北京传统合院居住环境实测模拟及其生态评价——以爨底下传统民居为例

农丽媚

周浩明

郭继红

传统民居建筑环境的营造中蕴含了很多朴素的生态营建智慧。然而传统民居微气候环境营造的生态智慧及其科学作用，历来缺乏研究关注[1-2]。本文以京西爨底下传统合院民居为例，基于建筑物理工程技术的实测和模拟方法，直观量化地展示传统民居建筑室内外环境微气候的典型特征，验证、丰富并在一定程度上修正以往对传统民居建筑环境性能的主观感受和定性认识[3-5]，并揭示传统民居建筑环境热工能效原理及其生态智慧。

北京爨底下传统村落坐落在北京西郊深山峡谷之间，完好保留了明清以来的聚落空间和建筑形制，成为北京地区少有的、遗存较为完整的传统聚落，2012年被列入中国第一批传统村落名录。该聚落是当代保存最完整的北方山地合院民居群落之一，当地的合院式民居不仅融合了北京四合院和晋中四合院的特点[6]，更是结合山形地势创造出了独特的山地合院聚落形制，不仅突破了北京地区传统平地四合院的单一类型[7], 也大大丰富了我国北方山地合院民居的多样化概念，成为我国当代北方传统合院民居的典型代表和活态文化展示基地。

1 爨底下传统合院民居营建方式

爨底下村位于老龙头山向阳坡上，依山而建，层层升高，通过轴线方向、建筑方位、台基尺度、基础形式、区域联系等的变化，成为大坡度山地聚落的典型。村民根据地理区位、气候特点并采用当地材料来建造民居，布局小巧多变的农家小院融于青山之中。根据地形高差、太阳高度角、主导风向等自然因素来调节建筑朝向、间距、门窗的形式、日照时间、辐射得热及遮阳阴影等，院落的设计尽量朝南，正房的高度设计高于前面的其他房间约1m，房间的开间小、进深浅，各家各户院落布局不一的居住环境也因此获得了充足的采光、通风和良好的视野[8]（图1）。

由于受到资源条件、财力物力的限制,整个爨底下村的传统山地合院民居充分利用现成的地形地貌，以坡代基，减少土方的开挖和回填，民居建筑全部就地取材。墙体以简省的“腹里填馅”“外熟里生”的方式砌筑，充分利用了山区当地的石板、卵石、黄土、草泥、原木等天然材料。根据围护结构不同部位不同的用材、厚度、砌筑方式及相应传热系数，整理出爨底下民居围护结构组成及热工性能分析（表1）。

2 对典型合院居住环境微气候的实测

为了详细探究爨底下山地合院的居住环境舒适度及其生态效率，本文选取村内的典型“一”字型院落大五间及四合院作为代表，在冬季最冷月对其主要房间及室外院落进行室内外温度、相对湿度、采光照度和风速等物理环境热舒适状况的连续测试。

测试对象为老财主居住的大五间上院和两个并排的标准四合院下院。大五间恰好位于以龙头山为中心的南北轴线的制高点上，海拔高度为650m，上下院约有6m的高差，是村落中居住环境视野最好的典型民居单元。单体建筑均为抬梁式构架体系，间宽2.4m，整个檐高约2.8m，廊前设台阶五级，檐口高度有3.7～3.9m，台阶下有2m左右的窄院。下院的正房为三开间，左右厢房均为两间，间宽、高度更次之，间宽2m，檐高2.4m；倒座的间宽、高度、进深均小于正房。

测试时间为冬季最冷月：2月10日—12日，天气晴朗，测量仪器为温湿度自记仪、照度仪和热线风速仪，测试方式采用温湿度记录仪进行昼夜连续自动记录，其他仪器均为白天人工记录测定，每个指标的测试时间间隔都为20min（表2）。实测及模拟的目的主要是分析在不使用主动式空调设备的情况下，对传统建筑室内环境是否满足人体热舒适要求的议题[9-11]做进一步的案例实证。

