基于ENVI-met的干旱区传统聚落气候适应性评价——以吐鲁番麻扎村为例

冶建明

贾永生

刘国锋

近年来生活的高耗能以及能源紧张成为现今发展的主要问题，夏季降温与冬季取暖占据了建筑能耗的一半以上，在创建节约型社会背景下节能减排，倡导使用清洁能源提上了政府议程[2]。利用传统聚落空间的内、外部环境，改善传统聚落的气候适应性，降低能耗，提高居住舒适度显得尤为重要。

大多的传统聚落不能很好地利用聚落空间内、外部环境提高舒适性，造成了传统聚落的热舒适性和气候适应性较差。为解决夏季、冬季舒适性的问题，大部分居民使用高耗能电器以及高污染能源，没有很好地利用传统聚落气候适应性的优势。目前研究区域主要集中于南方传统聚落，西北地区聚落气候适应性研究甚少[3]。吐鲁番位于西北干旱区，麻扎村作为典型的传统聚落，有着丰富的历史文化底蕴，因此，研究麻扎村聚落的气候适应性，对于指导麻扎村以及西北干旱区聚落的优化设计具有重要意义。

1 研究区概况

麻扎村位于吐鲁番盆地边缘地带，库木塔格沙漠以北，火焰山中段的吐峪沟大峡谷南部。麻扎村以农耕为主，依托地势的陡缓，傍水沿河而建。吐鲁番盆地具有降水少、蒸发大、日照长、干旱少雨的特点。人文因素和自然因素影响着村落的格局，采用典型的吐鲁番地区传统村落的布局方式，呈现出“绿洲灌溉型”的村落格局，即村落中的耕地沿水分布[4]。村落沿着绿洲边缘而布置，尽量减少占领耕地的使用面积。麻扎村分布着六个居住组团（表1），组团受到了中心建筑的规制，不同的组团以及院落的布局形式，是为了顺应地形以及向阳背风的合理布局[5]。

表1 麻扎村聚落空间组团

图1 麻扎村总平面图

图2 麻扎村组团分析图

2 数字化模型构建及气象数据获取

ENVI-met微气候软件由德国波鸿大学地理研究所Michael Bruse和Heribert Fleer 1998年开发的微气候模拟仿真软件。主要应用在城市微气候、环境规划、建筑设计、评估景观设计方案等。本文通过中国天气数据网站获取模拟地点2018年相关气象天气数据资料，分析过程中将气象数据中的温度、湿度、风速、风向等参数导入ENVI-met软件中进行模拟[6-11]。

分别建立麻扎村整体模型和内部组团模型，大尺度模拟分析麻扎村整体热舒适性，小尺度进一步精确模拟分析麻扎村内部各个组团的热舒适性。材质参数设置主要采用了砖路、默认的土壤、混凝土路面、沥青道路等。不同材质内部设置不同传热参数，模拟现实中的热交换（表2）。

3 麻扎村不同尺度下仿真模拟结果分析

人体热舒适度作为衡量热环境的重要指标，本文分别模拟了麻扎村整体和内部组团夏季高温极端条件下温度、湿度、风速、热舒适度（PMV）的分布，对比三种不同高度下温度、湿度、风速、热舒适度（PMV）的变化，从而进行热舒适度的评价。

3.1 麻扎村微气候模拟分析

麻扎村温度模拟分布显示（表3），水系周围温度低于大气温度，水分的蒸发带走周围的热量，使其与模拟温度相差4℃。农作物的蒸腾作用使周围环境与模拟温度相差2℃；湿度模拟分布显示，在输入最小相对湿度为8%的情况下，水域周围以及农田作物的湿度最高达到16%，显著提高聚落上下游的空气湿度。受峡谷风的影响，上游大气中的水分随风进入麻扎村，提高麻扎村内的湿度，湿度可以达到13%；风速模拟分布显示，在麻扎村上游和下游上空风速流动较小。麻扎村内部街巷空间风速增加显著，建筑之间的风速为1.5m/s左右，在人可以接受的范围内；PMV模拟分布图显示，高温低湿的条件下PMV数值超过3.5，使人感到不舒适。通过极端条件下PMV的变化，分析得出舒适的范围内。PMV的范围在0.5左右使得人们感到舒适，选取数值接近0.5左右的进行分析。由图看出舒适度值最小的在4，靠近水系以及植物分布密集处。

