传统井巷建筑原真风环境的数值模拟研究*——以湘南宝镜村古民居为例

王国光，郑 舰，朱雪梅

引言

传统民居的建筑特征往往响应了当地自然环境。湘南地区多山，传统民居多依山而建，布局紧凑，外形方正，犹如印章[1]。井巷式传统民居是在当地民居原型（Morphology）“一明两暗”的基础上，分化出以天井为中心的合院，再从合院两侧加建排屋，形成天井排屋式形态[2]。面对湘南地区紧张的用地资源、夏季高温高湿和冬季冷空气入侵，中心天井+内巷、侧天井+侧巷形态，较好地解决了因建筑密集产生的夏季通风和散热问题以及冬季防冷风渗透问题[3]。

具有天井空间的传统民居气候适应性设计吸引了越来越多的关注。研究者们运用实地测量、计算机模拟等手段定量分析民居形式对建筑风环境的影响。除了实测[4，5]与评价[6，7]，更多研究用数值模拟来比对多种方案，以寻找能营造最佳风环境的形态参数，包括四合院[8，9]、关中民居[10]的庭院形态参数，皖南民居[11]、福州民居[12]和湘西窨子屋[13]的天井形态参数，广府村落的空间密度与街巷尺度参数[14]。在湘南地区天井排屋式民居中，中心合院与侧面排屋之间构成形态狭长的侧天井，又称侧井巷，这些井巷通过内巷与中心合院天井相联通。以往研究多关注于中心天井，而较少涉及侧井巷在自然通风中的作用。

在风环境模拟中，初始边界条件直接关系到输出结果的真实性。已有研究所采用的边界条件，有的来源于现场测量数据，有的参考历史气象资料，两者都不能反映基地的原真微气候环境。考虑到地形对传统民居微气候的影响，有学者采用分步模拟法，先模拟包括建筑群及后山体的室外风环境，提取模拟结果的若干截面，经处理作为室内风环境模拟的边界条件[15]。还有学者提出组合模拟法，将ENVI-met的微气候模拟数据与Energy Plus耦合，用以精确分析室内能耗[16]。由于以上两种方法仍然是采用理想模型，对于原型环境存在一定程度的失真[17，18]。

村落原真风环境即反映了建筑遗产历史信息特征和村落地形、建筑布局与形态、植被以及气象气候条件的自然通风环境[19]，本研究结合分步模拟法和组合模拟法对传统村落原真风环境进行研究，其结果有助于建筑师可以更科学地理解传统民居生态气候设计策略，并将其合理运用于地域性建筑设计实践。

1 研究方法

本文提出的分步模拟和组合模拟实际是一种多尺度模拟的方法，根据不同尺度模拟要求，首先要实测整个传统村落内所有古民居，收集了大量测绘数据，为不同尺度模型构建奠定基础。其次，在考虑地形对传统村落风环境影响的基础上，采用Envi-met模拟典型天井排屋式传统民居室外风环境，并做出评价。然后，采用Ecotect模拟天井排屋式传统民居的室内风环境，包括侧天井井巷的进深、宽度、高度等参数，最后，通过模拟多种参数组合下的风环境变化，提出侧天井形态参数与通风状态之间的关联规律，具体过程分为三步[20]：

（1）传统村落风环境模拟，即传统民居室外风环境模拟。选择天井排屋式民居的代表性村落，将民居建筑群连同周围地形地貌、植被、水体等要素一同进行风环境模拟，探究村落整体风环境，风环境模拟结果将作为下一步室内风环境模拟的边界条件。该步骤的模拟范围相当于城市中观尺度模拟范围。

（2）传统民居院落内部风环境模拟，包括井巷及室内风环境模拟。以上一步输出结果作为边界条件，对村落中天井排屋式传统民居逐一模拟，并对中心天井和内巷、侧天井和侧巷、室内的自然通风效能做出评价，该步骤的模拟范围相当于城市邻域尺度模拟范围。

