基于綠色建筑技術(shù)的傳統(tǒng)村落風(fēng)熱環(huán)境改造研究
——以贛南盧屋村選區(qū)為例

陶曉龍， 沈之皓， 汪李娜， 李詩蕾， 朱星源， 蔡麗蓉

（江西理工大學(xué)）

1 引言

隨著生態(tài)環(huán)境氣候問題日益加劇，低溫寒潮、全球變暖等現(xiàn)象對人居環(huán)境造成巨大影響，其中傳統(tǒng)村落因不合時宜的建筑構(gòu)造、空間布局和綠化環(huán)境等因素遭受較大沖擊。

室內(nèi)外環(huán)境熱舒適主要受風(fēng)環(huán)境與熱環(huán)境影響，然而目前我國對于風(fēng)環(huán)境或熱環(huán)境的研究集中在城市建筑組團(tuán)，傳統(tǒng)村落由于受到不同地域氣候條件、地形地貌以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的制約，研究相對較少[1]。研究內(nèi)容大多數(shù)是風(fēng)環(huán)境或熱環(huán)境單一方面，如張少康通過WRF中尺度預(yù)報模式系統(tǒng)對區(qū)域風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，對珠三角地區(qū)城鎮(zhèn)空間規(guī)劃提出優(yōu)化建議[2]。高源通過Rhino-Grasshopper 可視化編程平臺，以冬季采暖能耗和室內(nèi)熱舒適為目標(biāo)，對北方鄉(xiāng)村住宅熱舒適與節(jié)能提出優(yōu)化改造建議[3]。

本文以優(yōu)化贛南傳統(tǒng)村落的風(fēng)、熱環(huán)境為目標(biāo)，對贛州市盧屋村中的傳統(tǒng)民居沙塘里一號及其周邊的環(huán)境進(jìn)行實地調(diào)研測量，并運(yùn)用Thsware綠色技術(shù)軟件對現(xiàn)狀進(jìn)行模擬，分析問題。以此為基礎(chǔ)，通過模擬調(diào)整村落下墊面的設(shè)計、改造建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的方式，改善原有的建筑及環(huán)境，并提出針對贛南傳統(tǒng)村落，基于Grasshopper 的參數(shù)化設(shè)計策略，從而為贛南傳統(tǒng)村落的綠色健康發(fā)展提供風(fēng)熱環(huán)境方面的理論參考。

2 研究區(qū)域概況

本文研究區(qū)域為贛南客家傳統(tǒng)名村盧屋村，位于江西省南部地區(qū)，屬亞熱帶丘陵山區(qū)濕潤季風(fēng)氣候，地形以山地、丘陵為主。據(jù)贛州市氣象局官網(wǎng)氣象公報文件中所述贛州市氣象條件，選區(qū)所在地夏季以南風(fēng)為主，春、冬季節(jié)盛行北風(fēng)，秋季以西北風(fēng)為主。夏季悶熱、潮濕，冬季寒冷、干燥。在一年中一月為全年最冷月，平均氣溫5℃，七月為全年最熱月，平均氣溫34℃。建筑朝向宜朝南并且自然通風(fēng)是該場地較適合采用的被動式節(jié)能技術(shù)。

3 贛南傳統(tǒng)村落的現(xiàn)狀問題分析

3.1 贛南地區(qū)傳統(tǒng)民居詳細(xì)測繪和建模示意

為了研究贛南地區(qū)風(fēng)熱情況對當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居建筑的影響，本課題選取了贛州市盧屋村內(nèi)一棟面積較大且結(jié)構(gòu)具有代表性的建筑沙塘里一號為主要研究對象，并將周圍跟該建筑緊密相關(guān)的五棟傳統(tǒng)建筑、三棟現(xiàn)代建筑及周邊環(huán)境納入研究范圍，如圖1所示。該民居為兩進(jìn)天井式傳統(tǒng)民居，中庭是狹小的天井。對其外部環(huán)境以及沙塘里一號的建筑內(nèi)部進(jìn)行測繪分析，探究其選區(qū)環(huán)境以及建筑內(nèi)部環(huán)境的基礎(chǔ)風(fēng)熱情況。建筑測繪簡圖如圖2所示。

圖2 砂塘里一號平面圖

3.2 贛南地區(qū)室內(nèi)外風(fēng)熱環(huán)境問題初步探究

通過采用Leica D2 手持激光測距儀、拓普瑞溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀和Kestrel風(fēng)速計等儀器對該傳統(tǒng)民居進(jìn)行詳細(xì)實地測繪以及問卷調(diào)查等方法，我們得出以下調(diào)研結(jié)果并對現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析。

