热湿气候盆地区域民居不同尺度中庭夏季热环境实测与分析

2021-08-20蒙泳君赵雪秀邱均沐黄南雄

科学技术与工程 2021年21期

蒙泳君，何江，赵雪秀，邱均沐，黄南雄

(广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004)

随着经济的发展和生活水平的提高，以及国家对乡村居民生活品质的关注，居住环境是否舒适温馨将会是今后需要关注的焦点，因此近年对如何满足居民对室内热环境需求的研究也越来越多[1-2]。在民居住宅设计中，中庭是其常用的空间设计手法。中庭空间营造了与室外环境既隔离又融合的环境氛围，其不仅可承载较多建筑内部的公共活动，而且可调节建筑室内的微热环境[3]，甚至还有疗养作用[4]。在不同的气候区，会形成适应于该气候的中庭尺度。在夏季炎热的南方，为了避免过量的太阳辐射进入室内，通常采用的中庭宽高比[进深尺度(D)与高度(H)的比例]小于1∶1的天井式空间手法；在寒冷的北方，为了使室内可接收更多的温暖阳光，通常采用的中庭宽高比大于1∶1的院落式空间手法。因而，中外学者对其空间尺度及其热环境的研究一直是研究的热点。段忠诚等[3]基于适应性模型理论分析了天井式中庭对徽州民居夏季室内环境的影响。Martinelli等[5]在意大利气候条件下，分析了不同中庭空间尺度及其高宽比在冬季和夏季分别对其热环境的影响状况，并得出适宜该气候条件下的中庭尺度。Nasrollahi等[6]采用实测与数值模拟的手段分析在干热气候区，不同围合方式和不同尺度下的中庭空间对其微热环境效果的影响。Soflaei等[7]分析了伊朗传统建筑的中庭空间的尺寸比例对其微热环境的影响，并推荐适宜在伊朗气候地区发展的中庭空间尺度模型。Ghaffarianhoseini等[8]采用数值模拟分析方法，分析在马来西亚湿热气候条件下，中庭在不同形式下的热环境分布特征。Almhafdy等[9]采用计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)软件模拟分析了马来西亚的湿热气候条件，在中庭空间不同的高宽比和是否遮阳的情况下热环境的分布特征，获知能更好适应马来西亚湿热气候条件下的中庭尺度模型。Kubota等[10]采用实测的方法来分析在马来西亚湿热气候下，传统中式商铺中不同尺度中庭空间的热环境分布特征。

从以上已有研究成果可知，中庭的尺度会影响其微热环境的调节效果，因而在某一特定气候条件下应有适应于该气候条件的中庭尺度模型。由于现今很少有相关研究关注在炎热高湿少风的内陆盆地热湿气候条件下，探讨适应于该地域气候的中庭空间尺度模型，以使中庭能达到良好的微环境调节作用。因此，现先对处于热湿气候盆地区域的广西东南部民居进行中庭空间的尺度测绘分析，然后选取典型尺度的中庭进行热环境实测研究，以获知不同尺度中庭的热环境分布特征，进而探讨能适应于该气候条件的中庭空间形式及其高宽尺度，从而为该地区的建筑中庭尺度设计提供参考，并为该地区中庭空间热舒适的改善提供数据支持。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

研究区域为广西东南部的玉林市兴业县榜山村，其位于夏季高温湿热的内陆盆地地带。以候(5 d为一候)的平均气温稳定在22 ℃以上时为夏季的气候划分方式来分析，该地区的夏季长达半年(图1)，气候特征为炎热、高湿、少风，属于夏热冬暖气候。榜山村所处的地形为西北高东南低，村落中的民居是顺着山岭的坡度而建，为坐西北朝东南向。为缓解夏季室外的炎热高湿少风气候，该村落民居多采用四面房间围合的中庭形式，有多种不同宽高尺度的中庭空间，为选取不同尺度的中庭空间作为研究对象提供了样本。

图1 玉林市典型年主要气象参数及舒适区分析

1.2 研究方法

根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》(GB/T 50785—2012)中的规定，可以选取夏季中的典型晴天日进行民用建筑室内热湿环境的测量[11]。因而，选取了2019年夏季典型晴天日9月22日和9月23日进行实测。

由于在夏季最影响居民活动的是白天时段，特别是10:00—17:00，在这时段居民通常在庭院、厅堂等公共区域活动。因而，研究及评价该时段中庭区域的热环境及热舒适状况会更有意义。