（3）风环境影响因素模拟。在建筑尺度范围的模拟，以第一步的输出结果为边界条件，针对第二步发现的问题，以典型院落为原型建立天井排屋式民居的基本模型，通过调整基本模型的井巷形态参数，研究这些因素对院落风环境的影响，并尝试建立井巷原真风环境最佳的设计策略及参数，该步骤的模拟范围相当于建筑群体空间尺度模拟范围。

室外风环境模拟用到的软件是ENVI-met3.1，其在晴朗并且少云的工况下风环境模拟精确度的可靠性已得到较多文献证实。一般认为在巷道与院落空间的模拟中，Envi-met模拟风速略小于实测值，但是模拟数据与实测数据都相差很小，即误差甚微[21-24]。由于ENVImet建筑内部风环境模拟精确度不高，本文采用Ecotect Analysis 2011（配合插件WinAir4）模拟院落内及住宅室内风环境，也有较多篇文献对该软件进行理论检验与实践校核，并证实其模拟精度可行[25]。

2 研究对象

2.1 宝镜村简介

宝镜村地处湖南省永州市江华瑶族自治县大圩镇中部，总面积127ha。当地属于亚热带季风气候区，四季分明，夏季高温多雨；在建筑气候区划上属于夏热冬冷地区，对建筑的夏季通风降温要求较高，同时兼顾冬季防风御寒。宝镜村始建于清顺治七年(公元1650年)留存完整，具有极高的历史文化价值，已被列入全国重点文物保护单位和中国传统村落名录。

村庄选址在山脚坡地，西南侧朝向水塘，东北背靠山丘（图1）。宝镜村传统民居建筑群布局紧凑，由6座院落组成，自南向北依次是新屋、老堂屋、下新屋、上新屋、大新屋、围姊地（图2）。

图1 宝镜村现状风貌及区位图

图2 井巷式传统民居建筑年代及平面图

2.2 宝镜村传统民居概况

老堂屋为何氏先祖在顺治年间所建，年代最早。院落中轴正对村后笔架山主峰，主院面宽13.5m、进深25m，有两进屋、一天井；附院面宽10.8m、进深35.7m。下新屋建于嘉庆年间，建筑面积710m2，有三处天井，主院为三间两厢形。同一时期的围姊地在建筑群最北端，进深长41.4m、面宽34.5m，由前坪、主院、后院、左右两个附院组成，共5个天井、39间厢房，主建筑形状是边长34.5m的正方形（图3）。新屋建成于同治年间，规模最大，总面积2727m2，共12个天井，主院两侧多次扩建长工厢房，共80间（图4）。大新屋也建于同治年间，由主院、附院、侧院、前坪、花园等组成，最大进深长52.5m、宽37.2m，建筑面积为985m2，共6个天井。

图3 围姊地正立面图（上）与剖面图（下）

图4 新屋正立面图（上）与剖面图（下）

3 室外风环境模拟与分析

根据江华县气象台近30年（1989～2018年）的历史风向统计，冬季典型气象月（2017年1月21日～2月20日）的风向以北风为主，夏季典型气象月（2017年8月3日～9月2日）的风向以南风为主，风力平均为2级，平均风速为1.6m/s～3.3m/s，拟定2017年2月2日、8月6日作为典型气象日。使用ENVI-met3.1来模拟宝镜村外部风环境，先建立含建筑、地形、植被等要素的模型（图5），输入典型气象日的气象参数，其中夏季初始风向为南风，冬季初始风向为北风，离地面10m高度处风速均为3m/s，地面粗糙度均为0.16。模拟区域东西长600m、南北长750m、高60m，涵盖宝镜村全部民居院落以及村后的笔架山，在X=192m处、Y=482m处设置观测切面。模拟开始时间0:00，总模拟时长为24小时。网格大小设置为4m×4m×2m，网格数目依照村庄大小设置为250×200×30，2m处相对湿度设置为67%，0～20cm土壤温度设置为308K，20～50cm设置为307K，50cm以下设置为306K，10m高风速设置为3m/s，2500m含湿量设置为7g water/kg air并按照季节和山体情况设置四类工况，以研究冬夏两季地形对室外风环境的影响（表1）。

