《Buildings》：Environmental Analysis of Traditional House with Patios in Hot Summer and Warm Winter Zone of Southern China
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本文通过实测与模拟（CFD/EcoTECT）分析了福建吴氏大宅多天井设计对微气候的调控作用。研究表明，天井能有效缓冲室外气候（室内外温差达5.4°C），其合理的深宽比（≥0.06）可优化自然通风（风速0.25-0.75 m/s）与采光，并提升自适应热舒适（APMV 0-1.41），实现26.2%的节能率，为现代建筑生态设计提供了传统智慧借鉴。
1. 引言
1.1. 国内外研究现状
天井在中国传统建筑设计中占据重要地位，是传统文化与建筑设计有机结合的典型载体。合理应用天井是实现人、建筑与自然和谐共生的关键路径。现有文献证实，天井设计应根据当地气候条件采取差异化策略以实现不同功能效果。在炎热干旱地区，庭院设计能通过交叉通风提供凉爽室内空气；多边形庭院（五边形、六边形）比矩形庭院具有更大的遮阳面积和更好的遮阳性能，其核心目标是通过减少太阳辐射来降低室内温度。在温带地区，庭院应采用“稳定高宽比”设计，高宽比在1.2至1.5之间，以平衡冬季得热和夏季通风。
天井设计的主要功能之一是通过自然通风和遮阳实现被动式冷却。众多学者对带天井庭院的流场进行了研究，证明天井能够冷却建筑、除湿并增强自然通风。空间属性如高宽比、朝向、门窗开启形式等对温度、风速、热舒适等均有影响。利用两个庭院之间的特殊相对位置布局可以激活它们之间的交叉通风，有助于将室内温度维持在合理范围内。天井还能改善庭院采光，但内室采光弱于外室。
天井的另一重要功能是提高室内 occupant 舒适度，降低建筑能耗，延长建筑生命周期。天井可被视为一种“结构不变体”：它们具有空间组织、流线安排和增强室内宜居性等核心特征，能在功能变更和适应性再利用过程中持续保留，对于减少改造对原建筑结构的影响和延长建筑生命周期至关重要。研究表明，庭院能有效改善室内热舒适并降低建筑能耗，带有开放式天井的建筑在低层建筑中表现出更好的能耗性能。
然而，少有研究探讨多天井设计对建筑空间微环境的综合影响。本文以传统多天井建筑为研究对象，分析多天井建筑的室内外热环境条件，探讨天井的合理深宽比，确定多天井设计的自适应舒适水平与节能潜力。
1.2. 研究对象
吴氏大宅建于1815年（乾隆年间），位于福建省福鼎市柏林镇翠郊村，是中国目前保存最完好的四合院民居之一。福鼎地处东南沿海，属亚热带海洋性季风气候，气候温和，雨量适中，冬无严寒，夏无酷暑，春夏雨热同期，秋冬光热充足，降雨丰沛，海洋性季风气候明显。年平均气温19.2摄氏度，年平均降雨量1720.0毫米，年日照时数1634.9小时。
吴氏大宅方位为南偏东30度，宅后为绿色林地丘陵，前后高差约24.6米，宅左群山环绕，宅右邻溪流道路，左右高差约24.4米。该设计考虑了宅院周围的自然环境和地形，体现了当地地理特征的和谐信息。
吴氏大宅呈方形，规整，呈古色古香的风格。天井设计景观分明，房屋功能分配各异。数个天井由二层和单层房屋围合而成。吴氏大宅由天井、院落和住宅组成。有三排平行的天井，将院落融入建筑环境。这些天井通过温和的气流促进人与自然的互动。室内外空间相互依存、互补、相互联系。建筑空间与自然空间交替，巧妙穿插，融为一体。天井可以捕捉阳光、雨水和自然通风。
2. 方法与材料
2.1. 设备与测点
为分析吴氏大宅内外微环境参数的变化，需要使用不同的测试仪器测量空气温度、相对湿度和空气流速。测试于2016年8月9日至11日进行，记录间隔为10分钟。用于模拟的数据涵盖了8月9日至11日期间。包括测量的CO2浓度、每个测量点的风流路径、风速、温度和湿度，以及室外气象参数和照度。
2.2. 室外气象参数
8月9日至11日宅外的气象参数显示，室外气温在25°C至34°C之间变化。直接太阳辐射最大值为650 W/m2。风速在0至22 km/h（6.1 m/s）之间。
