基于能耗量化模拟的乡村空间形态一体化特征

林琳 陆琦

粤西地区是经济发达省份的经济相对欠发达地区，在转型背景下乡村空间形态转向机械和单调，其传统聚落的空间环境被动式一体化的生态智慧逐渐消失。笔者以问题为导向，从可持续发展的视角出发，旨在挖掘聚落尺度的整体气候适应性智慧，基于乡村空间环境现状进行解析与重构，对大量存在、风貌较为一般的乡村聚落提出合理转型的优化策略。

1 理论内涵与研究进展

对于区域传统聚落空间环境的理解，研究者往往使用类型学和形态学的方法。类型学从地域模型中寻找一种具有代表性的与当地生活方式对应的建筑秩序，然后寻找基于“原型”的“演化型”，即寻找与人们生活方式、当地气候相契合的空间构成，而形态学研究领域正在经历从单要素分析向多要素分析发展转变的过程[1]，通过量化强调多个形态要素整合的方法对乡村空间环境的分析有重要启示。但是当前基于城市空间量化分析往往只关注街巷、建筑与功能要素方面的定量整合[2]，而忽略了乡村聚落独特的气候适应特征。因此笔者采用的量化工具是卡迪夫大学自主研发的早期能量模拟工具软件，该软件打破了计算机模拟仅限于分析高度程式化局部空间气候适应性的局限，更加关注聚落整体的互动。通过修改和调试虚拟模型的相关参数和模块，研究也可重现聚落整体空间形态和宅院在历史演变中不断适应地形条件和气候条件的“过程”，并将这个过程数据化、科学化，从而推导出乡村聚落演化的合理因素，拓展类型学与形态学研究，为乡村聚落的空间环境提升如何解决生产生活的需求与建筑形式语言之间的矛盾这一命题提供了理论支撑和方法来源。

2 研究地区与研究方法

2.1 研究地区、案例与范围

笔者选择的聚落案例主要侧重两点：1）可以反映传统乡村聚落空间环境特征；2）在当代社会、经济和交通组织发生变化的情况下，基本聚居单位的空间环境所引起的问题更加突出，其发展趋势和经验教训具有借鉴意义[3]。所涉及的案例村落可以大致根据现状分为4种典型的类型：突变式、衰退式、异址新旧村独立并行式、多核心分散扩张式。本研究的重点内容是这些聚落的整体空间，决定整体空间构成秩序的核心要素是地块、建筑、道路和村域边界。笔者所强调的“一体化”，是这些核心要素互相作用，使聚落不仅仅具有局部空间的适应性，更具有“整体”空间形态的气候适应性。从聚落选址、格局布置、单体设计等层面反映乡村聚落的这种整体气候适应性策略。

2.2 研究方法

卡迪夫大学开发的能耗模拟软件HTB2及VirVil可以进行多建筑动态热环境模拟并将模拟结果可视化，适合规划或乡村聚落尺度综合分析[4]。其中HTB2是建筑热性能的调查软件，通过输入逐时气象数据、建筑材料和构造数据、设备运行等数据，计算室内达到一定热舒适水平所需能耗。而VirVil可连接SketchUp与HTB2，在输入海拔、经纬度相关数据的前提下，使用遮阳罩这一概念体现太阳直接辐射和漫反射，以及周边障碍物对于建筑外围护结构的综合影响。VirVil的遮阳罩分析将外围护结构一个面上方的天空划分成324片10°×10°的黑白色块，黑色块意味着这一小片天空被周围地形、建筑、遮阳设施等周围障碍物遮盖，导致直接辐射不会通过；白色块则意味着这片天空无障碍物覆盖，需要计算直接辐射。体现在SketchUp模型的可视化结果中，建筑外围护结构由色彩的冷暖感表达太阳辐射得热情况，红橙黄表示太阳辐射得热量较多，绿蓝代表太阳辐射得热量较少。

对于粤西地区的模拟考虑到其亚热带及热带湿热地区特征，太阳直射并不显著而漫反射在夏季强度较高，因此模拟既需要关注聚落整体对于控制太阳辐射得热和营造舒适通风的策略，也要关注夏季湿热时间区段建筑单体的室内热环境状况。HTB2能耗模拟受数据来源、技术工具及工作流程等方面的限制，导致模拟结果具有一定局限性，这些限制主要包括：1）模拟软件虽具有气象数据库的自定义功能，但案例村落气象数据的来源不同、统计程度参差不齐，同时气象站所取得的气象数据与案例村落所处环境的真实情况存在一定差距，这些均影响了分析的准确性与科学性；2）该软件无法识别和模拟建筑的内部庭院形式，因此传统民居的天井对其整个室内空间造成的传热学影响以及天井在不同时段调整通风方式改善微环境的被动式设计智慧无法全面诠释；3）模拟结果对除形态之外的外环境影响机制——如水体、植被蒸发作用等无法体现，有待于结合更多室内外环境的实测性研究予以对比分析；4）HTB2对于模型的容错性较低，并且对于复杂模型而言，计算所需的时间太长，必须合理简化建筑形体以提高模拟速度，这也在一定程度上影响了模拟结果。尽管该软件具有上述局限性，但仍可以将定性和定量相结合，并通过不同尺度的模拟和比较研究得出一些指导性结论。

