傳統(tǒng)外墻民居的微氣候調(diào)節(jié)與暖居設(shè)計(jì)嶺南民居天井的熱環(huán)境價(jià)值

傳統(tǒng)外墻民居的微氣候調(diào)節(jié)與暖居設(shè)計(jì)嶺南民居天井的熱環(huán)境價(jià)值

傳統(tǒng)民居的空間布局通常集中在一樓。一樓不僅容納了教育、交流、工作和日常生活，還具有極大的熱環(huán)境調(diào)整。這是中國(guó)傳統(tǒng)民居中重要的自然生態(tài)空間。在熱濕氣候環(huán)境下的嶺南地區(qū),從氣候建筑學(xué)的角度觀察,天井更是具有通風(fēng)、防暑、防潮等調(diào)節(jié)建筑局部微熱環(huán)境的核心作用。這些經(jīng)過(guò)歲月檢驗(yàn)而流傳下來(lái)的適應(yīng)地域氣候的建筑經(jīng)驗(yàn)和營(yíng)造方法,是先民留給我們的寶貴歷史財(cái)富,非常值得我們?nèi)ブ匦掳l(fā)掘和總結(jié)。且靜觀當(dāng)下,天井這一優(yōu)秀的傳統(tǒng)空間在現(xiàn)代住宅設(shè)計(jì)中似乎正被有意無(wú)意地淡忘和疏遠(yuǎn),如何在現(xiàn)代住宅當(dāng)中恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和運(yùn)用天井空間,讓傳統(tǒng)智慧繼續(xù)為今天的居者帶來(lái)良好的熱濕環(huán)境,也是十分值得我們關(guān)注的問(wèn)題。1建筑環(huán)境的測(cè)量嶺南地處熱帶-亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),日照時(shí)間長(zhǎng),太陽(yáng)輻射量大,南嶺山脈、武夷山脈和云開山脈共同形成天然屏障,為嶺南地區(qū)阻擋了大部分來(lái)自北方的干燥冷空氣,形成了嶺南地區(qū)夏長(zhǎng)冬暖的氣候特征,夏季長(zhǎng)而高溫,最熱月14時(shí)平均氣溫31℃~33℃,冬季短且不冷,最冷月平均14℃~17℃,全年濕度均較大。反映到建筑營(yíng)造上,嶺南傳統(tǒng)民居非常講究防熱降濕,對(duì)夏季熱濕氣候的應(yīng)對(duì)有著十分獨(dú)到的經(jīng)驗(yàn),而天井的設(shè)置則是其中非常巧妙的一筆。為更好地摸清嶺南傳統(tǒng)民居中天井的實(shí)際熱狀況,2008和2009年夏天,筆者所在團(tuán)隊(duì)分別對(duì)五處具有代表性的嶺南傳統(tǒng)民居進(jìn)行了熱環(huán)境的實(shí)地測(cè)量,各民居的基本情況如表1。其中,民居A、B、C為廣州西關(guān)特色傳統(tǒng)民居,特點(diǎn)是面寬僅一開間,平面呈竹節(jié)狀一節(jié)一節(jié)地向縱深發(fā)展,稱為“竹筒屋”,是珠三角一帶最常見(jiàn)的民居類型;民居D、E為典型的嶺南“三間兩廊”民居,基本格局為一列三間,明間為廳堂,兩側(cè)次間為臥房,廳前為天井,天井兩側(cè)為廊,是嶺南廣府民居最典型的基本形制。實(shí)測(cè)中,對(duì)五處民居進(jìn)行了包括空氣溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速、壁面溫度及WBGT指數(shù)的測(cè)量,結(jié)合數(shù)據(jù)分析考察天井自身的熱環(huán)境及其對(duì)其他戶內(nèi)空間的影響。通過(guò)理論分析與實(shí)測(cè)檢驗(yàn),說(shuō)明嶺南傳統(tǒng)民居中的天井在熱緩沖、遮陽(yáng)、風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)方面均可有效改善民居戶內(nèi)微熱環(huán)境,應(yīng)對(duì)嶺南夏季的熱濕氣候。1.1外墻接觸的空間在嶺南地區(qū),夏季白天的室外氣溫是相當(dāng)炙人的,極端最高氣溫可達(dá)38℃~42℃,加上常達(dá)50%~80%的相對(duì)濕度,感覺(jué)異常悶熱。