程夢飛 | Cheng Mengfei

蔣滌非 | Jiang Difei

張 馳 | Zhang Chi

湘西地區(qū)傳統(tǒng)民居一般都是以堂屋為中心進行平面上的布局，而民居中的火塘則位于堂屋的一側(cè)，這有別于四川羌族以及云南一些少數(shù)民族的民居將火塘置于堂屋正中的傳統(tǒng)，筆者查找相關(guān)書籍文獻和對湘西老洞村、關(guān)田山等地的當?shù)鼐用褡咴L，發(fā)現(xiàn)差異的原因在于苗族的祭祀活動[1]：“吃豬”“祭家先”“還儺愿”[2]活動的進行需要較大的活動空間，并且祭祀家先時，家人聚集在堂屋之中，向山墻面的祖先牌位跪拜，所以室內(nèi)往往沒有隔墻，火塘置于側(cè)屋，位于堂屋的左側(cè)還是右側(cè)則是由主人的喜好決定的[3]。但是隨著改革開放進行，逐漸漢化后的祭拜家先活動逐漸從橫向祭祀變?yōu)樵谔梦葜羞M行的縱向祭祀，家先牌位位置也由側(cè)屋的山墻面變?yōu)樘梦莸目v墻面[4]。1990年后建設(shè)的民居，室內(nèi)已經(jīng)開始有隔墻出現(xiàn)了。筆者在調(diào)研苗族的老洞村、關(guān)山巖等村子時發(fā)現(xiàn)其室內(nèi)火塘所產(chǎn)生的濃煙彌漫其中，對居住者危害很大。因此對湘西傳統(tǒng)民居室內(nèi)火塘的污染物控制是有必要的（圖1～圖2）。

圖1 湘西苗族傳統(tǒng)民居基本平面

圖2 湘西苗族部分民居平面一覽表

1 研究方法與研究對象

1.1 研究方法

隨著計算流體力學[5]的發(fā)展，CFD模型被越來越多地用來模擬建筑室內(nèi)的風速、空氣齡、污染物濃度等等[6]，可用來衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量。本文采用AIRPAK軟件對湘西傳統(tǒng)民居室內(nèi)自然通風和污染物濃度進行模擬，首先通過總結(jié)實地調(diào)研所得火塘相對傳統(tǒng)民居堂屋位置的原型、結(jié)合立面改變窗大小和位置前后的模型、以及增加屋頂開口的模型。然后利用AIRPAK軟件進行各個模型的模擬，得到各組CO等污染物的濃度均值，從而對比歸納出湘西傳統(tǒng)民居控制火塘所產(chǎn)生污染物的設(shè)計方法，以期對新民居建設(shè)具有一定的參考價值，提高居住者的舒適度。

1.2 研究對象

老洞村位于湘西土家族苗族自治州鳳凰縣麻沖鄉(xiāng)，被列入第一批中國傳統(tǒng)村落名錄[7]，是一個歷史風貌保存完整、文化底蘊深厚的純苗族居住村。其寨內(nèi)狹窄的街巷錯綜復雜，較小的窗口高低錯落，具有獨特的防御功能[8]。而坐南朝北的特殊朝向、厚重的墻體令本就不好的通風更加堪憂。村內(nèi)保留有大量的歷史建筑：保家樓、湘西王故居、麻家宅院群、龍家宅院群等等。

2 火塘位置和平面功能優(yōu)化

湘西傳統(tǒng)民居火塘普遍位于堂屋的兩側(cè)，但從實地調(diào)研和文獻閱讀[9]中獲知（表1），火塘除了分位于堂屋的兩側(cè)外，還有距離外墻遠近之分，經(jīng)測量，發(fā)現(xiàn)湘西老洞村火塘距離外墻通風口的遠近范圍為1500～4000mm，筆者基于此通過AIRPAK模擬通風環(huán)境時，將距離分為1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、3500mm、4000mm六種情況，以此來得出改善室內(nèi)污染物濃度的最優(yōu)解。其中調(diào)研獲知火塘的尺寸（表1）在（800～950）mm×（800～950）mm之間的較多，故本文取火塘尺寸平均值850mm×850mm作為研究常量。并且湘西傳統(tǒng)民居床鋪一般只用黑色窗簾隔開，床鋪距離火塘的遠近也會對床鋪周圍空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而影響居民的健康，所以針對模擬結(jié)果可以通過調(diào)節(jié)平面的功能布局來進行改善。

表1 湘西苗族老洞村火塘部分民居一覽表

將實測和文獻查找的結(jié)果用類型學的方式，總結(jié)出了幾種火塘位于堂屋位置的原型，并在保證火塘面積相等的同時，根據(jù)改變其與外墻之間的距離、是否有隔墻和吞口得出十種基本形（圖3），A～G為平面火塘位置變化，H～I為吞口處理變化，J為室內(nèi)隔墻數(shù)量變化。以這些信息為載體，代入到基本的傳統(tǒng)湘西苗族民居堂屋中（圖1），進行AIRPAK軟件的模擬，模擬內(nèi)容為不同組別的模型其室內(nèi)碳氧化物物質(zhì)濃度的均值；因為室內(nèi)主要的污染源是火塘，所以AIRPAK模擬時主要考慮火塘所釋放的污染物。

