《Sustainability》：Courtyard Orientation and Natural Ventilation Performance of Vernacular Housing in a Mild Plateau Climate: Evidence from One-Seal (Yikeyin) Dwellings in Central Yunnan
Jingyi Ye,
Yanzhe Wang,
Xiaoya Zhang,
Chao Dong,
Chunlei Hu,
Duopeng Wu,
Yaqi Chen,
Xueguo Guan and
Yaoning Yang
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传统滇中一颗印(Yikeyin)民居展现出独特的空间布局与天井设计，通过自然通风被动适应温和高原季风气候。尽管其院落式构型与天窗设计在气候适应性方面已获广泛认可，但院落朝向与通风性能之间的定量关系仍缺乏充分探讨。本研究整合现场环境监测与经过验证的计算流体动力学
传统滇中一颗印(Yikeyin)民居展现出独特的空间布局与天井设计，通过自然通风被动适应温和高原季风气候。尽管其院落式构型与天窗设计在气候适应性方面已获广泛认可，但院落朝向与通风性能之间的定量关系仍缺乏充分探讨。本研究整合现场环境监测与经过验证的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)模拟，探究不同院落朝向如何影响气流组织与室内热环境。基于详细的实地调查与实测数据，研究人员建立了三种代表性朝向方案。研究采用重整化群k-ε(RNG k-ε)湍流模型，并利用OpenFOAM与EnergyPlus进行单向耦合模拟，以评估季节性通风行为与室内热舒适水平。研究结果表明，建筑朝向与院落空间配置之间存在协同设计原则，以及有助于热环境稳定性的空间分异模式。研究人员识别出背风型、迎风型与过渡型三种朝向类型，每种类型均展现出独特的优势与局限性。该研究定量证实了滇中一颗印民居在冬夏两季利用自然通风进行环境调节的有效性。这些结果为旨在提升通风性能与气候适应性的现代建筑设计提供了科学依据与设计支持。
研究背景方面，全球建筑能耗占比显著，中国近二十年来建筑能耗激增，从2001年占总能耗的27.5%上升至2014年的36%，因此提升建筑节能效率至关重要。传统乡土民居蕴含深厚的被动式气候适应智慧，利用太阳能与自然通风等可再生资源维持室内舒适，减少对机械系统的依赖。然而，现有研究多集中于城市住宅，针对温和气候区尤其是温和高原气候区的乡土民居研究相对匮乏。温和高原气候具有低气压、低密度空气、大昼夜温差及强太阳辐射的特征，这些因素共同影响自然通风的驱动机制与气流特性，使得常规适用于温和气候的通风策略在此环境下效果受限。滇中地区昆明“四季如春、昼夜温差大、干湿季分明”的独特气候塑造了一颗印民居的气候智慧，其院落朝向与空间配置协同调节自然通风。因此，研究人员聚焦于滇中温和季风气候区的代表性乡村建筑类型——一颗印民居，旨在通过参数化设计研究揭示传统民居的气候智慧，并为温和气候区热舒适提升制定设计策略。
研究人员主要采用的关键技术方法包括：首先，选取昆明市和泊所村作为研究区域，该村保存有803座一颗印民居，具有典型地域特征。其次，开展现场环境监测，于2025年7月12日至26日对典型民居的温度、相对湿度、风速、风向及室外太阳辐照度进行为期两周的连续测量。随后，构建数值模拟体系，采用Ladybug Tools平台结合Ironbug扩展模块与OpenStudio框架进行能耗模拟，求解器选用EnergyPlus 23.1；同时利用Grasshopper平台的Butterfly插件调用OpenFOAM求解器进行高精度计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)分析，二者建立单向“能量-气流”传递框架，将EnergyPlus计算的墙面温度数据输入Butterfly以优化热浮力效应模拟。此外，研究采用重整化群k-ε(RNG k-ε)湍流模型进行稳态模拟，并通过网格独立性分析与边界条件校准确保模型可靠性。
