健康理念下豫西南传统民居室内自然通风研究

刘素芳， 康程玉， 王 川

(南阳理工学院建筑学院 河南 南阳 473004)

0 引言

本文所研究的传统民居是指在豫西南特殊地理气候及文化背景下，利用当地传统建造手法、采用当地材料，体现当地地方特色的农村建筑，主要研究南阳农村的L型民居及合院型民居。豫西南地区属于亚热带向温带过渡区，具有广泛推广自然通风的客观条件，通过自然通风保证室内空气品质和热舒适度[1-4]，在人体健康和能源问题上有很大应用潜力。

1 前期调研走访

1.1 调研概况

通过调研走访发现，大部分豫西南传统民居结构有待加固，室内热舒适度有待提高，室内自然通风条件差。常住人群经济条件相对落后，人们的身体素质也相对较差，比居住在现代住房中的人更容易患病，由于一直缺少一套完整的民居优化改造方案，导致豫西南地区的传统民居只能通过“保存现状”的方式来留住传统，并没有给予传统民居以新的活力。例如调研发现该地民居厨房窗口小而密封，导致做饭产生的油烟很难通过窗口及时排出，而且常有老人在传统民居中养病，这就使我们不得不更加关注民居的健康问题[5]。

1.2 调研统计

通过问卷调查发现传统民居中有54%的人对室内空气满意度不高，主要突出问题有：63.64%的人感觉夏季室内闷热，72%的房屋内存在发霉现象，45.45%的厨房无任何排烟措施，91%的人都愿意改变现有的居住环境(如图1)。

1.3 结论

无论是走访实地考察还是听居民们的评价，我们都能得出室内空气质量不佳的结果，因此对豫西南传统民居室内空气质量的研究和优化很有必要。

2 民居室内空气污染对人体健康的影响

2.1 相关理论研究

不良的通风环境造成的室内空气污染是疾病产生的重要威胁。值得注意的是，室内空气污染物带来的危害比长期抽烟带来的危害还要大。国内外多位学者通过研究得出,与室外空气质量相比,室内空气质量对身体健康作用更大。我国发布的《健康建筑评价标准》亮点条文中，对厨房污染做了严格控制，对甲醛、苯系物、PM2.5、PM10等室内空气污染物浓度限值也做了严格要求[1]。

在呼吸道疾病方面,有数据表明,大气中悬浮颗粒物浓度每增高100 μg/m3,老年人以及患有呼吸道疾病的人肺气肿死亡率增加32%,支气管炎、哮喘死亡率增加12%。相关专家表明,油烟不仅可引起鼻炎、咽喉炎、气管炎等呼吸系统疾病,还会导致哮喘恶化,损伤细胞染色体，使人体患肺部疾病甚至肺癌[3]。

在人体心理健康方面，在封闭的室内空间，随着人体的新陈代谢，二氧化碳浓度增大，人们会感觉不舒适。在我们生活中，若房间内有特殊气味，我们一样感觉不舒适，想出去透透气。只有愉快的心理有助于体内组织和器官的正常发挥。

在其他疾病方面,比如引发肥胖症,这也是为什么大多数厨师比较肥的原因之一；引发更年期综合征，具体表现为心烦气躁、易怒、健忘、失眠等。室内装修产生的以甲醛为主的污染气对黏膜系统危害大，还会导致眼干眼涩，对消化系统也有刺激作用，可导致腹泻，对循环系统，神经系统都有不同程度的危害，这也是为什么新装修好的房间半年内不建议住人。

2.2 相关实验结果

英国谢菲尔德大学的研究者用4周测试多个厨房的室内环境和室外环境。并在《室内和建筑环境杂志》上展示了检测结果：做饭时若使用煤气,厨房内的二氧化氮含量是室外的3倍,远高于室内空气质量的推荐值,粉尘(能够吸入肺部的固体微粒)浓度也高于室外空气质量水平。使用煤气、液化气等能源,会释放出一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等有害气体，这仅是室内污染源之一。但所有的污染物都能通过良好的自然通风排出室外,现在我们已经了解到室内空气质量对人体健康的重要性,那我们最需要做的就是解决问题。

3 自然通风对民居室内空气环境的作用

3.1 自然通风定义及手段

自然通风是不需要机械作用，利用自然风压、空气温差等对室内进行通风输气，风压和热压是满足自然通风的两种动力条件。

3.1.1 热压通风

热压通风的效果称为堆叠效应(Stack Effect)，它是由于空气间浮力(buoyancy force)不同导致的。而浮力与空间之间的温度差、湿度差相关，当室内外平均气温不一致时，空气密度以及室内室外的垂直压力梯度都会有所差异。室内外温度差与气流通道高度(开口间的垂直距离)的乘积决定了热压通风，因此对于居住建筑开口进间的垂直距离一般不大，所以要形成热压通风需要足够的室内外温差才能出现[6]。

