國內傳統(tǒng)健康建筑管理論文

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摘要作為世界上歷史最悠久的文明古國，中國為人類的發(fā)展作出了許多輝煌的貢獻。中國建造健康建筑的歷史經驗就很值得研究。四合院是自古以來遍及全中國的傳統(tǒng)建筑。由于各地的氣候不同，四合院也有不同的形式，如圖1—圖5所示[1]。

這些四合院的共同特點是容易保持好的空氣質量。本文從熱環(huán)境、自然采光、天空長波輻射、聲環(huán)境和室內空氣質量等方面描述四合院型建筑所具有的最佳功能。由于四合院型建筑在自然環(huán)境、節(jié)能以及改善建筑功能方面的顯著效果，我們希望發(fā)展這種健康建筑，服務全人類。

關鍵詞四合院風水建筑，健康建筑，冬暖夏涼，高質量空氣源，晝光環(huán)境，噪聲控制中圖法分類號TU—023

HealthyBuildingsSinceAncientChina

ChenQigaoTangMingfanWangGonglu

(FacultyofArchitectureandUrbanPlanning，ChongqingJianzhuUniversity)

DerekCroomeLiBaizhanYaoRunming

(TheUniversityofReading，Whiteknights)

AbstractChinaisofthemostancientcivilizationintheworld.Chinahasplayedaveryimportantroleinthedevelopmentofmankindhavingmademanygloriouscontributions.Chinesehistoricalexperienceofconstructinghealthybuildingsmeritsattention.CourtyardstylebuildingshavebeenhandeddownfromancientChinatothepresentdayoverallareasofChina.Dependingonthedifferencesinlocalclimate，therearesomevariationsinshapeasshowninFigure1-5，buttheircommonpropertiesareagoodindoorairqualitywhichiseasilymaintained.Thisthesisdescribestheoptimalperformanceofcourtyardbuildingsfromtheenvironmentalperspectivesofthermalqualitydaylight，longwaverayradiation，noiseandindoorairquality.Wehopethatthisbuildingstylecanbedevelopedforhealthybuildingstoserveallmankindworldwideduetotheirnaturalresponseandtheireffectsonenergysavingandimprovingperformanceforbuildings.

KeyWordsquadrangle，windwaterbuildings，warminginwinterandcoolinginsummer，airsourcewithhighquality，daylightingenvironment，noisecontrol，healthybuildings

中國古代住宅是根據(jù)風水原理設計建造的，這種住宅有著健康的室內環(huán)境。用風水理論設計住宅是大約三千年以前周朝人作出的不朽貢獻。風水理論起源于古老的下沉式窯洞(在中國西北這種窯洞仍然可見)，如圖6所示，或最初的四合院，如圖7所示[2]。基于風水理論產生了四合院型建筑的設計規(guī)則，即閉合環(huán)繞的建筑中間帶有上見天下接水的天井。圖8是四合院模型，四合院的功能如圖9所示。用古典的風水的定義解釋為：“生態(tài)之氣被風散開被水束縛，古代聰明人聚集生態(tài)之氣并用風水來保持它們”。

四合院具有以下特點：

閉合環(huán)繞天井式的建筑阻擋了室外污染的進入，從而能保持室內空氣清潔干凈。開敞的院子能夠引進陽光、雨水、新鮮空氣以及長波輻射。院子上面朝天下面以地表面為基，能夠保持院子和院子周圍的房間有良好的氣候環(huán)境。中國四合院以冬暖夏涼空氣瓣鮮舒適著稱[3]。四合院的主要特點是保持有益于人體健康的自然氣候，限制有害的污染因素。

1優(yōu)良的室外空氣質量

室內空氣質量主要依賴于室外空氣質量，因此為健康建筑提供優(yōu)質的空氣來源是非常重要的。地表面的室外空氣不夠好，這是因為地表面有許多污染，灰塵、燃燒廢物以及車輛排出的廢氣有比空氣更重的分子。根據(jù)下面導出的指數(shù)定律，空氣中污染的濃度隨距地表高度的增加而減少。圖10所示的大氣壓力隨高度的微分方程為：

這里dp是高度元為dh時空氣的壓力元；ρ是空氣密度；g是重力加速度。

根據(jù)Daltons定理，方程(1)對每一種空氣分部成立。對氣體dpi=-ρigdh(2)

在體積容量中，第i種氣體服從狀態(tài)方程

用(3)式除方程(2)，得到微分方程：

積分(4)

