楊真靜

合院民居是我國傳統(tǒng)建筑類型中分布最廣、最具影響力的組織形式之一，蘊含了樸素的生態(tài)營建智慧[1]。由于其特殊的平面形制，多發(fā)源于東部平原地帶[2]，通過明清時期的移民運動傳到了貴州。貴州多山地，衍生出大量具有地域特色的山地合院民居。鎮(zhèn)遠古城是貴州省歷史文化名城，其民居形式來源于徽式民居，是山地合院民居的典型代表[3]。

目前已有大量研究探討東部平原地區(qū)的合院民居生態(tài)經(jīng)驗，如對影響庭院風環(huán)境的四合院最佳寬長高比及室溫差異的研究[4]；對安徽省涇縣查濟村徽派民居，在夏季室外溫度較高的情況下，是否仍具有良好室內(nèi)熱舒適環(huán)境的研究[5]。這些研究有利于人們了解合院民居的氣候適應(yīng)能力，從中提取經(jīng)驗以指導(dǎo)現(xiàn)代建筑設(shè)計。東部平原地區(qū)也存在少量山地合院民居，部分學(xué)者對其進行了研究，如通過對北京爨底古村下的典型民居實測與模擬，研究山地合院民居生態(tài)代價及生態(tài)適應(yīng)效率[6-7]。

現(xiàn)有研究多聚焦原鄉(xiāng)的合院民居，對貴州合院民居的研究是對這一類型民居的補充。當平原的合院來到貴州山地，其建筑形態(tài)為適應(yīng)貴州的氣候特征發(fā)生了變化，但目前缺乏對這一適應(yīng)性變化的研究。這一研究將有助于更全面地了解山地合院民居蘊含的綠色營建理念，從中提取山地高差處理方式，以此豐富山地民居適地設(shè)計研究策略，為現(xiàn)代山地既有建筑和新建建筑的綠色設(shè)計提供參照。

本研究以貴州鎮(zhèn)遠典型山地合院民居傅家大院為研究對象，在夏季典型日對室內(nèi)熱環(huán)境進行實測，分析其室內(nèi)熱環(huán)境，探究貴州山地高差在夏季對民居室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

1 移民運動影響下貴州合院的山地特色

貴州鎮(zhèn)遠古城是典型的移民城市，移民帶來的合院民居與當?shù)氐拿缂业跄_樓相融合，形成了獨特的山地合院民居。受貴州山地影響，民居在建筑形態(tài)上進行了優(yōu)化。建筑平面上，仍為以庭院為中心的合院形式，不再追求坐北朝南和對稱布局，而是依據(jù)地形、道路走向、風水等設(shè)計入口位置和空間布局。建筑剖面上，以盡可能少地改變山地環(huán)境為原則，通過在不同的高度上平整出各個平臺以建設(shè)不同的院落，解決了高差的問題[8]。這種逐級而上的方式，也帶來了更好的采光和日照，加強了室內(nèi)外通風（圖1）。

1 鎮(zhèn)遠山地合院民居微氣候示意

鎮(zhèn)遠古城背靠石屏山，舞陽河從谷底穿過[9]（圖2），地勢南北高、中間低，河谷縱橫，山巒重疊。屬亞熱帶季風濕潤氣候，冬季無寒，夏無涼，日照少，雨量充沛。建筑熱工設(shè)計分區(qū)屬夏熱冬冷IIIC區(qū)，應(yīng)滿足保溫、隔熱的設(shè)計要求，強調(diào)自然通風、遮陽設(shè)計[10]。

研究選取兩進式合院民居傅家大院為研究對象（圖3），該民居為百年前江西商人傅氏移民至鎮(zhèn)遠所建家宅，現(xiàn)由傅氏兩位老人居住。整座建筑依山而建、坐北朝南。兩進院落沿地形依次抬高，分別落于三個臺地，前院抬高1.6m，后院抬高1.2m，建筑內(nèi)部高差共2.8m（圖4）。建筑外墻由8m高、400mm厚的石砌馬頭墻圍合，內(nèi)墻為全杉木結(jié)構(gòu)。