豫西南合院型民居布局以庭院为中心，四周或三面布置房间，形成一个相对封闭的空间，庭院是露天的狭长空间，天井是一面开口且露天的半封闭的小空间，而厅堂与东西厢房为封闭的内向空间。在炎热夏季，太阳辐射作用加热庭院地面，地面吸收太阳辐射的能量过后以长波辐射的形式加热近地面的空气，此时，庭院热空气体积膨胀，容量减小，发生蒸腾作用而上升，上升到一定高度时，没有了建筑与树木的遮挡，在外界风压的作用下被带走。此时由于庭院下部气压降低，室内气压较高，室内废气形成的气流由下部如(门槛缝隙)流向庭院，由此来补充庭院下部减少的气压。同时，由于庭院上空温度较低，空气容量大，室外上空的新鲜空气从檐口和上侧窗口流入，突出的檐口也有导风作用。通过热压通风和这种循环方式，最终达到了优化空气质量的效果，同时改变室内湿热环境，有利于人体的热舒适[7]。

3.1.2 风压通风

利用建筑物阻挡风向，使四周空气受阻,动压下降,静压升高.侧面和背面产生局部涡流，静压下降，和远处受干扰的气流相比,这种静压的升高和降低统称为风压。

汤国华在对岭南地区湿热气候与传统建筑的研究中，总结出：对于风压通风进出风口的内院或内天井的进深大于等于前座建筑的后檐高，就可以获得足够的通风量。在豫西南建筑中就很好地利用了这一点。该地常年主导风为东北风，庭院狭长，只依靠进深不能满足风量要求，于是建筑在主导风向上做了高差处理，即后进的前檐比前进的后檐高，起到了很好的纳风作用，但另一方面，如果建筑后墙不开窗，由风压作用引起的气流不能在背风面排出，动压就会转化为静压，室外风速如果不够大，就会造成室内污染物循环逗留，不利于人体健康。

理论上，豫西南传统民居对外封闭,有一到多个狭小天井,因为天井狭小，在遮挡夏季太阳辐射的同时，还能达到降温和除湿的作用，由于天井内获得的太阳辐射量较少，温度比房屋上空低得多，这便形成了我们所说的热压通风。如果当天室外风速大,天井内就会产生抽风效果,促进室内排气，这就是我们所说的风压通风。

合院的建造因地制宜,有时巧妙地利用地形高差提升正房(一般来说是最北的房间)地基高度,同时又抬高正房室内的净高,不仅体现了家中主人的领导地位,也对室内的通风换气有积极作用。抬高的正房和两侧厢房由于相邻建筑存在高度差,存在空间尺度的变化,造成空气密度不均匀,也会引起风压作用[8]。

3.1.3 热压通风与风压通风的区别与联系

实际上，传统民居乃至现代住宅中，自然通风都是由风压和热压共同作用形成的，有时相互促进，有时相互抑制。热压通风形成的气流在进风口风速低，因此在房间内循环小；而风压通风气流靠惯性流动，可穿过整个房间，因此，可以特别设计一下进风口，让气流在室内形成紊流，将更有利于室内的自然通风。

3.2 自然通风对民居室内空气环境的影响

应对室内空气污染的最节能且简单有效的方法就是合理设置自然通风，它还具有清洁、环保、可持续发展等优点。

在室内热湿环境方面，许多研究成果表明，室内湿度的升高，尤其是空调的排湿，加重了室内空气的生物性污染，潮湿的环境为各类细菌的生存提供了条件，因此，从热湿环境上看，自然通风创造的环境优于空调环境。另外有关数据表示，室内湿度应控制在50%到60%，这是对人体健康最有益的。一方面室内湿度过高，会容易滋生细菌，同时空气潮湿,机体水分蒸发将减少,汗液的分泌受到抑制;另一方面，室内湿度过低,容易导致呼吸道黏膜干燥,咽喉干涩疼痛，而良好的通风可以调控室内的湿度。对于木结构的传统建筑，如果采光通风差，导致木结构受潮长期不干，就会滋生白蚁或霉烂，墙体抹灰受潮后若长期不干，会滋生霉菌，这种潮湿环境增加了居民患风湿病与感冒的风险。

自然通风方式不仅适用于传统民居，对于现代建筑也能提供帮助。通过这种方式能排出室内生产生活所产生的污浊空气，冲淡人体和食物的气味，同时提供人们生产生活所需的新鲜空气，稀释室内二氧化碳的含量，为室内提供充足的氧气，使空气质量达到人体可接受的程度。有研究表明，机体对二氧化碳稀释需求的重要程度远大于对氧气吸收的程度，而对二氧化碳稀释的要求程度又小于冲淡气味的要求[9]。

