为研究对象，着重分析建筑内部日照时数的全年分布规律，通过改变民居的朝向和天井的相关参数，模拟不同建筑朝向和天井高宽比对厢房内太阳辐射得热的影响，从而诠释徽州传统民居天井在夏季遮阳和冬季纳阳方面的设计原理。

1 日照环境模拟

1.1 数学模型

空间任一点经过太阳光照射后会在地面产生一个投影点，该投影点的坐标与太阳位置及空间点的位置有关。视太阳光线为平行光线，则空间点的投影和太阳高度角、方位角及空间点的位置之间有确定的关系[12]。太阳高度角、方位角的表达式：

式中：α为太阳高度角；φ为当地的地理纬度；δ为太阳赤纬角；n为计算日在一年中的序号，如1月1日时，n=1，1≤n≤365；As为太阳方位角；ω为太阳时角；Ts为当地真太阳时；L为当地的地理经度。

在此基础上假设空间点的坐标为(x，y，z)，其在承影面上的投影点的坐标为(x′，y′，z′)，则投影点的坐标可以表示为式(2)，

式中：x，y，z和x′，y′，z′分别为空间坐标系中空间点和投影点的横坐标、纵坐标和竖坐标；h0为承影面的海拔高度。

在已知建筑物信息的前提下，每隔一段很短的时间Δt就对遮挡物和被遮挡物在承影面上的投影多边形进行判断，相交赋值为1，不相交赋值为0，则在设定时间段Tk-Tz内承影面上的日照时数分布可表示为 式(3)，

式中：Ti为承影面上第i个点的累积日照时数，i=1,2,3,…；Tk为开始判断的时间；Tz为终止判断的时间。

1.2 几何模型

为了能够定量研究传统建筑室内的日照情况，选择位于安徽省宣城市泾县查济村的馀庆堂为研究对象，馀庆堂位于30.5°N，118.0°E，海拔 238.3 m。该建筑是典型的一字形天井式建筑，一进五开间，坐北朝南。一层主要包括一间厅堂、四间厢房，二层是两间阁楼，内天井处于建筑外墙和房间之间位置(图1)。

图1 馀庆堂建筑平面图Fig.1 Plan views of Yuqingtang

以生态设计软件Ecotect作为模拟工具，在软件中建立被研究建筑的三维模型(图2)。Ecotect中需要定义建筑地理位置、几何尺寸等建筑参数。

1.3 模型验证

为了验证模拟结果的可靠性，利用实测的太阳光线分布和同一时间模拟的太阳光线分布进行对比。图3为2015年3月12日太阳光线实测图片与模拟结果的比较。

图2 几何模型示意图Fig.2 Geometrical model diagram

图3 厅堂实测和模拟日照情况对比Fig.3 Contrast of field measurement and simulation results for sunlight

随着太阳由东向西运动，太阳光在地面上形成了一道由西向东运动的亮斑，这一亮斑在中午12:30左右到达厅堂正中间，在16:00后离开厅堂，对比软件日照模拟后产生亮斑的运动状态可以看出，实测和模拟在亮斑的位置和宽度上都具有良好的一致性，因此可以认为本文模型是准确可用的。

1.4 建筑内部日照模拟

图4是典型日建筑内部水平面上的日照时数分布，在夏至日这天，由于太阳高度角比较高，太阳都照射在天井的底部区域，厅堂和厢房均没有直射阳光进入(图4(a))。民居天井底部一般均有蓄水，白天在太阳辐射的照射下，水体吸收来自辐射和土壤热量，提高蒸发面的温度，从而增加蒸发面的饱和水汽压，加快水体的蒸发。蒸发时水汽分子带走的汽化潜热通过天井释放到室外，起到了室内冷源的作用；另一方面，天井底部的土壤在白天吸收并储存太阳辐射热，在夜晚向外释放热量，通过对流换热提高近地面空气的温度，与天井上部空气形成密度差，进而促进天井的热压通风，这也是民居夏季室内环境舒适的一个重要原因[13]，此时，天井更多的是起到遮阳的作用。另外，整个建筑内部超过80%区域的日照时数均在1 h以下(表1)，有效减少建筑内部的夏季得热，尤其是厢房区域的空调负荷。

