黃土高原民居宅院種植需求和形式分析

菅文娜

武艷文

雷振東*

在城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展、新型城鎮(zhèn)化及美麗鄉(xiāng)村建設等宏觀背景下，黃土高原地區(qū)鄉(xiāng)村建設取得了舉世矚目的成績。但鄉(xiāng)村環(huán)境建設正面臨著是否能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的嚴峻挑戰(zhàn)，黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的矛盾更為凸顯，協(xié)調(diào)資源、環(huán)境與發(fā)展之間的突出矛盾，建立地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的人居環(huán)境，是如今面臨的一個重大難題。植物作為鄉(xiāng)村環(huán)境建設重要的景觀要素之一，具有不可忽視的地位，從宅院這個鄉(xiāng)村最小細胞單元入手，結(jié)合鄉(xiāng)村的自然條件及民居現(xiàn)狀，研究植物在宅院空間的生態(tài)作用，對整個鄉(xiāng)村的生態(tài)環(huán)境具有促進作用。

植物在民居宅院的環(huán)境功能主要包括2個部分的內(nèi)容：1)植物對民居建筑外表面遮陰以利于室內(nèi)空間的舒適度；2)植物對民居宅院微氣候條件的改變以改善宅院的熱舒適度。本研究主要針對宅院空間中植物對微氣候的影響展開研究。

綠色植物在優(yōu)化小氣候、改善庭院熱舒適方面的重要作用已經(jīng)得到了重視[1-3]。相關研究通過調(diào)整樹木的種植以改善庭院的小氣候，豐富宅院里植被數(shù)量以改善熱舒適度，使庭院為用戶在白天即使在中午也能提供盡可能長時間的舒適環(huán)境[4]。如Makaremi等人提出使用高遮陽水平的樹木，以改善炎熱和潮濕氣候條件下庭院的室外熱舒適性[5]；Yahia和Johansson的研究表明，通過在敘利亞炎熱干燥的氣候中使用綠色植物，即使在夏季的關鍵高溫時段也能獲得熱舒適度[6]。綠色植物在炎熱季節(jié)的益處在于：首先，植物可以遮陰；其次，由于植物吸收了大量的太陽輻射，大部分被吸收的輻射能通過水分蒸發(fā)進行消耗，降低了周圍空氣的溫度，同時，增加了空氣濕度。

1 研究區(qū)域概況

黃土高原地跨七省區(qū)，氣候及地形地貌復雜多樣，鄉(xiāng)村建設不可能采取單一的模式，所以，本研究從主要的研究對象植物角度出發(fā)，結(jié)合黃土高原生物氣候分區(qū)，綜合民居建筑和宅院現(xiàn)狀，選擇了黃土高原東南部半濕潤區(qū)(包括陜西中部、豫西黃土高原部分以及山西的中南部)作為重點研究區(qū)域(圖1)。

1.1 氣候概況

本區(qū)位于全區(qū)的東南角，其北界在黎城、靈石、韓城、富平、寶雞一線，包括秦嶺北麓、關中平原、晉東南和豫西北等地。年降水量500～700mm，干燥度1.3～1.5，年平均溫度12.5～14.5℃，≥10℃的積溫有4 000～4 900℃。它是全區(qū)最溫暖濕潤的地區(qū)，植物區(qū)系和植被類型的復雜性和多樣性也很明顯[7]。

1.2 民居現(xiàn)狀

1.2.1 民居建筑

黃土高原傳統(tǒng)民居(窯居和部分房居如陜西關中四合院和關中窄院)是真正的“低成本、低能耗、低污染”的生態(tài)建筑。但是，在社會變革、居住形態(tài)轉(zhuǎn)變以及建筑技術(shù)演進等因素誘導下，大量的傳統(tǒng)的民居轉(zhuǎn)型為新型民居。多為1～3層磚混結(jié)構(gòu)，多數(shù)住宅室內(nèi)熱環(huán)境較差，冬天冷、夏天熱。隨之帶來室內(nèi)冬季采暖及夏季制冷能耗的增加。

