湘西传统民居火塘释放污染物控制策略研究——以凤凰县老洞村为例

程梦飞 | Cheng Mengfei

蒋涤非 | Jiang Difei

张 驰 | Zhang Chi

湘西地区传统民居一般都是以堂屋为中心进行平面上的布局，而民居中的火塘则位于堂屋的一侧，这有别于四川羌族以及云南一些少数民族的民居将火塘置于堂屋正中的传统，笔者查找相关书籍文献和对湘西老洞村、关田山等地的当地居民走访，发现差异的原因在于苗族的祭祀活动[1]：“吃猪”“祭家先”“还傩愿”[2]活动的进行需要较大的活动空间，并且祭祀家先时，家人聚集在堂屋之中，向山墙面的祖先牌位跪拜，所以室内往往没有隔墙，火塘置于侧屋，位于堂屋的左侧还是右侧则是由主人的喜好决定的[3]。但是随着改革开放进行，逐渐汉化后的祭拜家先活动逐渐从横向祭祀变为在堂屋中进行的纵向祭祀，家先牌位位置也由侧屋的山墙面变为堂屋的纵墙面[4]。1990年后建设的民居，室内已经开始有隔墙出现了。笔者在调研苗族的老洞村、关山岩等村子时发现其室内火塘所产生的浓烟弥漫其中，对居住者危害很大。因此对湘西传统民居室内火塘的污染物控制是有必要的（图1～图2）。

图1 湘西苗族传统民居基本平面

图2 湘西苗族部分民居平面一览表

1 研究方法与研究对象

1.1 研究方法

随着计算流体力学[5]的发展，CFD模型被越来越多地用来模拟建筑室内的风速、空气龄、污染物浓度等等[6]，可用来衡量室内空气质量。本文采用AIRPAK软件对湘西传统民居室内自然通风和污染物浓度进行模拟，首先通过总结实地调研所得火塘相对传统民居堂屋位置的原型、结合立面改变窗大小和位置前后的模型、以及增加屋顶开口的模型。然后利用AIRPAK软件进行各个模型的模拟，得到各组CO等污染物的浓度均值，从而对比归纳出湘西传统民居控制火塘所产生污染物的设计方法，以期对新民居建设具有一定的参考价值，提高居住者的舒适度。

1.2 研究对象

老洞村位于湘西土家族苗族自治州凤凰县麻冲乡，被列入第一批中国传统村落名录[7]，是一个历史风貌保存完整、文化底蕴深厚的纯苗族居住村。其寨内狭窄的街巷错综复杂，较小的窗口高低错落，具有独特的防御功能[8]。而坐南朝北的特殊朝向、厚重的墙体令本就不好的通风更加堪忧。村内保留有大量的历史建筑：保家楼、湘西王故居、麻家宅院群、龙家宅院群等等。

2 火塘位置和平面功能优化

湘西传统民居火塘普遍位于堂屋的两侧，但从实地调研和文献阅读[9]中获知（表1），火塘除了分位于堂屋的两侧外，还有距离外墙远近之分，经测量，发现湘西老洞村火塘距离外墙通风口的远近范围为1500～4000mm，笔者基于此通过AIRPAK模拟通风环境时，将距离分为1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、3500mm、4000mm六种情况，以此来得出改善室内污染物浓度的最优解。其中调研获知火塘的尺寸（表1）在（800～950）mm×（800～950）mm之间的较多，故本文取火塘尺寸平均值850mm×850mm作为研究常量。并且湘西传统民居床铺一般只用黑色窗帘隔开，床铺距离火塘的远近也会对床铺周围空气质量产生影响，从而影响居民的健康，所以针对模拟结果可以通过调节平面的功能布局来进行改善。

表1 湘西苗族老洞村火塘部分民居一览表

将实测和文献查找的结果用类型学的方式，总结出了几种火塘位于堂屋位置的原型，并在保证火塘面积相等的同时，根据改变其与外墙之间的距离、是否有隔墙和吞口得出十种基本形（图3），A～G为平面火塘位置变化，H～I为吞口处理变化，J为室内隔墙数量变化。以这些信息为载体，代入到基本的传统湘西苗族民居堂屋中（图1），进行AIRPAK软件的模拟，模拟内容为不同组别的模型其室内碳氧化物物质浓度的均值；因为室内主要的污染源是火塘，所以AIRPAK模拟时主要考虑火塘所释放的污染物。