該建筑內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)混亂；門窗構(gòu)件老舊，外墻開窗少、開窗高，導(dǎo)致室內(nèi)通風(fēng)效果不理想；磚墻面較完整但保溫隔熱性能較差；屋面交接不齊，屋頂采用木架瓦屋面搭建，導(dǎo)熱性較高；選區(qū)內(nèi)高大喬木較少導(dǎo)致遮陰率低，導(dǎo)風(fēng)效果差。

4 贛南傳統(tǒng)村落的風(fēng)熱環(huán)境模擬研究

4.1 模擬方法

本文基于CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)，在對選區(qū)環(huán)境進(jìn)行實測調(diào)研后，使用Thsware綠色技術(shù)軟件，從住區(qū)熱環(huán)境、室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境和室內(nèi)熱舒適等方面對贛南傳統(tǒng)村落進(jìn)行模擬分析。

4.2 參數(shù)設(shè)定

選區(qū)氣候區(qū)劃分為第Ⅲ區(qū)，夏季炎熱、冬季濕冷。參考贛州市氣象局官網(wǎng)氣象公報文件，將夏季主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)置為S，平均風(fēng)速2.8m/s；冬季主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)置為N，平均風(fēng)速3.3m/s；根據(jù)《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》將選區(qū)定為B 類-鄉(xiāng)村，地面粗糙度指數(shù)為0.16；相對濕度分別檢測50%、65%、80%三種情況。

4.3 模擬結(jié)果

4.3.1 住區(qū)熱環(huán)境

經(jīng)對現(xiàn)狀環(huán)境進(jìn)行模擬分析，得出綠化遮陽覆蓋率為17%，地表平均太陽輻射吸收系數(shù)為0.16。夏季室外溫度55%區(qū)域最高可達(dá)38.3℃。部分區(qū)域受到綠化遮陽覆蓋、屋頂綠化及風(fēng)場影響溫度相對較低。通過計算的室外環(huán)境平均熱島強(qiáng)度為3.24℃，不滿足《城市居住區(qū)環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中住區(qū)夏季平均熱島強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.3.2 室內(nèi)熱舒適

結(jié)合室外風(fēng)環(huán)境分析結(jié)果，通過Thsware軟件對選區(qū)內(nèi)沙塘里1 號室內(nèi)熱舒適模擬分析，結(jié)果如圖3。

圖3 沙塘里1號室內(nèi)全年溫度對比圖

①八、九月份最高室內(nèi)溫度約為29℃，高于最高舒適溫度，不符合《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50379-2019。

②冬季時，傳統(tǒng)建筑中多數(shù)外墻門窗氣密性較差，造成“冷橋”、冷風(fēng)滲透等現(xiàn)象，導(dǎo)致室內(nèi)溫度較低。春、冬季溫度均低于最低舒適溫度標(biāo)準(zhǔn)，不符合《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50379-2019。

③Pmv值-0.5～+0.5為最佳值，由分析得該建筑中門窗洞口處Pmv值約0.817，天井附近pmv值處約-0.616，不符合標(biāo)準(zhǔn)。

4.3.3 室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境分析

通過Thsware 軟件對整個選區(qū)進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬分析后，得出計算域內(nèi)風(fēng)速分布圖，如圖4-5所示。

圖4 選區(qū)冬、夏季室外風(fēng)速

圖5 沙塘里1號夏季一二層室內(nèi)風(fēng)速

①建筑外部沒有風(fēng)速超限區(qū)域（風(fēng)速大于5m/s），但存在較多靜風(fēng)區(qū)，從風(fēng)速分布圖可推測，選區(qū)內(nèi)部建筑排布密集、圍合緊密、錯落不甚合理，導(dǎo)致靜風(fēng)區(qū)較多。

②夏季南風(fēng)可進(jìn)入街巷有利室內(nèi)通風(fēng)，但由于現(xiàn)狀建筑墻體和喬木的無序阻擋，通風(fēng)效果減弱。

③冬季北風(fēng)較強(qiáng)，使室內(nèi)外壓強(qiáng)差過大而影響室內(nèi)通風(fēng)，進(jìn)而影響室內(nèi)熱舒適，沙塘里1號建筑東北側(cè)和北側(cè)受冬季風(fēng)影響較大。

④沙塘里1 號建筑室內(nèi)房間狹長且貫通性不強(qiáng)，門窗排布不合理等，造成該建筑室內(nèi)風(fēng)環(huán)境不流通，多數(shù)房間存在靜風(fēng)區(qū)。

4.4 模擬結(jié)果分析及改進(jìn)意見

從住區(qū)熱環(huán)境模擬中可得出室外環(huán)境平均熱島強(qiáng)度不符合《城市住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范。對室內(nèi)熱舒適進(jìn)行模擬分析，可得出目標(biāo)傳統(tǒng)建筑內(nèi)夏熱冬冷，室內(nèi)熱舒適值較低，未滿足人體熱舒適標(biāo)準(zhǔn)。從風(fēng)環(huán)境分析云圖中可得，室外風(fēng)速分布不均勻，存在較多靜風(fēng)區(qū)；室內(nèi)存在較多密閉靜風(fēng)區(qū)，空氣不流通。