表1 典型气象日室外风环境模拟工况

图5 村落环境Envi-met模型

在ENVI-met模型中分别放置多个传感器，通过对比14:00时1.5m高度处的风环境平面（图6），发现山体对民居建筑群外部的风速、风向有影响。（1）山体会改变风向，在笔架山的影响下，宝镜村的夏季和冬季风向与江华县气象统计资料相比，发生了较大变化；（2）山体能提高建筑群外围风速。比起无山的情形，在有山体的工况下，建筑群外部的风速在冬夏两季均有所增加，其中，建筑群周边平均增加了0.4m/s，远离建筑群的空旷地带增加了0.8m/s～1.6m/s；（3）山体对建筑群内部街巷风速影响不明显，不论何种工况，村落内的街巷等外部空间的风速始终在0.8m/s以下；（4）山体能改变流入建筑群的风向。在有山体的情况下，夏季流入建筑群的风向由初始的南风变为西南风，冬季风向由初始的北风变为东北风。

图6 室外1.5m高度处水平风场分布

分别提取图6中的6个测试点不同高度的风速，对比14:00时4种工况下的切面的风场环境（图7），发现山体能影响涡流，并提高60m高度以下的风速，影响的高度范围相当于山体高度。（1）在有山体的情况下，建筑群上空会产生大量涡流，由于山的体量比建筑群大很多，空气流经山体表面会产生更大的压力差和涡流，相应的，建筑群上空的涡流会加大，有利于建筑群与外部环境的空气流动；（2）山体能提高60m高度以下的风速，但对60m以上的风速影响。比起无山体的情况，当有山体时，X=192m切面显示冬夏两季20m～25m高度处的风速均增加了0.4m/s ，Y=482m切面显示夏季20m～60m高度处的风速增加了0.4m/s，冬季10m～60m高度处的风速增加了0.4m/s。但是无论冬夏，60m以上高度风速始终大于3.6m/s，基本不受地形影响；（3）山体产生竖向平面上空涡流，改善村落与外部环境的空气交换条件，涡流强度夏季比冬季更显著。

图7 不同工况风场竖直剖面风场图

4 室内风环境模拟与分析

用Ecotect模拟天井排屋式民居在夏冬两季典型气象日室内通风状况，各房间和天井和中心位置放置传感器，侧井和内巷中心线上每隔1m放置传感器，按照分步模拟法的技术路线，以上文中ENVI-met各工况模拟结果显示的传统民居周边网格的风向风速等作为Ecotect模拟室内风环境的初始条件。

具体外部设定条件为：Ectect网格设置为2m×2m×1m，由于模拟对象室内外温差会产生热压，因此在计算条件中在夏季典型气象日将室外温度设置为34℃，将室内温度设置为28℃；在冬季典型气象日将室外温度设置为4℃，将室内温度设置为10℃。模拟对象外部风速依照上一步envi-met的模拟结果输入。在夏季模拟中，根据envi-met的模拟结果，房间外部风风向统一设置为西南向，1号房间外部风速设置为2.6m/s；2号房间为2.4m/s；3号房间为为2.0m/s；4号房间为2.6m/s；5号房间为2.0m/s；6号房间为2.4m/s。在冬季模拟中，根据envi-met的模拟结果，将外部风风向设置东北向，一号房间外部风速设置为2.0m/s；2号房间为2.0m/s；3号房间为为1.6m/s；4号房间为1.6m/s；5号房间为2.0m/s；6号房间为1.8m/s。图9给出了计算域内1.5m高度处的速度矢量分布。