考慮到氣體壓力pi與濃度ni成比例，表達式(5)可以寫成

這里n0i和ni是分子量為μi的空氣氣體分別在地表面和高度為h處的濃度；當μi增加時，濃度會增大，ni隨高度的增加而迅速減小。一般地沿高度的灰塵分布有公式

這里n0和n是任何污染分別在地表面和高度h處的濃度，α是系數(shù)，可以被測出。

可以看到，室外高處的空氣比低處的空氣干凈新鮮。四合院的通風來自于高處優(yōu)質的室外空氣，如圖11所示。這就導致了良好的室內空氣質量。此外，在四合院地面的最低處還有一個陰溝把雨水、灰塵以及其它氣體排出。

2庭院的功能

庭院里的空氣幾乎是處于靜止狀態(tài)。室外空氣不斷的補充進來。庭院空氣中輕的氣體如H2O和NH3將上升，然后離開；重的氣體如CO2和Rn將下沉到庭院的底部，和其它污染物一起收集到地下排水溝中隨水排出。因此庭院里的空氣總是新鮮的。

現(xiàn)在推導空氣體積元的運動方程。如圖12所示，體積元底部的浮力dp等于空氣元與氣體元的重差，

這里ρ0是空氣密度；ρi是第i種氣體密度，第i種氣體滿足狀態(tài)方程

用方程(8)除方程(7)得

這里相應于氣體是上升、下降和靜止，Ar的符號可以是正、負和零。

3冬暖夏涼

在高空的空氣溫度變化比地面小，可以表示為

th=t0+Δt(11)

這里t0和th分別是地表面和高度為h處的空氣溫度；Δt是由太陽輻射加熱表面和長波輻射引起的空氣溫度差。長波輻射可以引起溫度梯度的變化大約為Δti=

±3.42×10-2Km-1。在100m高度，溫差Δt=±3.42K。由空氣中水分相變引起的溫差

Δt2=±2.5×103rmK(12)

這里rm是相變率。當rm=10-3時Δt2=±2.5K；溫度變化與高度差成比例為Δt3≈10-2Δh，當Δh=100m時Δt3=±1K。因此在100m高空溫差的總和可以估計為[4]。

四合院內的氣候是冬暖夏涼。由于空氣在庭院的上部交換，這就使得四合院內空氣質量好，空氣溫度年變化小，如圖13所示。夏天室外空氣將水份帶進庭院，由于蒸發(fā)而引起庭院空氣溫度降低。

4四合院型建筑的自然采光

四合院內的天然光經來回反射后形式散射天然光場，這種光場可以象聲音在房間里反射一樣處理[6]。圖14所示的散射光密度D為

DL=4P/cA(14)

這里c是光速；P是光能率，它等于庭院上部開敞部分面積乘以其水平面上的照度E，即

A是庭院中光的總吸收率，等于

P=abE(15)

A=∑Fiαi(16)

這里Fi和αi是庭院第i個表面的面積和光對地面、墻和頂上開口的吸收系數(shù)

(i=1，2，3)

由(14)，(15)和(16)，得到光密度為

這里e是房間的天然光系數(shù)，等于σ與π的比率；Ec是聯(lián)結的房間里一點的照度；

σ是窗口開向該點的立體角投射。因此，天井天然采光系數(shù)是

上式表明庭院的天然光系數(shù)kc等于房間的照度Ec與房間開敞面的照度Em的比率，如圖15所示。在天然采光設計中，kc是一個控制天井天然光環(huán)境的參數(shù)。

5噪聲控制

國際標準化機構推薦，住宅區(qū)的噪聲級不應超過35-45dB(A)，在城市的某些地方要達到這樣的標準是非常困難的。四合院建筑卻可以毫不費力地解決這個問題。室外噪聲可以被四合院建筑的外圍結構減弱。由于外圍護結構表面無開口無聲橋，聲音衰減指數(shù)的質量定律成立[5][7]

這里D是聲音衰減指數(shù)；F是單位墻面積的質量，kg/m2對磚墻D24=1dB和

D37=53dB，這就可以將室外聲級86-96dB減少到推薦的室內聲級35-45dB。通過屋頂繞射減少的噪聲級可以用圖16所示的圖線估計，其中N是Fres2nel

帶數(shù)目；δ是路徑差，m；S是聲源；P是計算點；d是點S到點P的距離，m；A+B是從聲源S到頂點O再到計算點P的折線路徑，m；λ是波長m；f是頻率，Hz。

例如，建筑高為20m；從聲源S和從計算點到最近墻的距離都是1m，S和P的高度是2m。我們得到Nf=0.2f因此，N250=50；N50=100；N1000=200，噪聲相應地減小30dB；33dB；36dB。可以看到，如果建筑足夠高，對噪聲的屏避效果將更顯著。種植屋頂或綠化場地對聲音的衰減更大。

