太阳能烟囱集成于传统天井民居：一种气候适应性改造设计方法

《Buildings》：Integrating a Solar Chimney into a Traditional Skywell Dwelling: A New Climate-Adaptive Retrofit Design Approach

　　

传统天井民居体现了气候响应型被动式设计，但在低风速夏季条件下仍可能湿热难耐，需在保留其空间组织的前提下进行被动通风改造。天井性能与构件级太阳能烟囱研究相对充分，但二者在传统多房间民居中的直接集成仍处于早期阶段。研究人员针对中国松阳一座传统夯土民居，提出将太阳能烟囱与既有天井集成的气候适应性改造设计方法。现场监测显示五个室内测点平均相对湿度均超90%。采用EnergyPlus气流网络（Airflow Network，AFN）模型以四间客房逐时温度校准，RMSE为0.33–0.91 ℃，84.8%预测值落在±1 ℃内。校准模型用于对比基线与该改造在选定72 h高温段及全夏季的表现，2000组参数研究保留72 h窗口。选定时段内，改造使432组配对逐时比较的运行温度（operative temperature）全部降低，平均降1.73 ℃；全夏季13248组比较中94.7%降温，平均降1.67 ℃，自适应舒适带内小时数由33.9%升至52.0%。一层厅降温最大，二层房间对竖向烟囱几何更敏感。烟囱总高与出口开口高度联合占随机森林特征重要性85.19–95.09%；集热器玻璃参数在天井—烟囱区影响更显著。结论支持优先保障气流连续性与竖向排气几何、后调集热玻璃的设计层级，为保留天井民居空间组织的太阳能烟囱改造提供量化依据。

研究背景方面，气候变化导致热浪频次与强度上升，机械制冷依赖加剧建筑能耗与排放，既有建筑存量亟需在不锁定高冷负荷前提下降低热暴露的策略。传统天井民居作为中国南方典型乡土类型，依托紧凑平面、深檐、高质量围护与窄竖向开口实现夏季热缓冲与日间采光通风，但其被动性能在老化织物、开口劣化、低风速高湿夏季及舒适预期提升下被削弱；过度干预会破坏空间关系与风貌，干预不足则难适应当代使用。构件级太阳能烟囱（solar chimney）机理成熟，但既有研究多面向新建或多区简化建筑，未解决其与既有天井在多房间民居中的集成方式、各连通房间热舒适分配及历史外观约束下的协调问题。为此研究人员以浙江丽水松阳县松庄村一座两层的夯土—木构天井民居（主体255.3 m2中聚焦含天井主体）为对象，开展“天井即集热腔、上端接竖向烟囱”的改造路径研究，具有衔接乡土环境设计、多区太阳能烟囱与遗产敏感被动改造的早期交叉意义。论文发表于《Buildings》。

关键技术方法上，研究人员分三阶段推进：先通过图纸、测绘与2025年7月26–28日无人占用自然通风现场监测（COS-03温湿记录仪，5室内点+1室外点）获取改造前温湿基准，并用浙江衢县CSWD典型年EPW文件作气候边界；继而用Honeybee 1.8.0+Rhinoceros/Grasshopper转译六区EnergyPlus 23.2.0 AFN模型，天空井按室外空间处理，以四间客房逐时干球温度校准灰瓦厚度（6–10 mm）与夯土导热系数（1.0–1.6 W/(m·K)）35组组合，并对比太阳辐射缩放0.20与0.30，取RMSE最低集；最后在基线六区外增设第七区（封闭天井+聚碳酸酯顶板+竖向烟囱），于72 h高温段（26–28 July）与全夏（1 June–31 August）做配对比较，并在72 h窗内跑2000组五变量（腔深、总高、出口高、集热窗墙比WWR、集热玻璃太阳得热系数SHGC）参数矩阵，以Pearson相关、随机森林特征重要性（100树）与OLS斜率分析变量影响。

研究结果部分，预改造条件与模型校准小节指出，60 h监测室内均温25.45–26.18 ℃，最高低于室外1.1 ℃，但五点平均相对湿度91.1–98.4%（天井近饱和），印证热缓冲与高湿并存；校准取辐射缩放0.20，四室RMSE 0.33–0.91 ℃，Pearson r 0.794–0.968，84.8%小时差≤±1 ℃，模型可信。太阳能烟囱改造热性能小节显示，72 h内六室432对逐时运行温度全降，均降1.73 ℃，一层厅均降3.10 ℃（最大5.60 ℃）最显著，二层侧室均降约1.1–1.2 ℃；全夏13248对中94.7%降温、均降1.67 ℃（6月弱、7–8月近连续），偶发升温≤0.63 ℃。自适应舒适小节表明，72 h内六室舒适带小时率由15.5%升至38.4%，一层厅达100%；全夏由33.9%升至52.0%，若假定人员区风速0.6/0.9/1.2 m/s可进一步升至67.2%/77.0%/81.1%。设计变量影响小节中，Pearson相关显示总高H_ch（r=?0.645~?0.786）与出口高H_out（r=?0.344~?0.608）对六室均温负相关性最强，腔深近零，WWR与SHGC弱正；随机森林中H_ch占47.85–63.25%、H_out占21.94–46.27%，合计85.19–95.09%，而天井—烟囱区则为WWR（36.10%）与SHGC（29.09%）主导；OLS斜率证实H_ch每增1 m二层降0.424–0.527 ℃、一层降0.132–0.202 ℃，H_out每增1 m二层降0.559–0.793 ℃、一层降0.147–0.170 ℃，二层对竖向几何更敏感。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出改造前民居虽缓室外短时波动（室内最高低于室外1.1 ℃、五点均温差0.73 ℃），但平均相对湿度全域超90%，热缓冲与高湿共存，需强化换气而不破空间体系；同气象与操作条件下改造在选定高温段432对比较全降（均1.73 ℃），全夏94.7%小时降温（均1.67 ℃），自适应舒适带由33.9%升至52.0%，一层厅增益最大、二层房对竖向烟囱几何更敏，与He等现场指出太阳辐射/室内外温差/入口尺寸驱动烟囱气流及Ardila等单空间ASHRAE 55改进相承。参数分析中总高与出口高联合解释六室85.19–95.09%响应变异，集热玻璃参数主控天井—烟囱集热区，证明设计应优先气流连续与竖向排气几何、后调玻璃。结论为：该天井集成太阳能烟囱改造在保留六室组织与主夯土—木构织物下，于低风高湿夏季提供可量化被动降温（全夏均1.67 ℃、舒适小时+18.1 pt），提出“先竖向排气几何后集热面”的序列设计层级，为传统天井民居遗产敏感改造提供现场校准AFN与2000组参数循证基础。