国内传统健康建筑管理论文

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摘要作为世界上历史最悠久的文明古国，中国为人类的发展作出了许多辉煌的贡献。中国建造健康建筑的历史经验就很值得研究。四合院是自古以来遍及全中国的传统建筑。由于各地的气候不同，四合院也有不同的形式，如图1—图5所示[1]。

这些四合院的共同特点是容易保持好的空气质量。本文从热环境、自然采光、天空长波辐射、声环境和室内空气质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环境、节能以及改善建筑功能方面的显著效果，我们希望发展这种健康建筑，服务全人类。

关键词四合院风水建筑，健康建筑，冬暖夏凉，高质量空气源，昼光环境，噪声控制中图法分类号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

中国古代住宅是根据风水原理设计建造的，这种住宅有着健康的室内环境。用风水理论设计住宅是大约三千年以前周朝人作出的不朽贡献。风水理论起源于古老的下沉式窑洞(在中国西北这种窑洞仍然可见)，如图6所示，或最初的四合院，如图7所示[2]。基于风水理论产生了四合院型建筑的设计规则，即闭合环绕的建筑中间带有上见天下接水的天井。图8是四合院模型，四合院的功能如图9所示。用古典的风水的定义解释为：“生态之气被风散开被水束缚，古代聪明人聚集生态之气并用风水来保持它们”。

四合院具有以下特点：

闭合环绕天井式的建筑阻挡了室外污染的进入，从而能保持室内空气清洁干净。开敞的院子能够引进阳光、雨水、新鲜空气以及长波辐射。院子上面朝天下面以地表面为基，能够保持院子和院子周围的房间有良好的气候环境。中国四合院以冬暖夏凉空气瓣鲜舒适著称[3]。四合院的主要特点是保持有益于人体健康的自然气候，限制有害的污染因素。

1优良的室外空气质量

室内空气质量主要依赖于室外空气质量，因此为健康建筑提供优质的空气来源是非常重要的。地表面的室外空气不够好，这是因为地表面有许多污染，灰尘、燃烧废物以及车辆排出的废气有比空气更重的分子。根据下面导出的指数定律，空气中污染的浓度随距地表高度的增加而减少。图10所示的大气压力随高度的微分方程为：

这里dp是高度元为dh时空气的压力元；ρ是空气密度；g是重力加速度。

根据Daltons定理，方程(1)对每一种空气分部成立。对气体dpi=-ρigdh(2)

在体积容量中，第i种气体服从状态方程

用(3)式除方程(2)，得到微分方程：

积分(4)

考虑到气体压力pi与浓度ni成比例，表达式(5)可以写成

这里n0i和ni是分子量为μi的空气气体分别在地表面和高度为h处的浓度；当μi增加时，浓度会增大，ni随高度的增加而迅速减小。一般地沿高度的灰尘分布有公式

这里n0和n是任何污染分别在地表面和高度h处的浓度，α是系数，可以被测出。

可以看到，室外高处的空气比低处的空气干净新鲜。四合院的通风来自于高处优质的室外空气，如图11所示。这就导致了良好的室内空气质量。此外，在四合院地面的最低处还有一个阴沟把雨水、灰尘以及其它气体排出。

2庭院的功能

庭院里的空气几乎是处于静止状态。室外空气不断的补充进来。庭院空气中轻的气体如H2O和NH3将上升，然后离开；重的气体如CO2和Rn将下沉到庭院的底部，和其它污染物一起收集到地下排水沟中随水排出。因此庭院里的空气总是新鲜的。

现在推导空气体积元的运动方程。如图12所示，体积元底部的浮力dp等于空气元与气体元的重差，

这里ρ0是空气密度；ρi是第i种气体密度，第i种气体满足状态方程

用方程(8)除方程(7)得

这里相应于气体是上升、下降和静止，Ar的符号可以是正、负和零。

3冬暖夏凉

在高空的空气温度变化比地面小，可以表示为

th=t0+Δt(11)

这里t0和th分别是地表面和高度为h处的空气温度；Δt是由太阳辐射加热表面和长波辐射引起的空气温度差。长波辐射可以引起温度梯度的变化大约为Δti=

±3.42×10-2Km-1。在100m高度，温差Δt=±3.42K。由空气中水分相变引起的温差

Δt2=±2.5×103rmK(12)

这里rm是相变率。当rm=10-3时Δt2=±2.5K；温度变化与高度差成比例为Δt3≈10-2Δh，当Δh=100m时Δt3=±1K。因此在100m高空温差的总和可以估计为[4]。

四合院内的气候是冬暖夏凉。由于空气在庭院的上部交换，这就使得四合院内空气质量好，空气温度年变化小，如图13所示。夏天室外空气将水份带进庭院，由于蒸发而引起庭院空气温度降低。

4四合院型建筑的自然采光

四合院内的天然光经来回反射后形式散射天然光场，这种光场可以象声音在房间里反射一样处理[6]。图14所示的散射光密度D为

DL=4P/cA(14)

这里c是光速；P是光能率，它等于庭院上部开敞部分面积乘以其水平面上的照度E，即

A是庭院中光的总吸收率，等于

P=abE(15)

A=∑Fiαi(16)

这里Fi和αi是庭院第i个表面的面积和光对地面、墙和顶上开口的吸收系数

(i=1，2，3)