研究结果部分，首先在自然通风案例设计中，研究人员基于实地调查与几何模型，结合昆明气象特征与村落朝向统计，选取正东、正南与西北三种朝向方案作为代表，分别对应过渡型、迎风型与背风型。模拟结果显示，三种朝向在夏季与冬季的典型周条件下表现出显著差异。
在风场形态分析中，研究人员发现所有朝向的夏季室内外平均风速均高于冬季。夏季通风受益于风压与热浮力的共同作用，形成显著的垂直气流结构，产生“烟囱效应(Stack Effect)”，庭院中心平均风速最高可达0.78 m/s；而冬季冷气下沉形成庭院“冷池(Cold Pool)”，抑制垂直气流，主要依靠水平扩散，二层房间风速较一层降低46.4%。朝向对比显示，正南朝向（迎风型）各区域风速最高，正东朝向（过渡型）次之，西北朝向（背风型）最低。院落作为通风核心，其开口与盛行风向的对齐程度决定了通风效率，正南朝向的换气次数(Air Change Rate, ACH)达5.8 h-1，远超国家标准要求。
在热场形态分析中，研究人员观察到建筑外围护结构墙面温度高于面向庭院的立面温度。一层房间因夯土墙高热容及与地面直接接触，夏季平均内墙温度维持在约21°C；二层房间因直接暴露于太阳辐射及庭院上升暖气流，内墙温度较一层高出2–3°C。屋顶区域受太阳直射温度最高，门窗位置因气流交换散热温度低于相邻墙面。主厅因开口较少蓄热效果优于厢房，呈现出“上热下冷”的垂直温度梯度，虽不利于热分层增强，但有效起到了保温隔热作用。
在室内热舒适分析中，研究人员采用预测平均评价(Predicted Mean Vote, PMV)模型，设定代谢率为1.3 met，服装热阻为0.5 clo，排除人员主动干预气流的影响，对8760小时的全年动态模拟进行分析。结果表明，正南朝向（迎风型）全年热舒适表现最佳，夏季通风散热效率高，但冬季主厅冷风渗透严重导致舒适度下降；西北朝向（背风型）全年风力较弱，依赖庭院通风与浮力效应，湿度较高，夏季易闷热，冬季易结露，整体热舒适较低；正东朝向（过渡型）介于两者之间，兼顾防风与除湿需求，保持了较高的热舒适水平。主厅因湿度较低，全年温度波动较大但舒适小时数较多；厢房因湿度较高，热环境稳定但舒适小时数较少。
讨论部分，研究人员基于风压与太阳辐射的时空相互作用，将一颗印民居划分为背风型、过渡型与迎风型三类，并提出了针对性的优化策略。对于迎风型，建议安装可调节的导风装置与挡风板，应对夏季强气流与冬季冷风渗透；对于背风型，应优化主次房间的高侧窗，强化烟囱效应，平衡通风与防潮；对于过渡型，则应重点优化主室开窗策略以增强除湿通风，并利用厢房作为缓冲空间。此外，研究人员比较了自适应热舒适模型与PMV模型的差异，指出PMV模型虽能与物理模拟耦合，但忽略了人员自适应行为，未来应探索二者的整合。研究还指出，院落作为“通风核心”的功能机制，以及朝向作为低成本前期设计变量的重要性，为当代可持续建筑设计提供了原型参考。
结论部分，研究人员总结道：第一，院落朝向对气流模式与室内热环境具有决定性影响，迎风朝向增强风压通风，背风朝向依赖热浮力驱动。第二，季节性对比显示夏季通风由风压与热浮力共同驱动，形成垂直气流结构；冬季则因浮力减弱与冷池效应阻碍垂直气流，整体效率降低。室内热环境呈现“上暖下凉”的垂直分异与“主厅优于厢房”的水平分异。第三，针对不同朝向类型需采取差异化策略，迎风型注重防风与导风，背风型注重增强烟囱效应与防潮，过渡型注重平衡除湿与保温。该研究验证了滇中一颗印民居被动通风体系的科学性，为乡土民居保护与改造、现代建筑被动式通风设计及可持续发展提供了重要的理论依据与实践指导。
