基于ENVI-met的干旱區(qū)傳統(tǒng)聚落氣候適應(yīng)性評(píng)價(jià)
——以吐魯番麻扎村為例

冶建明

賈永生

劉國鋒

近年來生活的高耗能以及能源緊張成為現(xiàn)今發(fā)展的主要問題，夏季降溫與冬季取暖占據(jù)了建筑能耗的一半以上，在創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)背景下節(jié)能減排，倡導(dǎo)使用清潔能源提上了政府議程[2]。利用傳統(tǒng)聚落空間的內(nèi)、外部環(huán)境，改善傳統(tǒng)聚落的氣候適應(yīng)性，降低能耗，提高居住舒適度顯得尤為重要。

大多的傳統(tǒng)聚落不能很好地利用聚落空間內(nèi)、外部環(huán)境提高舒適性，造成了傳統(tǒng)聚落的熱舒適性和氣候適應(yīng)性較差。為解決夏季、冬季舒適性的問題，大部分居民使用高耗能電器以及高污染能源，沒有很好地利用傳統(tǒng)聚落氣候適應(yīng)性的優(yōu)勢。目前研究區(qū)域主要集中于南方傳統(tǒng)聚落，西北地區(qū)聚落氣候適應(yīng)性研究甚少[3]。吐魯番位于西北干旱區(qū)，麻扎村作為典型的傳統(tǒng)聚落，有著豐富的歷史文化底蘊(yùn)，因此，研究麻扎村聚落的氣候適應(yīng)性，對(duì)于指導(dǎo)麻扎村以及西北干旱區(qū)聚落的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

麻扎村位于吐魯番盆地邊緣地帶，庫木塔格沙漠以北，火焰山中段的吐峪溝大峽谷南部。麻扎村以農(nóng)耕為主，依托地勢的陡緩，傍水沿河而建。吐魯番盆地具有降水少、蒸發(fā)大、日照長、干旱少雨的特點(diǎn)。人文因素和自然因素影響著村落的格局，采用典型的吐魯番地區(qū)傳統(tǒng)村落的布局方式，呈現(xiàn)出“綠洲灌溉型”的村落格局，即村落中的耕地沿水分布[4]。村落沿著綠洲邊緣而布置，盡量減少占領(lǐng)耕地的使用面積。麻扎村分布著六個(gè)居住組團(tuán)（表1），組團(tuán)受到了中心建筑的規(guī)制，不同的組團(tuán)以及院落的布局形式，是為了順應(yīng)地形以及向陽背風(fēng)的合理布局[5]。

表1 麻扎村聚落空間組團(tuán)

圖1 麻扎村總平面圖

圖2 麻扎村組團(tuán)分析圖

2 數(shù)字化模型構(gòu)建及氣象數(shù)據(jù)獲取

ENVI-met微氣候軟件由德國波鴻大學(xué)地理研究所Michael Bruse和Heribert Fleer 1998年開發(fā)的微氣候模擬仿真軟件。主要應(yīng)用在城市微氣候、環(huán)境規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、評(píng)估景觀設(shè)計(jì)方案等。本文通過中國天氣數(shù)據(jù)網(wǎng)站獲取模擬地點(diǎn)2018年相關(guān)氣象天氣數(shù)據(jù)資料，分析過程中將氣象數(shù)據(jù)中的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)導(dǎo)入ENVI-met軟件中進(jìn)行模擬[6-11]。

分別建立麻扎村整體模型和內(nèi)部組團(tuán)模型，大尺度模擬分析麻扎村整體熱舒適性，小尺度進(jìn)一步精確模擬分析麻扎村內(nèi)部各個(gè)組團(tuán)的熱舒適性。材質(zhì)參數(shù)設(shè)置主要采用了磚路、默認(rèn)的土壤、混凝土路面、瀝青道路等。不同材質(zhì)內(nèi)部設(shè)置不同傳熱參數(shù)，模擬現(xiàn)實(shí)中的熱交換（表2）。

3 麻扎村不同尺度下仿真模擬結(jié)果分析

人體熱舒適度作為衡量熱環(huán)境的重要指標(biāo)，本文分別模擬了麻扎村整體和內(nèi)部組團(tuán)夏季高溫極端條件下溫度、濕度、風(fēng)速、熱舒適度（PMV）的分布，對(duì)比三種不同高度下溫度、濕度、風(fēng)速、熱舒適度（PMV）的變化，從而進(jìn)行熱舒適度的評(píng)價(jià)。

