传统天井建筑微气候调控机制与节能潜力研究——以福建吴氏大宅为例

《Buildings》：Mechanical Performance of Joints with Bearing Plates in Concrete-Filled Steel Tubular Arch-Supporting Column-Prestressed Steel Reinforced Concrete Beam Structures: Numerical Simulation and Design Methods

本文通过实测与模拟（CFD/EcoTECT）研究南方传统多天井民居的微环境调控性能，揭示天井设计通过自然通风与遮阳有效降低室内温度（温差达5.4℃）、提升热舒适性（APMV为0-1.41），并实现26.2%的节能率，为现代绿色建筑设计提供重要参考。

　　

传统天井建筑微气候调控机制与节能潜力研究——以福建吴氏大宅为例

1. 1.
   引言
   1.1. 国内外研究现状
   天井作为中国传统建筑设计的核心元素，是实现人、建筑与自然和谐共生的关键载体。现有研究表明，天井设计需根据地域气候差异采用差异化策略：在干热地区，多边形天井（如五边形、六边形）比矩形天井具有更好的遮阳性能；在温带地区，天井深宽比宜控制在1.2–1.5以平衡冬季采热与夏季通风。天井的主要功能包括通过自然通风实现被动降温、改善室内光环境、提升热舒适性并降低建筑能耗。然而，现有研究多聚焦于单一天井的影响，对多天井建筑微环境的综合调控机制尚缺乏系统探讨。

1.2. 研究对象

研究以福建省福鼎市翠郊村吴氏大宅（建于1815年）为对象。该建筑位于夏热冬暖气候区，年平均气温19.2℃，采用三排平行天井布局，结合周边山水地形，形成自然通风与遮阳的协同系统。天井深度约1.6 m，通过水体蒸发与建筑材质（青砖、灰瓦）的蓄热特性，调节室内外微气候。

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   方法与材料
   2.1. 设备与测点
   于2016年8月9–11日进行现场实测，采集温度、湿度、风速、照度等参数，测点布置涵盖天井、走廊及室内外空间。使用误差合成方法（系统误差B_a,sys= LC × FS）与t分布法（随机误差B_a,ran= tσ′/√N）确保数据可靠性，总误差控制在工程允许范围内。

2.2. 室外气象参数

室外气温波动范围为25–34℃，最大太阳辐射强度650 W/m²，风速0–6.1 m/s，东南风为主导风向。

2.3. 测量误差分析

通过公式B_a= √(B_a,sys²+ B_a,ran²)计算直接测量误差，间接测量误差则基于不确定度传播律（公式5）进行校准。

1. 3.
   结果与讨论
   3.1. 通风效果
   当入口风速达1 m/s时，天井区域内风速稳定在0.25–0.75 m/s，符合人体舒适范围。建筑东侧风速较西侧更稳定，表明天井布局有效削弱室外风扰，形成均匀流场。

3.2. 热环境

天井水系蒸发使建筑前部湿度较后部高20%。室内平均温度26.7℃，首排走廊温度较第三排低1℃，得益于水体冷却效应。与传统空调房（21℃）相比，自然通风房间温度高3.7℃，但节能效果显著。

3.3. 遮阳与采光

屋顶表面温度达51.1℃，较室内高13℃，天井遮阳效果明显。首层抬高地板设计进一步阻隔冷热传递，维持室内温度稳定在28.9℃。

3.4. 自适应舒适性与节能率

基于GB/T 50785-2012标准计算自适应预测平均投票（APMV），其值范围为0–1.41，预测不满意百分比（PPD）为0.40–0.50，表明50–60% occupants可接受该环境。自然通风替代空调节能率达26.2%，同时减少外部热排放。

3.5. 天井深宽比

通过CFD（ANSYS 17.0）与EcoTECT模拟发现：深宽比从0.30降至0.06时，平均风速由0.70 m/s降至0.5 m/s，采光面积减少8–30%。综合通风与采光需求，深宽比不宜低于0.06，1.6 m为最优天井深度。

1. 4.
   结论
   （1）天井设计将室内风速调控至舒适范围（0.25–0.75 m/s）；
   （2）自然通风与遮阳使室内外温差达5.4℃，节能率26.2%；
   （3）天井深宽比≥0.06可平衡通风与采光需求；
   （4）APMV为0–1.41，证实多天井布局的气候适应性。未来需拓展季节性对比研究，推动传统智慧与现代节能技术融合。