黄土高原民居宅院种植需求和形式分析

菅文娜

武艳文

雷振东*

在城乡统筹发展、新型城镇化及美丽乡村建设等宏观背景下，黄土高原地区乡村建设取得了举世瞩目的成绩。但乡村环境建设正面临着是否能够实现可持续发展的严峻挑战，黄土高原地区生态环境脆弱，经济发展和环境保护的矛盾更为凸显，协调资源、环境与发展之间的突出矛盾，建立地区可持续发展的人居环境，是如今面临的一个重大难题。植物作为乡村环境建设重要的景观要素之一，具有不可忽视的地位，从宅院这个乡村最小细胞单元入手，结合乡村的自然条件及民居现状，研究植物在宅院空间的生态作用，对整个乡村的生态环境具有促进作用。

植物在民居宅院的环境功能主要包括2个部分的内容：1)植物对民居建筑外表面遮阴以利于室内空间的舒适度；2)植物对民居宅院微气候条件的改变以改善宅院的热舒适度。本研究主要针对宅院空间中植物对微气候的影响展开研究。

绿色植物在优化小气候、改善庭院热舒适方面的重要作用已经得到了重视[1-3]。相关研究通过调整树木的种植以改善庭院的小气候，丰富宅院里植被数量以改善热舒适度，使庭院为用户在白天即使在中午也能提供尽可能长时间的舒适环境[4]。如Makaremi等人提出使用高遮阳水平的树木，以改善炎热和潮湿气候条件下庭院的室外热舒适性[5]；Yahia和Johansson的研究表明，通过在叙利亚炎热干燥的气候中使用绿色植物，即使在夏季的关键高温时段也能获得热舒适度[6]。绿色植物在炎热季节的益处在于：首先，植物可以遮阴；其次，由于植物吸收了大量的太阳辐射，大部分被吸收的辐射能通过水分蒸发进行消耗，降低了周围空气的温度，同时，增加了空气湿度。

1 研究区域概况

黄土高原地跨七省区，气候及地形地貌复杂多样，乡村建设不可能采取单一的模式，所以，本研究从主要的研究对象植物角度出发，结合黄土高原生物气候分区，综合民居建筑和宅院现状，选择了黄土高原东南部半湿润区(包括陕西中部、豫西黄土高原部分以及山西的中南部)作为重点研究区域(图1)。

1.1 气候概况

本区位于全区的东南角，其北界在黎城、灵石、韩城、富平、宝鸡一线，包括秦岭北麓、关中平原、晋东南和豫西北等地。年降水量500～700mm，干燥度1.3～1.5，年平均温度12.5～14.5℃，≥10℃的积温有4 000～4 900℃。它是全区最温暖湿润的地区，植物区系和植被类型的复杂性和多样性也很明显[7]。

1.2 民居现状

1.2.1 民居建筑

黄土高原传统民居(窑居和部分房居如陕西关中四合院和关中窄院)是真正的“低成本、低能耗、低污染”的生态建筑。但是，在社会变革、居住形态转变以及建筑技术演进等因素诱导下，大量的传统的民居转型为新型民居。多为1～3层砖混结构，多数住宅室内热环境较差，冬天冷、夏天热。随之带来室内冬季采暖及夏季制冷能耗的增加。

1.2.2 民居宅院

对于研究区域，各地现行的住宅用地标准不一，总体宅院面积基本都在2～4分地(133～267m2)范畴。院落基本分为以下几种形式：前院式(南院式)，庭院布置在住房的南向，有避风向阳的优点，满足了冬季的需求，夏季地区炎热，应采取适当遮阳；后院式(北院式)，优点是住房朝向好，院落比较隐蔽与阴凉，缺点是夏季天气炎热，住宅室内温度受临街路面反射和太阳直射度影响，温度过高，需要借助空调降温；前后院式，这种划分使院落空间的使用更加经济、方便、卫生，多数前后院的形式是前院式加住宅建筑北侧的卫生窄道。图2是东西联排的院落类型，若南北并联，出入口在东西两侧。

1.2.3 宅院组合方式

宅院的组合方式，与东南西北4个方向的大门、相邻道路以及院落内房屋的朝向方位密切相关。院落间的纵向并置和横向串联可以产生多种组合方式(表1)。研究地区多是多宅院的东西联排和两宅院的并联2种集中布局形式。

2 研究目的及步骤

从植物对宅院温度、湿度的综合作用角度出发，通过现场实测和软件模拟结合的方法，分析不同类型的植物及配置模式在典型宅院类型环境中对微气候影响的变化规律，得出宅院空间植物改善微气候的种植方式及形式，以最大化植物在宅院空间的生态效益。