2.3. 测量值误差
在上述测量中，基于参考文献，综合分析了测试仪器的测量误差和计算误差。系统误差采用合成法处理，随机误差采用置信水平为95%的t分布法处理。
系统误差公式为： Ba,sys= LC × FS，其中Ba,sys为系统误差，LC为仪器误差，FS为测量仪器量程。
随机误差由下式给出： Ba,ran= tσ′ / √N，其中Ba,ran为随机误差，σ′为采样方差，N为样本量，t为t分布法的临界值，可由样本量和测量置信水平确定。
基于公式，直接测量的总测量误差（Ba）可确定如下： Ba= √(B2a,sys+ B2a,ran)。
然而，基于不确定度传播计算原理，间接测量的总测量误差（BF）可确认如下： BF= √[ (?F/?a?)2B2a?+ (?F/?a?)2B2a?+ ... + (?F/?aN)2B2aN]，其中Ba为直接测量的总测量误差，BF为间接测量的总测量误差，F表示函数关系，a?, a?, …, aN表示直接测量参数。
基于上述计算方法，列出了测量值的误差。
3. 结果与讨论
3.1. 通风效果
该宅院的室内外微气候可通过自然通风进行调节。东南风是主导风向。当大门处风速达到最大值1 m/s时，宅院内风速在0.25 m/s至0.75 m/s之间，处于舒适的生活范围内。根据风速变化，宅院东侧的风速比西侧更稳定。这表明天井设计能有效减少室外风速对室内风速的干扰。
3.2. 热环境
由于吴氏大宅前后高差约1.6米，雨水可通过出水口和排水沟流入宅前水池。由于排水系统的蒸腾作用，宅院前部的相对湿度比后部高20%。
平均温度约为26.7°C。第一排走廊的平均气温比第三排低1°C，这是因为自然通风从水池流向宅院前部可实现冷却效果。
走廊作为缓冲空间，连接室内外环境。室外与室内空气温差约为5.4°C，这是由于建筑的遮阳效果和天井内水系的蒸腾作用。同时，四合院建筑所使用的建筑材料（如青砖、灰瓦、夯土、木材等）的热工性能与季节气候高度契合，有效防止了夏季室内过热。使用空调的现代住宅室内气温可低至21°C。然而，未使用空调的房间室内平均气温接近30°C，比传统住宅自然通风房间高3.7°C。这说明自然通风有助于建筑节能。
3.3. 遮阳与采光
屋顶表面温度约为51.1°C，比室内表面温度高13°C，这是由于建筑的遮阳效果。此外，底层房间温度约为28.9°C。这表明一层的架空地板设计能有效防止冷能传入室内。
3.4. 自适应舒适与节能率
自适应舒适区的结果是基于上述测量的宅内外环境参数计算的。根据《民用建筑室内湿热环境条件评价标准（GB/T 50785-2012）》，APMV计算如下： APMV = PMV / (1 + λ·PMV)，其中APMV为预期自适应预测平均投票，λ为夏热冬暖地区居住建筑的自适应系数（当PMV ≥ 0时，夏季λ取0.21），PMV为预估平均热感觉指数。经计算，APMV范围在0至1.41之间，PPD范围在0.40至0.50之间。这说明50%~60%的人可以接受此居住环境，并感到舒适。
合理的天井设计能有效降低室外气候对微气候和室内环境的直接影响。通过自然通风而非空调实现自适应舒适，不仅能节约能源，还能减少向外部散发热量。与使用3.85 kW空调相比，遮阳和通风的节能率分别约为20%和26.2%。
3.5. 天井深宽比
根据上述物理模型，模拟模型选自参考文献，该模型可以计算不同天井深度条件下的流场。该宅院的建筑围护结构为木材，厚度0.2 m，密度750 kg/m3，导热系数0.4 W/(m·K)。此外，采用结构化三角形网格的子域法对几何空间进行网格划分。网格尺寸设置为0.01 m以获得合适的计算网格；因此，设置网格数为249,600进行计算。边界条件考虑了空气与建筑围护结构之间的热传递。初始条件包括： Tain= 308 K； Taou= 303 K； Tbe= 305 K； vav,air= 0.1 m/s。采用经典的SIMPLE非耦合求解方法计算风速。通过比较模拟结果与实测结果，数学模型的平均相对误差为8.9%，低于10%。该模型可用于流场分析。本研究采用的软件版本为ANSYS 17.0，模拟的所有边界条件均基于现场实测数据。当深宽比从0.30降至0.06时，建筑平面平均风速从0.70 m/s降至0.5 m/s，风向为南偏东30度。这表明具有合理深度的天井设计有利于降温。对于吴氏大宅，天井的深宽比不应小于0.06。
