天井作为徽州传统民居的重要建筑特色,兼具通风采光、调节室内热湿环境和连接室内外空间的作用,但在现代建筑中逐渐消亡,应用越来越少。本文通过重点分析太阳辐射、自然通风、水体蒸发几个主要因素对天井热环境调节的影响,研究天井的热环境调节机制,并对天井朝向、高度和长宽比进行优化设计,使天井也能应用到现代建筑中,起到节约能源的作用。以馀庆堂为原型,通过实测分析天井的热环境和热舒适状态,根据实测结果及文献分析得到太阳辐射、自然通风及水体蒸发是影响天井热环境的重要因素。因此针对天井的太阳辐射、自然通风、水体蒸发等因素对热环境的影响,建立天井的热环境调节机制模拟研究的物理模型,揭示天井对民居室内热环境的调节机制。在研究天井太阳辐射调节机制时,首先模拟有无天井民居厢房的辐射吸热量,对比得出天井对冬夏季厢房辐射得热的影响,其次研究不同辐射强度条件下,天井对辐射热负荷及室内温度的影响程度。在天井自然通风调节机制研究中,先计算天井在冬夏季自然通风散热量,对比有无天井民居的通风散热量差值,得到天井的通风调节机制,并根据不同工况下的换气次数,对比厢房温度变化得出天井通风对室温的影响规律。通过模拟夏季最高温度和均值温度条件下,分析不同水体蒸发速率对室温、壁面温度、地面温度等参数的影响,并计算天井下方水体蒸发的蒸发吸热量,得到天井水体蒸发的调节机制。天井在昼间吸收太阳辐射,且因辐射强度不同导致吸收的辐射量不同,夏季辐射强度较高时,每日通过天井传入室内的热量为27 408.05 k J,比无天井时民居厢房直接吸收的热量低7 818.35 k J,低了22%;冬季的辐射强度较弱,每日通过天井传入厢房的热量为14 485.46 k J,比无天井时民居厢房直接吸收的热量低5 720.04 k J,低28%。由此可看出,天井可在夏季明显减少厢房得热,在冬季降低厢房的得热,可得出天井在夏季起到降低厢房温度的作用,但在冬季不利于厢房得热,即对室内保温或提高室内温度具有消极作用。天井在夏季加强自然通风,通过通风带走室内热量,达到降温的目的,日最高通风量达到1 166.6 m~3/h,日平均通风量为613.8 m~3/h,每天通过自然通风带走的热量为21 k J,降低约4.2℃的室温。天井的冬季自然通风量较小,日最高通风量达到405.3 m~3/h,日平均通风量为310.1 m~3/h,因此冬季每天通过自然通风带走的热量为11.5 k J,降低约0.8℃的室温,因此民居天井类似于“土空调”,通过加强或抑制自然通风调节室内热环境,在夏季降低室温,但冬季不能起到保温作用。天井下方设置的水体蒸发槽具有蒸发吸热,带走室内热量,降低室内温度的作用。水体表面温度越高,蒸发量越大,那么水体的蒸发吸热量也越大,当水面温度为37.5℃时,蒸发吸热功率可达到3.5 k W,降低0.7℃的室温。室外温度为27℃时,在1.5 m/s定风速的条件下,蒸发量对室内温度的影响最大为0.33℃,对各个方向壁面温度、地面温度最大温差约为0.4℃。室外温度为37℃时,在1.5 m/s定风速条件下,水体蒸发量对室温的影响较大,最高为2.72℃,由于蒸发量对壁面温度影响的不均匀性导致墙面和地面温差较大,约为3℃。即水体蒸发量在夏季高温时对天井温度的影响较大,在非高温时段对天井温度的影响较小。对不同朝向天井的高度、长宽比进行优化,通过分析四个朝向的不同高度、长宽比组合下共48种天井方案的厢房温度、天井得失热负荷、换气次数,对比得出能够营造最优热环境的天井方案组合。当天井的高度和长宽比相同、朝向不同时,坐北朝南的冬季得热负荷最高、厢房温度最高、换气次数最低,夏季得热负荷最低、厢房温度最低、换气次数最高;坐东朝西的冬季得热负荷最低、换气次数最高,夏季得热负荷最高、厢房温度最高、换气次数最低。当天井朝向不同,方案组合也不同时,使用KPT、KPA、KPI三个参数对冬夏季及全年的温度、换气次数进行权衡,结果表明:天井朝向为坐北朝南和坐南朝北时,选择高度为2.8 m、长宽比为100:30的天井组合可营造比较好的室内热环境;天井朝向为坐东朝西和坐西朝东时,选择高度为3.0 m、长宽比为100:30和高度为2.8 m、长宽比为100:30的天井组合可营造出比较好室内热环境。