湘南传统民居绿色营建效果探析

2021-10-21屈燕玲

湖南科技学院学报 2021年3期

申雯曾滢屈燕玲孙明

湘南传统民居绿色营建效果探析

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（1.湖南科技学院湘南传统建筑与乡村建设研究所；2.湖南科技学院土木与环境工程学院，湖南永州 425199）

传统民居凝结了工匠们的集体经验与智慧，其中蕴涵的绿色营建思想是珍贵的物质文化遗产，可以为现代绿色建筑提供参考。文章以湘南天井式传统住宅为研究对象，利用能耗模拟软件DSET对建筑室温与光照进行模拟。结果表明天井式传统住宅冬暖夏凉的主要原因是大部分区域日照非常少，从天井进入的阳光不仅满足室内居住需求，同时也为天井的通风换气提供了一定的强化作用，共同为住宅营造良好适宜的居住环境，实现建筑的绿色运行。

传统民居绿色营建

传统民居是我国传统文化中非常重要的一部分，作为一代一代传承下来的百姓居所，它不仅仅是指建筑实体，同时还涵盖传承下来的当地风俗习惯、思想文化、行为方式和制度等。

据统计，20世纪80年代以来，我国有较高保护价值的村落不足5000个，而到了2010年，较为珍稀的传统村落已不到3000个[1]。有研究结果表明，中国的自然村每年都在递减，递减率为7.3%，差不多每天消亡1.6个[2]。

传统民居一方面承载着中华各族儿女的乡愁，是历史的见证者，另一方面在大力倡导生态文明建设的今天，它蕴含的丰富绿色营建智慧在当今仍有着极大的借鉴价值，值得保护与传承。

1 传统民居绿色营建思路

虽然现代的绿色建筑技术科技含量高，变化日新月异，在资源极端短缺环境污染严重的今天，传统民居中蕴涵的低成本、低污染的绿色营建思路仍旧值得学习借鉴并进一步发展与创新，湘南内天井传统住宅就是其中的典型案例。

天井是指庭院中房与房或房与围墙之间所围成的空地，一般都会位于建筑的中心位置。天井式传统住宅通常不对外开窗，所以其最重要的核心就是天井，住宅内部空间基本围绕天井而布置形成，天井四面屋顶向内朝下倾斜，蕴含四水归堂之意。天井下方设立排水口或直接引水流入地下，实现住宅最重要的排水功能；天井一般尺寸较小，这样可以有效遮挡侧面来风，减少阳光直射；住宅内部房间通过天井实现通风与采光，实现与自然融合交流。天井的设立属于对自然生态环境的被动式利用，为住宅营造出良好适宜的居住环境，达到冬暖夏凉的功效，最终形成自然内向型居住空间。

2 湘南传统民居绿色营建效果分析

2.1 室温仿真模拟

以湖南省永州市祁阳县蔗塘村一座清代宅院为例，住宅坐北朝南，一层木结构，层高为4.25m，建筑面积为534.58㎡，天井分四个，分别宽6.86m、2.1m、2.1m、10.56 m，屋顶为0.8 m坡屋顶。使用DEST软件建立该住宅的模型简图，如图1所示。

图1 传统民居模型简图

本模型为传统砖木建筑，参数根据对湖南祁阳天井式传统建筑的走访调查，选取合适的材料及尺寸做法等进行设置，如表1所示。

表1 建筑构造参数

其他参数设置参照《农村居住建筑节能设计标准》GBT 50824-2013、《建筑采光设计标准》GB50033，并结合实际情况进行一定修改。模拟房间分为房间和堂屋：房间，无空调，家具系数为30，设定最低照度为20 lx，房间热扰如表2所示。堂屋，无空调，家具系数为15，设定最低照度为100 lx，房间热扰如表3所示。湖南祁阳位于夏热冬冷地区，在通风方面房间与堂屋统一：夏季房间计算换气次数为5 h-1，冬季房间计算换气次数为（0.5～2）h-1。

表2 主卧热扰参数

表3 堂屋热扰参数

有天井与无天井两种模型进行对比，进一步证明天井存在对传统建筑的影响。本模型通风均来自天井，因此无天井模型没有标记通风，有天井模型只进风的原因是Dest软件已自动对由房间到外界的通风进行处理。

在模型与参数处理完之后，进行建筑室温计算时，为提高计算数据的准确度，营造模拟天井效果，在计算时选择考虑阳光遮挡。图2为Dest计算得出祁阳县平均年干球温度变化情况。