6保溫

一般四合院建筑的平面是正方形，這就保證用最短的邊長圍合最大的面積。因此，四合院建筑是節(jié)能型建筑型式，下面進行證明。

一個矩形的面積可以表示為S(x)=(a+x)(a-x)，當一階導數(shù)S’

(x)=-2x=0時，x=0，于是得到極值S(0)=a2，由于二階導數(shù)S’’(x)=-2，因此正方形面積S(0)=a2便是矩形面積S(x)的最大值。同樣地，圓面積πr2是橢圓面積π(r+x)(r-x)的最大值，其中r是園半徑。

從節(jié)能來講，圓形平面的四合院比正方形平面更好。一個建筑的節(jié)能效率可以用外表的周長與其圍成的面積的比率來估計。

或

可以說正方形平面和圓形平面是節(jié)能的建筑平面，矩形平面的格外能量損失是相當大的。

7四合院的節(jié)能效應

四合院的庭院向天空開放，其內熱質傳遞是間接的，由下面的熱平衡方程可以求出空氣溫度tcy

PHR0(ti-tcy)+ARG(tG-tcy)+Vρicp(ti-tcy)+Vρ0cp(t0-tcy)=0(31)

這里

P—四合院平面的周長；

H—四合院的高度；

R0—四合院內墻的總熱阻；

A—四合院平面的面積；RG—四合院地坪的熱阻；V—空氣流速；

ρi—室內空氣密度；

ρ0—室外空氣密度；

Cp—空氣的定壓比熱。

這里ti，t0，tG分別是室內空氣溫度，室外空氣溫度和地基溫度，四合院的空氣溫度是三個溫度ti，t0，tG的加權平均值，一定比室外空氣溫度高。可以說，通過四合院大量的能量被回收和利用。

8日照

在長期的使用中，人們已經注意到了四合院里房間的空氣溫度是相對穩(wěn)定的，就象森林濃陰下的氣候。庭院中可以種樹，也可以把庭院、屋頂變成花園，讓藤蔓爬滿外墻，把四合院變成綠色建筑。

在有些地方，冬季少量的日照對平衡損失是有效的，尤其是對保溫得好的建筑有很好的蓄熱性來穩(wěn)定房間的溫度。

9長波輻射[8]

大氣的長波輻射入射到天井中，就象散射天然光輻射一樣。晴天長波輻射的強度可以表示為

晴天，天空長波輻射冷卻天井；多云天，天井的熱輻射損失幾乎為零。長波輻射的冷卻效果可以被利用。被冷卻的空氣集中在天井里流向旁邊的房間。

如果沒有天井，根據(jù)風水原理，冷卻的空氣就會隨風而去。如果庭院的熱輻射損失為零，那么由(36)式得

如果庭院對天空開放的面積是12×6=72m2，那么來自天空得冷卻能量應為72×50.468=3633.696W，這等于一個3kW的冰箱在庭院里對旁邊的房間冷卻。

10結論

在三千年以前，風水理論就被古代中國人充分應用了，根據(jù)風水原理設計的四合院建筑是今天中國建筑的主要形式。

這種建筑有自然氣候舒適的優(yōu)點，符合健康建筑的要求，這也證明風水理論是對客觀規(guī)律智慧的總結。

四合院從熱、聲、光方面改善了環(huán)境的功能，空氣不斷更新，保持了良好的空氣質量。

將四合院的特性和智能技術結合起來就能創(chuàng)造出更好的健康建筑，為全人類造福。

參考文獻

1陳啟高.發(fā)展建設健康建筑.室內空氣質量從科學到實際“國際會議文集”，華沙，波蘭，1993

2何曉昕編著.風水探源.南京：東南大學出版社，1990

3黎明.清代東華里民居熱環(huán)境研究，第六屆建筑物理學術會議選集，北京：中國科技出版社，1993

4陳啟高，馮雅，孟慶林.高層建筑的良好空氣源.健康建筑94論文集，布達佩期，匈牙利：1994

5沈豪.隔聲指數(shù).第二屆建筑物理文集，聲學卷，62—67，重慶，1980

6統(tǒng)篇教材.建筑物理.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1980，pp268—271

7KinslerL.E.FreyA.R.；FundamentalsofAconstics，SecondEdition，Johnwileyso

ns.IncU.S.A.1962

8陳啟高.建筑熱物理基礎.西安：西安交通大學出版社，1991，pp14—17