4 豫西南传统民居自然通风概况

豫西南指南阳地区，是以中原文化为主的南北融合文化，有画像砖上的楚汉文化，有以府衙为代表的明清文化，有以解放路为代表的民国时期文化。传统民居在屋顶上采用单坡或双坡干搓瓦屋面，这种屋面形式属于较低级的民间做法，只有底瓦垄，没有盖瓦垄，在底瓦瓦垄接缝处用马刀灰塑起4～5 cm左右的灰梗以防漏雨，为硬山式建筑，屋面坡度小于45°,导致迎风面与背风面均为负压区。民居材料上不同于现代的钢筋混凝土结构，而是砖砌抹灰或木泥材质。传统院落平面布局上大致可分为L型、三合院、四合院。单体房屋平面呈长方形，开间为单数，明间木板门，两稍间开方窗[6]。

4.1 传统民居类型

4.1.1 L型

L型院落(如图2)开间大致为进深的二倍，围墙为砖混结构，常常两家用一个院墙分割，高度大约2.5 m，院落入口常布置在东南角，进门有影壁，客厅在后座，厨房靠近大门口，卧室紧挨客厅布置，常有廊下空间，主要功能房间成90°夹角，L型布局将院落分为两部分，分别是建筑部分和植被种植部分，植被种植区域占院落总体的30%，会有一到两棵树和大片的蔬菜种植，有的把菜园种植部分建成雨篷，存放车辆。

图2 L型民居

4.1.2 合院型

豫西南地区受湖北和中原文化的影响，传统民居建筑以合院式布局为主(如图3和图4)，在平面布局上常用独院式和多进院落式布局，多为前堂后寝的功能分布模式。对于沿街商业店面，常采用前店后宅多进院落式布局，如南阳民主街的建筑形式。就合院而言，堂屋一般面阔三间或五间，院落与天井较为狭长窄小，类似于冷巷，不仅有良好的通风散热效果，还有排水采光等功能。院落与天井较为狭小，台基较高，水池较深，可应对盆地多雨气候条件。豫西南传统民居四合院两边厢房对中间正房的躲闪退让尺寸较小，一般在2～3 m之内。三合院两边厢房对中间正房的躲闪退让较大，一般3～4 m。民居一般坐北朝南,大门位于东南角或轴线正中。不论是三合院还是四合院，坐北朝南的正房最高大,当然这是在层数相同的基础上，东西厢房高度也不同,中间是院落或天井，梁架形式融合了北方的抬梁式和南方的穿斗式[10]。

图3 三合院

图4 四合院

4.2 通风优化策略

4.2.1 创造“烟囱效应”

在建筑内相对的墙体上设置高度不同的开口(低位和高位)，可创造“烟囱效应”，即温度较高的室内空气上升通过高位开口流向室外，同时温度较低的室外空气则由低位开口进入室内。由于空气的温差产生热压差即空气浮力，在室内外温差至少为1.7℃时，这种烟囱效应可以在室内空间或通风井产生热压自然通风，从空间或建筑内去除热气。

4.2.2 开窗位置的选取

合院围合的内向型空间北墙向外不开窗而内向开窗。对于豫西南的气候条件来讲，可以有效抵御寒冷冬天的西北冷风，迎合炎热夏季的东南凉风。如今在对传统民居进行通风改造时，普遍会在山墙部分加高侧窗，早晨和夜晚通过开启门窗采光通风，中午就会关闭门窗，减弱室外热辐射，通过两山墙的高侧窗实现空气对流通风。平面进风口，出风口位置布置上，通过窗的不同开启方式和设置导风板，因地制宜地控制室内空气质量[11]。

4.2.3 窗户类型的选择

在豫西南地区，适宜用推拉窗而非平开窗，因为冬天平开窗关闭时，密封性不强，会产生冷风渗透，而夏天平开窗通风面积较小，导风作用也不强，都不如推拉窗的通风效果好。有专家研究用雪白的东昌纸给传统民居做卷窗，白天卷起采光，夜晚放下，既可以抵御过凉的冷风，也使室内不至于感到闷热。

豫西南民居房间内部空气几乎没有流动，其原因主要有两个方面。一方面房间只开单侧窗，空气无法形成对流，另一方面，门窗尺寸设置不合理，当院落外部空气快速流入较小的门窗内，由于气压原因导致大量空气被阻挡在室外，只有少数空气进入房间。所以在优化设计时应加大门窗尺寸，两侧开窗且增加开窗个数，根据夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准，窗户尺寸设置为1.8 m×1.5 m，每面墙开窗两个。