圖3 火塘位置類型截面研究

將模擬出的結(jié)果進行比較，選取人體活動口鼻常在高度925mm水平面為參考平面[10]，從各原型堂屋平面模擬結(jié)果（圖4）可以發(fā)現(xiàn)，隨著火塘距外窗的距離不斷增加，房屋內(nèi)部污染物均值呈現(xiàn)先遞減后遞增的趨勢，并且以火塘距離外窗2500mm時為最佳。而在火塘置于堂屋中間時，其CO平均值明顯高于火塘置于堂屋一側(cè)，一部分原因為污染物排放無法通過外窗排除，并被入風口的風吹向房屋各個角落。苗族民居往往都有吞口的特色入口處理方式[11]，本文通過模擬吞口處理，其結(jié)果無論是有無吞口側(cè)門，都有遞減的趨勢，所以可以肯定，在白天使用火塘時，若打開吞口處側(cè)向的門，可以有效地減少室內(nèi)污染物的濃度。

筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)老洞村大部分民居的室內(nèi)已有隔墻，相關(guān)文獻也有記載，自1990年起苗族民居室內(nèi)已出現(xiàn)隔墻。筆者針對室內(nèi)隔墻的數(shù)量變化對污染物的均值產(chǎn)生影響進行研究，首先對隔墻數(shù)量為2、4、6三種情況模擬，如圖4隨著隔墻數(shù)量的增加，污染物的均值均有下降的趨勢。但隔墻的增加使火塘間部分污染物集中，而堂屋和另一側(cè)屋內(nèi)污染物則劇減。為了更容易得出結(jié)論，筆者進行了多次實驗，得出如圖5和圖6所示的污染物濃度與隔墻數(shù)量、室內(nèi)風速與隔墻數(shù)量的折線圖。由圖可知，隨著室內(nèi)隔墻數(shù)量的增加，污染物的均值會有小幅度的降低，而火塘間的污染物濃度則不斷增加。結(jié)合圖6的室內(nèi)風速變化分析：由于隔墻的出現(xiàn)，空氣的流動減慢，室內(nèi)空氣齡[12]增加，從而導致室內(nèi)污染物濃度分布不均，火塘間大量聚集的情況。所以可以通過改變隔墻的分布來減少帶有床鋪房間內(nèi)的污染物濃度，又不會過度增加火塘間污染物濃度。

圖4 各原型平面AIRPAK模擬研究情況

圖5 隔墻數(shù)量與污染物均值關(guān)系圖

圖6 隔墻數(shù)量與室內(nèi)風速均值關(guān)系圖

3 窗開口大小和位置優(yōu)化

自然通風通過民居窗口流入或流出時，窗的開口位置的變化以及窗地比都會影響建筑內(nèi)部的空氣齡，從而導致污染物在室內(nèi)的流動有所改變。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，湘西苗族老洞村的窗大小為（600～1400）mm×（600～1400）mm之間，在AIRPAK模擬中將窗大小分為600mm、800mm、1100mm、1400mm四種；而窗的高度分布有下部開口在塊石中的，中部開口在片石中的，以及上部開口在粘土中的。其中上部高窗位置為粘土材料，便于開窗。在AIRPAK中進行模擬時，可以進行分別模擬；考慮到風壓通風可以形成室內(nèi)的全面換氣[13]，本文在背風面進行適當開口，以期驗證室內(nèi)污染物是否可以通過風壓通風方式改善。

（1）窗開口位置優(yōu)化設(shè)計過程

將模擬數(shù)值帶入民居基本形體中，用AIRPAK分析得出結(jié)果如圖7，隨著窗的高度的改變，污染物的均值有所下降，分析發(fā)現(xiàn)原因是隨著窗戶高度的增加會有一部分形成熱壓通風，從而使得污染物的排放通過熱壓通風形成動力，加快污染物排出。而窗臺高度改變到1500mm以上時，污染物的均值改變才會呈現(xiàn)出明顯的變化，所以對于有文化意義的民居并不合適。但老洞村立面上部高窗處為粘土材料，則可以適當開口以便提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。

圖7 立面窗開口類型AIRPAK模擬研究情況

（2）窗開口大小優(yōu)化設(shè)計過程

通過改變窗的大小，污染物均值有很明顯的改變，并且隨著窗戶的逐漸變大，窗開口大小增加到1000mm×1000mm以上時，污染物均值改變效果明顯，但考慮到老洞村的窗面積一般在1.21m2左右，在改進措施中，建議窗的大小可以適當擴大，但也應考慮其中文化的因素，所以最佳尺寸為1200mm×1200mm。