实测的参数有空气温度、空气湿度、风速，各参数使用的测试仪器的性能如表1所示。按照《建筑热环境测试方法标准》(JGJ/T 347—2014)中的规定[12]，空气温湿度、风速的测试点高度为距离地面1.1 m。空气温湿度参数采用每5 min自动记录一次数据，风速采用每小时手动记录一次，一次连续读取6个风速数据。各仪器在测试前进行了校核，保证了测试数据的准确性。

表1 实测仪器

为掌握不同尺度中庭之间的热环境差异情况，对实测的空气温度数据采用四分位差方法进行分析。首先对气温数据按从小到大的顺序排列后，然后分成四等分，分别为下四分位数(Q1)，中位数(Q2)，上四分位数(Q3)，最后运用箱型图来分析识别与剔除异常值，从而降低异常值对不同宽高比中庭之间存在的热环境差异的干扰，可直观呈现出不同尺度中庭之间的热环境差异[13]。

在评价不同尺度中庭的热舒适状况时，将各中庭的空气温湿度参数导入Ecotect软件中，来分析适宜该区域的适应性模型尺度，同时讨论热舒适改善时应采用的策略。

2 中庭尺度分析及实测对象

2.1 中庭尺度分析

为了获知在热湿气候内陆盆地区域常采用的中庭尺度，测绘了榜山村20栋民居，并对测绘民居中的26个中庭进行空间尺度的分析(表2)。研究结果发现：由于中庭的开间面阔(L)基本相近于厅堂的面阔，通常各民居之间的厅堂面阔较为相近，因而中庭的开间面阔(L)尺寸较为相近，大多数在4.5～5.0 m，变化范围较小。但是，中庭高度(H)和进深宽度(D)的尺度则会有较大差异(图2)。H最低为2.5 m，最高为5.4 m，其中多数的中庭高度处于3.2～4.2 m。H<4 m的有13个，H>4 m的有13个，说明该地区民居的围合中庭的南侧建筑多为一层或两层。D多数在2.1～3.7 m，D<3 m的有15个，可知该地区的中庭多数采用进深宽度较小的方式。

表2 榜山村民居中庭空间的尺度分析

从图2(b)可知，中庭宽高比(D∶H)多数在1∶2～1∶1，这样的中庭空间有19处，约占73%。D∶H相近于1∶2比例的中庭空间有13处。D∶H≥1∶1的中庭空间有9处，最大D∶H为2∶1。这反映了在夏长冬短、且夏季炎热高湿的气候条件下，该地区的民居中庭大多数采用的是“天井式”的设计手法。

图2 榜山村民居的中庭空间尺度及其占比分析

2.2 实测对象概况

从2.1节的中庭尺度分析可知，D∶H基本在1∶2～2∶1。由于榜山村传统民居建筑都采用青砖灰瓦材料，中庭地面用青砖铺垫，因而在L尺度较为相近的情况下，影响中庭热环境的主要因素为其宽高尺度。为此，在D∶H为1∶2～2∶1，分别选取不同尺度的中庭空间为实测对象。

选取实测对象的原则分两个方向：一是选取D∶H尺度相对相差较大的，获知在不同高宽比尺度下，中庭空间的热环境分布情况。由此，在9月22日，选取了D∶H为1∶2、1∶1.4、1.3∶1、2∶1的中庭为实测对象进行对比分析，结果如表3所示；二是选取高宽比相对相近、但高宽尺度有些差距的中庭空间进行实测，获知在相近D∶H下，不同尺度的中庭空间的热环境分布情况。由此，在9月23日，选取了D∶H为1∶2、1∶1.1、1∶1、1.3∶1、1.5∶1的中庭为实测对象，结果如表3所示。实测对象的各测点均分布于中庭空间的中心，并在2 d里分别分为A、B、C、D 4组同时进行。与此同时，在该村村口空旷、无遮阳处，设置室外气象参考点，以获知无中庭影响下室外气象状况。