3 乡村空间环境量化分析

3.1 聚落地块形态气候适应性分析

在地块空间肌理的层面，粤西地区聚落普遍小且规律性较强，因此笔者将地块研究简化为新村地块与旧村地块，强调历史村落的自发演变。旧村指的是1949年之前形成完整肌理的地块，而新村指的是1949年之后形成的地块。笔者量化模拟了这几个村落的新旧村空间对于当地气候环境适应的情况，进行不同类型的案例村落的制冷能源需求测试分析比较（表1）。

表1 不同聚落发展模式下的新旧地块比较Tab. 1 Comparison of old and new plots under different settlement development models

外布前村、石头冲村、兰寨村与长乐村纬度相近，旧村平均年制冷需求介于55～65 kWh·m-2·a-1之间（图1），其中，旧村组团布局最为紧凑的外布前村平均年制冷需求仅为55.98 kWh·m-2·a-1。同处新兴县的石头冲村旧村肌理相对松散、横向巷道较宽、区位坡度较陡，面向横向巷道的建筑南侧立面得热较多，其平均年制冷需求为60.50 kWh·m-2·a-1。兰寨村与长乐村位于河谷平原处，周边地形对建筑的遮挡有限，聚落形态较为自由，旧村大型民居的内部空间具有类似梳式布局的紧凑交通组织，因此两村的旧村部分表现良好，平均年制冷需求分别为63.74 kWh·m-2·a-1和65.71 kWh·m-2·a-1。这4个村落的新村部分的民居以多层平屋顶为主，建筑高度参差不齐，由于没有天井，新建建筑之间的间距扩大以赢得采光，新村肌理因此变得松散，模拟结果表明，新村建筑的每平方米平均年制冷需求均比旧村高出30%左右，介于75～85 kWh·m-2·a-1之间。潮溪村与东林村地处雷州，远离珠三角城市群核心区，外来文化经济因素对于村落格局的影响较小，新村部分继承了旧村的肌理，建筑也以单层为主，多数新建建筑依然保留了天井，这2个案例村落新旧村平均年制冷需求差别较小，而且由于东林村旧村建筑组团承受更多西晒，其新村的表现比旧村更具有优势。

3.2 建筑单体气候适应性分析

对潮溪村和东林村单体建筑平均年制冷需求分布情况进行分析（图2）。潮溪村旧村中心巷以东的两路传统建筑制冷能耗需求较低，新村延续旧村肌理的部分也表现较好。东林村由于周围无地形遮挡，村落整体朝向向西，无论新旧村的制冷能耗需求都高于潮溪村。两村空地周边建筑所需能耗较高，说明空间肌理断裂对聚落整体气候适应性有不利影响，另外在建筑材料与形式类似的前提下，若建筑高度远比相邻建筑高，其制冷能耗需求也会迅速提升。

粤西地区属于湿热地区，使用气流帮助人体散热的效果并不明显，建筑单体的主要防热方法是遮阴，使用大面积实墙面，并在天井周围设置开敞的灰空间。对外布前村一座面积约为97 m2的三间两廊建筑进行制冷和供暖的能源需求测试分析（图3），如果其他条件相同，若要将室内空间调节到设定的舒适温度，能源需求量与外墙窗墙比正相关，因此外墙不开窗或少开窗是一种相对优化的策略，但是，此策略会导致日间采光不足，这是在有限的时间和有限的技术背景下，传统民居权衡利弊呈现出的结果[5]137。进一步对建筑平屋顶形式与传统坡屋顶形式进行模拟（图4），若基底面积相同，平屋顶形式会获得更多的太阳辐射量，而坡屋顶形式可以给周边的外围护结构及自身带来更多的遮挡。在相同的坡度下，朝南的屋顶获得的平均太阳年总辐射量最大，东西向次之，北向最小。如果测试区域中的建筑物全部都是平顶建筑的屋顶，那么屋顶平均太阳年总辐射量为1 058 kWh·m-2·a-1；坡顶建筑中太阳辐射得热最多的南侧屋顶平均太阳年总辐射量为 1 070 kWh·m-2·a-1，若综合考虑所有朝向的屋顶，则坡屋顶平均太阳年总辐射量为952.35 kWh·m-2·a-1。因此，一栋平屋顶建筑通过屋顶获得的太阳辐射量一年约为116 380 kWh，而一栋三间两廊坡屋顶建筑获得的太阳辐射量为104 759 kWh，同等条件下，为平屋顶形式的90.0%， 反映在年度制冷和供暖的能源需求数据方面，坡屋顶形式的建筑也具有更多的优势。

