徽州傳統(tǒng)民居內(nèi)部日照環(huán)境研究

程 建，黃志甲，魯月紅

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

徽州傳統(tǒng)民居內(nèi)部日照環(huán)境研究

程 建，黃志甲，魯月紅

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

以徽州傳統(tǒng)民居作為研究對象，利用Ecotect軟件對其內(nèi)部的日照時數(shù)和光斑分布以及改變建筑朝向及天井高寬比后廂房內(nèi)的太陽輻射得熱量進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：民居內(nèi)部夏季涼爽的主要原因是超過80%的區(qū)域的日照時數(shù)都小于1 h，同時夏季太陽主要照射在天井底部，增強(qiáng)了天井底部水體的自然蒸發(fā)冷卻和夜晚的自然通風(fēng)；冬季約15%的高日照時數(shù)區(qū)域都位于廂房和廳堂的內(nèi)部，在為居住者提供健康、衛(wèi)生的室內(nèi)環(huán)境的同時減少了廂房的采暖負(fù)荷；建筑朝向正南時，廂房內(nèi)太陽輻射得熱量最大，同時其得熱量隨著天井高寬比的減小而增加；在最佳方案下，太陽能夠在冬季為民居住宅提供約14.7%的冬季采暖需求熱量。

徽州傳統(tǒng)民居；日照時數(shù)；天井高寬比；太陽輻射得熱

建筑日照方面的研究主要集中在兩個方面，即建筑陰影和人體熱舒適性之間的關(guān)系以及從日照間距和陰影方面評價建筑好壞的研究。Martinelli等[1]利用Rayman模型，研究廣場夏季陰影模式和人體熱舒適性之間的關(guān)系，認(rèn)為陰影區(qū)域使人感到更加舒適；Watanabe等[2]對亞熱帶地區(qū)完全暴露在陽光下、建筑陰影下、植物陰影下3種日照狀態(tài)下的人體熱舒適性進(jìn)行研究后也得到了類似的結(jié)論。Savvides等[3]通過模擬研究建筑遮擋下村落街道的天空可視系數(shù)和日照時數(shù)，結(jié)果表明街道兩側(cè)的建筑在夏季提供了陰影，降低了夏季的溫度；宋波等[4]對北京農(nóng)村地區(qū)幾種不同形式合院式傳統(tǒng)民居進(jìn)行了日照模擬，從日照間距和院落陰影兩個方面分析了建筑的優(yōu)劣；李金牛等[5]利用Ecotect軟件對商業(yè)步行街建筑陰影進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果在分析了步行街規(guī)劃合理性的同時驗證了Ecotect模型的準(zhǔn)確性。

徽州傳統(tǒng)民居作為獨特的地域性建筑，民居中的采光、通風(fēng)、納陽均通過天井與外界進(jìn)行交互?，F(xiàn)有研究中對天井采光[6-7]和通風(fēng)[8-10]的研究已經(jīng)比較豐富。在天井的日照方面，張乾等[11]分析了鄂東南天井式建筑的天井高寬比對日照時數(shù)的影響。但徽州傳統(tǒng)民居日照對夏季增強(qiáng)建筑內(nèi)部被動蒸發(fā)冷卻、促進(jìn)自然通風(fēng)，冬季改善室內(nèi)衛(wèi)生條件、降低采暖負(fù)荷原理的研究還有所欠缺。本文以徽州傳統(tǒng)民居為研究對象，著重分析建筑內(nèi)部日照時數(shù)的全年分布規(guī)律，通過改變民居的朝向和天井的相關(guān)參數(shù)，模擬不同建筑朝向和天井高寬比對廂房內(nèi)太陽輻射得熱的影響，從而詮釋徽州傳統(tǒng)民居天井在夏季遮陽和冬季納陽方面的設(shè)計原理。

1 日照環(huán)境模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

空間任一點經(jīng)過太陽光照射后會在地面產(chǎn)生一個投影點，該投影點的坐標(biāo)與太陽位置及空間點的位置有關(guān)。視太陽光線為平行光線，則空間點的投影和太陽高度角、方位角及空間點的位置之間有確定的關(guān)系[12]。太陽高度角、方位角的表達(dá)式：