研究采取實測和軟件模擬相結(jié)合的方法：首先測量典型民居主要熱環(huán)境參數(shù)，統(tǒng)計位于不同標高院落的熱環(huán)境分布；進而基于經(jīng)過實測數(shù)據(jù)驗證的模型，模擬山地高差對傳統(tǒng)民居夏季室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

測試方法參照《建筑熱環(huán)境測試方法標準》（JGJ/ T347-2014）[11]制定。2021年7月15日17:00至7月18日10:00（共4日），對傅家大院室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)進行測試。由于四合院左右對稱，主要測試點布置于左側(cè)和中軸線，包括位于一進的書房和二進的主臥、后房以及位于中軸的堂屋和前后院。測量參數(shù)主要包含室外溫濕度、風速，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外壁面溫度以及房間內(nèi)部空氣溫度、濕度、地面溫度、黑球溫度。主要使用儀器見表1，詳細測點位置見圖4，測試間隔為每10min自動記錄一次。軟件模擬設(shè)置了3種高差變化工況，采用COMSOL Multiphysics軟件模擬民居室內(nèi)外風場，以及Design Builder軟件模擬民居室內(nèi)外溫度場。

2 測試結(jié)果

2.1 室外氣象

測試期間高溫多雨，據(jù)當?shù)鼐用穹从?，測試期間的室外天氣符合當?shù)氐牡湫蜌庀筇卣?。其中?5日、17日為晴天；16日夜間有雨（圖5），氣溫降低約1℃，濕度急劇上升達到飽和；17日早上轉(zhuǎn)晴，氣溫逐漸升高，相對濕度明顯下降。3天平均太陽輻射量為179W/m2，最高值達923W/m2。測試期間溫度相對穩(wěn)定，室外最高氣溫為40℃，最低氣溫為23℃，平均氣溫為28.5℃。

2.2 室內(nèi)熱環(huán)境分析

研究對室外、堂屋、主臥室、書房溫度的逐時變化進行測試（圖6），其中室外溫度變化幅度最大，為17.5℃；室內(nèi)溫度較為穩(wěn)定，受室外溫度變化影響較小。對比各房間低于28℃的時長占比，堂屋比值最大，為47.2%；對比各房間平均溫度，堂屋溫度最低，為26.6℃。分析認為，由于堂屋兩邊開敞，連接前后院，形成穿堂風，所以平均溫度較低，更為舒適。對比位于一進的書房和二進的主臥，二者平均溫度均為27.0℃；對比低于28℃的時長占比，主臥為33.3%，大于一進書房的29.2%，主臥舒適度略高于書房。

后院抬高1.2m，導(dǎo)致主臥室北墻靠山。為探究依靠山體這一因素對室內(nèi)溫度的影響，將該房間依靠山體的北墻和不依靠山體南墻的壁面溫度與室內(nèi)空氣溫度（圖7）進行比較，發(fā)現(xiàn)南墻的壁面溫度與室內(nèi)空氣溫度相近，但北墻壁面溫度明顯低于室內(nèi)空氣溫度，最大差值達3.5℃，全天吸收室內(nèi)熱量，可見后院高差引起的依靠山體這一因素具有明顯的冷源作用。

2.3 庭院熱環(huán)境分析

2 鎮(zhèn)遠古鎮(zhèn)剖面圖

3 實測民居建筑風貌

4 傅家大院平剖面及測點位置

前后兩院分別有1.6m和1.2m的高差，對比發(fā)現(xiàn)，前后院夜間溫度接近，但日間溫度后院明顯低于前院（圖8）。以16日為例，在12:00-16:00時段最熱，最高溫差達3.1℃。比較庭院太陽輻射與室外風速（圖9），風速與輻射量表現(xiàn)出明顯相關(guān)性，太陽輻射量與室外風速在同一時間點達到最大值，與山地脊谷風的規(guī)律[12]相符。比較室外風速與前后院風速，前院風速明顯大于后院，后院平均風速為0.11m/s，基本處于微風或無風狀態(tài)。