以上的比较分析也说明，如果不尊重聚落空间的整体格局，或建筑空间形态距离最佳平衡点较远，那么调整窗墙比、调整围护结构形式构造、采用部分遮阳措施等局部优化设计方式所能起到的节能作用都比较有限[6]。

3.3 聚落道路形态气候适应性分析

粤西传统聚落道路系统往往采用梳式布局，集中紧凑、骨架清晰。巷道将聚落山水格局与建筑中庭连接起来，形成了微妙而复杂的季节性通风、昼夜通风的被动式系统，利用季候风和天然或人工热惰性材料创建了大规模的 “空调系统”。道路两侧山墙之间互相遮阳，起到减少屋面得热和墙面得热的目的，形成所谓“冷巷效应”（图5），在早08：00—10：00及晚15：00—17：00之间可大面积投影到对面山墙，这有效减少了居民在室内活动时段墙体的得热，而在10：00—15：00间山墙的阴影仍几乎可以覆盖整个巷道，使巷道在夏季始终凉爽，并且与内庭和聚落周边通过热压差形成宜人的巷道风（图6）[7]170。除此以外，“冷巷”使用巷道方向与主风向形成夹角预冷或预热气流的这种巧妙的方式，传统聚落巧妙处理了山体、人居和水源的关系，创造了宜人的微气候，冬暖夏凉[8]。

结合上两节的案例分析可发现，在旧村内部空间断裂、地块内道路拓宽，会使建筑单体的制冷能耗量需求有所提升，传统聚落的整体“空调效应”将大大削弱甚至消失。而通过对外布前村（图7）的太阳辐射分布模拟分析可以看出，新旧村巷道两侧的外立面可视化结果存在显著差异，老建筑群的外墙呈深蓝色，表明“冷巷”效应明显，其平均太阳年总辐射量在350 kWh·m-2·a-1以下，远低于屋顶平均太阳年总辐射量，定量证明了传统聚落建筑间营造“冷巷”的朴素智慧的有效性；而新建建筑群高度与建筑形式无序，外墙可视化结果显示出很多绿色，表明它们的太阳辐射得热较多，“冷巷”效应有相当程度的削弱，不仅降低了室外步行空间舒适度，也导致夏季炎热时段的室内温度显著升高。

3.4 村域边界形态气候适应性分析

在农业景观与井然有序排布的民居之间，是水塘和环村绿化构成的村域边界，村域边界起到自然环境向人工环境转化的作用，是人们生产、生活的必要元素和保障。以东林村为例，在历次变革中，东林村逐步完善了聚落村域边界的架构，其村域边界的完整有利于生产、生活、灌溉和防御，对维持村落生态功能和可持续发展具有重要意义，完善的边界使整个村落都充满了生机，村域边界的植被蓬勃生长（图8），在周围地势平缓无遮挡物的情况下，改善了视觉环境并调节了场地的微气候[9]。比较东林旧村有环村绿化与假设没有环村绿化的两种情况，在周边拥有植被的情况下，旧村整个建筑组团年总制冷需求为1 380 755.00 kWh·a-1，平均年制冷需求为100.41 kWh·m-2·a-1；而在周边没有植被遮挡的情况下，建筑组团的年总制冷需求量为1 464 151.59 kWh·a-1，平均年制冷需求量为106.59 kWh·m-2·a-1。这个结果说明，植被构成的村落边界对聚落内部的建筑物起到了一定程度的遮阴降温作用。根据平均年制冷需求分布情况，植被对村落边缘及空间节点的建筑有着更好的降温效果。另外，树荫显著减少了建筑屋顶和墙体的太阳辐射得热。除了遮阳功能，植物的光合作用减少了反射到环境中的热量，植物的蒸发过程利用蒸发吸热的原理同样能够冷却周围的空气，可以进一步降低建筑对空调能耗的需求。

