李 娟

合肥學院建筑工程系，安徽 合肥230601

0 引 言

現(xiàn)階段針對徽州傳統(tǒng)民居中天井的建筑美學及構(gòu)造研究已十分成熟，對室內(nèi)熱環(huán)境影響因素的討論也很全面[1-7].但是從建筑物理環(huán)境方向展開天井對室內(nèi)熱環(huán)境貢獻的研究卻非常少.針對室內(nèi)熱環(huán)境的研究方法以測試室內(nèi)溫濕度及風速為主，由于測試結(jié)果包含的影響因子有限，并不能對室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)劣進行充分評價.考慮傳統(tǒng)測試方法的局限性，選用PMV(Predicted Mean Vote)-PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)指標為評價依據(jù)，分析天井對室內(nèi)熱舒適度的調(diào)節(jié)效果.而天井的基本構(gòu)成是產(chǎn)生熱壓通風效應(yīng)的關(guān)鍵：天井口多為建筑屋面圍合而成，是天井系統(tǒng)接受太陽輻射熱的主要構(gòu)件；天井四壁由建筑外墻及面向天井側(cè)的房屋隔斷構(gòu)成；天井底通常由青石條鋪筑而成，下部與地面直接連接或設(shè)排水系統(tǒng)，使天井底部始終保持較低的溫度.天井上下部分形成的自然溫差，結(jié)合建筑平面布置格局，可以顯著提高建筑室內(nèi)的自然通風、調(diào)節(jié)溫濕度.從而在炎熱的夏季改善建筑室內(nèi)熱舒適度，提高居住環(huán)境質(zhì)量.

1 徽州地區(qū)氣候特征

徽州地處北亞熱帶地區(qū)，受地帶性因素影響，氣候呈現(xiàn)濕潤性季風氣候特征，四季分明，年平均氣溫15～16 ℃，冬無嚴寒.年平均降水量1 670 mm，最高達2 700 mm，降水多集中于五月至八月.由于徽州地區(qū)夏季無炎熱，但濕度高風速低，提高其室內(nèi)熱環(huán)境舒適感的有效方式應(yīng)以通風除濕為主.

2 天井的平面形式

結(jié)合建筑平面布局及建筑總體量的大小，天井的平面組合形式多樣.單體建筑中僅有一個天井的平面形式，稱為獨立天井.獨立天井的主要形式可概括為以下兩類：“凹”字形(由三面房屋、一面圍墻圍合而成)和“回”字形(由四面房屋圍合而成).由兩個及以上獨立天井組合形成的平面形式，稱為組合天井.兩個“凹”字形天井背對相接形成類似大寫字母“H”的組合天井；一個“凹”字形天井與一個“回”字形天井的組合，則形成“日”字形[1].

多樣的天井形式不僅營造出豐富的徽州民居建筑空間，獨特的細部構(gòu)造處理，更使天井兼具通風、隔熱、采光、賞景等多重功能，在科學技術(shù)尚不發(fā)達的年代為古徽州居民提供了舒適的居住環(huán)境，彰顯出徽州傳統(tǒng)民居建造者們巧妙的構(gòu)思、嫻熟的技藝以及對生活的熱愛.

3 天井的通風降溫原理

在建筑熱工學中，利用通風使室內(nèi)空氣溫度下降，人體周圍空氣流速增加，提高人體散熱及皮膚表面汗液蒸發(fā)的降溫方式，稱為通風降溫.其中利用自然因素形成的空氣流動，稱為自然通風.徽州傳統(tǒng)民居在建造時，電氣設(shè)備尚未普及，古徽州工匠利用天井空間結(jié)合自然因素，創(chuàng)造出獨特的“煙囪效應(yīng)”，通過空氣熱壓形成自然通風.