1.2.2 民居宅院

對于研究區(qū)域，各地現(xiàn)行的住宅用地標準不一，總體宅院面積基本都在2～4分地(133～267m2)范疇。院落基本分為以下幾種形式：前院式(南院式)，庭院布置在住房的南向，有避風向陽的優(yōu)點，滿足了冬季的需求，夏季地區(qū)炎熱，應采取適當遮陽；后院式(北院式)，優(yōu)點是住房朝向好，院落比較隱蔽與陰涼，缺點是夏季天氣炎熱，住宅室內(nèi)溫度受臨街路面反射和太陽直射度影響，溫度過高，需要借助空調(diào)降溫；前后院式，這種劃分使院落空間的使用更加經(jīng)濟、方便、衛(wèi)生，多數(shù)前后院的形式是前院式加住宅建筑北側(cè)的衛(wèi)生窄道。圖2是東西聯(lián)排的院落類型，若南北并聯(lián)，出入口在東西兩側(cè)。

1.2.3 宅院組合方式

宅院的組合方式，與東南西北4個方向的大門、相鄰道路以及院落內(nèi)房屋的朝向方位密切相關。院落間的縱向并置和橫向串聯(lián)可以產(chǎn)生多種組合方式(表1)。研究地區(qū)多是多宅院的東西聯(lián)排和兩宅院的并聯(lián)2種集中布局形式。

2 研究目的及步驟

從植物對宅院溫度、濕度的綜合作用角度出發(fā)，通過現(xiàn)場實測和軟件模擬結(jié)合的方法，分析不同類型的植物及配置模式在典型宅院類型環(huán)境中對微氣候影響的變化規(guī)律，得出宅院空間植物改善微氣候的種植方式及形式，以最大化植物在宅院空間的生態(tài)效益。

圖1 主要研究范圍及調(diào)研對象分布

圖2 民居宅院類型

研究過程包括兩部分。首先，對研究區(qū)的院落進行隨機監(jiān)測，收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析和比較植物對民居室內(nèi)外空間環(huán)境的影響，明確民居環(huán)境對植物種植的需求；其次，宅院種植形式復雜多樣，完全靠實測的方法無法達到優(yōu)化的目的，因此，采用ENVI-met軟件對典型宅院類型中可能的植物種植模式及植物類型的選擇進行模擬，對宅院PMV的變化趨勢進行比較和分析，從而得出植物的最佳布置方式。

3 現(xiàn)場實測

實測的第一步是隨機選擇不同類型的宅院在同一時間進行測試。測試基地選擇在黃土高原東南部夏季溫度相對較高的西安地區(qū)的南豆角村的4戶宅院。

3.1 測試對象介紹

4戶住宅屬于多宅院東西聯(lián)排組合的集中式布局形式，宅院的用地和建筑結(jié)構(gòu)及形式相近。種植主要依據(jù)植物的覆蓋率來探討植物對宅院環(huán)境的影響[8]。所以，計算了每個宅院的植物覆蓋率(表2)。

3.2 環(huán)境數(shù)據(jù)

南豆角村位于村位于黃土高原的東南部的關中平原上，秦嶺山腳下，陜西省西安市(東經(jīng)107.40～109.49℃和北緯33.42～34.45℃，海拔750m)，暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冷暖干濕四季分明。夏季炎熱、冬季寒冷，年日照時數(shù)1 646.1～2 114.9h(表3)。

3.3 現(xiàn)場測試內(nèi)容

對宅院空間的測試主要選在高溫月7月進行，在各個空間1.5m左右高度布置儀器，定點逐時記錄空間的溫濕度。為保證測試結(jié)果具有代表性，本文選取在高溫月太陽輻射較強且風速較小的天氣。測試時間為2016年7月16—18日，測試時段為6：00—18：00，測試天氣均為太陽輻射較強、少云的天氣。

3.4 測試儀器介紹及分布

本次測試采用日本TANDD公司生產(chǎn)的TR72Ui溫濕度記錄儀，記錄空氣的溫度和相對濕度，在測試時段內(nèi)，逐時記錄不同觀測點的空氣溫度、相對濕度。室外室內(nèi)均在1.5m左右高度放置溫度塊(圖3)，設置1min記錄一次。

