湘西传统民居夏季热环境实测研究

 黄春华1，2刘盛2姜彬2汤林声2

 1中南大学建筑与艺术学院2湖南工业大学建筑与城乡规划学院

摘  要：本文以湘西传统民居的典型代表窨子屋为研究对象，通过对其进行夏季室内热环境实测并分析传统民居建筑热环境状况，研究结果表明：在室外温差较大的夏季，此类民居中厚重的蓄热墙体能够起到隔热降温的效果；高窄的天井白天主要为风压通风，在夜间则为热压通风，但在东侧房间中通风效果明显较差；采用架空通风地板和具有热缓冲层作用的楼层等措施，使得传统民居有着良好的气候适应性，对现代被动式绿色建筑设计具有一定启示。

关键词：湘西热环境测试传统民居窨子屋

 湘西地区是位于云贵高原东部的余脉武陵山区，大部分为丘陵地貌地区，是一个多民族聚居的山区，气候特点为夏季酷热冬季湿冷。湘西传统民居与气候环境融为一体，依山就势，因地制宜，能够有效地利用自然环境来达到适应当地气候的居住环境，特别是典型代表的窨子屋表现出了很好的气候适应性特征和质朴的生态建筑的理念。因此，本文以湘西乾州古城一典型窨子屋为研究对象，在自然通风条件下进行热环境实测，分析其室内热环境现状，以期寻找湘西传统民居的气候适应性和改善其室内热舒适性的建议，为当地传统民居室内热环境的改善提供基础数据。

1  典型民居夏季热环境实测

1.1实测对象

 本文选择实测对象位于乾州古城区南门巷，是一典型的湘西地区民居。该宅建于20世纪20年代，正门朝南，形式为湘西洪江古商城一带的窨子屋，具有窨子屋的典型特征：住宅四周为200-480 mm厚的青砖封火墙，面层加一层石灰砂浆，两侧墙体为马头墙，四周石墙把整个内部木构架围成桶状，内部隔墙均采用杉木樘板，前后各设一天井，天井尺度都很狭小，人口处天井为半湿半旱天井，遮风避雨，为湘西地区常见的做法。

 建筑总占地面积约为208m2，庭院面积约为66 m2，平面呈长方形，房屋中有大小不同的两个天井，北侧为后院，主要房间集中在中间，一层西侧主要是厅堂，与天井相连成为开敞空间，东侧由三间卧室组成，二层用于放置杂物以及储藏粮食。房屋北侧面临4~6 m宽的南门巷，该巷民居沿着万溶江布置形成河街，前街后河，形成乾州特色的沿河带状城市（图1）。

1.2实测方案

 本次测试时间在当地典型夏季7月10日进行，当天大部分时间为晴天，中午时分有小雨。主要测试空间为天井、厅堂、二楼、卧室（图2～3）。空气温湿度仪每10 min自动记录一次（距离地面1.5 m处），表面温度每隔1h人工记录一次，风速选择三个工况连续记录。测试仪器及参数见表1。

2  测试结果与分析

2.1空气温度

 测试期间，室外温度波动幅度最大，平均温度为29.1℃，峰值为33.8℃，谷值为25.7℃，一日内温差为8.1 ℃。相对而言，室内天井底、厅堂、卧室波动幅度较小，温度也较低，卧室最高温度为29.1℃，比室外温度低了4.7℃，温差也仅为3.1℃，天井底最高温度比室外低4.6℃，白天平均温度低2.4℃(图4)。

 窨子屋中有大量室内外的过渡空间，如天井、开敞式厅堂、檐下等灰空间，为了验证灰空间的热缓冲效果，采用温度作横向比较。根据数据得出，天井底、卧室、厅堂的峰值要比室外最高温度要低3.8℃～4.7℃。特别在午后，天井的降温效果良好，天井底由青石条铺筑又与地面直接相连，天井下部设排水系统，使天井底部保持在室内最低温度，整个白天的降温效果明显，夜间天井利用热压通风，在22:00以后迅速降低到27℃，与室外温度接近。一楼卧室由于处于整个石墙围合中，只与天井有开口，其余三面均无开口，白天无阳光直射，室内通风效果差，所以卧室比厅堂温度低，但夜间由于通风效果差，厅堂与天井通风效果更佳，卧室反而处于较高温度。

 由于厅堂与天井底直接相连，厅堂温度受到天井底影响，最高温度比室外最高低3.8℃，在白天上午时段几乎和天井底一致，午后由于受到阳光辐射、厨房烹饪、室内人员活动等因素影响，在24:00之前，厅堂温度都有超过卧室，温差大约1℃，因此厅堂处与厨房应隔离，可保持室内较好的舒适性。此外，室外最高温度出现在15:30左右，二楼峰值延迟仅20 min，卧室和厅堂峰值延迟约100 min左右，说明二楼的热缓冲和重质的蓄热墙体能够起到良好的隔热效果。