2.1 对大五间的测评

对财主院大五间的测试数据包括室内外温度、相对湿度、风速和采光照度。测试时间为冬季最冷月下午时段从13：00持续至19：00。测试点分别布置于屋檐门廊台阶处、正堂和东侧房中央（图2）。测试场地条件包括无任何附加采暖措施，大门保持打开状态，窗户为双层纸糊，保持关闭，围护结构包括砖石混合墙体、木架结构及隔断、泥瓦望板屋面。大五间已久不住人，无人为干扰因素影响。

（1）热湿环境

1.技术上的挑战。技术上的挑战主要分为两点，一是技术标准上的挑战，二是速度与性能上的挑战。技术标准上的挑战指的是区块链缺少统一的系统标准，要获得广泛的应用就需要有技术标准来确保产业之间有类似的技术应用，各类基于区块链技术搭建的平台之间的衔接需要基于一定的标准，实现互通性。速度与性能上的挑战表现为任何分布式数据库本质上都比中心化数据库慢，那么区块链怎样才能适用于高速、高容量的应用场景将是业内首要解决的问题。

温度测试显示（图3），大五间门廊台阶处的温度最高，最高温度10.7℃，最低温度3.2℃，接近于室外环境温度，下降速度也最快；门内厅堂中央的温度次之，最高达9.8℃，最低为3.5℃，而侧房的温度最低，最高温度8.7℃，最低为3.2℃。下午最暖阶段14：00—16：00间的室内外温度都为最高，厅堂室内温度比室外低1℃左右，侧房室外低4℃左右。总体而言，室内空间和室外环境的温度变化趋势吻合，特别是18：00太阳落山后，室内外温度都急剧下降并开始接近，室内的温度下降相对缓和，直至夜间室内温度比室外温度高。由此可知，爨底下合院民居使用当地天然材料的围护结构性能良好，基本符合居民冬季基本生存的御寒保暖需求。

表1 爨底下山地合院民居围护结构热工性能

表2 实测方式说明

图1 爨底下传统山地合院聚落居住环境微气候示意图

图2 对爨底下民居院落的测点布置及说明

由于大五间的室内隔断较少，整体空间比较通透，各部分室内相对湿度趋于一致，因此本文截取正堂的相对湿度数据代表整体室内空间的相对湿度表现。相对湿度测试显示（图4），下午时间段由于气温偏高，而相对湿度比夜间偏低，最低达到38%以下，但整体湿环境还是符合人体舒适度标准的相对湿度30%～70%范围[10-11]。

（2）风环境

风速测试显示（图5），大五间门廊台阶处的风速与室外风速相当，最高为2.8m/s；而大门内厅堂中央的风速更为柔和，最高只有约1.5m/s；两侧房间里的风速则基本上保持在0～0.05m/s之间的无风状态。说明冬季爨底下山地合院民居的避风环境非常良好，室外南面的院落为微风，厅堂柔风，符合0.1～0.7m/s的人体舒适风速指标。但侧房几乎无风，若室内隔断较多，则不利于通风。冬季主要是抵御西北方向的寒风，坐北朝南的朝向、室内北墙不开窗、室内隔断较少以及背靠龙头山的天然优势都是利于抵御冬季西北寒风的设计。

（3）光环境

光环境方面，大五间也遵从传统民居“一明两暗”的布局，中间三个开间连通成为大的厅堂，大门开敞，两边隔窗朝南向。东西两侧开间为卧房，房门朝厅堂开，只有南侧有窗，因此整体空间的采光分布不均匀，中间厅堂敞亮通透，两侧卧房内较为阴暗，进深越深，采光越弱。以采光条件最好的正堂区域为例，采光照度测试显示（图6），室外晴天阳光充足时，正堂内的光照环境良好，下午的大部分时间照度都在50lux以上，光凭天然采光即可满足生活中人的视野采光需求。