图1 主要研究范围及调研对象分布

图2 民居宅院类型

研究过程包括两部分。首先，对研究区的院落进行随机监测，收集现场数据，分析和比较植物对民居室内外空间环境的影响，明确民居环境对植物种植的需求；其次，宅院种植形式复杂多样，完全靠实测的方法无法达到优化的目的，因此，采用ENVI-met软件对典型宅院类型中可能的植物种植模式及植物类型的选择进行模拟，对宅院PMV的变化趋势进行比较和分析，从而得出植物的最佳布置方式。

3 现场实测

实测的第一步是随机选择不同类型的宅院在同一时间进行测试。测试基地选择在黄土高原东南部夏季温度相对较高的西安地区的南豆角村的4户宅院。

3.1 测试对象介绍

4户住宅属于多宅院东西联排组合的集中式布局形式，宅院的用地和建筑结构及形式相近。种植主要依据植物的覆盖率来探讨植物对宅院环境的影响[8]。所以，计算了每个宅院的植物覆盖率(表2)。

3.2 环境数据

南豆角村位于村位于黄土高原的东南部的关中平原上，秦岭山脚下，陕西省西安市(东经107.40～109.49℃和北纬33.42～34.45℃，海拔750m)，暖温带半湿润大陆性季风气候，冷暖干湿四季分明。夏季炎热、冬季寒冷，年日照时数1 646.1～2 114.9h(表3)。

3.3 现场测试内容

对宅院空间的测试主要选在高温月7月进行，在各个空间1.5m左右高度布置仪器，定点逐时记录空间的温湿度。为保证测试结果具有代表性，本文选取在高温月太阳辐射较强且风速较小的天气。测试时间为2016年7月16—18日，测试时段为6：00—18：00，测试天气均为太阳辐射较强、少云的天气。

3.4 测试仪器介绍及分布

本次测试采用日本TANDD公司生产的TR72Ui温湿度记录仪，记录空气的温度和相对湿度，在测试时段内，逐时记录不同观测点的空气温度、相对湿度。室外室内均在1.5m左右高度放置温度块(图3)，设置1min记录一次。

3.5 监测结果分析

1)4个宅院室内与室外的温湿度对比分析。

从6：00—18：00，近12h的监测，得出室内外的温湿度随着太阳辐射的增强和减弱的变化规律。根据图4、5可以看出，各户室外的温湿度变化对室内并没有显著的影响，不管宅院室外开敞空间是否有植物种植，种植量的多少，建筑室内的温湿度基本保持平稳，也就是说，在测试的宅院空间尺度下，现有植物的种植规模及垂直结构的蒸腾作用对建筑室热舒适度的间接影响效果并不明显。

2)4个宅院室外温湿度对比分析。

图6结果表明，增加庭院树木的使用直接导致相对湿度的增加和空气温度明显下降。树木的使用大大降低了宅院10：00以后的环境空气温度。覆盖率最高的D宅院和没有种植的B宅院相比，在关键时间点15：00的温度最高可下降近5℃，相对湿度平均上升17%。

根据现场监测结果分析得出，受民居宅院空间现状的影响，宅院空间植物种植(在建筑外表面没有产生阴影)通过蒸腾作用对建筑室内环境的间接影响可以不做重点考虑，而对宅院空间温湿度有明显影响。

4 软件模拟

采用ENVI-met 3.1三维流体动力学微气候软件进行参数化研究。该软件提供了模拟城市空间中地表植被与空气相互作用的平台，典型分辨率为0.5～10m，时间分辨率为10s。

图3 室外测试仪器分布

表1 宅院组合方式

图4 AB户民居室内外温湿度变化比较

图5 CD户民居室内外温湿度变化比较

图6 4户民居室外温湿度变化比较

4.1 模拟软件的可靠性

模拟室外空间热性能的ENVI-met的可靠性已被反复证实[10-14]。这些研究证明了实测(来自现场测量或当地气象站的观测数据)和模拟空气温度之间的一致性。对于庭院空间的研究，虽然该软件提供的数据不够准确，但是可以用来了解庭院微环境的总体变化趋势[15]。

4.2 模拟对象数据及软件参数设定

在众多的宅院类型中，选择研究区比较典型的宅院类型(表1D户住宅)，作为模拟的主要对象。宅院总尺寸10m×20m，不考虑窄小的后院卫生窄道空间。由于一般院内西侧有90cm宽的室外楼梯，建模时，宅院西侧边界将院墙和楼梯合二为一， 尺寸1m×2m。住宅主体建筑9.9m×7.5m×7m，厢房3m×7m×3m，倒座10m×3m×3m。宅院可种植面积56m2。