图2 平均年干球温度

从图2可知本地最热月为七月，最高气温达到38.1 ℃；本地最冷月为1月，最低气温达到−2.3 ℃。计算建筑室温后，将房间外温度、有天井与无天井的1月及7月平均温度比较，如图3所示，红色有天井的温度大部分都处于外温与无天井温度的中间，有天井与无天井的变化规律基本一致与室外气温一致，但存在一定的延缓。室外气温1月最高气温为17.7 ℃，最低气温为−2.3 ℃，7月最高温度为38.1 ℃，最低温度为20.8 ℃；无天井房间1月最高温度为14.56 ℃，最低温度为6.66 ℃，7月最高温度为35.32 ℃，最低温度为25.28 ℃；有天井房间1月最高温度为13.56 ℃，最低温度为3.29 ℃，7月最高温度为35.03 ℃，最低温度为23.39 ℃。

分别取房间温度1月气温最低日，7月气温最高日进行统计有：

如图4所示在1月最冷日，有天井全天温度要比无天井全天温度普遍低2 ℃，温度变化趋势基本相同，随着外界气温降低而缓慢降低，外界气温升高时变化不大；在7月最热日，有天井比无天井室内温度随着室外气温变化稍微敏感些，有天井室温随室外气温有一定变化，但幅度不大，无天井基本不变。

通过年温度数值直观的比较室外温度与天井式传统住宅的差异：寒冷季节室外温度全年有3820h低于16 ℃，房间温度全年低于16 ℃小时数远少于3000h；炎热季节室外温度全年有998 h高于29 ℃，其中高于35 ℃有76 h，房间温度全年高于29 ℃远超过1500 h，但高于35 ℃的小时数不到外温的七分之一；在全年较为舒适的温度段16 ℃～29 ℃，房间温度小时数要远高于外温。造成房间与堂屋全年温度小时数差异的原因是：房屋朝向为坐北朝南，这就导致房间位于天井的正面，堂屋位于天井的背面。

冬季的1月最冷日，白天的阳光照射天井使得在室内形成通风，因此会比无天井温度要更低。但在冬季一般都会进行取暖如烧煤、烧柴等，那么良好的室内通风相比较蓄热而言来得更重要且更舒适。夏季在经历了白天的阳光照射或一整夜无阳光地表加热后，就在天井空间产生了热压作用，其基本原理与烟囱排烟相同，所以也被称为“烟囱效应”。当室内的温度要高于室外温度，便有温度差形成浮生力使得内部空间的空气上升排出，空气上升速度的大小与室内外温度差的大小成正比。

2.2 光照仿真模拟

运用采光系数法计算室内照度，通过计算由每个窗户产生的室内照度，分别计算每个窗户的太阳直射光和天空散射光，再进行叠加，从而形成室内光影与环境光，如图5所示。

图5 采光阴影计算效果

通过计算各个房间全年逐时的采光系数，可得发现窗户正面对天井的房间自然采光有4143 h，比堂屋要高1259 h，相当高的采光率。房间采光的存在使得其全年照明能耗减少了34.31 kWh，相当于有710.39 h也就是30天不需要消耗照明能耗。

3 天井住宅绿色营建原理分析

天井是湘南传统民居内部阳光直射最多的区域，这样白天阳光直射到天井底部，相比较住宅其他房间而言，天井空间温度大幅上升，在整个住宅内部就形成了温差。

天井的空气受到太阳光加热，会变得比较轻容易向高处漂浮，就上升到周围的冷空气之上；冷空气比较重，其他房间的冷空气会向热空气空间流动，于是就形成了空气的流动现象，也就在住宅内房间与天井之间产生了风。冷空气流动到天井底部后，经过阳光的加热会慢慢升温，变轻然后形成密度差从而上升，这样室内的空气得到了循环流动，在空气流动时会与人的皮肤接触，会为室内居住人员带来凉爽的感觉。另一方面，天井底部土壤在白天吸收并储存太阳辐射热，夜晚地表的温度会比空气高，通过地表释放热量与空气对流换热，使贴近地表的空气加热使其变轻，与天井上部的空气形成密度差，实现天井夜间通风。

夏季室内高温是由于太阳的照射，太阳直接照射进室内或照射在住宅墙与屋顶，使得室内室温快速升高，其中直接照射进室内是室温升高最主要原因，而天井的存在就是起到遮阳的作用，减少太阳光对于室内的直射，从而起到降低室温的效果。在冬季低温时，天井的存在起到了纳阳的作用，使阳光照射进室内，增加屋内与地表辐射热量，起到提高室温的效果。

尽管房间窗户面对天井直射光会比较多，但是经过天井的遮挡后的直射光不会太深入室内，反而让居住者感觉到舒适。太阳高度角随着时间进行变化，进入到天井的太阳光也会随之不同，太阳光通过天井然后直射或反射进入室内，在太阳辐射的照射下，地底的水会吸收太阳辐射和地热被蒸发出来，蒸发时将热量吸收通过天井向室外排出，起到一定的降温除湿作用。