3.5 監(jiān)測結(jié)果分析

1)4個宅院室內(nèi)與室外的溫濕度對比分析。

從6：00—18：00，近12h的監(jiān)測，得出室內(nèi)外的溫濕度隨著太陽輻射的增強和減弱的變化規(guī)律。根據(jù)圖4、5可以看出，各戶室外的溫濕度變化對室內(nèi)并沒有顯著的影響，不管宅院室外開敞空間是否有植物種植，種植量的多少，建筑室內(nèi)的溫濕度基本保持平穩(wěn)，也就是說，在測試的宅院空間尺度下，現(xiàn)有植物的種植規(guī)模及垂直結(jié)構(gòu)的蒸騰作用對建筑室熱舒適度的間接影響效果并不明顯。

2)4個宅院室外溫濕度對比分析。

圖6結(jié)果表明，增加庭院樹木的使用直接導致相對濕度的增加和空氣溫度明顯下降。樹木的使用大大降低了宅院10：00以后的環(huán)境空氣溫度。覆蓋率最高的D宅院和沒有種植的B宅院相比，在關鍵時間點15：00的溫度最高可下降近5℃，相對濕度平均上升17%。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析得出，受民居宅院空間現(xiàn)狀的影響，宅院空間植物種植(在建筑外表面沒有產(chǎn)生陰影)通過蒸騰作用對建筑室內(nèi)環(huán)境的間接影響可以不做重點考慮，而對宅院空間溫濕度有明顯影響。

4 軟件模擬

采用ENVI-met 3.1三維流體動力學微氣候軟件進行參數(shù)化研究。該軟件提供了模擬城市空間中地表植被與空氣相互作用的平臺，典型分辨率為0.5～10m，時間分辨率為10s。

圖3 室外測試儀器分布

表1 宅院組合方式

圖4 AB戶民居室內(nèi)外溫濕度變化比較

圖5 CD戶民居室內(nèi)外溫濕度變化比較

圖6 4戶民居室外溫濕度變化比較

4.1 模擬軟件的可靠性

模擬室外空間熱性能的ENVI-met的可靠性已被反復證實[10-14]。這些研究證明了實測(來自現(xiàn)場測量或當?shù)貧庀笳镜挠^測數(shù)據(jù))和模擬空氣溫度之間的一致性。對于庭院空間的研究，雖然該軟件提供的數(shù)據(jù)不夠準確，但是可以用來了解庭院微環(huán)境的總體變化趨勢[15]。

4.2 模擬對象數(shù)據(jù)及軟件參數(shù)設定

在眾多的宅院類型中，選擇研究區(qū)比較典型的宅院類型(表1D戶住宅)，作為模擬的主要對象。宅院總尺寸10m×20m，不考慮窄小的后院衛(wèi)生窄道空間。由于一般院內(nèi)西側(cè)有90cm寬的室外樓梯，建模時，宅院西側(cè)邊界將院墻和樓梯合二為一， 尺寸1m×2m。住宅主體建筑9.9m×7.5m×7m，廂房3m×7m×3m，倒座10m×3m×3m。宅院可種植面積56m2。

模擬模型包括：沒有綠地的庭院(模型1)、100%的草類覆蓋率(模型2)、20%的樹木覆蓋率(模型3)、40%的樹木覆蓋率(模型4)、60%的樹木覆蓋率(模型5)、宅院中心種植(模型6)以及宅院南北墻附近種植(模型7和模型8)(圖7)。

ENVI-met模型的基本輸入?yún)?shù)包括建筑、土壤和氣象數(shù)據(jù)(表4)。

4.3 結(jié)果與討論

1)不同宅院種植在白天關鍵時間點的PMV比較。

從熱舒適條件來看，增加樹木的覆蓋率一般會改善熱舒適的區(qū)域及水平，也可以減少不舒適程度高的無陰影區(qū)域。然而，庭院地面覆蓋草坪對熱舒適性的影響并不顯著。如圖8所示，裸露庭院中PMV最高，在樹木覆蓋率最高的庭院中，熱舒適區(qū)面積明顯增加。但是宅院PMV水平空間分布表明，在12：00—15：00的關鍵時間點，樹木覆蓋率最高的院落比裸露的院落具有更高的熱舒適性。更重要的是, 雖然宅院的植物覆蓋率為0～40%時能夠改善白天除了12：00—15：00時段的熱舒適條件，但植物覆蓋率最高(60%)的宅院，在一天的關鍵時段能夠減少熱不舒服的程度。