增设新窗时要注意保留传统民居风貌，保留外窗的基础上在其内测增设新窗，形成双层窗。新窗设在原有外窗内测，一方面是新窗气密性较好，设置在内侧可以避免结露：另一方面新窗和传统民居风貌有出入，在内侧不影响传统风貌[12]。

4.2.4 主要空间高度的控制

夏季房间闷热潮湿，在进行炊事活动时，油烟无法及时排出，会危害居民的身体健康，同时也会将油烟残留在屋顶的墙壁上，所以在优化设计时应增高房间高度，风由进风口进入房间内原来到达屋顶的高度为3，3 m，优化后高度应为3，6～4 m为宜。风出入口的开口定位应按以下原则设计:住宅空间出入口高度差至少为3 m。商业空间出入口高度差至少为4.6 m。出入口开口的高差越大，空气流动越强。入口应设在低于室内人体上半身的高度，约在离地面0.76～1.37 m[13]。

4.2.5 厨房自然通风优化

豫西南传统民居一般采用传统烹饪方式，排风量不达标，气流组织不合理。厨房空气质量相对较好的样本(如图5)，炉灶位于窗户前方,污染物能迅速排出室外。k5的炉灶位于风场之中，其中面向炉灶的窗户及离炉灶近的排气扇能迅速排走污染物，而侧面的窗户则补充新鲜空气。相反，如果炉灶远离转角风风场，则不能有效排出污染物。而k12,即使炉灶上方安装了抽油烟机，但窗户和炉灶有一定距离，若用户在使用抽油烟机时紧闭门窗,污染物仅靠抽油烟机排出，缺乏新鲜空气补入[14]，则会造成厨房空气质量严重下降。

图5 两种通风方式的比较

当然对于现代炊事活动，合理组织自然通风只是提高室内空气质量的其中一方面，运用设备进行机械通风也不能被忽视。传统民居中的大部分厨房并没有安装机械排风设备，或者有的排风设备安装不当，导致排风效果不佳。针对这种现状，合理的处理方法有:一排风设备首选抽油烟机，其次是排风扇，二抽油烟机应安装在炉灶上方70～90 cm，机身平面尺寸至少比炉灶多1/3，排风扇安装在进风口的下风向，且高于进风口，安装在与门窗相邻的墙壁时排烟效果最佳，其次是同侧和对侧墙壁[15]。

5 豫西南传统民居自然通风案例分析

5.1 L型——平面优化

庭院的长宽比大约2比1，较合理地避免了大面积涡流区和无风区，风由入口进入庭院，在庭院的适当位置种植植物改变风向，使新鲜空气顺利进入各个房间，并从室内带走污浊空气，如图6为优化后的平面布局。

图6 优化后的L型平面

5.2 三合院——计算机模拟庭院环境加平面优化

对于合院形制，带天井的四合院通风条件好于三合院，图7是三合院的模拟风环境，民居的房间长宽比一般2：1较合理，庭院的长宽比最适宜也为2比1。

图7 优化后的三合院平面作者自绘

但如果无法改变庭院的尺寸，可通过种植植物等方式来引导庭院内的风速和风向分布，在狭长形的庭院内，可以在靠近庭院中心处的位置种植灌木，当风吹在树冠，树冠可将风引导分散至庭院的各个方向，如图8。

图8 计算机模拟通风环境

5.3 四合院——仪器测量室内风环境

本次实地调研了南阳瓦店镇界中街的郑东阁民宅，是南阳市保存最完整的清四合天井院，被誉为“南阳第一民宅”。该民宅总建筑面积534.2 m2，为土木结构，墙体为土坯，上房上下12间，配房左右共24间，中堂屋12间，宅院高大，布局规整，功能完好，由于风刮日晒雨淋经过3次的小修缮，没有大修过，至今还有人居住。通过仪器测量了室内空气质量情况(如图9)

图9 郑东阁民宅温度湿度折线图

通过对正在使用的传统民居——郑东阁民宅，4月份各个房间湿度，空气流速的仪器测量，可以看出该民居各个房间的温湿度比较均衡，室内风速较小，可以达到较为符合人体的舒适度。此合院民居还可以通过改造窗户的大小和局部吊顶降低房间净高，从而提高通风效果，优化室内温湿度。对郑东阁民宅的调研分析可以较科学地了解到豫西南典型传统民居的自然通风概况，以期通过大量的理论研究和科学的实践探究形成一套对传统民居自然通风的优化体系。

6 结语

自然通风在节能，健康，热舒适等方面优点突出，本文在生态人居环境背景和健康中国战略的指引下,通过自然通风这一节能经济的手段,以人体健康为出发点，研究了豫西南地区传统民居室内物理舒适性和自然通风性能,并以具体案例为载体提出了相应的优化方案。本研究对豫西南地区乃至河南的传统民居居住性能的优化有一定的借鉴意义。