在此外界條件下,天井作為民居室內(nèi)與室外的一個(gè)過(guò)渡空間,有效地緩沖了室外高溫對(duì)室內(nèi)的直接熱作用。嶺南傳統(tǒng)民居形式多樣,但由于天氣炎熱,大多具有一個(gè)普遍特征,那就是出于遮陽(yáng)隔熱的考慮,多自發(fā)地按連房廣廈的組織方式建造房屋,即每個(gè)單體房屋的三面(兩側(cè)墻與后墻或前后墻與單側(cè)墻)均與鄰屋相接,惟有一面開向街巷。這樣一來(lái),除了開向街巷的那一面,天井就成了民居與外界接觸的另一重要界面。它位于民居平面內(nèi),又向天空開放,成為室內(nèi)外空氣交換和熱量交換的過(guò)渡空間。這種半室內(nèi)半室外的空間特性使得天井成為一個(gè)有效的熱緩沖空間,實(shí)測(cè)中,五處民居中的天井白天氣溫均比同時(shí)段的室外氣溫低,以降溫效果最明顯的民居A為例,白天首層天井與室外露天處的平均氣溫分別為29.2℃與34.6℃,溫差達(dá)5.4℃。這樣一來(lái),與天井相鄰的其他戶內(nèi)空間均能獲得已被一定降溫的外界空氣,而無(wú)須“直面”室外嚴(yán)酷的露天氣候條件。1.2檢射用太陽(yáng)x射線輻照法嶺南地區(qū)位于低緯度的熱帶-亞熱帶區(qū),強(qiáng)烈的日照給當(dāng)?shù)貛?lái)了大量的太陽(yáng)輻射熱量,是該區(qū)氣候炎熱的最直接原因。遮擋太陽(yáng)的直接照射,盡量減少太陽(yáng)直射輻射的熱量,是嶺南傳統(tǒng)民居防熱的重要途徑。雖然是上部向天空敞開的半開放空間,但嶺南民居天井有著獨(dú)特的高寬比,特點(diǎn)是垂直方向較高而平面尺寸較小,這種“高深”的井狀空間為民居內(nèi)部提供了深邃的落影,遮擋了大量的太陽(yáng)直射,使廳堂等內(nèi)部空間所得到的太陽(yáng)直射輻射熱大為減少。實(shí)測(cè)中,根據(jù)天井中太陽(yáng)落影的光斑記錄,民居D在五處選例中接受直曬時(shí)間已屬最多,但仍比門前露天處減少2.5小時(shí)(圖1)。1.3室外風(fēng)壓小和靜風(fēng)影響如前所述,嶺南傳統(tǒng)民居多為三面與旁屋貼鄰而僅有一面開向街巷,這種在我們現(xiàn)代看來(lái)比較封閉的布局情況下,民居內(nèi)部的通風(fēng)情況依然缺的巧妙作用。(1)風(fēng)壓通風(fēng)為主時(shí),為民居提供重要的上空取氣口嶺南地區(qū)夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng),以區(qū)內(nèi)各城市的氣象參數(shù)作平均計(jì)算,則夏季平均風(fēng)速約為2.6m/s(1),可見(jiàn)本地區(qū)具有一定的自然風(fēng)壓通風(fēng)潛力。然而連房廣廈的群組布局一定程度上阻礙了外界風(fēng)從門窗洞口水平進(jìn)入室內(nèi),此時(shí),天井成為另一個(gè)引入自然風(fēng)的主要風(fēng)口,室外風(fēng)從民居上方吹過(guò),在天井墻的導(dǎo)引下,部分氣流沿天井下行,進(jìn)入戶內(nèi)。同時(shí),由于二氧化碳和空氣揚(yáng)塵等空氣污染物多比空氣重,它們?cè)诳諝庵幸韵鲁翑U(kuò)散運(yùn)動(dòng)為主,故天井上空流進(jìn)戶內(nèi)的空氣往往比貼近地面的空氣更清潔新鮮。(2)外界風(fēng)壓小和靜風(fēng)時(shí),為民居帶來(lái)熱壓通風(fēng)的重要條件雖然嶺南地區(qū)具備一定的風(fēng)壓通風(fēng)潛力,但由于各種天氣條件和地形地貌的影響,同時(shí)也存在可達(dá)30%的靜風(fēng)頻率。在外界風(fēng)壓很小甚至靜風(fēng)時(shí),民居仍然具有透過(guò)通風(fēng)降溫除濕的本領(lǐng),這是嶺南傳統(tǒng)民居非常突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。