白族传统合院民居立体缓冲空间对室内热环境影响研究＊

2022-04-11杨真静李宇锋熊珂程灿华田雨

建筑技艺 2022年2期

杨真静李宇锋熊珂程灿华田雨

中国云南省大理自治州是白族文化的发祥地，受到中原文化与当地自然环境、人文地理等多重因素的影响，这里逐渐形成了独具特色的白族民居建筑群。大理地区至今保存的汉式白族合院民居是一种中原汉文化与大理本土文化相结合、演化再创造的产物，在白族民居中占有十分重要的地位。

目前对白族传统民居和缓冲空间的研究已经取得一定成果，主要包括文脉起源、营建方法与构造做法、热环境方面，其中对缓冲空间研究尚少。高婧对环洱海白族民居院落类型进行了梳理并对其气候适应性进行探讨；钱肖桦研究了白族民居中的檐廊结构功能，得出缓冲空间对室内环境调节具有重要作用；肖毅强提出“气候空间”的概念，对岭南民居中的“通廊+天井”空间热缓冲作用进行研究；孙超法从太阳和自然通风两方面对缓冲空间设计方法进行研究；肖冰就不同缓冲空间类型对室内外环境空间性能的调控作用进行研究；陈旻对热缓冲空间的建筑节能作用进行了研究。可以看出，对白族民居的缓冲空间研究相对薄弱，多停留在定性分析，缺少量化数据支撑。

本文以大理喜洲古镇典型白族三坊一照壁合院民居为研究对象，对其缓冲空间进行剖析，并提出民居的“立体缓冲空间”的概念，即在水平与竖直方向缓冲空间联合作用下，对室内热环境产生影响。

1 地理气候对建筑的影响

1.1 地理气候特点

大理自治州位于云南省西部，地处云贵高原和横断山脉的结合部位，境内山地占70%，水域和坝区各占15%，地势西北高、东南低，地貌复杂多样。喜洲古镇位于大理古城以北18km处，东邻洱海，西枕苍山，是重要的白族聚居区，这里保留着最多、最好的白族民居建筑群。大理在低纬度和高原地形的共同作用下形成了低纬度高原季风气候，四季不分明，全年温差不大，平均气温在12～18℃之间；日温差较大，太阳辐射强列，6月最热，1月最冷；干湿季分明，每年5—10月为雨季；地貌复杂，海拔高差悬殊，气候垂直差异显著。

1.2 气候对建筑的影响

大理在气候分区中属于温和地区，一般认为这里四季如春，气候适宜，建筑无需过多处理就可实现舒适宜居的室内环境。但实际上，独特的气候对建筑仍有不利影响，具体表现为：

（1）日温差较大。从多年气候数据看，这一地区虽然全年温差仅为11.4℃，但早晚温差显著，平均日温差为13.1℃，导致白天和晚上室内温度波动较大，影响室内热稳定性。

（2）太阳辐射强烈。大理海拔1 969～2 000m，使得白天太阳辐射极强，年均太阳总辐射5 799MJ/m（图1），年均日照时数2 227.5h。太阳辐射使围护结构升温，给室内带来较强的温度波动。

（3）风速较大。大理地处低纬度，冬季温和，但特殊的地形及地理位置导致风速较大，环洱海地区年均风速为2.4m/s，下关镇年均风速可达4.1m/s，影响着居住环境的舒适性。