式中：α為太陽高度角；φ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥龋沪臑樘柍嗑暯?；n為計算日在一年中的序號，如1月1日時，n=1，1≤n≤365；As為太陽方位角；ω為太陽時角；Ts為當(dāng)?shù)卣嫣枙r；L為當(dāng)?shù)氐牡乩斫?jīng)度。

在此基礎(chǔ)上假設(shè)空間點的坐標(biāo)為(x，y，z)，其在承影面上的投影點的坐標(biāo)為(x′，y′，z′)，則投影點的坐標(biāo)可以表示為式(2)，

式中：x，y，z和x′，y′，z′分別為空間坐標(biāo)系中空間點和投影點的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和豎坐標(biāo)；h0為承影面的海拔高度。

在已知建筑物信息的前提下，每隔一段很短的時間Δt就對遮擋物和被遮擋物在承影面上的投影多邊形進(jìn)行判斷，相交賦值為1，不相交賦值為0，則在設(shè)定時間段Tk-Tz內(nèi)承影面上的日照時數(shù)分布可表示為 式(3)，

式中：Ti為承影面上第i個點的累積日照時數(shù)，i=1,2,3,…；Tk為開始判斷的時間；Tz為終止判斷的時間。

1.2 幾何模型

為了能夠定量研究傳統(tǒng)建筑室內(nèi)的日照情況，選擇位于安徽省宣城市涇縣查濟(jì)村的馀慶堂為研究對象，馀慶堂位于30.5°N，118.0°E，海拔 238.3 m。該建筑是典型的一字形天井式建筑，一進(jìn)五開間，坐北朝南。一層主要包括一間廳堂、四間廂房，二層是兩間閣樓，內(nèi)天井處于建筑外墻和房間之間位置(圖1)。

圖1 馀慶堂建筑平面圖Fig.1 Plan views of Yuqingtang

以生態(tài)設(shè)計軟件Ecotect作為模擬工具，在軟件中建立被研究建筑的三維模型(圖2)。Ecotect中需要定義建筑地理位置、幾何尺寸等建筑參數(shù)。

1.3 模型驗證

為了驗證模擬結(jié)果的可靠性，利用實測的太陽光線分布和同一時間模擬的太陽光線分布進(jìn)行對比。圖3為2015年3月12日太陽光線實測圖片與模擬結(jié)果的比較。

圖2 幾何模型示意圖Fig.2 Geometrical model diagram

圖3 廳堂實測和模擬日照情況對比Fig.3 Contrast of field measurement and simulation results for sunlight

隨著太陽由東向西運動，太陽光在地面上形成了一道由西向東運動的亮斑，這一亮斑在中午12:30左右到達(dá)廳堂正中間，在16:00后離開廳堂，對比軟件日照模擬后產(chǎn)生亮斑的運動狀態(tài)可以看出，實測和模擬在亮斑的位置和寬度上都具有良好的一致性，因此可以認(rèn)為本文模型是準(zhǔn)確可用的。

1.4 建筑內(nèi)部日照模擬

圖4是典型日建筑內(nèi)部水平面上的日照時數(shù)分布，在夏至日這天，由于太陽高度角比較高，太陽都照射在天井的底部區(qū)域，廳堂和廂房均沒有直射陽光進(jìn)入(圖4(a))。民居天井底部一般均有蓄水，白天在太陽輻射的照射下，水體吸收來自輻射和土壤熱量，提高蒸發(fā)面的溫度，從而增加蒸發(fā)面的飽和水汽壓，加快水體的蒸發(fā)。蒸發(fā)時水汽分子帶走的汽化潛熱通過天井釋放到室外，起到了室內(nèi)冷源的作用；另一方面，天井底部的土壤在白天吸收并儲存太陽輻射熱，在夜晚向外釋放熱量，通過對流換熱提高近地面空氣的溫度，與天井上部空氣形成密度差，進(jìn)而促進(jìn)天井的熱壓通風(fēng)，這也是民居夏季室內(nèi)環(huán)境舒適的一個重要原因[13]，此時，天井更多的是起到遮陽的作用。另外，整個建筑內(nèi)部超過80%區(qū)域的日照時數(shù)均在1 h以下(表1)，有效減少建筑內(nèi)部的夏季得熱，尤其是廂房區(qū)域的空調(diào)負(fù)荷。