如在民居B中,在外界無(wú)風(fēng)的時(shí)段內(nèi),從冷巷流進(jìn)天井底部仍有0.2~0.33m/s的風(fēng)速,此時(shí)依靠的就是主要由天井帶來(lái)的熱壓通風(fēng)。在陽(yáng)光照射下,天井上部開口附近升溫較快,氣溫較高,而天井底部由于周圍的遮擋受曬極少,空氣溫度較低,由此便形成了垂直方向上的溫度梯度,天井內(nèi)的空氣產(chǎn)生了向上浮升的動(dòng)力,從天井上部開口排出室外,同時(shí)帶動(dòng)與天井緊鄰的房間內(nèi)的空氣進(jìn)入天井底部補(bǔ)充,從而形成了外界無(wú)風(fēng)時(shí)民居內(nèi)部的熱壓空氣流動(dòng),使人產(chǎn)生陰涼感,并給戶內(nèi)帶來(lái)?yè)Q氣、降溫、除濕的作用。2嶺南傳統(tǒng)居民的熱特性為了更深入了解天井自身性狀的不同所帶來(lái)的天井本身及整個(gè)民居的熱環(huán)境差異,本文進(jìn)一步對(duì)五處選例間的天井參數(shù)和熱環(huán)境效果進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?通過(guò)比較分析,發(fā)現(xiàn)嶺南傳統(tǒng)民居當(dāng)中天井的熱特性具有以下規(guī)律。2.1內(nèi)部熱環(huán)境的改變民居B天井原有一個(gè)居民自己加建的雨篷蓋頂,封閉了整個(gè)天井的上部開口,實(shí)測(cè)時(shí)予以了拆除,并充分利用了拆除前后的情況作對(duì)比,對(duì)拆除前和拆除后的兩個(gè)工況都進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)天井上口在人工封閉和自然開敞兩種不同條件下,天井內(nèi)部的熱特性變化很大,且?guī)?lái)整個(gè)民居的內(nèi)部熱環(huán)境也發(fā)生較大改變。雨篷拆除后,天井內(nèi)的平均風(fēng)速?gòu)?.13m/s提高到0.50m/s,增加了三倍多,濕度大幅減小10%~21%,氣溫上升0.3℃~1.4℃。廳堂的平均風(fēng)速也從0.22m/s提高到0.39m/s,臥房從0.13m/s提高到0.30m/s,可見(jiàn)戶內(nèi)風(fēng)速同樣增幅明顯,戶內(nèi)廳房等主要空間的相對(duì)濕度下降4%~10%,戶內(nèi)氣溫略有上升,接近天井處的冷巷口與臥房的氣溫輕微上升0.1℃~0.4℃,這是由于與外界的空氣交換加大的同時(shí)引入了室外熱量。由于風(fēng)速倍增,濕度下降,盡管氣溫輕微上升,室內(nèi)熱舒適性仍有明顯提高,人在其中感覺(jué)不時(shí)有涼風(fēng)吹過(guò),“悶熱”感大大減少。以10點(diǎn)的廳堂為例,PMV值從0.9變?yōu)?.66;晚上的臥房則更明顯,20點(diǎn)的PMV值從0.83變?yōu)?.48,更接近中性舒適狀態(tài)。由此可見(jiàn)天井對(duì)民居整體熱環(huán)境的影響確實(shí)不可忽視。2.2雙有效內(nèi)空氣流動(dòng)五個(gè)實(shí)測(cè)選例當(dāng)中,民居A為雙天井,于屋中和屋后各存一個(gè),其余四處民居為單天井。實(shí)測(cè)當(dāng)中發(fā)現(xiàn),雙天井民居內(nèi)的空氣流動(dòng)更為活躍,兩個(gè)天井中的日平均風(fēng)速均大于其他四處選例。這是因?yàn)楸绕饐翁炀?雙天井相當(dāng)于多了一個(gè)對(duì)外風(fēng)口,此情況下,當(dāng)室外有風(fēng)時(shí),兩個(gè)天井一進(jìn)一出,則無(wú)論風(fēng)向如何,均能帶動(dòng)戶內(nèi)空氣流動(dòng);而當(dāng)室外靜風(fēng)時(shí),兩個(gè)天井所形成的熱壓通風(fēng),使前后天井可能一進(jìn)一出,也可能兩個(gè)都成為出風(fēng)口,同樣有效帶動(dòng)室內(nèi)外氣流交換。