通過適當增加背風面的開口，由圖7可以看出，隨著背風面開口的設(shè)置和其大小的改變，可以明顯地改善室內(nèi)污染物的濃度。并且在背風面開口大小增加到與迎風面開口大小相同時，效果更加顯著。這也驗證了風壓通風不僅僅可以改善室內(nèi)的空氣齡，也可以改善室內(nèi)污染物濃度。

4 屋頂優(yōu)化設(shè)計

老洞村在氣候上夏季炎熱，冬季寒冷，因此在民居的屋頂就有一些利于通風的構(gòu)造措施。如煙囪、天窗格柵、以及“貓兒鉆”[14]等等；其可以改善室內(nèi)通風，因為火塘燃燒秸稈的同時會釋放大量熱量，室外的冷空氣進來，經(jīng)過火塘后變?yōu)闊峥諝鈴奈蓓斉懦?，從而形成動力，推動自然通風的速率，加快火塘污染物的排放。筆者通過CFD模擬來定量研究這些構(gòu)造措施對于室內(nèi)污染物控制的最佳方式。

（1）屋頂開口位置優(yōu)化過程

對于屋頂開口位置優(yōu)化，筆者從屋頂面中均勻選取九個數(shù)據(jù)采樣點。模擬過程中，開口的大小固定為300mm×300mm，模擬結(jié)果如圖8所示，取頂部無開口設(shè)計的模擬結(jié)果2.91e-007為對比值進行優(yōu)化效果的比較，除了點1、4、7所對應的數(shù)值明顯低于對比值以外，其他開口位置優(yōu)化效果均不明顯，甚至高于對比值。由于室內(nèi)污染物向室外流動的過程受兩個因素影響，即：流動的速率和距出風口的距離。所以導致這種情況的一部分原因是：其距離出風口的路程變大的同時，各點流動速率又明顯減小，導致污染物流動到室外的時間增加。所以最佳的開口位置是1、4、7三個點，即位于測屋一側(cè)的屋頂。

圖8 屋頂開口位置對污染物濃度影響CFD模擬研究

（2）屋頂開口大小優(yōu)化過程

根據(jù)文獻資料可知，一般房間的進風口和出風口越大，氣流場所對應的數(shù)值也將增大，當開口的面積為室內(nèi)面積的15%～20%時，通風效率是最佳的[15]。筆者對屋頂開口大小模擬得到結(jié)果如圖9，隨著屋頂開口尺度的增加，室內(nèi)污染物的濃度是逐漸降低的，但是這種做法的前提是既不破壞傳統(tǒng)民居文化特色，又能充分挖掘歷史文化遺產(chǎn)的價值。

圖9 屋頂開口大小對污染物濃度影響CFD模擬研究

（3）屋頂開口方式特點

筆者在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，天窗與貓兒鉆構(gòu)造措施的運用較為明顯，而老虎窗的形式基本無發(fā)現(xiàn)，而在對關(guān)田山村龍迷兵、龍迷鳳家的走訪中剛好恰逢陰雨天，傳統(tǒng)民居中很多天窗都是后期屋頂瓦片遭到破壞形成的，雨天時，雨會通過天窗進入到民居室內(nèi)，如果火塘正上方屋頂是格柵時，火塘較容易受到雨天的影響，此時貓兒鉆的方式利用范圍更高，但是尺度有限，在不破壞文化特色的同時，可增加其數(shù)量。

結(jié)語

由上述分析可知，湘西傳統(tǒng)民居室內(nèi)污染物控制仍有優(yōu)化的可能。通過CFD模擬對平面布局、立面設(shè)計、節(jié)點結(jié)構(gòu)三個方面量化實驗，總結(jié)出以下幾種優(yōu)化的方式：

①火塘與外窗的距離在2500mm左右，污染物控制效果為宜，有吞口處理時，開啟側(cè)門有利于污染物排放；當有隔墻并且數(shù)量在一定范圍內(nèi)，可以在改善污染物濃度的同時，將污染物控制在一定的平面范圍內(nèi)，有效的將臥室隔開。

②當增加窗尺度到1000mm×1000mm以上或高度到1500mm以上時，污染物得到了很好的控制；當增加背風面開口時，污染物均值有下降趨勢，并且在出入口與進風口面積相等時，優(yōu)化效果顯著。

③通過改變屋頂開口位置到側(cè)屋、增加天窗、貓兒鉆、排煙煙囪的尺度或數(shù)量時，可以有效降低污染物均值。但也應考慮天窗無法遮雨、煙囪形式對文化的適應、貓兒鉆數(shù)量的增加等影響。

湘西民居無論是現(xiàn)在還是未來，室內(nèi)火塘的污染物控制是非常有實用價值的，對其他類型的傳統(tǒng)建筑也有一定的意義，特別是最近新型冠狀病毒的出現(xiàn)，健康建筑是未來的發(fā)展趨勢，所以火塘污染物的控制勢必要有所改善。

資料來源：

圖2：部分來源于參考文獻[1]；

文中其余圖表均為作者自繪。