3.1 麻扎村微氣候模擬分析

麻扎村溫度模擬分布顯示（表3），水系周圍溫度低于大氣溫度，水分的蒸發(fā)帶走周圍的熱量，使其與模擬溫度相差4℃。農(nóng)作物的蒸騰作用使周圍環(huán)境與模擬溫度相差2℃；濕度模擬分布顯示，在輸入最小相對(duì)濕度為8%的情況下，水域周圍以及農(nóng)田作物的濕度最高達(dá)到16%，顯著提高聚落上下游的空氣濕度。受峽谷風(fēng)的影響，上游大氣中的水分隨風(fēng)進(jìn)入麻扎村，提高麻扎村內(nèi)的濕度，濕度可以達(dá)到13%；風(fēng)速模擬分布顯示，在麻扎村上游和下游上空風(fēng)速流動(dòng)較小。麻扎村內(nèi)部街巷空間風(fēng)速增加顯著，建筑之間的風(fēng)速為1.5m/s左右，在人可以接受的范圍內(nèi)；PMV模擬分布圖顯示，高溫低濕的條件下PMV數(shù)值超過3.5，使人感到不舒適。通過極端條件下PMV的變化，分析得出舒適的范圍內(nèi)。PMV的范圍在0.5左右使得人們感到舒適，選取數(shù)值接近0.5左右的進(jìn)行分析。由圖看出舒適度值最小的在4，靠近水系以及植物分布密集處。

3.2 組團(tuán)微氣候模擬分析（表4）

溫度模擬分析。組團(tuán)1中植物與水的疊加影響，使得周圍最低溫度為40℃，與仿真模擬輸入溫度相比降低了6℃；組團(tuán)2生產(chǎn)作物的蒸騰作用降溫較為顯著，溫度為41～42℃；組團(tuán)3削弱了植物和水系的作用，使溫度變化不明顯，組團(tuán)內(nèi)溫度浮動(dòng)在42℃；風(fēng)從麻扎村的上游向下游流動(dòng)，使麻扎村聚落的熱量向下游處移動(dòng)，導(dǎo)致貼近組團(tuán)4以南的建筑溫度為42℃，組團(tuán)以南的作物片區(qū)溫度為41℃；組團(tuán)5受熱島效應(yīng)影響，使得組團(tuán)的溫度高出1℃；組團(tuán)6為麻扎村近年來規(guī)劃的區(qū)域，場地開闊，且周圍植物稀少，內(nèi)部設(shè)置有面積較大的停車場，溫度達(dá)到了44℃。

表2 仿真模型示意

表3 麻扎村微氣候模擬分布

表4 組團(tuán)微氣候模擬分布

續(xù)表4 組團(tuán)微氣候模擬分布

濕度模擬分析。組團(tuán)1受水蒸發(fā)及植物蒸騰共同作用，內(nèi)部濕度達(dá)到15%，改善了內(nèi)部微氣候，提高了舒適度；組團(tuán)2北接農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，河流三條分支貫穿其中，使內(nèi)部的濕度達(dá)到19%；組團(tuán)3內(nèi)少有植物和明渠，植物蒸騰作用和水分蒸發(fā)量少，內(nèi)部濕度為14%；組團(tuán)4內(nèi)濕度達(dá)到17%，高出模擬分析的濕度，周邊的植物以及作物改善了組團(tuán)的微氣候；組團(tuán)5受地形地貌影響，隨著等高線進(jìn)行分布，組團(tuán)內(nèi)濕度變化不顯著，濕度維持在14%左右；組團(tuán)6近些年來建設(shè)采用了大量的硬質(zhì)鋪裝，內(nèi)部濕度低于其他組團(tuán)的濕度，為13%。

風(fēng)速模擬分析。組團(tuán)1的右側(cè)與山脈相毗鄰，左側(cè)與帶狀植物相接壤，對(duì)比發(fā)現(xiàn)右側(cè)的風(fēng)速在1.6m/s，帶有植物的一邊風(fēng)速在1.0m/s，表明植物能夠有效地降低風(fēng)速；組團(tuán)2的建筑布局交錯(cuò)相應(yīng)，風(fēng)速1m/s，變化不顯著；組團(tuán)3以北形成了一定大小的窩風(fēng)，增強(qiáng)了氣體的流動(dòng)速度，最大處風(fēng)速接近3.3m/s；組團(tuán)4風(fēng)向受以北組團(tuán)的阻礙作用和建筑布局交錯(cuò)布置，內(nèi)部的風(fēng)速為0.6m/s；組團(tuán)5建筑布局緊密，受用地情況的限制，建筑多層且沿地形的起伏進(jìn)行分布，組團(tuán)內(nèi)部氣體流通性差，風(fēng)速為0.3m/s；組團(tuán)6內(nèi)無明顯的障礙物阻擋氣體的流動(dòng)，風(fēng)速在停車場較高，為1.9m/s。