針對以上分析結(jié)果，在綜合當(dāng)?shù)鼐用窠邮艹潭纫约案倪M(jìn)方案可實施性等多方面因素后，本項目于場地環(huán)境、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及參數(shù)化綠色改造策略三方面進(jìn)行改進(jìn)。

5 風(fēng)熱環(huán)境質(zhì)量改進(jìn)技術(shù)策略

通過對贛南地區(qū)傳統(tǒng)民居建筑現(xiàn)狀調(diào)研及斯維爾軟件模擬分析，在尊重贛南地區(qū)傳統(tǒng)民居原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，調(diào)整選區(qū)場地環(huán)境以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容，并運(yùn)用Thsware 綠色技術(shù)軟件進(jìn)行再分析，驗證改進(jìn)設(shè)計方案的可行性。同時提出基于Grasshopper 的參數(shù)化改造策略理論，以期為以后的改造發(fā)展提供理論參考。

5.1 場地環(huán)境改造及分析模擬

5.1.1 場地下墊面的配置

場地植被指數(shù)和地表反照率對住區(qū)熱環(huán)境影響程度分別為32.6%和22.8%[4]，因此在場地環(huán)境改造中植被指數(shù)和地表結(jié)構(gòu)配比極為重要。

①通過增加場地植被覆蓋率，可有效改善選區(qū)熱島強(qiáng)度情況，減少午間選區(qū)溫度波幅。調(diào)整后通過Thsware再次分析得，選區(qū)建筑周邊環(huán)境夏季平均溫度下降3℃，綠容率上升0.21。

②室外場地及建筑庭院的鋪裝可選擇本土碎石材質(zhì)，使得雨水能夠下滲入地面，既可改善地下土壤的濕度也可以讓土壤吸收水分和熱量從而起到調(diào)節(jié)選區(qū)局部環(huán)境濕度的作用，改進(jìn)后熱島強(qiáng)度降低1.74℃。改造前后結(jié)果如圖6。

圖6 選區(qū)改進(jìn)前后夏季正午溫度分布對比圖

5.1.2 綠化導(dǎo)風(fēng)

樹冠兩側(cè)及間隔處有導(dǎo)風(fēng)作用，使得局部風(fēng)速增大；留有間隔的一排樹木在滿足經(jīng)濟(jì)條件的同時仍能起到優(yōu)于單棵的阻風(fēng)效果，更適合在實際情況中使用[5]。

①通過多次模擬驗證，得出在建筑北側(cè)栽植喬木的合適位置，從而阻截冬季冷風(fēng)的侵襲，減少選區(qū)的溫度流失。改造后北側(cè)建筑迎風(fēng)面風(fēng)壓降低0.33N/㎡，改造前后對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 冬季導(dǎo)風(fēng)前后室外風(fēng)環(huán)境對比

②在選區(qū)池塘南側(cè)通過栽植喬木能起到合理導(dǎo)風(fēng)效果，將經(jīng)過池塘的夏季風(fēng)導(dǎo)入選區(qū)內(nèi)，調(diào)節(jié)選區(qū)風(fēng)環(huán)境，減輕選區(qū)熱島強(qiáng)度。改造后街巷內(nèi)風(fēng)速提高0.189m/s，改造前后對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 夏季導(dǎo)風(fēng)前后室外風(fēng)環(huán)境對比

5.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造及分析模擬

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改善可以使得室內(nèi)熱舒適得到很好的提升，進(jìn)而滿足使用者的要求并且降低建筑能耗，起到節(jié)能減排的作用[6]。改造方案如圖9所示，改造后室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果如圖10所示。

圖9 目標(biāo)建筑室內(nèi)風(fēng)口改造示意圖

圖10 目標(biāo)建筑改造后室內(nèi)風(fēng)環(huán)境

①在分析模擬贛州市常年風(fēng)速風(fēng)向及日照條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)所得數(shù)據(jù)調(diào)整目標(biāo)建筑南北向屋頂?shù)臉?biāo)高，形成高低落差。從而形成通風(fēng)口兼采光窗。屋頂交錯處利用百葉的不同角度實現(xiàn)對進(jìn)風(fēng)量的控制。

②一二層之間增加鏤空觀景臺階，使二層與天井之間連通，既美觀又可起到連通室內(nèi)外氣流的效果。

③利用光伏屋面瓦的吸熱特性加熱屋頂空氣，使之與室內(nèi)較冷空氣形成氣壓差，通過屋脊通風(fēng)口排出，同時下部空氣因上部氣壓變低而上升，吸引室內(nèi)其余房間空氣匯集，完成室內(nèi)外空氣對流。