图9 围姊地夏季室内风场模拟结果（左：1.5 m高度风场分布；右上：南北向剖面；右下：东西向剖面）

宝镜村6个传统民居整体看，井巷气流普遍大于房间内气流，堂屋的平均风速普遍大于两侧厢房的风速，侧巷流速普遍高于内巷；以上特征夏季较冬季更明显，因为受山体地形影响，夏季来流风向与侧巷平行，加之建筑处于山体上风向，山体阻挡风的水平流动，使得流入建筑内的风只有通过井巷才比较容易流出，从而加大井巷的风速；冬季来流方向与侧巷呈夹角，加之山体位于建筑上风向，山体阻挡水平流动使建筑上空形成负压区，从促进井巷气流垂直向上，减少冬季冷风渗透（图8～12）。

图8 夏季室内1.5m高度处水平风场分布

以围姊地和新屋为例，由于围姊地的朝向与夏季风向基本一致，因此在中央的天井和两侧的井巷形成了明显的通风廊道，风速普遍达到2m/s左右，高于新屋。在室内，面朝风向的房间内风速较大，有少量房间形成穿堂风，其余大部分房间为静风区（图9）。在冬季，由于后院排屋对来风的阻挡作用，院落内风速较小（图10）。夏季，新屋的前坪、中心天井和后院风速相对较高，而井巷的通风状况不佳（图11），并且冬季井巷的整体风速比夏季略高（图12）。究其原因，前者可能是因为新屋朝向西北方向有关，后者是因为新屋在增加左右两侧排屋和后侧的排屋，进深和体量加大，而天井和侧巷与内巷的面宽等参数基本没变。

图10 围姊地冬季室内风场模拟结果（左：1.5 m高度风场分布；右上：南北向剖面；右下：东西向剖面）

图11 新屋夏季室内风场模拟结果（左：1.5 m高度风场分布；右上：南北向剖面；右下：东西向剖面）

图12 新屋冬季室内风场模拟结果（左：1.5 m高度风场分布；右上：南北向剖面；右下：东西向剖面）

提取相应测点的模拟值，通过一定的数据处理过程得出建筑风环境相应的评价指标如表2所示。围姊地、老堂屋平均风速较高、不均匀系数较低（风速不均匀系数指的是在工作区内选择 n 个测点，分别测得各点空气速度，以均方根偏差除以算术平均值得到，值越小，则气流分布的均匀性越好），风环境最好；其次是下新屋、大新屋和上新屋；新屋虽然代表清代湘南天井排屋式民居建筑的最高工艺的水平，但自然通风不佳。可以围姊地或老堂屋为原型，进一步对风环境的影响因素进行模拟分析。

表2 室内风环境模拟结果评价一览表

5 风环境影响因素模拟分析

除外部山体地形、建筑朝向等，影响天井排屋式传统民居自然通风的内部因素有很多，本研究选取的是井巷，即处于天井合院与侧面排屋之间的空间。以侧巷的三维尺度为参数，包括进深、宽度、高度，井巷进深即侧面排屋的总面宽，井巷宽度指侧面排屋与中心合院之间的距离，井巷高度指从户外地面至排屋檐口下沿的距离。根据宝镜村传统民居的演化过程，为了反映民居的原真风环境，本文以围姊地为基本模型，井巷原型参数为进深34.3m、宽3m、高5.1m。

模拟的初始条件与上一节相同，从ENVI-met模拟结果中，分别选取冬夏两季、有山体的工况下的宝镜村外围的网格数据，结合气象资料，提取出在典型气象日受地形影响的夏冬两季的风速和风向，作为这一步模拟的边界条件。其中，夏季为西南风，风速为3m/s，冬季为东北风，风速为3 m/s。由于围姊地朝向偏西南，因此在模拟时，基本模型的正立面也朝西南方向。模拟完成后，统计1.5m高度处水平面上井巷范围内分析网格的风速值。模型参数如表3所示，共模拟了冬夏两季典型气象日共36种工况，限于篇幅，无法将结果一一列出。

表3 基本模型的井巷形态参数组合

5.1 井巷进深

侧面排屋的开间数量反映了井巷进深的大小。保持基本模型的井巷宽度和檐口高度不变，将两侧的排屋同时增加或减少两个开间，即以7.2m为模数改变其进深参数的取值（图13a）。