图3 火塘位置类型截面研究

将模拟出的结果进行比较，选取人体活动口鼻常在高度925mm水平面为参考平面[10]，从各原型堂屋平面模拟结果（图4）可以发现，随着火塘距外窗的距离不断增加，房屋内部污染物均值呈现先递减后递增的趋势，并且以火塘距离外窗2500mm时为最佳。而在火塘置于堂屋中间时，其CO平均值明显高于火塘置于堂屋一侧，一部分原因为污染物排放无法通过外窗排除，并被入风口的风吹向房屋各个角落。苗族民居往往都有吞口的特色入口处理方式[11]，本文通过模拟吞口处理，其结果无论是有无吞口侧门，都有递减的趋势，所以可以肯定，在白天使用火塘时，若打开吞口处侧向的门，可以有效地减少室内污染物的浓度。

笔者调研发现老洞村大部分民居的室内已有隔墙，相关文献也有记载，自1990年起苗族民居室内已出现隔墙。笔者针对室内隔墙的数量变化对污染物的均值产生影响进行研究，首先对隔墙数量为2、4、6三种情况模拟，如图4随着隔墙数量的增加，污染物的均值均有下降的趋势。但隔墙的增加使火塘间部分污染物集中，而堂屋和另一侧屋内污染物则剧减。为了更容易得出结论，笔者进行了多次实验，得出如图5和图6所示的污染物浓度与隔墙数量、室内风速与隔墙数量的折线图。由图可知，随着室内隔墙数量的增加，污染物的均值会有小幅度的降低，而火塘间的污染物浓度则不断增加。结合图6的室内风速变化分析：由于隔墙的出现，空气的流动减慢，室内空气龄[12]增加，从而导致室内污染物浓度分布不均，火塘间大量聚集的情况。所以可以通过改变隔墙的分布来减少带有床铺房间内的污染物浓度，又不会过度增加火塘间污染物浓度。

图4 各原型平面AIRPAK模拟研究情况

图5 隔墙数量与污染物均值关系图

图6 隔墙数量与室内风速均值关系图

3 窗开口大小和位置优化

自然通风通过民居窗口流入或流出时，窗的开口位置的变化以及窗地比都会影响建筑内部的空气龄，从而导致污染物在室内的流动有所改变。调研发现，湘西苗族老洞村的窗大小为（600～1400）mm×（600～1400）mm之间，在AIRPAK模拟中将窗大小分为600mm、800mm、1100mm、1400mm四种；而窗的高度分布有下部开口在块石中的，中部开口在片石中的，以及上部开口在粘土中的。其中上部高窗位置为粘土材料，便于开窗。在AIRPAK中进行模拟时，可以进行分别模拟；考虑到风压通风可以形成室内的全面换气[13]，本文在背风面进行适当开口，以期验证室内污染物是否可以通过风压通风方式改善。

（1）窗开口位置优化设计过程

将模拟数值带入民居基本形体中，用AIRPAK分析得出结果如图7，随着窗的高度的改变，污染物的均值有所下降，分析发现原因是随着窗户高度的增加会有一部分形成热压通风，从而使得污染物的排放通过热压通风形成动力，加快污染物排出。而窗台高度改变到1500mm以上时，污染物的均值改变才会呈现出明显的变化，所以对于有文化意义的民居并不合适。但老洞村立面上部高窗处为粘土材料，则可以适当开口以便提高室内空气品质。

图7 立面窗开口类型AIRPAK模拟研究情况

（2）窗开口大小优化设计过程

通过改变窗的大小，污染物均值有很明显的改变，并且随着窗户的逐渐变大，窗开口大小增加到1000mm×1000mm以上时，污染物均值改变效果明显，但考虑到老洞村的窗面积一般在1.21m2左右，在改进措施中，建议窗的大小可以适当扩大，但也应考虑其中文化的因素，所以最佳尺寸为1200mm×1200mm。