1.3 建筑的应对策略——厚墙+缓冲空间

独特的地形和气候不断对当地民居进行重塑，建筑逐渐向着适应气候的方向发展。千百年来的建造智慧积累沉淀于建筑中，赋予了白族民居应对当地气候的绿色适用的生态营造策略。形式丰富的气候缓冲空间，是白族民居对当地气候的积极响应。喜洲古镇现存的汉式合院民居形式多样，三坊一照壁是最普遍的布局形式。由三个坊及一面照壁组成，坊与坊之间形成天井与院落，院落与坊之间又以檐廊相隔（图2）。这种灵活多变的空间布局，使得缓冲空间成为民居的重要组成部分，发挥着气候缓冲作用。民居每坊两层，一层为居住空间，二层为祭祀空间；外围一般为夯土厚墙，密实敦厚，抵御室外气候波动；朝向内院的墙体则为轻薄通透的木板壁，将光热引入室内。这时缓冲空间充当中介，将经过调节的室外气候送进室内，弥补轻薄墙体的缺陷。

根据所处位置不同，缓冲空间分为水平缓冲空间与竖向缓冲空间（图3），水平缓冲空间与使用空间同处一层，直接与室外相接，主要由庭院、天井和檐廊组成，由庭院大空间逐渐过渡到檐廊小空间；位于二层的祭祀房间在竖向上成为了使用空间的保护层，缓冲室外气候，成为竖向缓冲空间。水平与竖向缓冲空间包围着居住空间，共同抵御室外气候，将室内气候调节到舒适的状态。

2 研究对象与方法

为分析民居缓冲空间对当地日温差大、辐射强烈、风速较大等不利气候的应对机理，本文选取喜洲白族三坊一照壁合院某典型民居为对象进行热环境实测，通过实验对其适应性技术进行量化分析。

2.1 研究对象

该典型民居尹宅位于喜洲古镇东部边缘，距离洱海2.3km，院子坐西朝东，位于苍山洱海之间的平坝上，背山面水（图4,5）；建造于民国时期，基本保留着传统民居完整的结构和材料，目前有两户人家居住于此（图6-8）。建筑外墙为600mm厚夯土，内墙采用60mm厚木板，围护结构信息如表1所示。

2.2 研究方法

本文通过数据分析与实地调研相结合的方法，以实地测量数据为支撑对白族合院民居缓冲空间的热环境影响机制进行解析。实验于2021年7月10日—2021年7月14日进行，测量参数包括室内外温湿度、风速、太阳辐射、壁面温度和黑球温度，测量仪器每间隔10min记录一次（表2）。

表1 建筑构造做法及热工性能

表2 测量仪器信息

1 大理地区年均太阳辐射

2 三坊一照壁布局

3 水平与竖向缓冲空间

4 白族民居布局

5 尹宅现状

6 尹宅一层平面图

7 尹宅二层平面图8 尹宅剖面图

3 缓冲空间对室内温度的调节作用

3.1 水平缓冲空间

白族民居中院落檐廊在水平方向充当着缓冲气候的角色。从图9、10所示缓冲空间与部分室内空间的温度变化情况可以看出，室外温度波幅最为剧烈达18.5℃，到庭院空间降为13.4℃，最高温度和最低温度分别下降4.2℃和0.9℃，天井的降温作用次之。由庭院到檐廊，波幅降低到8.9℃，将室外最高温和最低温调节为7.7℃和1.6℃。到室内后，一层房间平均温度波幅收窄到3.9℃，最高温度与最低温度与室外差值为9.8℃和2.4℃。

从图10可以看出，最低温度与最高温度走势相反，高温时段从室外到一楼卧室温度逐渐降低，而在低温时段从室外到一楼卧室温度逐渐升高，缓冲空间不仅在白天减少了传入室内的热量，在晚上还可以减少室内热量的传出，从而使较大的昼夜温差波动在室内趋于稳定。

为进一步剖析缓冲空间的效果和作用机制，以卧室一为研究对象，其南侧墙（600mm夯土墙）直接受到室外气候的影响，北侧墙（60mm木板）无太阳直接辐射，仅受到经过缓冲空间作用后的空气温度影响，室外气候经庭院过檐廊到室内。两面墙体采用了不同的解决方式，最终效果体现在内表面温度上，最高温平均值比较接近，都能降低室外温度峰值10℃左右，降峰效果仅相差1.2℃，但缓冲空间侧墙的温度波动是夯土墙内表面的2倍（图11,12）。