3.2 组团微气候模拟分析（表4）

温度模拟分析。组团1中植物与水的叠加影响，使得周围最低温度为40℃，与仿真模拟输入温度相比降低了6℃；组团2生产作物的蒸腾作用降温较为显著，温度为41～42℃；组团3削弱了植物和水系的作用，使温度变化不明显，组团内温度浮动在42℃；风从麻扎村的上游向下游流动，使麻扎村聚落的热量向下游处移动，导致贴近组团4以南的建筑温度为42℃，组团以南的作物片区温度为41℃；组团5受热岛效应影响，使得组团的温度高出1℃；组团6为麻扎村近年来规划的区域，场地开阔，且周围植物稀少，内部设置有面积较大的停车场，温度达到了44℃。

表2 仿真模型示意

表3 麻扎村微气候模拟分布

表4 组团微气候模拟分布

续表4 组团微气候模拟分布

湿度模拟分析。组团1受水蒸发及植物蒸腾共同作用，内部湿度达到15%，改善了内部微气候，提高了舒适度；组团2北接农业生产用地，河流三条分支贯穿其中，使内部的湿度达到19%；组团3内少有植物和明渠，植物蒸腾作用和水分蒸发量少，内部湿度为14%；组团4内湿度达到17%，高出模拟分析的湿度，周边的植物以及作物改善了组团的微气候；组团5受地形地貌影响，随着等高线进行分布，组团内湿度变化不显著，湿度维持在14%左右；组团6近些年来建设采用了大量的硬质铺装，内部湿度低于其他组团的湿度，为13%。

风速模拟分析。组团1的右侧与山脉相毗邻，左侧与带状植物相接壤，对比发现右侧的风速在1.6m/s，带有植物的一边风速在1.0m/s，表明植物能够有效地降低风速；组团2的建筑布局交错相应，风速1m/s，变化不显著；组团3以北形成了一定大小的窝风，增强了气体的流动速度，最大处风速接近3.3m/s；组团4风向受以北组团的阻碍作用和建筑布局交错布置，内部的风速为0.6m/s；组团5建筑布局紧密，受用地情况的限制，建筑多层且沿地形的起伏进行分布，组团内部气体流通性差，风速为0.3m/s；组团6内无明显的障碍物阻挡气体的流动，风速在停车场较高，为1.9m/s。

PMV模拟分析。组团1建筑附近PMV接近4，舒适区域带状分布，与水系及植物分布相同；组团2以北为农业生产用地，同时受到上游地带的影响，内部PMV数值为5，周围环境可以影响到组团内部的舒适度；组团3受另外两个组团的影响，削弱上游与下游中植被和水系的作用，该组团内部的PMV数值为5；组团4下游作物的核心区域PMV的数值趋近于4，在靠近组团内PMV数值升高到5；组团5的左下角PMV的数值为5，在靠近山脉的组团内部PMV的数值升高到6，靠近山脉使人们越感到不舒适；组团6中的PMV为6，变化不显著，使人感到不舒适。

4 结论

首先在大尺度范围，对麻扎村的整体进行仿真模拟分析。然后对于小尺度进行仿真模拟分析，进一步探究麻扎村内部六个组团的影响。麻扎村微气候模拟结果分析得到以下结论：

①麻扎村整体气候适应性较好，受峡谷风的影响，上游大气中的水分随风进入麻扎村，提高了内部湿度。狭长的街巷内促使气体流动，建筑与建筑之间易产生窝风，通风条件有待改善。山脉中土壤的比热容低，在受到强烈太阳的照射下，使得地表温度快速升高，高于周围环境温度，降低舒适度。水系与植物在高温环境中有明显降温增湿的效果，能够改善聚落微气候，提高舒适度。