“煙囪效應(yīng)”適用于室外風速較小而室內(nèi)外溫差大的情況.徽州地區(qū)夏季室外溫度高、風速低，為熱壓通風降溫提供了良好的自然條件.天井上部開口受太陽直接輻射，溫度高；其底部不受太陽直射，得熱少.天井頂部空氣受熱后密度降低從而向上運動，使底部形成負壓區(qū)，在壓差作用下底部空氣不斷上升，天井四周房屋內(nèi)溫度高的空氣則會源源不斷地涌入天井內(nèi)，對底部空氣進行補充，從而形成自然通風(圖1)[2].熱壓通風效果主要取決于室內(nèi)外空氣溫度差以及上下通風口的高度差，可用空氣熱壓及通風量來衡量.

圖1 熱壓作用形成的自然通風

熱壓的計算公式[2]為：

ΔP=gH(ρe-ρt)≈0.043H(ti-te)

(1)

通風量的計算公式為：

(2)

(3)

4 天井對夏季室內(nèi)熱環(huán)境影響實測

室內(nèi)熱環(huán)境是由溫度、濕度、氣流及皮面輻射等多項因素綜合形成的微氣候，對建筑使用者的生活、工作、健康產(chǎn)生直接的影響.組成室內(nèi)熱環(huán)境的因素眾多，且具有綜合性和相互補償性，很難采用單一指標對室內(nèi)熱環(huán)境進行衡量及評價.丹麥技術(shù)大學的房格爾教授所提出的PMV-PPD評價指標較為全面的反映出室內(nèi)熱環(huán)境各組成因素之間的客觀關(guān)系.國際標注化組織在此基礎(chǔ)上制定出《適中的熱環(huán)境——PMV與PPD指標的確定及熱舒適條件的確定》(IS07730).本次測試即采用該標準對天井影響夏季室內(nèi)熱環(huán)境的效果進行評測.

4.1 測試原理

ISO7730標準對建筑熱環(huán)境進行評價所運用的“PMV-PPD指標” 推薦值為：PMV值在-0.3到+0.3之間，PPD<10%.該指標綜合考慮人體活動程度、衣服熱阻(衣著情況)、空氣溫度、空氣濕度、平均輻射溫度、空氣流動速度6項因素.以滿足人體熱平衡方程為條件，通過主觀感覺試驗確定出的絕大多數(shù)人的冷暖感覺等級(表1).

表1 PMV熱感覺標尺

ISO7730標準中用來描述人體對室內(nèi)熱環(huán)境的熱舒適度主要由以下3種方式：預(yù)計平均投票數(shù)PMV、預(yù)測不滿意百分數(shù)PPD、氣流風險DR(Draught Rating).DR用以描述人體特定部位的熱舒適度.PMV及PPD用以描述整個人體的熱舒適度，是研究建筑室內(nèi)熱環(huán)境的常用方式.該方式綜合考慮影響人體熱感覺6因素之間的耦合關(guān)系，得出PMV計算公式(4)[4].計算結(jié)果對比PMV感覺標尺，對被研究對象的熱環(huán)境優(yōu)劣進行評價.

PMV=(0.303e-0.0365M+0.028){(M-W)-

3.05×10-3×[5733-6.99(M-W)-ρa]-0.42×

[(M-W)-58.15]-1.7×10-5M(5867-ρa)-

0.0014M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4+

4.2 測試點概況及布置

本次測試對象為徽州地區(qū)一棟較為典型的“一屋一井”式民居建筑.該建筑建造于清朝嘉慶年間.建筑平面布局簡單緊湊，立面為大面積實墻上開少量窗洞口，室內(nèi)采用當?shù)禺a(chǎn)杉木作為裝飾隔斷.建筑入口處的“凹”字形天井是整棟建筑的主要通風及采光口.該民居由兩層正室及一層夾層組成：一層為堂屋、臥室及偏廳，圖2(a)；二層為書房、臥室，圖2(b)；夾層層高較矮，用于農(nóng)務(wù)倉儲，圖2(c).

圖2 測試居民平面圖

通過對比相同室外熱環(huán)境及測試條件下，同一棟建筑中距離天井位置不同的兩處房間的PMV數(shù)值，對天井的通風降溫效果進行評價.測試點分別選取靠近天井的一樓堂屋及遠離天井的二樓書房,圖2(a)、圖2(b).