④適當(dāng)調(diào)整建筑天井面積，增加建筑內(nèi)部橫向與垂直空間的通風(fēng)效果，既有利于采光，降低室內(nèi)空氣濕度，使建筑室內(nèi)熱舒適性提升。又可增強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)效果。

5.3 參數(shù)化綠色改造策略

通過grasshopper 可視化編程平臺，使建筑外表皮以及復(fù)合一體化裝置在感官系統(tǒng)對外界因素的監(jiān)測下，能夠?qū)崟r有效的做出改變。

5.3.1 基于grasshopper的可調(diào)節(jié)性技術(shù)

通過在建筑屋頂和墻面等各個部位安裝監(jiān)測溫度、光照和風(fēng)速的感官傳感器，將外界氣象因素轉(zhuǎn)述為數(shù)據(jù)信息。利用grasshopper可視參數(shù)化設(shè)計建筑外表皮運(yùn)動模式，記錄典型氣象節(jié)點(diǎn)，制定可變建筑外表皮的適應(yīng)性參數(shù)浮動范圍和記憶周期，同時結(jié)合thsware 軟件，以此作為優(yōu)化設(shè)計的參考依據(jù)，進(jìn)行住區(qū)熱環(huán)境和風(fēng)環(huán)境模擬驗證，促進(jìn)設(shè)計方案的優(yōu)化。

5.3.2 自動化循環(huán)技術(shù)

通過grasshopper參數(shù)化設(shè)計使建筑室內(nèi)外環(huán)境在感官系統(tǒng)的自動檢測下，運(yùn)用太陽能光伏發(fā)電-輻射制冷一體化裝置結(jié)合土壤源熱泵系統(tǒng)來改善室內(nèi)熱舒適，復(fù)合裝置如圖11所示。

圖11 復(fù)合裝置示意圖

①夏季日照充足，可充分利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，利用太陽電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能轉(zhuǎn)換為電能[7]，利用恒溫的土壤實現(xiàn)與建筑內(nèi)部完成熱交換，降低一層空間溫度的同時促進(jìn)室內(nèi)一二層室內(nèi)外空氣循環(huán)。夜間則利用輻射制冷技術(shù)達(dá)到夜間室內(nèi)溫度整體低于改前夜間溫度的效果；

②冬季利用管路循環(huán)將土壤中的熱量與室內(nèi)空氣間熱量進(jìn)行置換，提升室內(nèi)溫度，上下層形成溫差即可促進(jìn)室內(nèi)空氣新風(fēng)循環(huán)，增加室內(nèi)換氣次數(shù)。

6 結(jié)語

通過對傳統(tǒng)村落下墊面布局、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及提出參數(shù)化綠色改造策略，得出一套針對贛南傳統(tǒng)村落的有效改進(jìn)策略，策略如下。

①場地環(huán)境改造：通過模擬調(diào)整村落下墊面的設(shè)計，以及配置樹冠導(dǎo)風(fēng)排布結(jié)構(gòu)，使選區(qū)內(nèi)熱島強(qiáng)度明顯下降，舒適度得到提升。

②圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造：模擬研究后通過建筑天井的調(diào)整、屋頂錯落形成天窗和鏤空梯段等導(dǎo)風(fēng)措施，有效提高室內(nèi)熱舒適度，減少室內(nèi)靜風(fēng)區(qū)。

③參數(shù)化綠色改造策略：利用grasshopper 參數(shù)化設(shè)計使建筑室內(nèi)外環(huán)境在感官系統(tǒng)的自動檢測下，對太陽能光伏發(fā)電-輻射制冷一體化裝置、土壤源熱泵系統(tǒng)輸出修改數(shù)據(jù)，同時運(yùn)用thsware綠色技術(shù)軟件對改進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬驗證優(yōu)化。

研究通過對贛南傳統(tǒng)民居建筑的現(xiàn)狀進(jìn)行實測，結(jié)合模擬分析，歸納出研究范圍內(nèi)部熱島強(qiáng)度高、室內(nèi)熱舒適較差的問題。課題以研究對象室外環(huán)境、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)化綠色改造策略為變量進(jìn)行研究分析，得出相關(guān)改進(jìn)設(shè)計方案，同時運(yùn)用thsware 綠色技術(shù)軟件進(jìn)行模擬驗證，實驗表明：優(yōu)化后的室外熱島強(qiáng)度下降至1.5℃，符合《城市住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范；室內(nèi)外靜風(fēng)區(qū)被消除；夏季室內(nèi)平均最低溫度下降3.6℃；室內(nèi)熱舒適得到提高，pmv 值均浮動在-0.5～+0.5 之間，滿足人體熱舒適標(biāo)準(zhǔn)。驗證了改進(jìn)方案的可行性。這不僅對贛南傳統(tǒng)村落的改造建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展有重大幫助，同時對相似類型村落改建具有參考意義。