②组团微气候模拟分析表明，由于组团内部环境不同，使得各组团微气候存在差异。组团1由于植物与水的叠加影响，降温增湿效果明显，提高了舒适度。组团2由于生产作物的蒸腾作用降温较为显著。组团3削弱了植物和水系的作用，温度变化不明显。风使麻扎村聚落的热量向下游处移动，导致贴近组团4温度较高。组团5受到热岛效应的作用，微气候环境需要改善。组团6场地开阔，植被量较少，直射时间长，且周围植物稀少，造成场地温度较高。

通过不同尺度的仿真模拟分析表明，通过合理的街巷布局以及内部景观要素配置，能够有效改善聚落微气候环境，应充分利用环境的有利条件，优化改善不利条件，从而提高聚落气候适应性。

5 麻扎村传统聚落气候适应性优化策略

聚落的大环境是由当地的气候条件决定的，并且难以改变。为提高生活环境的舒适度，改善聚落的气候适应性，进行微气候评价与优化是可行而又有必要的。基于气候适应性的理念对聚落合理的规划布局与内部景观要素提出优化策略，从不同尺度改善聚落生活环境。

5.1 聚落街巷布局

麻扎村聚落具有一定的独特性，聚落在发展过程中规模较小时，街道可以采用“S”型布局，随着聚落规模不断变大，较长的街巷使得风速逐渐缩减，上游处的风向较大，下游处的风向小。为了更好地改善通风效果，需要提高街巷的穿插的数目，增加各个点的进风量，从而使通风顺畅。街巷从北往南设置，在上游风速较大的情况下，建筑采用“品”字型布局，削弱上游的风速以及窝风的影响，增加下游处的街巷长度，位于下游的建筑不易采用“品”型布置。

5.2 内部景观要素

聚落中的植物在夏季高温天气能够降温增湿，同时遮挡阳光减少直射面积。冬季低温天气具有保温作用。聚落周边的植物可以疏导空气中流动的气体，引导气流从合适的方位进入聚落，优化聚落内的气流分布。位于聚落中建筑稀疏的区域，提高建筑周围的植物的数量，环绕式布置改善建筑周围的气候，院落中种植高大的乔木，减少阳光的照射。位于建筑密集的区域，适当增加明渠的长度，利用水的蒸发实现降温，以此提高周围空气湿度，提高人们的舒适度。

在组团密集区域适当增加明渠的长度和宽度，采用蜿蜒曲折的做法，增加明渠的长度。在组团稀疏的区域，减小水体与大气接触的面积，采用多段式分布，明渠与暗渠间断出现。同时宜在上游处修建人工小型的湖泊，如在中心建筑北组团以及北段临水组团中设置小型湖泊或者水坝，贮存一部分水体，改善组团内以及周围组团的空气湿度，营造更加舒适的生活环境。

充分考虑居民生活方式。麻扎民居建筑因其构筑方式特殊，房间的通风采光性能较差，所以只要不是冬季或者大风天气，村民的很多生活内容是在室外的棚架下进行的，棚架也是建筑空间组织方式的核心。由于当地冬夏两季温差大而且一年中有固定天数的大风天气，需妥善处理房间采光、遮阳、通风之间的矛盾，麻扎民居中的门窗尺寸与一般的民居相比都较小，设计中需予以注意。

结语

人们为了更好地适应性当地自然环境而不断的探索与优化，逐渐发展形成聚落。古老的传统聚落能够长久的存在，这其中包含着人们的营建智慧与气候适应性理念。研究传统聚落气候适应性，不仅是对传统聚落进行挖掘，更是对传统聚落中古老的生态思想及技术进行探索与研究。研究麻扎村聚落气候适应性，本文主要是采取计算机仿真模拟的分析方法，计算机的应用促进了该论文的发展与研究，并结合吐鲁番实地调研，获取相关一手资料。ENVI-met微气候仿真软件只能去接近现实中的结果，并不能完全跟现实中一样，所以该分析的方法具有一定的局限性。通过对麻扎村传统聚落进行气候适应性研究，发现聚落内中不足之处，提出相关对策，为今后设计规划中做出指导意见，并提供数据支撑。气候适应性的研究不仅可以研究已建成建筑，还可以为设计前期评估景观设计方案，从而提高居住舒适度，在聚落的提升以及规划建设上有着很大的应用前景。

资料来源：

文中图表均为作者自绘。