圖4 典型日室內(nèi)日照時數(shù)分布Fig.4 Sunlight hour mapping of indoors for typical daily

從夏至日到大寒日，隨著太陽高度角的降低，太陽照射的位置逐漸由天井底部向廳堂和廂房內(nèi)部遷移，在冬至日這天，太陽高度角最低，到達(dá)廂房里面(圖4(b)，(c))。由于天井南墻和屋檐檐口的限制，建筑內(nèi)的日照光斑呈現(xiàn)出帶狀分布，從整個建筑內(nèi)部的日照時數(shù)比例分布上可以看出，冬至日和夏至日超過80%的區(qū)域日照時數(shù)也都在1 h以下，但主要的高日照時數(shù)區(qū)域都位于建筑的廂房和廳堂的內(nèi)部(表1)，約占整個區(qū)域的15%，通過太陽光的照射，在為居住者提供健康、衛(wèi)生室內(nèi)環(huán)境的同時可以減少廂房冬季的采暖負(fù)荷。

表1 日照時數(shù)分布比例Tab.1 Sunlight hour plots

從3個典型日工況的模擬中可以看出，和一般現(xiàn)代建筑考察外立面窗戶底層高度處日照時間的要求不同，徽州傳統(tǒng)民居應(yīng)當(dāng)主要考察建筑內(nèi)部的日照時數(shù)和光斑的分布；民居內(nèi)部的日照分布由于天井南側(cè)外墻和屋檐檐口的影響，呈現(xiàn)出帶狀的分布；并且隨著時間的推移，在夏季到達(dá)天井底部，有利于天井的自然通風(fēng)和被動蒸發(fā)冷卻帶走熱量，減少了太陽光對廂房的直射，降低了廂房的得熱。在冬季到達(dá)廂房內(nèi)部，增加了廂房的得熱，降低了冬季的采暖負(fù)荷，這也是天井夏季遮陽和冬季納陽的本質(zhì)所在。

2 天井對獲取太陽輻射的影響

2.1 天井方案設(shè)計

在傳統(tǒng)民居的調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)不同建筑的天井位置和高寬比有很大的不同，而高寬比是影響建筑內(nèi)部環(huán)境的一個重要因素[14]。所以，在本文中通過在原有的基礎(chǔ)之上改變被研究建筑的朝向和天井的高寬比(表2)，對西廂2的冬季和夏季的太陽輻射得熱進(jìn)行模擬，觀察并研究其對廂房在夏季和冬季獲得太陽輻射能力的影響。為了完整全面的對朝向和寬高比進(jìn)行研究，模擬方案按照影響因素之間的組合進(jìn)行全面實驗。

2.2 模擬結(jié)果及分析

利用Ecotect軟件模擬西廂2在不同方案下夏季(6月1日—8月31日)和冬季(12月1日—2月28日)獲得的太陽輻射熱(圖5)。為了便于觀察對比，采用相同比例尺的三維坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的橫軸表示天井的高度，縱軸表示天井的寬度，兩者之間的組合表示各種模擬方案，豎軸表示西廂2獲得的總太陽輻射得熱量。圖中的灰度和豎軸的數(shù)據(jù)對應(yīng)，越偏向于白色表示該方案下廂房獲得的太陽輻射的熱量越大，反之，顏色越偏向黑色表明接受的太陽輻射量越小。

表2 水平因素表Tab.2 Table of factor level

圖5 不同方案下廂房太陽輻射得熱Fig.5 Solar radiation heat gain in wing-room of different schemes

由圖5可知：不同天井方案下，西廂2在夏季整個季度獲取的太陽輻射總量大體一致，其數(shù)值介于100～140 kW·h之間（圖5(a)，(c)，(e)），這主要是由于夏季太陽高度角比較高，在天井南外墻和建筑挑檐的遮擋下，太陽光線均照射在天井底部，此時西廂2獲得的均為散射輻射，所以出現(xiàn)了這樣一種特征。

建筑朝向為南偏東30°時，沿橫軸平行方向表示這三組數(shù)據(jù)的天井高度一致，此時隨著天井的寬度從300 mm增加到2 100 mm，高寬比逐漸減小，西廂2獲得的太陽輻射量也在逐漸增加；沿縱軸平行方向表示這三組數(shù)據(jù)的天井的寬度一致，此時西廂2獲得的太陽輻射量也在隨著天井的高度從5 900 mm減小到3 200 mm，高寬比逐漸減小而逐漸增加(圖5(b))。隨著天井高寬比從20.0減小到2.7，西廂2獲得的太陽輻射得熱量從55 kW·h增加到352 kW·h(圖5(b))。在建筑朝向為正南和南偏西30°時，也出現(xiàn)了太陽輻射得熱量隨天井高寬比減小而增加的規(guī)律。