图4 典型日室内日照时数分布Fig.4 Sunlight hour mapping of indoors for typical daily

从夏至日到大寒日，随着太阳高度角的降低，太阳照射的位置逐渐由天井底部向厅堂和厢房内部迁移，在冬至日这天，太阳高度角最低，到达厢房里面(图4(b)，(c))。由于天井南墙和屋檐檐口的限制，建筑内的日照光斑呈现出带状分布，从整个建筑内部的日照时数比例分布上可以看出，冬至日和夏至日超过80%的区域日照时数也都在1 h以下，但主要的高日照时数区域都位于建筑的厢房和厅堂的内部(表1)，约占整个区域的15%，通过太阳光的照射，在为居住者提供健康、卫生室内环境的同时可以减少厢房冬季的采暖负荷。

表1 日照时数分布比例Tab.1 Sunlight hour plots

从3个典型日工况的模拟中可以看出，和一般现代建筑考察外立面窗户底层高度处日照时间的要求不同，徽州传统民居应当主要考察建筑内部的日照时数和光斑的分布；民居内部的日照分布由于天井南侧外墙和屋檐檐口的影响，呈现出带状的分布；并且随着时间的推移，在夏季到达天井底部，有利于天井的自然通风和被动蒸发冷却带走热量，减少了太阳光对厢房的直射，降低了厢房的得热。在冬季到达厢房内部，增加了厢房的得热，降低了冬季的采暖负荷，这也是天井夏季遮阳和冬季纳阳的本质所在。

2 天井对获取太阳辐射的影响

2.1 天井方案设计

在传统民居的调研过程中，发现不同建筑的天井位置和高宽比有很大的不同，而高宽比是影响建筑内部环境的一个重要因素[14]。所以，在本文中通过在原有的基础之上改变被研究建筑的朝向和天井的高宽比(表2)，对西厢2的冬季和夏季的太阳辐射得热进行模拟，观察并研究其对厢房在夏季和冬季获得太阳辐射能力的影响。为了完整全面的对朝向和宽高比进行研究，模拟方案按照影响因素之间的组合进行全面实验。

2.2 模拟结果及分析

利用Ecotect软件模拟西厢2在不同方案下夏季(6月1日—8月31日)和冬季(12月1日—2月28日)获得的太阳辐射热(图5)。为了便于观察对比，采用相同比例尺的三维坐标系，坐标系的横轴表示天井的高度，纵轴表示天井的宽度，两者之间的组合表示各种模拟方案，竖轴表示西厢2获得的总太阳辐射得热量。图中的灰度和竖轴的数据对应，越偏向于白色表示该方案下厢房获得的太阳辐射的热量越大，反之，颜色越偏向黑色表明接受的太阳辐射量越小。

表2 水平因素表Tab.2 Table of factor level

图5 不同方案下厢房太阳辐射得热Fig.5 Solar radiation heat gain in wing-room of different schemes

由图5可知：不同天井方案下，西厢2在夏季整个季度获取的太阳辐射总量大体一致，其数值介于100～140 kW·h之间（图5(a)，(c)，(e)），这主要是由于夏季太阳高度角比较高，在天井南外墙和建筑挑檐的遮挡下，太阳光线均照射在天井底部，此时西厢2获得的均为散射辐射，所以出现了这样一种特征。

建筑朝向为南偏东30°时，沿横轴平行方向表示这三组数据的天井高度一致，此时随着天井的宽度从300 mm增加到2 100 mm，高宽比逐渐减小，西厢2获得的太阳辐射量也在逐渐增加；沿纵轴平行方向表示这三组数据的天井的宽度一致，此时西厢2获得的太阳辐射量也在随着天井的高度从5 900 mm减小到3 200 mm，高宽比逐渐减小而逐渐增加(图5(b))。随着天井高宽比从20.0减小到2.7，西厢2获得的太阳辐射得热量从55 kW·h增加到352 kW·h(图5(b))。在建筑朝向为正南和南偏西30°时，也出现了太阳辐射得热量随天井高宽比减小而增加的规律。