表1 儀器參數(shù)表

綜合來看，前后院風速差與溫差變化在時間上具有同步性，在室外溫度達到最高時，風速越大，室內(nèi)溫度越高；室外溫度越高，風速差帶來的降溫效果越明顯。比較前后庭院空間形態(tài)，前院開敞，后院相對封閉，后院熱環(huán)境優(yōu)于前院，可能的原因為接收的太陽輻射較少或前后院高差帶來的風速影響，但準確原因還需進一步探究。

3 模擬分析

按照研究對象建立模型，采用3種對比方式，6種工況，分別改變前院高差、后院高差和抬高級數(shù)（表2）。針對上述6種工況，分別通過COMSOL Multiphysics軟件模擬風場和Design Builder軟件模擬熱環(huán)境。

3.1 風場模擬

選用湍流k—ε(spf)穩(wěn)態(tài)方程模擬計算，根據(jù)典型年氣象數(shù)據(jù)，模擬風向確定為南風，夏季風速取最大風速均值V=1.5m/s，室內(nèi)墻體為無滑移速度、絕熱邊界。將3種對比工況進行模擬計算，依據(jù)建筑中軸線1-1剖面，分析風速場分布（表3）。研究發(fā)現(xiàn)：1）隨著前院高差的增大，前院風速逐漸降低，最大風速從1.01m/s降至0.87m/s，后院風速變化不明顯，難以在堂屋形成穿堂風；2）改變臺階級數(shù)后發(fā)現(xiàn)，2級抬高的情況下，堂屋內(nèi)部形成穿堂風，最大風速達1.05m/s，后院風速也隨之增大，最大風速達0.61m/s；3）改變后院高差，前院、堂屋、后院風速變化均不明顯，后院高差對建筑內(nèi)部風環(huán)境影響不大。

3.2 熱模擬

將測試的氣象參數(shù)和圍護結(jié)構(gòu)熱物性參數(shù)[13-14]作為已知條件（表4），模擬分析上述3種高差的變化對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。人員密度和活動時間見表5，室內(nèi)通風方式為自然通風。將實測2021年7月16日至7月18日（共3天）的氣象數(shù)據(jù)（干球溫度、露點溫度、濕度、風速、太陽輻射）寫入典型氣象年epw天氣文件，對比主臥7月17日模擬溫度與實測溫度（圖10）。所得結(jié)果在趨勢上一致，最大差值為1.0℃，最小差值為0.1℃，平均值相差0.3℃，方差為0.1，擬合效果較好，證明該建模方法與參數(shù)設(shè)置可行。

表2 三種模擬工況設(shè)定明細

表3 剖面風速場分布

5 室外逐時氣象數(shù)據(jù)

6 室內(nèi)外溫度變化箱型圖

7 壁面溫度比較

8 庭院逐時溫度曲線

9 太陽輻射和庭院風速逐時曲線

10 模擬驗證溫度曲線

采用典型氣象年epw天氣文件，模擬7月溫度變化，對比1-1剖面4個空間平均空氣溫度（表6）。研究發(fā)現(xiàn)：1）隨著前院高差增加，前院平均溫度降低0.9℃，堂屋平均溫度變化不大，但波幅減小，日溫差降低3.8℃，后院和后屋溫度變化不明顯；2）抬高2級和抬高1級相比，后屋日溫差變化最大，降低2.5℃；3）隨著后院高差增加，前院溫度變化不明顯，后院平均溫度變化最明顯，降低0.6℃，日溫差降低1.9℃。堂屋和后屋平均溫度變化不大，但日溫差分別降低了5.7℃和2.6℃。