图11a展示了模拟温度与实测温度的对比。测量点8、16、25和34的模拟值大致沿1:1线相对于实测值分布。这表明CFD模型的温度计算结果与实际测量数据偏差极小，证实了该模型适用于工程分析。图11b–d展示了庭院区域的温度云图。庭院中心区域主要为黄绿色，对应温度范围12–15°C，而被建筑围合的边缘区域主要为蓝色，温度范围0–10°C。这形成了“中心暖、周边凉”的梯度分布。值得注意的是，温度场中未观察到局部热点，这意味着气流在庭院空间内实现了均匀的热扩散。这种热性能与“适度气流、自然热交换”的空间功能定位一致。三排平行庭院与建筑的交替布局创造了自然气流通道，有效消除了通风死角，确保了整个空间的热环境均匀。
当吴氏大宅的深宽比分别降至0.30、0.15和0.06时，通过EcoTECT模拟了采光系数，结果如图12所示。当结构保持不变时，采光系数的相对误差小于10%。图12b显示，当天井深宽比降至0.30时，一层采光面积减少8%。图12c显示，当深宽比降至0.15时，一层采光面积减少15%。图12d显示，当深宽比降至0.06时，一层采光面积减少30%。然而，中排房间的采光系数几乎为零。这说明天井深度直接影响房间采光。天井的深宽比不应小于0.06。
高光照强度区域主要集中在庭院的开放空间和建筑围护结构的未封闭部分，包括庭院中心、建筑入口和天井。这些区域不受周围结构遮挡，因此能接收到直射自然光。中等光照区域分布在庭院与建筑的过渡界面，如建筑屋檐和庭院边缘；这些区域被结构部分遮挡，但仍能捕捉到散射自然光。这种空间布局在庭院-建筑系统中形成了光照强度的梯度过渡。低光照区域集中在封闭空间，如建筑内部走廊和庭院阴暗角落，这些区域的光线穿透受到多层建筑障碍物的阻碍。因此，这些区域结构遮阳显著，自然光透射率弱。
作为开放空间元素，庭院充当自然光引入节点，间接将光线引入中等光照区域，减少建筑对人工照明的依赖。建筑围护结构的部分遮阳不仅减轻了过度直射阳光造成的眩光，还通过庭院-建筑界面的渗透性维持了基线采光需求。因此，这种设计在创造舒适光环境和最大化自然光利用之间取得了平衡。此外，三排平行庭院的布局将高照度区域均匀分布在整个宅院中。这种配置防止了局部“照明死角”的形成，并确保大多数内部和半内部空间都能获得自然光。
4. 结论
通过对中国南方福鼎村融合天井的传统民居进行测量与模拟研究，得出以下重要结论：
(1) 夏季，当大门入口处风速高达1 m/s时，该庭院内风速在0.25 m/s至0.75 m/s之间变化，居住舒适。这表明天井设计能有效减少室外风速对室内风速的干扰。
(2) 当室外环境温度高达34.5°C时，天井内平均温度为27°C，室内气温为26.7°C。通过宅前水池的自然通风可实现冷却效果。此外，通风的节能率为26.2%。
(3) 综合考虑自然通风和采光效果，天井的深宽比不应小于0.06。
(4) 通过自适应舒适模型计算，APMV在0至1.41之间变化。阳光、空气、绿化、水等生态要素均配备了相应的建筑系统设计。这些设计可应用于现代建筑设计，并能推广适用于特定区域气候条件的、具有强大调节功能的庭院应用。
基于本研究的局限性和领域发展需求，未来的研究可从两个维度进行深入探索。第一，拓展研究时间维度和气候适应性：当前研究仅覆盖夏季。需要补充冬季和过渡季的测量与模拟，分析庭院在不同季节的功能切换（如冬季利用阳光保温、过渡季增强通风），建立“庭院参数年度动态调节模型”，提升结论的季节适用性。第二，推动传统技术的现代化转译：探索吴氏四合院“庭院调节”原理与现代建筑技术的融合。例如，开发适应庭院通风的新型智能控制系统，以及基于传统水池冷却的低能耗蒸发冷却设备，从而实现传统智慧与现代技术的融合创新，为建筑领域“本土化”理论发展提供新路径。