測試時間為七月(徽州地區(qū)最熱月)十五日下午2:00至6:30.當天室外天氣為多云轉(zhuǎn)雷陣雨，微風.全天室外溫度均低于30 ℃(圖3)，屬于夏季的舒適溫度；相對濕度在90%上下浮動，晚間10點左右更是接近100%(圖4).盡管當天室外氣溫不高，但是相對濕度過高，在自然界的微風條件下，空氣中多余的水分無法被及時帶走，易使人產(chǎn)生悶熱潮濕的不舒適感.測試儀器為INNOVA 1221 ，該儀器共有4個輸入模塊及12個測試探頭，在使用備用電池的情況下可連續(xù)工作18 h；最短測量時間間隔為十分之一秒，測試數(shù)據(jù)及計算指數(shù)最終以圖表形式在聯(lián)接計算機后直接導(dǎo)出.本次測試以評價熱舒適度為主，選用的輸入模塊為“舒適度模塊UA1276”，共使用6枚探頭對測試點的人體活動程度、衣服熱阻(衣著情況)、空氣溫度、空氣濕度、平均輻射溫度、空氣流動速度6項因素進行測試和設(shè)定，從而得出測試點PMV值變化情況.

圖3 溫度變化圖

圖4 相對濕度變化圖

圖5 總輻射強度變化圖

4.3 測試結(jié)果分析

一樓堂屋(測點一)的測試時間段為下午2:00至4:00，該時間段的太陽輻射量(圖5)及溫度(圖3)都是當天最高，相對濕度(圖4)也處于較高階段.二樓書房(測點二)的測試時間段為下午4:30至6:30，該時間段的太陽輻射量逐漸降低，溫度也隨之明顯下降，相對濕度為當天最低.單純對比當天氣候因素，測點二的太陽輻射強度、溫度及濕度均顯著低于測點一，按常理推測測點二的熱舒適度應(yīng)高于測點一.但是兩點的PMV值實際測試結(jié)果卻與推測相反：靠近天井處的測點一PMV值維持在2.0，對應(yīng)的熱感覺為“暖”(圖6)遠離天井處的測點二PMV值在2.5上下，對應(yīng)熱感覺介于“暖”、“熱”之間(圖7).實測熱舒適度是測點一明顯高于測點二，充分體現(xiàn)出天井對室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用.天井的“熱壓通風”帶走了室內(nèi)的熱空氣，降低溫度；同時帶走空氣中多余的水分，有效降低相對濕度.由于測試當天太陽的輻射強度不高，導(dǎo)致天井上部溫度沒有明顯升高，天井內(nèi)部上下溫差并未達到理想值.若室外云量少、太陽輻射強度大，天井的“煙囪效應(yīng)”將更加顯著，對室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)效果也更加優(yōu)越.

圖6 測點一PMV值

圖7 測點二PMV值

5 結(jié) 語

對比測試點的環(huán)境溫度及濕度：測試點一的溫度及濕度均顯著高于測試點二，按傳統(tǒng)理論推斷結(jié)果為測試點一的熱環(huán)境較測試點二不舒適.但是選取綜合考慮影響人體熱舒適度六要素的評價指標PMV為測試值，對遠離天井及靠近天井處的房間分別進行測試.結(jié)果顯示測試點一的PMV值較測試點二更為接近舒適值.造成該結(jié)果的最主要原因即測試點一靠近天井，直接受天井的調(diào)節(jié)影響.在環(huán)境溫度高、濕度大且微風的情況下，天井利用熱壓通風原理增大周邊房間的通風，降低室內(nèi)溫濕度，提高室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度.

致 謝

本項目受合肥學院2014年度科研發(fā)展基金支持,合肥工業(yè)大學饒永副教授為本研究提供了設(shè)備支持及理論指導(dǎo)，在此一并致謝.

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