 为了测试天井的热压通风效果，故纵向比较天井温度（图5），根据数据可知，天井口与天井底的温差很大，在白天特别明显，天井口受到屋顶快速升温的影响，在午后，超出室外温度，由于热压通风效率与温度差成正比，加大了天井口与天井底的热压差，天井口局部空气温度升高密度变小，位于天井底部的空气会向较热的天井口移动，厅堂内的空气则流向天井底部，加强了整体通风效果。此外，白天二楼的气温比底层气温高出2℃左右，二楼作为放置杂物，人员流动较少的空间，能够很好地作为热缓冲空间，一楼热舒适度明显高于二楼。

 由此可见，在室外温差较大的夏季，湘西民居中厚重的蓄热墙体和内部轻质木墙构成的两套围护结构起到良好的隔热降温的效果，此外，深天井改善了室内的采光效果也可以保证天井底部不受太阳辐射的干扰，使天井底处于室内较低温度，提供了一个室内外凉爽的热缓冲区，特别在夜间，相邻卧室等房间应该加强与天井的通风，可以获得良好的降温效果，也可看出在湘西地区此类天井应保持狭窄的尺度，才能保证天井底部的充分遮阳和低温。在当地现代底层住宅设计中，可以巧妙地将深天井引入户型设计中，但应注意周围房间与深天井的平面组织布置，应让相邻房间的门窗开向都朝向天井，能够形成一个室内到室外过渡的气流循环系统，可以改善相邻房间的室内热舒适性，也在文化层面上继承当地传统民居的地域传统。在平面布局设计中，湘西传统民居未注意厨房与厅堂的隔离，造成厅堂温度在烹饪时间有所提高，将厨房加以隔离，可改善室内热环境和卫生环境。

2.2相对湿度

 根据相对湿度实测点的湿度值可以得出（图6），夏季室外相对湿度呈现“日低夜高”的变化，介于74%～99%之间，总体来看，平均相对湿度从室外(93.5%)到卧室(94.1%)、二楼(96.7%)、厅堂(98.2%)、天井底(98.6%)依次升高，室内相对湿度一直保持89%以上的高湿度水平，根据国际标准ASHRAE55-2010 和《室内热环境条件》提供的湿度限制范围，当计算温度高于27℃时，相对湿度不应高于55%，对于湘西地区传统民居而言，夏季室内相对湿度处于非常高的水平，当全天室内温度大部分时间高于27℃时，人体会出现湿热的感觉。因此，在湘西传统民居中，如何利用隔湿防潮技术降低室内相对湿度，改善室内热舒适性，是值得探讨的内容。

  此外，卧室由于采用了架空通风地板的处理，在全天大部分时间内卧室的湿度都低于直接与地面接触的厅堂，尤其在夜间，当室外相对湿度上升到99.9%时，其他房间相对湿度也全部达到99.9%，只有卧室相对湿度能够保持稳定。天井底的湿度一直保持最高，在测试当天由于有下小雨，一直处于潮湿状态，而且天井狭小不受阳光的辐射，加上被动降温作用，天井底温度却最低，处于较阴凉状态。厅堂由于临近天井底，相对湿度随着天井底的变化而波动，相对湿度与天井底相近。在二楼处，由于有部分阳光直射，白天温度较高，通风较好，二楼在白天相对湿度最低(93.8%)，因此，在夏季中二楼是所有房间中最理想的储物和晾晒场所。

 由此可见，传统民居中架空地板与室外保持良好的通风，具有良好的隔湿、防潮的效果，值得现代民居借鉴，现代民居与地面直接接触的底层房间也可通过地板架空与室外相通，保持良好的通风。

2.3自然通风

 方案通过对通风条件较好的民居西侧的天井门、天井、正门三个测试点进行连续测试，期望了解当地传统民居室内自然通风状况。测试采用每隔30 s连续记录风速并观察风向，自然通风测试工况分为三个工况：测试一为开启天井门和正门，测点位置也为两门；测试二为关闭正门，测点位置为天井和天井门，测试一和测试二均在正午高温时刻进行；测试三为开启所有门，测点位置为两门和天井口，在夜间20:00开始进行。假设南风为正，北风为负，天井处由下往上风速为正，由室外往天井底为负，3次实测风速结果如图7所示。

 根据测试一结果得出，正门和天井门都为南风，天井门平均风速为0.48 m/s，正门风速则达到了0.78 m/s；由测试二结果可知，当关闭正门时，天井处风向为由上往下，平均风速为0.15 m/s，天井门处依旧为南风，平均风速为0.4 m/s。结合两者结果可知，白天巷道内的气流通过正门和天井进入住宅，流经厅堂和天井底，然后在天井门处出风，通风方式为风压通风为主，在民居西侧形成良好的自然通风条件。

 根据测试三结果得出，在夜间状况，天井门处平均风速为0.12 m/s，为北风进风状态，正门处仍为南风进风状态，平均风速为0.14 m/s，天井处由白天进风状态变化为0.15 m/s平均风速的出风状态。因此，可以看出在对于具有天井的民居西侧院落空间而言，在夜间的自然通风为热压通风状态，热压通风效果与温度差相关，但夜间室内整体通风效果较差。