模拟模型包括：没有绿地的庭院(模型1)、100%的草类覆盖率(模型2)、20%的树木覆盖率(模型3)、40%的树木覆盖率(模型4)、60%的树木覆盖率(模型5)、宅院中心种植(模型6)以及宅院南北墙附近种植(模型7和模型8)(图7)。

ENVI-met模型的基本输入参数包括建筑、土壤和气象数据(表4)。

4.3 结果与讨论

1)不同宅院种植在白天关键时间点的PMV比较。

从热舒适条件来看，增加树木的覆盖率一般会改善热舒适的区域及水平，也可以减少不舒适程度高的无阴影区域。然而，庭院地面覆盖草坪对热舒适性的影响并不显著。如图8所示，裸露庭院中PMV最高，在树木覆盖率最高的庭院中，热舒适区面积明显增加。但是宅院PMV水平空间分布表明，在12：00—15：00的关键时间点，树木覆盖率最高的院落比裸露的院落具有更高的热舒适性。更重要的是, 虽然宅院的植物覆盖率为0～40%时能够改善白天除了12：00—15：00时段的热舒适条件，但植物覆盖率最高(60%)的宅院，在一天的关键时段能够减少热不舒服的程度。

表2 测试对象具体信息

总体来看，除了12：00—15：00的关键时段之外，用户每天可以享受宅院舒适条件的时间可以延长到全天。同样的，在这个关键时间点，与周围建筑相邻的宅院区域仍然比完全暴露在阳光下的中心区域更舒适。

2)宅院中不同种植位置的PMV比较。

图9比较了宅院内乔木在中间或南北(N-S)墙附近的PMV。在15：00时，中心有树的庭院与有N-S树的宅院相比，PMV的空间分布值区别不大，这就说明，3个种植位置在主要时间点具有相同水平的热舒适度。

图7 植物种植模型

5 区域宅院种植设计指南

1)植物种植位置的建议。

根据模拟结果可以看出，在宅院空间中，西南以及西侧是植物发挥最大效益的最佳位置，若临近建筑能与建筑结合营造更舒适的小环境，靠近宅院中间，会有更多的遮阴效果。但树木改善PMV的水平基本相同。在实际中，需综合考虑植物对住宅建筑的遮阴以及满足建筑冬季日照的需求[16]，得出最佳的种植位置。

2)植物种植规模及种类选择的建议。

实测和模拟结果显示，乔木植物随着覆盖率的增大对温湿度及PMV的影响比较明显，所以在空间允许的范围内，应尽可能选择覆盖率大的植物或种植多棵植物，但是实际上，受宅院用地影响，单棵乔木的种植概率较大。对于低矮的灌木类和草坪类，在民居宅院这个特殊的环境，基本被低矮的蔬菜及农作物替代。对于植物种植规模及种类的选择，具体受宅院空间、用地性质、家庭经济特征及外部经济特征等多因素综合影响[17]。但是，尽管植物在提供舒适条件和改善宅院小气候方面可以发挥重要作用，由于目前大多数地方缺水，灌木和其他植物的种植规模受到限制。

表3 西安气象数据[9]

表4 ENVI-met在配置文件中的参数

3)适地适树。

“在正确的地方种植正确的植物”已经成为使树木利益最大化和成本最小化的普遍理念。但是，现实情况不可能按照理想的模式实现，由于研究区住宅院落空间较小以及空间类型多样，这种情况下，树木可能被种植在次优地点。此外，植物除了可以营造舒适的室外环境外，还可以辅助建筑节能，以及改善宅院以外更大范围的生态环境，植物树冠对不透水的表面可以遮蔽降雨并延迟雨水径流，也能产生较大的环境效益。

图8 12：00和15：00宅院1m高度模拟的PMV空间分布图

图9 15：00宅院1m高度模拟的PMV空间分布图

6 结语

根据现场实测结果分析，受民居宅院空间现状的影响，宅院空间植物种植(对建筑外表面没有遮阴)通过蒸腾作用对建筑室内环境的间接影响不明显，而对宅院空间温湿度有显著影响。利用ENVI-met 3.1软件模拟得出，树木种植对宅院空间微环境PMV水平影响最为突出，随着种植数量的增加，舒适度也随之提高。同数量、同类型的植物相对住宅建筑的南北方向种植位置具有同等效果。以上结论对于研究地区宅院空间的植物种植具有一定的指导意义。

注：文中图片均由作者绘制或拍摄。