對比3種工況主臥的平均溫度（圖11），前院高差對主臥溫度幾乎無影響，后院高差對依靠山體的主臥溫度影響最大，后院高差越大，主臥溫度降低越多。在原模型基礎(chǔ)上，改變后院高差分別為0m、0.6m、1.2m、1.8m、2.6m，模擬主臥7月平均溫度，得到回歸曲線（圖12），主臥溫度和后院高差為強負相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為—0.94，線性回歸系數(shù)為—0.34。

3.3 山地高差對合院熱環(huán)境影響機理分析

鎮(zhèn)遠合院式民居依山傍水，夏季白天山谷風盛行[14]，風在白天從河邊山谷吹向山坡，風速較高，風溫較低。涼風從大門和二層閣樓進入前院，遇到前院1.6m高差后，風速降低，向內(nèi)回流，在前院形成蝸旋風場（圖13）。前后院都有高差的情況下，更易形成堂屋穿堂風并吹入后院，風速逐漸減小。風在后院遇到1.2m高差，形成風速極低的回流風場。

11 主臥溫度變化統(tǒng)計圖

12 后院高差和主臥溫度回歸分析

表4 圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)置

表5 人員作息模式和活動時間

表6 剖面平均空氣溫度箱型圖

山地高差對合院熱環(huán)境影響示意

溫度方面，后院溫度變化主要受山體冷輻射影響。后院背靠山體，均為石砌墻，蓄熱能力強，熱容量大，白天升溫慢，溫度較低，對靠山的主臥產(chǎn)生冷輻射。后院高差和主臥溫度呈強負相關(guān)，后院高差越大，主臥平均溫度越低。

綜合風場和熱模擬情況，前院高差雖然降低了前院風速，但在前院形成了回流風場，風在前院停留時間更久，前院平均溫度略有降低。后院高差未使后院風速增大，其平均溫度降低的主要原因為依靠山體造成的冷輻射。前院風速大于后院而溫度高于后院，可能的原因為前院開敞，后院相對封閉，前院受到較多太陽輻射。當前后院有兩級高差時，堂屋有穿堂風，但堂屋外表面受到太陽輻射的面積也隨之增大，因此平均溫度無明顯下降，但日溫差降低，熱穩(wěn)定性升高。

綜上所述，山地高差促使鎮(zhèn)遠合院民居利用山谷風，增強堂屋的穿堂風，山體穩(wěn)定的熱工性能提升了前后院的熱穩(wěn)定性，且山體的冷輻射對依靠山體的房間降溫效果明顯，在不借助主動設(shè)備調(diào)控的情況下，更利于營造較舒適的夏季室內(nèi)熱環(huán)境。

4 結(jié)論

通過對鎮(zhèn)遠山地合院民居夏季室內(nèi)熱環(huán)境的實測和模擬，得到以下結(jié)論。

（1）鎮(zhèn)遠山地合院民居受地形高差影響，形成前后院逐級而上的布局，前院風速、溫度均高于后院，室內(nèi)熱環(huán)境較舒適。

（2）前院高差降低了前院風速，但在前院形成回流風場；后院高差對后院風環(huán)境無明顯影響；前后院均有高差的情況下，通風效果最佳，此時風更易進入室內(nèi)，在堂屋形成穿堂風，后院風速相對增大。

（3）山體穩(wěn)定的熱工性能提升了前后院的熱穩(wěn)定性。模擬得出：前院高差增加至2.8m，前院平均溫度降低0.9℃，日溫差降低3.8℃；后院高差增加至2.6m，后院平均溫度降低0.6℃，日溫差降低1.9℃。山體對室內(nèi)溫度的影響主要針對依靠山體的主臥，其平均溫度和后院高差為強負相關(guān)，線性回歸系數(shù)為—0.34。

圖片來源

1,2,4-13作者自繪

3作者自攝

表格來源

1-6 作者自繪