2.2 对典型四合院落的测评

为作进一步的对比，选取典型四合院进行室内外热环境48小时连续测试，但测试指标仅包括温度和相对湿度。测试点分别布置于北侧正房、西厢房、倒座和院落四个代表空间中央地上1.5m高处（图2）。与大五间不同的是，此院落是完整规矩的四合院格局，有人居住和日常打理，每个房间都配备暖管，通过自烧的煤炉锅统一采暖。测试期间北侧正房、西厢房的采暖设备保持打开，倒座房的采暖设备关闭。

从相对湿度测试结果对比显示（图8），测试点4院落中央的相对湿度变化幅度较大，显示了室外相对湿度的昼夜变化趋势。室外相对湿度有规律地上升回落，夜间到凌晨之间室外相对湿度最大，最高达52%，白天太阳出来温度上升后，室外相对湿度开始回落，到下午最暖时段降幅更大，傍晚17：00左右达到最低，不到20%，说明此时段温度偏冷，环境也比较干燥。室内相对湿度的变化则相对稳定，落差幅度较小。其中，测点1北侧正房的室内相对湿度保持在相对稳定的状态，昼夜期间大部分时段基本维持在40%～46%之间；测点2西厢房的室内相对湿度与正房相似，昼夜期间大部分时段基本维持在38%～48%之间，有微弱下降趋势，有可能是因为前几个小时的时段中屋内有人活动、用水等产生的影响。测点3倒座房的室内相对湿度比正房、西厢房稍低，但也保持在35%上下的相对稳定状态。

3 典型合院室内外居住环境微气候模拟

在上述实测结果基础上，进一步采用ECOTECT软件模拟民居院落在全年典型季节的日照阴影遮挡轨迹及采光通风情况，以进行结果验证和对比分析。

3.1 日照及阴影遮挡状况模拟

模拟结果显示（图9），夏至日午时太阳高度角的位置较高，大出檐的屋顶发挥了极大的遮阳防晒作用，保证了屋面窗台大部分都处于阴影遮挡范围。因此，夏季合院整体室内外环境的温度不至于过高，凉爽舒适。相比而言，冬至日午时太阳高度角的位置比较低，对合院民居的日晒则是斜射的轨迹。依据地势高差的原因，北侧大五间的前面无任何建筑物遮挡，因此得到了最大幅度的太阳直接辐射，整个居室内的辐射得热效果、采光效果极佳，因此相对比较温暖敞亮。四合院落中，北侧正房的日照状况较佳，东西厢房只获得局部时段的日照辐射，庭院由于有南侧倒座的遮挡，也只获得局部日照，倒座由于其自身位置、门窗的设计等原因获得的日照最弱，因此辐射得热和采光环境都不理想。

3.2 采光及光环境模拟

北京地处第三光气候分区，室外临界照度值为：6500lx，采用CIE全阴天模式。整个院落冬至日的室内外采光梯度模拟结果显示，大五间正房的天然采光环境最为优良。最大原因是因为大五间有5.9m的地势高差，地基比前面建筑还高，因此前面向阳处无任何遮挡。而南面向阳墙面上开启较大的窗口，“窗墙比”较大，因而窗口下区域的采光系数最高，为15%左右，光线向室内延伸，厅堂室内能够获得足够的自然采光，侧房内离窗口最远的室内角落也能获得一定程度的自然采光。