通过适当增加背风面的开口，由图7可以看出，随着背风面开口的设置和其大小的改变，可以明显地改善室内污染物的浓度。并且在背风面开口大小增加到与迎风面开口大小相同时，效果更加显著。这也验证了风压通风不仅仅可以改善室内的空气龄，也可以改善室内污染物浓度。

4 屋顶优化设计

老洞村在气候上夏季炎热，冬季寒冷，因此在民居的屋顶就有一些利于通风的构造措施。如烟囱、天窗格栅、以及“猫儿钻”[14]等等；其可以改善室内通风，因为火塘燃烧秸秆的同时会释放大量热量，室外的冷空气进来，经过火塘后变为热空气从屋顶排出，从而形成动力，推动自然通风的速率，加快火塘污染物的排放。笔者通过CFD模拟来定量研究这些构造措施对于室内污染物控制的最佳方式。

（1）屋顶开口位置优化过程

对于屋顶开口位置优化，笔者从屋顶面中均匀选取九个数据采样点。模拟过程中，开口的大小固定为300mm×300mm，模拟结果如图8所示，取顶部无开口设计的模拟结果2.91e-007为对比值进行优化效果的比较，除了点1、4、7所对应的数值明显低于对比值以外，其他开口位置优化效果均不明显，甚至高于对比值。由于室内污染物向室外流动的过程受两个因素影响，即：流动的速率和距出风口的距离。所以导致这种情况的一部分原因是：其距离出风口的路程变大的同时，各点流动速率又明显减小，导致污染物流动到室外的时间增加。所以最佳的开口位置是1、4、7三个点，即位于测屋一侧的屋顶。

图8 屋顶开口位置对污染物浓度影响CFD模拟研究

（2）屋顶开口大小优化过程

根据文献资料可知，一般房间的进风口和出风口越大，气流场所对应的数值也将增大，当开口的面积为室内面积的15%～20%时，通风效率是最佳的[15]。笔者对屋顶开口大小模拟得到结果如图9，随着屋顶开口尺度的增加，室内污染物的浓度是逐渐降低的，但是这种做法的前提是既不破坏传统民居文化特色，又能充分挖掘历史文化遗产的价值。

图9 屋顶开口大小对污染物浓度影响CFD模拟研究

（3）屋顶开口方式特点

笔者在调研过程中发现，天窗与猫儿钻构造措施的运用较为明显，而老虎窗的形式基本无发现，而在对关田山村龙迷兵、龙迷凤家的走访中刚好恰逢阴雨天，传统民居中很多天窗都是后期屋顶瓦片遭到破坏形成的，雨天时，雨会通过天窗进入到民居室内，如果火塘正上方屋顶是格栅时，火塘较容易受到雨天的影响，此时猫儿钻的方式利用范围更高，但是尺度有限，在不破坏文化特色的同时，可增加其数量。

结语

由上述分析可知，湘西传统民居室内污染物控制仍有优化的可能。通过CFD模拟对平面布局、立面设计、节点结构三个方面量化实验，总结出以下几种优化的方式：

①火塘与外窗的距离在2500mm左右，污染物控制效果为宜，有吞口处理时，开启侧门有利于污染物排放；当有隔墙并且数量在一定范围内，可以在改善污染物浓度的同时，将污染物控制在一定的平面范围内，有效的将卧室隔开。

②当增加窗尺度到1000mm×1000mm以上或高度到1500mm以上时，污染物得到了很好的控制；当增加背风面开口时，污染物均值有下降趋势，并且在出入口与进风口面积相等时，优化效果显著。

③通过改变屋顶开口位置到侧屋、增加天窗、猫儿钻、排烟烟囱的尺度或数量时，可以有效降低污染物均值。但也应考虑天窗无法遮雨、烟囱形式对文化的适应、猫儿钻数量的增加等影响。

湘西民居无论是现在还是未来，室内火塘的污染物控制是非常有实用价值的，对其他类型的传统建筑也有一定的意义，特别是最近新型冠状病毒的出现，健康建筑是未来的发展趋势，所以火塘污染物的控制势必要有所改善。

资料来源：

图2：部分来源于参考文献[1]；

文中其余图表均为作者自绘。