 通过民居坐南朝北的房间布局，在白天充分利用当地室外河谷风，在夜间则利用天井的热压通风，高深的天井有着良好的热压通风动力，在民居西侧天井院落空间中能够充分营造出一定的室内通风效果。虽然湘西地区传统民居周边有着尚佳的风环境，但是在东侧卧室由于未考虑自然通风的设计，卧室布局和开窗的不合理布置，导致民居东侧通风效果差。以往研究表明，湿热地区民居在夏季室内风速达到0.3～1 m/s范围内，人们可以感到愉快，根据实测数据显示卧室内风速几乎为0，卧室侧夜间室内自然通风效果与实测温度相一致，卧室侧通风效果弱于厅堂侧，可以尝试通过重新调整房间的平面布局和添加卧室侧房间南北向开窗，使东侧房间与天井和室外能够贯通，可改善东侧房间室内风环境。

2.4表面温度垂直分布

 在7月10日8:00-20:00间，由分布在屋顶、二楼卧室、一楼卧室的表面温度测试结果（图8）可以得出：二楼的热缓冲作用明显，温度随着高度的降低而逐渐降低。屋顶表面温度最高为35.7℃，波动范围为9.4℃；二楼卧室地面最高温度为30.9℃，波动范围为4.9℃；一楼卧室地面最高温度为27.8℃，波动范围为2.7℃。由于二楼的屋顶表面温度直接受到太阳辐射影响，白天二楼温度急剧升高，整个二楼为封闭的轻质薄板结构，虽在夜间这种结构能够利于散热，但在白天则温度升高快。墙面和地面的变化较为相近，但是墙面平均温度比地面要高出1.3℃，一楼墙面由于为木质樘板，蓄热能力较差，地面温度由于与大地连接，相对稳定。但是一楼厅堂平均地面温度要比卧室地面温度低0.6℃，这是因为卧室的架空地板未与大地相连，以及卧室通风效果较差，易受到了空气温度的影响。

 现代建筑中也存在顶层受太阳辐射，夏季温度过高的问题，传统民居中二楼处作为热缓冲层，全天温度都较高，若将二楼全部用作隔热缓冲层，则牺牲掉整一层，可对二楼稍加改造重新利用，湘西地区夏季湿热的气候条件决定此类民居中屋顶构造不宜过分保温隔热，因此应该加强屋顶透气与遮阳，可以考虑增加通风屋顶，更换轻质通风结构等措施，白天作为顶层的第一层热缓冲层，夜间则通过与室外热压通风降低温度来改善顶层热环境，也可将冷负荷较小的次要房间置于顶层，作为第二缓冲层。

2.5表面温度纵向分布

 夏季高温情况下，根据室内外地面测试结果(图9)可知，室外地面温度急剧上升，在正午时，打开天井门，天井地面有部分面积受到太阳辐射，温度也逐渐升高，但未受太阳热辐射的天井地面温度比受日照直射室外地面低将近11 ℃，天井墙体温度一直处于较低稳定状态。一楼开敞厅堂与天井连接，受天井被动降温的作用，全天通风效果良好，这种灰空间因遮阳作用，太阳辐射少，白天地面温度平均温度为25.7℃，天井一楼厅堂墙体与地面相连温度变化一致，但是墙体蓄热能力不足地面，所以略高于地面温度。

 因为午后天井上下温差大，在天井自然通风的作用下，天井墙体水分蒸发带走大量热量，降低了墙体温度，天井处湿度升高，天井墙面温度保持相对稳定。现代建筑设计中，可以借鉴将厚重的蓄热墙体与天井这类灰空间地面相连，在夏季白天受到太阳辐射影响，可以产生强烈的蒸发作用，温度明显比卧室空气温度低2~4℃，可以对室内起到很好的被动降温作用。

3  结论

 1)湘西传统民居通过一系列被动式建筑设计，营造了夏季良好的室内热环境。在夏季高温的白天，窨子屋由厚重的蓄热墙体和内部轻质木墙构成的两套围护结构起到了良好隔热降温的效果。

  2)在夏季风环境较好的白天，湘西传统民居高窄的天井主要为风压通风，在夜间则为热压通风，有着独特的“烟囱效应”，而且天井内的排水、蓄水系统能够调节温湿度，成为热缓冲的灰空间，改善室内热环境，可借鉴到现代底层住宅设计中。湘西传统窨子屋民居中还应加强相邻房间与天井的通风措施，形成了一个室内到室外过渡的气流循环系统。

 3)在湘西湿热的气候条件下，室内相对湿度很高，底层卧室采用架空通风地板的措施达到了一定的隔湿防潮效果，值得现代民居借鉴，但其高湿度的环境仍需隔湿防潮技术才能改善。

 4)有着二楼的传统民居，温度呈垂直梯度分布，二楼能够起到热缓冲层的作用，改善一楼的热舒适性，同时可以考虑增加通风屋顶，更换轻质通风结构等措施加强二楼的通风换气，以改善二楼自身热环境。