2.3自設(shè)門口與前語(yǔ)言四個(gè)單天井民居選例當(dāng)中,民居D、E的天井位于屋的前部,B、C的天井則位于房屋的后端部,在這兩種類型中,后天井比前天井更能帶來(lái)屋內(nèi)的風(fēng)壓通風(fēng)。這是由于后天井可與廳堂處的門窗洞口形成一對(duì)進(jìn)出風(fēng)口,而以屋內(nèi)空間為主氣流通道,帶動(dòng)屋內(nèi)空間獲得通風(fēng)換氣;而前天井與入口端的門窗洞口相距太近,即進(jìn)出風(fēng)口之間距離過(guò)近,氣流大部分未能進(jìn)入屋內(nèi)已被排出戶外,對(duì)屋內(nèi)空間的氣流影響相對(duì)較少。實(shí)測(cè)中,民居D白天廳堂處風(fēng)速為0.12m/s,而民居B(自然開敞工況下)則可達(dá)到0.39m/s,可見(jiàn)天井位置如果能盡可能使室內(nèi)氣流路徑合理地保證一定的長(zhǎng)度,減少形成氣流“短路”,則可帶來(lái)更好的通風(fēng)效果。2.4熱壓通風(fēng)作用原理五處民居中天井的高寬比從大到小排列為:A>B、C>D、E。實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)室外接近靜風(fēng)時(shí),由天井熱壓帶來(lái)的通風(fēng)量也是按基本相同的順序排列,即高天井比低天井能帶來(lái)更大的熱壓通風(fēng)動(dòng)力。從熱壓通風(fēng)的原理可知,熱壓作用的大小與高度差和空氣溫度差密切相關(guān),高度差越大、溫度差越大則熱壓作用越明顯。天井越高,則上部開口與地面的高差越大,所帶來(lái)的熱壓作用自然加強(qiáng)。再者,天井高寬比越大,意味著天井底部接受到的太陽(yáng)照射越少,底部的溫度越低,與天井上部附近長(zhǎng)期受曬下的溫度之差則越大,也就越能加強(qiáng)熱壓作用。所以,“高深”的天井能為熱壓通風(fēng)帶來(lái)更強(qiáng)的源動(dòng)力。2.5規(guī)?？刂频挠绊憥X南地區(qū)地處地理緯度較低的熱帶-亞熱帶地區(qū),全年太陽(yáng)高度角均較高,如果天井太大太寬敞,則必將受到過(guò)多的太陽(yáng)直射輻射,溫度驟升而無(wú)異于全室外露天環(huán)境。正是顧及到這種氣候因素,嶺南先民普遍把天井平面規(guī)?？刂圃谳^小的尺寸內(nèi),使其免受過(guò)多的太陽(yáng)熱力侵?jǐn)_,讓天井成為有效的熱緩沖空間,保證其內(nèi)氣溫始終低于室外露天氣溫,使戶內(nèi)各主要空間免于直接接觸戶外炎熱的露天環(huán)境。以實(shí)測(cè)的五處典型民居為例,當(dāng)中的天井尺寸均較小,僅為2mx2.1m至4.3mx4.4m不等。而進(jìn)一步比較天井類型相同的民居D和E,可以發(fā)現(xiàn),天井較寬的民居D天井與街道白天平均溫差為0.75℃,而天井相對(duì)較窄的民居E為1.35℃,可見(jiàn)窄天井的熱緩沖作用更為明顯。2.6降低溫度、吸熱嶺南傳統(tǒng)民居天井中常有水井或小水池,并栽種灌木類或爬藤類植物,一方面美化私家環(huán)境,營(yíng)造自然氛圍,另一方面,又可降低天井底部的氣溫。這是因?yàn)樗谋葻岽?吸熱后升溫少,其蒸發(fā)作用又可帶走潛熱冷卻環(huán)境,而植物葉片的遮陽(yáng)作用和蒸騰作用也能為環(huán)境降溫。實(shí)測(cè)當(dāng)中,民居D的天井設(shè)有小水池和植物栽種,雖然其高寬比最小,理論上受曬最多,但其地面附近氣溫也不致過(guò)高,就是水體與植物在其中發(fā)揮了自然降溫的作用。3宅型d與fps分析天井在嶺南傳統(tǒng)民居中發(fā)揮著調(diào)節(jié)戶內(nèi)熱環(huán)境的良好作用,然而在大量的嶺南現(xiàn)代住居建筑創(chuàng)作中,天井卻似乎漸漸為大眾所遺忘。