PMV模擬分析。組團(tuán)1建筑附近PMV接近4，舒適區(qū)域帶狀分布，與水系及植物分布相同；組團(tuán)2以北為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，同時(shí)受到上游地帶的影響，內(nèi)部PMV數(shù)值為5，周圍環(huán)境可以影響到組團(tuán)內(nèi)部的舒適度；組團(tuán)3受另外兩個(gè)組團(tuán)的影響，削弱上游與下游中植被和水系的作用，該組團(tuán)內(nèi)部的PMV數(shù)值為5；組團(tuán)4下游作物的核心區(qū)域PMV的數(shù)值趨近于4，在靠近組團(tuán)內(nèi)PMV數(shù)值升高到5；組團(tuán)5的左下角PMV的數(shù)值為5，在靠近山脈的組團(tuán)內(nèi)部PMV的數(shù)值升高到6，靠近山脈使人們?cè)礁械讲皇孢m；組團(tuán)6中的PMV為6，變化不顯著，使人感到不舒適。

4 結(jié)論

首先在大尺度范圍，對(duì)麻扎村的整體進(jìn)行仿真模擬分析。然后對(duì)于小尺度進(jìn)行仿真模擬分析，進(jìn)一步探究麻扎村內(nèi)部六個(gè)組團(tuán)的影響。麻扎村微氣候模擬結(jié)果分析得到以下結(jié)論：

①麻扎村整體氣候適應(yīng)性較好，受峽谷風(fēng)的影響，上游大氣中的水分隨風(fēng)進(jìn)入麻扎村，提高了內(nèi)部濕度。狹長的街巷內(nèi)促使氣體流動(dòng)，建筑與建筑之間易產(chǎn)生窩風(fēng)，通風(fēng)條件有待改善。山脈中土壤的比熱容低，在受到強(qiáng)烈太陽的照射下，使得地表溫度快速升高，高于周圍環(huán)境溫度，降低舒適度。水系與植物在高溫環(huán)境中有明顯降溫增濕的效果，能夠改善聚落微氣候，提高舒適度。

②組團(tuán)微氣候模擬分析表明，由于組團(tuán)內(nèi)部環(huán)境不同，使得各組團(tuán)微氣候存在差異。組團(tuán)1由于植物與水的疊加影響，降溫增濕效果明顯，提高了舒適度。組團(tuán)2由于生產(chǎn)作物的蒸騰作用降溫較為顯著。組團(tuán)3削弱了植物和水系的作用，溫度變化不明顯。風(fēng)使麻扎村聚落的熱量向下游處移動(dòng)，導(dǎo)致貼近組團(tuán)4溫度較高。組團(tuán)5受到熱島效應(yīng)的作用，微氣候環(huán)境需要改善。組團(tuán)6場地開闊，植被量較少，直射時(shí)間長，且周圍植物稀少，造成場地溫度較高。

通過不同尺度的仿真模擬分析表明，通過合理的街巷布局以及內(nèi)部景觀要素配置，能夠有效改善聚落微氣候環(huán)境，應(yīng)充分利用環(huán)境的有利條件，優(yōu)化改善不利條件，從而提高聚落氣候適應(yīng)性。

5 麻扎村傳統(tǒng)聚落氣候適應(yīng)性優(yōu)化策略

聚落的大環(huán)境是由當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件決定的，并且難以改變。為提高生活環(huán)境的舒適度，改善聚落的氣候適應(yīng)性，進(jìn)行微氣候評(píng)價(jià)與優(yōu)化是可行而又有必要的?；跉夂蜻m應(yīng)性的理念對(duì)聚落合理的規(guī)劃布局與內(nèi)部景觀要素提出優(yōu)化策略，從不同尺度改善聚落生活環(huán)境。