图13 井巷进深、面宽、高度与井巷风速变化（13a：井巷进深与风速；13b：井巷高度与风速；13c：井巷宽度与风速）

随着井巷进深的增加，夏季平均风速呈现出先上升后下降的趋势，当进深为34.3m时，平均风速达到最大值1.52m/s。夏季最大风速基本保持在1.9m/s上下，只有当进深减少到12.7m时，最大风速才骤降至0.89m/s，并且此时的平均风速小于0.5m/s，属于静风，不利于夏季通风散热，因此井巷进深不可过小。随着进深增大，冬季平均风速始终小于0.5m/s，冬季最大风速先上升后趋于平稳。进深为12.7m、19.9m、34.3m时的冬季平均风速最小，防风效果最好，但在夏季通风效果上，前两组都与后者存在较大差距，因此，进深为34.3m时能同时获得较好的夏季通风和冬季防寒性能。

5.2 井巷宽度

保持井巷的进深与高度不变，以1.5m为单位同步改变两条井巷的宽度（图13b）。在1.5m～9m范围内，井巷宽度变化与风速之间并没有显著的规律关系。其中，夏季平均风速大于2m/s的，有面宽为3m和6m两种情况，当面宽为6m时，能获得最佳的夏季通风效果，但此时的冬季风速也最大，而面宽为3m的井巷同时保持了第二高的夏季平均风速和第二低的冬季平均风速，较为理想。

5.3 井巷高度

以1.5m为单位整体改变模型的檐口高度（图13c）。随着井巷高度的增加，各项风速指标整体呈现上升趋势，这是由于井巷宽度不变、两侧建筑高度增加形成楼宇风，加强了井巷内的空气流动。这有利于井巷夏季通风散热，但同时也为冬季防风御寒带来了挑战。

当井巷高度低于基本模型原型高度5.1m时，夏季平均风速也随之下降。高度在5.1m至8.1m之间时，夏季平均风速小幅增加，两两相差不超过0.15m/s，一旦高度超过8.1m，夏季平均风速与最大风速都大幅增加了0.5m/s以上，因此，8.1m是井巷高度影响夏季通风效果的一个阈值。类似的，高度小于6.6m的三组冬季平均风速数据的平均值为0.35m/s，高度大于6.6m的三组风速的平均值增长为0.75m/s。总体来说，6.6m是影响冬季通风的阈值，是同时保证夏季通风与冬季防风的最佳井巷高度值。

结语

分步模拟法和组合模拟法研究表明，湘南天井排屋式民居以其特色的建筑形式营造出的自然通风格局，其中蕴含的传统营造经验可以通过现代技术验证、优化，并运用在现代建筑和聚落的被动式节能设计中，提升人体舒适度，可为湘南传统村落及其民居的活化再生提供技术支撑。

湘南天井排屋式传统民居理想选址是背山，建筑朝向与当地夏季主导风向一致，并尽量避免与冬季主导风向重叠。这样的室外风环境表明，山体改变自身高度以下建筑上方的涡流环境，诱导夏季风沿井巷流入庭院内部，营造良好的室外夏季通风；使冬季风在建筑上空产生负压区，利于冬季御寒防冷风渗透。

在朝向适宜的情况下，天井排屋的建筑形式有利于夏季通风和冬季防风，井巷起到引入夏季风的作用，排屋起到阻隔冬季风的作用。然而，宝镜村传统民居未能把此类构造改善风环境的能力最大化，需要在尺度等方面进行优化组合。在宝镜村研究范围内，进深34.3m、宽度3m、高度6.6m的井巷形态能营造相对良好的通风环境，使井巷冬季平均风速低于0.05m/s，夏季平均风速大于0.75m/s，这对当地核心区保护利用历史建筑，外围控制区营造更加舒适的具有传统风貌的新建筑，促进旅游观光产业持续发展具有一定的现实意义。

图、表来源

文中图、表均由作者拍摄或绘制。