如何把天井良好的調(diào)節(jié)戶內(nèi)熱環(huán)境的作用重新發(fā)揮出來(lái),使之合理地融入到嶺南現(xiàn)代住宅設(shè)計(jì)當(dāng)中,以結(jié)合天井改善建筑布局的設(shè)計(jì)手段,而不是以一味加大建筑能耗的方式來(lái)達(dá)到改善戶內(nèi)住居熱舒適性的目的,是非常值得我們研究的問(wèn)題。中山泮廬園林住宅小區(qū)就在這方面做了非常有益的探索。該小區(qū)位于廣東省中山市五桂山間,為充分共享周邊優(yōu)美的山水景觀,并盡量減少對(duì)環(huán)境的影響,區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)全為低層住宅,且以傳統(tǒng)民居意象為設(shè)計(jì)藍(lán)本,使房子可樸素自然地融入到山水之中。所有宅型的戶內(nèi)平面組織上,均引入了天井設(shè)計(jì),不但豐富了戶內(nèi)空間布局,也帶來(lái)了改善戶內(nèi)微熱環(huán)境的良好作用。在提高室內(nèi)熱舒適性方面,宅型D(圖2~3)與宅型F1(圖4~5)的天井的效果最為明顯,筆者所在團(tuán)隊(duì)對(duì)該二宅型進(jìn)行了使用回訪與熱環(huán)境實(shí)測(cè)。透過(guò)回訪反饋及數(shù)據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn),天井的引入確實(shí)給宅型D與F1的戶內(nèi)微熱環(huán)境帶來(lái)了實(shí)質(zhì)性的改善作用。第一,通過(guò)照度測(cè)量,證實(shí)與天井貼鄰的房間采光充足,照度均勻。這是由于天井的存在,使與之相鄰的所有房間從單面采光變成兩面都能采光,采光量增加,屋內(nèi)照度分布更為均勻;且從天井引入的光照經(jīng)過(guò)天井墻面的多次反射,光線也更柔和。第二,通過(guò)風(fēng)速測(cè)量,印證了由于天井的存在,使得戶內(nèi)穿堂風(fēng)更加通暢,流場(chǎng)所覆蓋的室內(nèi)空間更大,減少了通風(fēng)死角,明顯改善了戶內(nèi)通風(fēng)效果。當(dāng)室外風(fēng)速較大,住宅正背面風(fēng)壓差足夠大時(shí),戶內(nèi)穿堂風(fēng)即產(chǎn)生。但現(xiàn)代住宅除宿舍外基本不可能只有單面布房,則一旦有雙面布房甚至三進(jìn)布房,房間之間的隔墻就成為了戶內(nèi)通風(fēng)的屏障,戶內(nèi)通風(fēng)死角增多,穿堂風(fēng)不暢;而天井的開放式屬性,使它不會(huì)成為風(fēng)道上的障礙,可以通暢地“連接”前后房間,讓風(fēng)可經(jīng)窗口和天井順暢地通過(guò),使得穿堂風(fēng)的流場(chǎng)更均勻,覆蓋房間內(nèi)的空間更多。第三,實(shí)測(cè)也印證了天井內(nèi)壁面溫度和空氣溫度都有上高下低的垂直梯度,這是天井四周墻自身的遮陽(yáng)引起的,不僅為首二層房間帶來(lái)較好的遮陽(yáng)效果,同時(shí)也促成了天井內(nèi)熱壓通風(fēng)的形成。透過(guò)風(fēng)速測(cè)量發(fā)現(xiàn),當(dāng)室外靜風(fēng)時(shí),天井上口部仍能錄得0.25~0.45m/s的向上氣流,使戶內(nèi)在外界無(wú)風(fēng)的情況下,仍能保持穩(wěn)定的氣流交換。第四,對(duì)天井中的氣溫測(cè)量證實(shí)了天井應(yīng)用在現(xiàn)代住宅中同樣具有明顯的熱緩沖作用。以宅型D為例,當(dāng)室外露天處氣溫高于30℃時(shí),首層天井內(nèi)的氣溫僅為27℃~28℃,可以推斷當(dāng)夏季室外氣溫過(guò)高時(shí),客廳與臥室關(guān)閉外窗適當(dāng)抑制該處的熱空氣流入,而打開連接天井的窗,即可利用天井這一熱緩沖空間作為廳房的取氣口,使室內(nèi)獲得相對(duì)清涼的空氣。天h開敞者的熱特性通過(guò)理論推演與實(shí)例檢驗(yàn),初步掌握了嶺南傳統(tǒng)民居當(dāng)中,天井所發(fā)揮的獨(dú)特的改善戶內(nèi)微熱環(huán)境的作用。這些作用包