表3 实测的中庭及测点分布

3 实测结果与分析

3.1 室外气象参数

9月22日—23日的室外气象监测如图3所示。从图3可知，在10:00—17:00，榜山村的室外气温几乎在30 ℃以上，最高气温可至36 ℃以上，平均气温为33 ℃左右，较为炎热；空气相对湿度范围在55%～75%，属于高湿状况；村落室外风速为小于1.5 m/s的弱风状态。由此可知，处于内陆盆地的热湿气候地区，夏季的白天较为炎热，且少风闷热。同时，这两天的室外气象也较为相近，为对比这两天实测对象的热环境状况提供了一定的可比性。

图3 实测日的室外气象状况

3.2 不同尺度中庭的热环境实测结果分析

不同尺度中庭的空气温湿度实测如图4所示。从图4可知，在11：00—16:00时段，中庭有着较为明显的调节作用。在中午时刻，宽高比越大的中庭空间，其气温与室外无遮阳环境参考点的气温越相近，特别是院落式中庭(D11、D12、D21、D22)；在12:00—14:00的中午时段，中庭的气温与无遮阳参考室外气温已较为相近，可高至35 ℃。而宽高比为1∶2的天井式中庭(A11、B11、A21)，可在白天各时段均维持较为稳定的热环境，气温可维持在30 ℃左右，最多可比室外气温低6 ℃左右。

图4 实测中庭的空气温湿度逐时变化

通过采用四分位差方法进行分析后的结果如图5所示，在9月22日的实测中可知，如图5(a)所示，在高宽比尺度相对相差较大的情况下(如A11、C11、D12、D11测点的中庭空间)，宽高比越大的中庭，气温的Q1值和Q3值则会越高。其中，宽高比为1∶2的天井式中庭的气温(A11和B11)会较宽高比为2∶1的院落式中庭(D11)低了2.7 ℃以上，比室外气温低4～6 ℃。

在9月23日的实测中，如图5(b)所示，在宽高比相近的情况下(如B21、B22、C21、D22测点的中庭空间)，宽度越大，中庭的气温会越高。结合图4(a)和图4(b)两天的实测结果可知，中庭的宽高比小于1∶1，均对室外炎热的气候环境有着较为明显的调节效果。当中庭的宽高比小于1∶1，且其宽度小于 3 m，则气温的Q1值会低于30 ℃(如A11、B11、C11、A21)，会有更显著的调节效果；当中庭的宽高比小于1∶1，而宽度大于3 m，则气温的Q1值会高于 30 ℃，则调节效果相对不佳。

图5 不同尺度中庭的气温分布分析

综上可知，在热湿气候盆地区域，当中庭的D∶H=1∶1且其D<3 m时，对夏季室外炎热的气候有较为明显的调节效果。其中，D∶H=1∶2的天井式中庭，则会营造出更加稳定且相对舒适的热环境，其气温比室外气温低4～6 ℃，是较为适应于该气候区的民居中庭尺度模型。

4 不同尺度中庭的气候适应性分析

由于研究对象位于夏季较长且炎热、高湿、少风的热湿气候盆地区域，该区域属于夏热冬暖气候区，且实测的民居为自然通风建筑，使用人群对室内高湿热环境具有较强的热适应性，参照《民用建筑室内热湿环境评价标准》(GB/T 50785—2012)中对非人工冷热源建筑的评价，需采用适应性热舒适理论来讨论实测中庭空间的热舒适状况[11]。

可以基于适应性热舒适模型(adaptive model, AM)用Ecotect软件来创建热舒适范围，以分析出不同尺度中庭的热适应状况。在夏热冬暖地区，可采用公式Tn=10.578+0.554To,m来创建热舒适区的界限，其中Tn为中性温度，To,m为该月室外平均温度[14]。将实测期间记录的不同尺度中庭的空气温湿度数据导入Ecotect软件中，可生成具有逐点分布数据的焓湿图(图6)。从图6可知，在炎热高湿少风的室外气象条件下，会造成各实测中庭空间都处于高温、高湿的环境，热舒适感觉均不宜接受。由于室外风环境为小于1.5 m/s的弱风状态，围合式的中庭空间则更难以有舒适的气流。那么，在该地区的中庭热环境设计中，还需考虑一定的热舒适性改善措施，才能更好地满足现代人的舒适性需求。如：可采用吊扇或壁扇增大气流，通过增大气流为 2 m/s 即可使宽高比为1∶2的天井式中庭内人体的热舒适感觉为舒适。由此，通过一定的热舒适改善措施，宽高比为1∶2的天井式中庭还是比宽高比大于1∶1的院落式中庭更适宜热湿气候区。