4 可持续发展的当代乡村空间环境提升

4.1 乡村空间环境特征总结

对传统营造智慧“整体观”的理解是乡村聚落空间环境提升的基础，也是避免乡村发展失控、促进乡村聚落可持续发展的根本。粤西地区常见的密集居住模式和梳式布局是一种聚落尺度的整体气候适应性策略，基于当地气候特点，充分利用聚落空间整体形态实现自然通风、相互遮阳及降低室内能耗的作用，蕴含对室内外环境互动的深入思考。从地块形态来说，密集的平面组合形成整体空间，建筑的外墙都淹没在屋顶和山墙的庇护之下，遮阳降温的效果比松散的组合方式要好。建筑单体采用外封闭内开敞的形式，使传统民居受热辐射的影响较小，有利于维持室内相对稳定的微气候。外墙开小窗或不开窗，因此室内自然采光较差，但隔热效果较好。巷道高宽比越大，民居排列越紧密，高度越一致，村落内部热舒适环境越好，热环境更稳定。村域边界水系和绿化则提供了低成本的良好居住环境，进一步优化了聚落的整体气候适应性。

乡村空间特征具有系统性和连续性，背后也蕴含着可持续发展理念，其主要理念包括：适应气候、融合环境；强调功能、整体统筹；就地取材、节约能源；兼容并蓄、开放多元。基于这些理念的具体策略仍然存留并值得聚落在现代社会继承和发扬。

4.2 乡村空间环境提升策略

当代现状乡村空间环境逐渐失去对传统格局的遵循，主要问题有：村落扩张的趋势和空心化现象削弱了传统聚落的整体“空调效应”；聚落空间形态由统一丰富转向机械单调；居住景观由自然趋向于人工，在居住舒适度方面由通过自然调节转向依靠人工能源，能耗趋于增加；缺乏交往性活动场所导致村落公共空间功能及界面单一化。

针对这种现状，聚落空间环境提升的“整体方法”是乡村聚落良性发展的关键。在理解传统营造智慧“整体观”的前提下，具体操作上采用尊重大空间格局的局部、渐进方式将乡村聚落空间复杂的碎片缝合在一起。在具体实践中，任何的具体改造措施都应当在整体观的前提下进行满足现代使用功能的环境提升。在这个前提下，即便使用廉价易得的建筑材料和砌筑手法，通过合理的空间设计也能取得良好效果。

1）传统营造智慧中表现出的整体气候适应性策略应当得以继承。小型聚落或者具有聚落化倾向的群体建筑巧妙实现大尺度内的建筑节约用地、彼此遮阳、调节通风的方法对于村落人居环境形态控制及建筑技术方面具有比较直接的启示。例如四川广元金台村在地震灾后重建中面临安全土地有限的问题，设计师根据既有经验将岭南地区城乡常见的密集居住模式融入四川的乡村环境中，巧妙解决了问题[10]（图9）。

2）乡村空间改造应注意平衡自然采光与运行能耗之间的矛盾。当代生活方式转变，村落构成也逐渐由单一的农业转换为多种产业融合，正如罗西类型学所主张，对待历史中走出来的地域建筑，功能与形式没有必然的对应关系[11]，旧村的活化需适当植入文创、商业、民宿、会议、图书室等新功能，以重新激活聚落空间的丰富性与邻里交往。诚然传统空间形式的低碳节能做法在当代依然可以发挥一定作用，但在保持传统空间格局的基础上必须对传统格局与形式进行合理调整和完善，才能满足新功能引入的需求。粤西传统聚落及民居在应对湿热环境条件时普遍牺牲采光的做法已不适应当代使用需求，因此针对传统建筑功能的更新和改造设计中应在视觉、流线、采光、通风、能耗之间找到最佳平衡点（图10）。

3）应从居住空间、公共空间和景观空间三方面考虑综合促进乡村空间环境提升。目前粤西乡村普遍存在的居住空间无序扩张、公共空间极度缺乏、景观空间日益破碎打破了乡村聚落既有的系统性和连续性，破坏了乡村聚落整体气候适应性特征。有针对性的具体策略应侧重于居住空间在占地与占地范围方面做出指引，处理好邻里建筑的空间关系、寻求双赢的空间布局模式；公共空间注重系统化和重新植入、功能活动和空间的调整；景观空间的恢复则需采用必要的最小限度设计，强调具有乡土气息的质朴景观，恢复并完善其综合利用，通过空间环境综合提升形成生产、生态、生活多功能的复合场所（图11）。

图表来源(Sources of Figures and Table)：

图1～2、4、10、11由作者绘制；图3引自参考文献[4]；图5、8由作者自摄；图6引自参考文献[6]；图7引自参考文献[4]；图9引自参考文献[9]。表1由作者绘制。