5.1 聚落街巷布局

麻扎村聚落具有一定的獨(dú)特性，聚落在發(fā)展過程中規(guī)模較小時(shí)，街道可以采用“S”型布局，隨著聚落規(guī)模不斷變大，較長的街巷使得風(fēng)速逐漸縮減，上游處的風(fēng)向較大，下游處的風(fēng)向小。為了更好地改善通風(fēng)效果，需要提高街巷的穿插的數(shù)目，增加各個(gè)點(diǎn)的進(jìn)風(fēng)量，從而使通風(fēng)順暢。街巷從北往南設(shè)置，在上游風(fēng)速較大的情況下，建筑采用“品”字型布局，削弱上游的風(fēng)速以及窩風(fēng)的影響，增加下游處的街巷長度，位于下游的建筑不易采用“品”型布置。

5.2 內(nèi)部景觀要素

聚落中的植物在夏季高溫天氣能夠降溫增濕，同時(shí)遮擋陽光減少直射面積。冬季低溫天氣具有保溫作用。聚落周邊的植物可以疏導(dǎo)空氣中流動(dòng)的氣體，引導(dǎo)氣流從合適的方位進(jìn)入聚落，優(yōu)化聚落內(nèi)的氣流分布。位于聚落中建筑稀疏的區(qū)域，提高建筑周圍的植物的數(shù)量，環(huán)繞式布置改善建筑周圍的氣候，院落中種植高大的喬木，減少陽光的照射。位于建筑密集的區(qū)域，適當(dāng)增加明渠的長度，利用水的蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)降溫，以此提高周圍空氣濕度，提高人們的舒適度。

在組團(tuán)密集區(qū)域適當(dāng)增加明渠的長度和寬度，采用蜿蜒曲折的做法，增加明渠的長度。在組團(tuán)稀疏的區(qū)域，減小水體與大氣接觸的面積，采用多段式分布，明渠與暗渠間斷出現(xiàn)。同時(shí)宜在上游處修建人工小型的湖泊，如在中心建筑北組團(tuán)以及北段臨水組團(tuán)中設(shè)置小型湖泊或者水壩，貯存一部分水體，改善組團(tuán)內(nèi)以及周圍組團(tuán)的空氣濕度，營造更加舒適的生活環(huán)境。

充分考慮居民生活方式。麻扎民居建筑因其構(gòu)筑方式特殊，房間的通風(fēng)采光性能較差，所以只要不是冬季或者大風(fēng)天氣，村民的很多生活內(nèi)容是在室外的棚架下進(jìn)行的，棚架也是建筑空間組織方式的核心。由于當(dāng)?shù)囟膬杉緶夭畲蠖乙荒曛杏泄潭ㄌ鞌?shù)的大風(fēng)天氣，需妥善處理房間采光、遮陽、通風(fēng)之間的矛盾，麻扎民居中的門窗尺寸與一般的民居相比都較小，設(shè)計(jì)中需予以注意。

結(jié)語

人們?yōu)榱烁玫剡m應(yīng)性當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境而不斷的探索與優(yōu)化，逐漸發(fā)展形成聚落。古老的傳統(tǒng)聚落能夠長久的存在，這其中包含著人們的營建智慧與氣候適應(yīng)性理念。研究傳統(tǒng)聚落氣候適應(yīng)性，不僅是對(duì)傳統(tǒng)聚落進(jìn)行挖掘，更是對(duì)傳統(tǒng)聚落中古老的生態(tài)思想及技術(shù)進(jìn)行探索與研究。研究麻扎村聚落氣候適應(yīng)性，本文主要是采取計(jì)算機(jī)仿真模擬的分析方法，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用促進(jìn)了該論文的發(fā)展與研究，并結(jié)合吐魯番實(shí)地調(diào)研，獲取相關(guān)一手資料。ENVI-met微氣候仿真軟件只能去接近現(xiàn)實(shí)中的結(jié)果，并不能完全跟現(xiàn)實(shí)中一樣，所以該分析的方法具有一定的局限性。通過對(duì)麻扎村傳統(tǒng)聚落進(jìn)行氣候適應(yīng)性研究，發(fā)現(xiàn)聚落內(nèi)中不足之處，提出相關(guān)對(duì)策，為今后設(shè)計(jì)規(guī)劃中做出指導(dǎo)意見，并提供數(shù)據(jù)支撐。氣候適應(yīng)性的研究不僅可以研究已建成建筑，還可以為設(shè)計(jì)前期評(píng)估景觀設(shè)計(jì)方案，從而提高居住舒適度，在聚落的提升以及規(guī)劃建設(shè)上有著很大的應(yīng)用前景。

資料來源：

文中圖表均為作者自繪。