正南朝向的建筑西厢2冬季获得的太阳辐射得热量从56 kW·h增加到498 kW·h(图5(d))，而南偏西30°的建筑从53 kW·h增加到422 kW·h（图5(f)）。在不同朝向的对比中可以发现，正南建筑厢房冬季太阳辐射得热量最大，达到498 kW·h，其次是南偏西30°的建筑，达到422 kW·h，最后是南偏东30°的建筑，为352 kW·h。夏热冬冷地区农村居住建筑卧室冬季的采暖需求约为95 W/m2[15]，在采用最大获取量的设计方案下，即建筑朝向为正南，天井宽度为2 100 mm，天井高度为3 200 mm的方案，整个冬季可以通过太阳获得498 kW·h的太阳辐射得热量，平均下来厢房在冬季能获得的辐射得热量为14 W/m2，约占整个冬季采暖需求的14.7%。

3 结 论

1)徽州传统民居内部日照分布由于天井南侧外墙和屋檐檐口的影响，地上的太阳光斑呈现出带状的分布；并且随着时间的推移，太阳光线夏季到达天井底部，增加了水体的被动蒸发冷却和天井夜间的自然通风，冬季到达厢房和厅堂内部，在起到杀菌、消毒作用的同时降低了冬季的采暖能耗。

2)在日照时数的分布上，夏季和冬季建筑内超过80%区域的日照时数都在1 h以下，但夏季高于1 h日照时数的区域主要集中在天井区域，占整个区域面积的18%左右，冬季主要集中在厢房和厅堂区域，面积约占整个区域的15%。

3)建筑内厢房在夏季主要获得的是散射太阳辐射热，其数值介于100～140 kW·h之间，冬季获得太阳辐射得热量的大小随着天井高宽比的减小而增加；在不同朝向上，也是正南朝向建筑的得热量最大，南偏西建筑的次之，南偏东的建筑最小；采用最大获取量的设计方案时能够为农村住宅房间提供14.7%的冬季采暖需求热量。

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责任编辑：丁吉海

Simulation andAnalysis of Insolation Environment in Huizhou Traditional Dwelling

CHENG Jian,HUANG Zhijia,LU Yuehong
(School of Civil Engineering andArchitecture,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243032,China)

Aims to analyzing indoor sunlight distribution and solar radiation heat gain of wing-room in Huizhou traditional dwelling,and with Ecotect software,the effects of building orientation and depth-width ratio of dooryard on the solar radiation heat gain of wing-room were simulated and compared.Results show that the sunlight hours are less than 1 h for more than 80%of indoor areas,and the sunlight can enhance passive evaporative cooling of water under the dooryard which enhances indoor natural ventilation during the night.These are the main reasons for the cool interior of traditional dwellings during the summer.In winter,15%of hight sunlight hours region is mainly located in the wing-room and living-room,which reduces the room heating load and provides a heathy as well as hygienic indoor environment.It is also demonstrated that the solar radiation heat gain of the wing-room can achieve the maximum when the building is facing towards South.And the solar radiation heat gain will be enhanced by increasing the depth-width ratio of dooryard.Under an optimal building orientation and dooryard size,approximately 14.7%of building heating demand can be satisfied by the solar radiation heat gain in winter.

Huizhou traditional dwelling;sunlight hours;dooryard depth-width ratio;solar radiation heat gain

TU 113.4

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.04.008

1671-7872(2016)04-0349-05

2016-04-22

国家自然科学基金项目(51478001)；安徽省级大学生创新创业训练计划项目(201410360234)；校级研究生创新研究基金(2014067)

程建(1995-)，男，安徽合肥人，研究生，研究方向为建筑节能。

黄志甲(1963-)，男，安徽安庆人，博士，教授,研究方向为建筑节能。