由(14)，(15)和(16)，得到光密度为

这里e是房间的天然光系数，等于σ与π的比率；Ec是联结的房间里一点的照度；

σ是窗口开向该点的立体角投射。因此，天井天然采光系数是

上式表明庭院的天然光系数kc等于房间的照度Ec与房间开敞面的照度Em的比率，如图15所示。在天然采光设计中，kc是一个控制天井天然光环境的参数。

5噪声控制

国际标准化机构推荐，住宅区的噪声级不应超过35-45dB(A)，在城市的某些地方要达到这样的标准是非常困难的。四合院建筑却可以毫不费力地解决这个问题。室外噪声可以被四合院建筑的外围结构减弱。由于外围护结构表面无开口无声桥，声音衰减指数的质量定律成立[5][7]

这里D是声音衰减指数；F是单位墙面积的质量，kg/m2对砖墙D24=1dB和

D37=53dB，这就可以将室外声级86-96dB减少到推荐的室内声级35-45dB。通过屋顶绕射减少的噪声级可以用图16所示的图线估计，其中N是Fres2nel

带数目；δ是路径差，m；S是声源；P是计算点；d是点S到点P的距离，m；A+B是从声源S到顶点O再到计算点P的折线路径，m；λ是波长m；f是频率，Hz。

例如，建筑高为20m；从声源S和从计算点到最近墙的距离都是1m，S和P的高度是2m。我们得到Nf=0.2f因此，N250=50；N50=100；N1000=200，噪声相应地减小30dB；33dB；36dB。可以看到，如果建筑足够高，对噪声的屏避效果将更显著。种植屋顶或绿化场地对声音的衰减更大。

6保温

一般四合院建筑的平面是正方形，这就保证用最短的边长围合最大的面积。因此，四合院建筑是节能型建筑型式，下面进行证明。

一个矩形的面积可以表示为S(x)=(a+x)(a-x)，当一阶导数S’

(x)=-2x=0时，x=0，于是得到极值S(0)=a2，由于二阶导数S’’(x)=-2，因此正方形面积S(0)=a2便是矩形面积S(x)的最大值。同样地，圆面积πr2是椭圆面积π(r+x)(r-x)的最大值，其中r是园半径。

从节能来讲，圆形平面的四合院比正方形平面更好。一个建筑的节能效率可以用外表的周长与其围成的面积的比率来估计。

或

可以说正方形平面和圆形平面是节能的建筑平面，矩形平面的格外能量损失是相当大的。

7四合院的节能效应

四合院的庭院向天空开放，其内热质传递是间接的，由下面的热平衡方程可以求出空气温度tcy

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

这里

P—四合院平面的周长；

H—四合院的高度；

R0—四合院内墙的总热阻；

A—四合院平面的面积；RG—四合院地坪的热阻；V—空气流速；

ρi—室内空气密度；

ρ0—室外空气密度；

Cp—空气的定压比热。

这里ti，t0，tG分别是室内空气温度，室外空气温度和地基温度，四合院的空气温度是三个温度ti，t0，tG的加权平均值，一定比室外空气温度高。可以说，通过四合院大量的能量被回收和利用。

8日照

在长期的使用中，人们已经注意到了四合院里房间的空气温度是相对稳定的，就象森林浓阴下的气候。庭院中可以种树，也可以把庭院、屋顶变成花园，让藤蔓爬满外墙，把四合院变成绿色建筑。

在有些地方，冬季少量的日照对平衡损失是有效的，尤其是对保温得好的建筑有很好的蓄热性来稳定房间的温度。

9长波辐射[8]

大气的长波辐射入射到天井中，就象散射天然光辐射一样。晴天长波辐射的强度可以表示为

晴天，天空长波辐射冷却天井；多云天，天井的热辐射损失几乎为零。长波辐射的冷却效果可以被利用。被冷却的空气集中在天井里流向旁边的房间。

如果没有天井，根据风水原理，冷却的空气就会随风而去。如果庭院的热辐射损失为零，那么由(36)式得

如果庭院对天空开放的面积是12×6=72m2，那么来自天空得冷却能量应为72×50.468=3633.696W，这等于一个3kW的冰箱在庭院里对旁边的房间冷却。

10结论

在三千年以前，风水理论就被古代中国人充分应用了，根据风水原理设计的四合院建筑是今天中国建筑的主要形式。

这种建筑有自然气候舒适的优点，符合健康建筑的要求，这也证明风水理论是对客观规律智慧的总结。

四合院从热、声、光方面改善了环境的功能，空气不断更新，保持了良好的空气质量。

将四合院的特性和智能技术结合起来就能创造出更好的健康建筑，为全人类造福。

参考文献

1陈启高.发展建设健康建筑.室内空气质量从科学到实际“国际会议文集”，华沙，波兰，1993

2何晓昕编著.风水探源.南京：东南大学出版社，1990

3黎明.清代东华里民居热环境研究，第六届建筑物理学术会议选集，北京：中国科技出版社，1993

4陈启高，冯雅，孟庆林.高层建筑的良好空气源.健康建筑94论文集，布达佩期，匈牙利：1994

5沈豪.隔声指数.第二届建筑物理文集，声学卷，62—67，重庆，1980

6统篇教材.建筑物理.北京：中国建筑工业出版社，1980，pp268—271

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

ns.IncU.S.A.1962

8陈启高.建筑热物理基础.西安：西安交通大学出版社，1991，pp14—17