表2 測試對象具體信息

總體來看，除了12：00—15：00的關鍵時段之外，用戶每天可以享受宅院舒適條件的時間可以延長到全天。同樣的，在這個關鍵時間點，與周圍建筑相鄰的宅院區(qū)域仍然比完全暴露在陽光下的中心區(qū)域更舒適。

2)宅院中不同種植位置的PMV比較。

圖9比較了宅院內(nèi)喬木在中間或南北(N-S)墻附近的PMV。在15：00時，中心有樹的庭院與有N-S樹的宅院相比，PMV的空間分布值區(qū)別不大，這就說明，3個種植位置在主要時間點具有相同水平的熱舒適度。

圖7 植物種植模型

5 區(qū)域宅院種植設計指南

1)植物種植位置的建議。

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，在宅院空間中，西南以及西側(cè)是植物發(fā)揮最大效益的最佳位置，若臨近建筑能與建筑結(jié)合營造更舒適的小環(huán)境，靠近宅院中間，會有更多的遮陰效果。但樹木改善PMV的水平基本相同。在實際中，需綜合考慮植物對住宅建筑的遮陰以及滿足建筑冬季日照的需求[16]，得出最佳的種植位置。

2)植物種植規(guī)模及種類選擇的建議。

實測和模擬結(jié)果顯示，喬木植物隨著覆蓋率的增大對溫濕度及PMV的影響比較明顯，所以在空間允許的范圍內(nèi)，應盡可能選擇覆蓋率大的植物或種植多棵植物，但是實際上，受宅院用地影響，單棵喬木的種植概率較大。對于低矮的灌木類和草坪類，在民居宅院這個特殊的環(huán)境，基本被低矮的蔬菜及農(nóng)作物替代。對于植物種植規(guī)模及種類的選擇，具體受宅院空間、用地性質(zhì)、家庭經(jīng)濟特征及外部經(jīng)濟特征等多因素綜合影響[17]。但是，盡管植物在提供舒適條件和改善宅院小氣候方面可以發(fā)揮重要作用，由于目前大多數(shù)地方缺水，灌木和其他植物的種植規(guī)模受到限制。

表3 西安氣象數(shù)據(jù)[9]

表4 ENVI-met在配置文件中的參數(shù)

3)適地適樹。

“在正確的地方種植正確的植物”已經(jīng)成為使樹木利益最大化和成本最小化的普遍理念。但是，現(xiàn)實情況不可能按照理想的模式實現(xiàn)，由于研究區(qū)住宅院落空間較小以及空間類型多樣，這種情況下，樹木可能被種植在次優(yōu)地點。此外，植物除了可以營造舒適的室外環(huán)境外，還可以輔助建筑節(jié)能，以及改善宅院以外更大范圍的生態(tài)環(huán)境，植物樹冠對不透水的表面可以遮蔽降雨并延遲雨水徑流，也能產(chǎn)生較大的環(huán)境效益。

圖8 12：00和15：00宅院1m高度模擬的PMV空間分布圖

圖9 15：00宅院1m高度模擬的PMV空間分布圖

6 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果分析，受民居宅院空間現(xiàn)狀的影響，宅院空間植物種植(對建筑外表面沒有遮陰)通過蒸騰作用對建筑室內(nèi)環(huán)境的間接影響不明顯，而對宅院空間溫濕度有顯著影響。利用ENVI-met 3.1軟件模擬得出，樹木種植對宅院空間微環(huán)境PMV水平影響最為突出，隨著種植數(shù)量的增加，舒適度也隨之提高。同數(shù)量、同類型的植物相對住宅建筑的南北方向種植位置具有同等效果。以上結(jié)論對于研究地區(qū)宅院空間的植物種植具有一定的指導意義。

注：文中圖片均由作者繪制或拍攝。