正南朝向的建筑西廂2冬季獲得的太陽輻射得熱量從56 kW·h增加到498 kW·h(圖5(d))，而南偏西30°的建筑從53 kW·h增加到422 kW·h（圖5(f)）。在不同朝向的對比中可以發(fā)現(xiàn)，正南建筑廂房冬季太陽輻射得熱量最大，達(dá)到498 kW·h，其次是南偏西30°的建筑，達(dá)到422 kW·h，最后是南偏東30°的建筑，為352 kW·h。夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑臥室冬季的采暖需求約為95 W/m2[15]，在采用最大獲取量的設(shè)計方案下，即建筑朝向為正南，天井寬度為2 100 mm，天井高度為3 200 mm的方案，整個冬季可以通過太陽獲得498 kW·h的太陽輻射得熱量，平均下來廂房在冬季能獲得的輻射得熱量為14 W/m2，約占整個冬季采暖需求的14.7%。

3 結(jié) 論

1)徽州傳統(tǒng)民居內(nèi)部日照分布由于天井南側(cè)外墻和屋檐檐口的影響，地上的太陽光斑呈現(xiàn)出帶狀的分布；并且隨著時間的推移，太陽光線夏季到達(dá)天井底部，增加了水體的被動蒸發(fā)冷卻和天井夜間的自然通風(fēng)，冬季到達(dá)廂房和廳堂內(nèi)部，在起到殺菌、消毒作用的同時降低了冬季的采暖能耗。

2)在日照時數(shù)的分布上，夏季和冬季建筑內(nèi)超過80%區(qū)域的日照時數(shù)都在1 h以下，但夏季高于1 h日照時數(shù)的區(qū)域主要集中在天井區(qū)域，占整個區(qū)域面積的18%左右，冬季主要集中在廂房和廳堂區(qū)域，面積約占整個區(qū)域的15%。

3)建筑內(nèi)廂房在夏季主要獲得的是散射太陽輻射熱，其數(shù)值介于100～140 kW·h之間，冬季獲得太陽輻射得熱量的大小隨著天井高寬比的減小而增加；在不同朝向上，也是正南朝向建筑的得熱量最大，南偏西建筑的次之，南偏東的建筑最小；采用最大獲取量的設(shè)計方案時能夠為農(nóng)村住宅房間提供14.7%的冬季采暖需求熱量。

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責(zé)任編輯：丁吉海

Simulation andAnalysis of Insolation Environment in Huizhou Traditional Dwelling

CHENG Jian,HUANG Zhijia,LU Yuehong
(School of Civil Engineering andArchitecture,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243032,China)

Aims to analyzing indoor sunlight distribution and solar radiation heat gain of wing-room in Huizhou traditional dwelling,and with Ecotect software,the effects of building orientation and depth-width ratio of dooryard on the solar radiation heat gain of wing-room were simulated and compared.Results show that the sunlight hours are less than 1 h for more than 80%of indoor areas,and the sunlight can enhance passive evaporative cooling of water under the dooryard which enhances indoor natural ventilation during the night.These are the main reasons for the cool interior of traditional dwellings during the summer.In winter,15%of hight sunlight hours region is mainly located in the wing-room and living-room,which reduces the room heating load and provides a heathy as well as hygienic indoor environment.It is also demonstrated that the solar radiation heat gain of the wing-room can achieve the maximum when the building is facing towards South.And the solar radiation heat gain will be enhanced by increasing the depth-width ratio of dooryard.Under an optimal building orientation and dooryard size,approximately 14.7%of building heating demand can be satisfied by the solar radiation heat gain in winter.

Huizhou traditional dwelling;sunlight hours;dooryard depth-width ratio;solar radiation heat gain

TU 113.4

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.04.008

1671-7872(2016)04-0349-05

2016-04-22

國家自然科學(xué)基金項目(51478001)；安徽省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410360234)；校級研究生創(chuàng)新研究基金(2014067)

程建(1995-)，男，安徽合肥人，研究生，研究方向為建筑節(jié)能。

黃志甲(1963-)，男，安徽安慶人，博士，教授,研究方向為建筑節(jié)能。