卧室一南北两侧与室外气候相接的两面墙体根据所处位置不同，选择不同的技术措施来满足功能需求。外围夯土墙展现出强大的降峰稳温效果，而南侧的木板壁墙虽材料热性能差，但通过缓冲空间达到了接近的降峰效果，且满足通透的空间需求，真正体现出建造的智慧。

3.2 竖向缓冲空间

通常，白族民居二层做用于祭祀和放置杂物，不做居住使用，这就成为一层在竖向上的缓冲空间。同样选择卧室一的竖向温度分布进行分析，剖面由上至下温度逐渐降低，室外空气温度平均值为27.2℃，经过屋面瓦层、二层空气、一层顶面，最后到一层空气，温度降低到23.7℃，降温3.5℃（图13）。由上到下呈现明显温度梯度，越往下温度越稳定，波动越小。从室外空气到一层顶面温度波幅缩小到室外的1/7，仅为2.5℃，温度峰值较室外低12.1℃，一方面因为越靠近地面，受夏季冷辐射越强，另一方面经二层房间缓冲，白天由屋顶传入的热辐射衰减明显（图14），很好地减少室外热量传入一层房间，从而让一层温度峰值和波幅大大降低。

3.3 连续时段下缓冲空间对室内热环境的调节作用

为了综合衡量立体缓冲空间对居住房间夏季降温的效果，将测试的三天作为连续变化时段来分析，取各部位温度最高的5个小时来比较。7月12日最热时段（11:00～16:00）室外平均温度较前日升高5.9℃，7月13日继续升高1.7℃；竖向缓冲空间最热时段（14:00～19:00）12日升温3℃，13日升温1℃；水平缓冲空间中庭院（13:00～18:00）和檐廊（14:00～19:00）在12日和13日分别升温3.9、1.3℃和2.8、1.0℃，而一层房间（正坊堂屋）最高温度时段（15:00～20:00）这两日仅升温1.9℃和0.5℃（图15）。可以得出室外温度每升高1℃，竖向缓冲空间升温约0.5～0.6℃，庭院和檐廊分别升温0.7～0.8℃和0.5～0.6℃，居住空间升温约0.3℃，是竖向空间和水平空间的一半。也就是说，室外气候经过缓冲空间可以实现约70%的降温效果。

9 不同房间温度对比10 不同位置温度波动幅度11 水平缓冲空间作用机制

12 卧室一墙体内表面温度13 竖向温度对比14 竖向缓冲空间作用机制

卧室一顶面温度最高时段（16:00～21:00）平均值7月12日比前日升温1.45℃，7月13日升温0.45℃；北侧墙温度最高时段（15:00～20:00）平均值7月12日升温1.71℃，7月13日升温0.49℃。可以看出室外温度每升高1℃，顶面升温约0.26℃，北侧墙升温0.29℃，竖向缓冲空间与水平缓冲空间缓冲效果几乎相同，竖向缓冲效果稍强。

4 缓冲空间对风速的调节作用

大理地区多风，白族民居水平缓冲空间相互联通，这在一定程度上有利于建筑内部空气的流通。通过测试天井、檐廊以及室外的风速变化，从图16中可以看出，檐廊和天井风速变化很小（相较于室外和庭院），即使在室外风速很小的情况下依然有风存在，且两者风速变化趋势一致，天井风速增大，檐廊风速往往也随之变大，即具有一定联动性。

为了验证两者在通风方面的相关性，计算天井和檐廊风速得到相关系数IrI=0.85，表示相关性极强，而室外风速与天井、檐廊相关性系数分别为0.52和0.55，相关性弱。这说明白族合院民居具有较好的防风性能，天井和檐廊通风联系紧密，天井在夏季通过热压形成通风，再通过檐廊进行联动通风，改善建筑内部的风环境（图17）。