3.3 通风及风环境模拟

北京地区冬季主要风向为西北风，夏季主要风向为东南向[12-13]，该村落处于京西山谷地带风，还有山谷风的混合作用。通过总结分析1960—1990年间的北京地区气象数据，得出平均风速约为 3.4 m/s。采用ECOTECT第三方Winair插件对爨底下典型山地合院的风环境进行模拟分析，在模拟过程中选取冬至日西北风工况。模拟结果显示（图10），夏至日假定室外22℃、室内20℃，东南风4m/s的工况下，大五间的风环境处于舒适区域，室内风速处在2.4m/s的微风舒适区，前面四合院的庭院和东南侧的门洞则处于风场较大区域，达到3.3m/s以上，东西厢房和倒座基本处于静风状态。冬至日假定室外6℃、室内8℃、西北风4m/s的工况下，大五间的风场较弱，保持在0.8m/s的弱风以下，前面四合院的庭院和门洞的风场相对较高，最高达到3m/s。但是由于有背靠龙头山的天然屏障，即便西北风再大，整体的院落室内外所受风力风速都不会太大，仅有院落外东西向的巷道为受风主要区域。

4 基于数据比较的生态效应评价

从温度横向比较上看，大五间和四合院正房、厢房、倒座各个不同位置房间的热工性能呈现出差异化的表征，原因是多方面的：采暖的有无是直接原因，房间位置和朝向也对热工环境产生影响，门窗开启的位置和大小直接影响到太阳辐射得热量的大小，频繁的开关门也会造成室内热量的流失而影响室内热环境。

从相对湿度横向比较上看，在下午最暖时段室外温度达到最高、室外相对湿度降到最低时，倒座房的室内相对湿度也跟着略有降低，说明倒座房的室内环境气密性不够理想。而正房与西厢房由于有持续采暖，室内温度较高，但是室内相对湿度也保持在较高的稳定状态，最大原因可能是这两间房间的围护结构气密性比较好。值得肯定的是，在冬季偏干冷的季节里，即便室外相对湿度变化幅度较大，四合院内所有房间的室内相对湿度指标都保持在30%～70%的人体舒适度标准范围内，不至于太干，也不至于太湿。排除了人为因素的干扰，获得这样的舒适效果原因可能跟周围的山林局部气候及建筑本身围护结构的密闭性有关。

从采光和通风横向比较上看，爨底下山地合院民居巧妙利用山坡地形的地势高差提升正房地基，又抬高正房室内净高，有些建筑还特意抬高前檐口高度，使整体室内空间和室外庭院都获得良好的采光和通风条件。同时室内布局通透敞亮，进深小，利于通风换气[14]，也利于天然采光。

对测试模拟结果的综合比较可知,爨底下山地聚落通过聚落周围的山水格局环境、聚落本身的空间结构、街巷及民居环境的形态组合、合院民居个体单元形态构成的生态自适应系统，来调整传统民居的室内外温湿度、太阳辐射、照度、风速、风向变化等，从而对传统居住环境舒适性产生极大的促进作用。

图3 大五间的温度测试结果

图4 大五间正堂的室内相对湿度测试结果

图6 大五间正堂的采光照度测试结果

结语

图7 典型四合院的温度测试结果

图8 典型四合院的相对湿度测试结果

图9 冬至日上下两院日照及阴影变化轨迹

图10 冬至日上下两院室内外通风环境模拟

综上，北京爨底下传统民居的微气候环境营造体系是一个完整的生态适应系统，在结合地理环境、适应气候条件、民居灵活组合布局、地方材料使用、结构及性能保障等营建技艺方面都体现了良好的生态哲学。聚落的地理环境极富特色，充分利用了地势高差变化，不仅提高了院落建筑的布局密度,有效地节约建房土地，也为各家各户的院落居住环境提供了充足的采光通风条件、良好的视野以及更多的冬季太阳辐射得热。当然，客观而言，和我国其他地区优秀的传统民居一样[15-17]，这些营建技艺所创造的建筑物理环境即便无法达到现代住宅的舒适标准，却是建立在当时当地资源环境和技术条件都非常有限的客观基础上，依据生态被动原则形成的适应性策略，因此生态代价极低，生态适应效率极高，能巧妙地满足人们的基本生存生活需要，因而对当今建筑的生态环境营造仍然具有非常好的参考作用。

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文中所有图表均为作者提供。