基于ENVI-met模拟的传统村落理想山水格局主山高度变化微气候研究

文/北京工业大学建筑与城市规划学院 戴 俭 闫晓光

1 背景

近年来，人们越来越重视气候环境问题。传统村落微气候作为微气候研究中的重要一环，其舒适度影响村民对村落空间品质的感受。微气候研究以村落和街区为重点，重视传统村落保护。山水理念的兴起对传统村落微气候环境保护具有重要作用。

研究通过构建理想山水景观格局，对不同主山高度变化模型进行模拟，得出主山高度变化与理想山水景观格局的量化关系，为未来传统村落的规划与保护提供依据。

2 概念

2.1 理想山水格局

理想山水格局以山水理念为基础，经过人类长期生活与实践积累，选择最适宜生活的理想居住环境。负阴抱阳，背山面水是理想山水格局的基本布局形式。我国受季风气候影响较大，理想山水格局的村落可在冬季避开寒冷的西北风，夏季迎接东南风带来的雨水。最佳传统村落选址布局形式为基址四周被山环抱，北面为主山，东西两面为次山，南面为案山，河流绕基址而过，形成山水环抱格局[1]（见图1）。

图1 最佳村址选择

2.2 气候因子

目前，对室外环境微气候有影响的气候因子包括空气温度、相对湿度及风速等。本研究以1.5m水平高度作为人体最适宜的感受高度，通过软件模拟收集数据，对比分析各类指标数值。

1）空气温度 是反映室外微气候环境冷热程度的指标，是对人体热舒适度影响最大的因素。

2）相对湿度 是反映室外空气干湿程度的指标，与人体热调节过程密切相关。

3）风速 是反映室外空气流动速度的指标，是风环境中最主要的气象因子。在其他条件一定时，皮肤表面与环境间的换热程度随风速的增加而提高，汗液蒸发速度加快。

2.3 热舒适度指标

热舒适度是反映人体与室外环境微气候热感觉程度的指标。由于个体差异，人体对热舒适环境要求不同。

研究以目前应用广泛的PMV-PPD作为热舒适度指标，是国际标准组织公认的热舒适评价指标。PMV-PPD不仅将外部环境中的相关气象因子如太阳辐射、空气温湿度及风速等纳入评价指标，还考虑人体因素如人体新陈代谢、衣着情况等。如表1所示，PMV-PPD指标分为7级，0为最理想舒适值[2]。

表1 PMV-PPD热舒适度指标区间

3 模型建立

3.1 ENVI-met

1998年，德国美因茨大学MICHEAL教授团队设计研发三维流体非静力模拟软件ENVI-met，其通过对不同条件下的太阳辐射、风、建筑物和其他影响因素间的相互作用进行模拟，反映环境微气候中的物理热工性能，以及植物、土壤和微气候环境间的内在联系，被广泛应用于物理热工环境、风环境和热舒适评价等领域。

3.2 模型简化

传统村落的基本模型以门头沟区典型村落为依据，并进行合理简化。

基本模型通过对理想山水格局选址的分析，得到村落与外部空间形态布局、体量之间关系。在总结高云飞等[3]经验和综合考虑模拟运行速度基础上，模型经过合理简化[4]，得到最佳选址简化模型。

3.3 基本参数设置

3.3.1 地形、网格参数设置

模型经过简化，基本尺寸设置为长252m、宽248m、高60m的矩形地形。为提高模拟结果的精确性，地形边界四周12m范围内不另建模型，模型顶部边界高度设置为模型最高高度的2倍及以上；垂直网格方向上增加底层细分等距网格和第n层放大不等距网格的形式。根据模型中主山、次山、案山、河流及村落建筑的具体尺寸，最终建立ENVI-met模型。

3.3.2 地理、气候参数设置

模拟地点位于北京市门头沟区。比较门头沟区往年气候条件数据，选取大寒日和大暑日2个典型日期作为数据模拟日期进行研究。将门头沟区大寒日和大暑日气象参数输入设置。文中未提到的参数按默认数值输入。将模拟地形中砂壤土、水泥路、水面、建筑、植被等下垫面材质输入模型。

3.4 不同方案设置

在其他条件一定的情况下，对已建立的基本模型主山高度进行设置。选取模型中村落4条主要街巷为样本点S1，S2，S3，S4，如图2所示。

图2 样本点选取

4 模拟结果与分析

4.1 室外温度

经过ENVI-met软件模拟，研究选择中午12:00的数据进行分析。冬季，主山高度变化对空气温度影响较大。从主山高度变化看，街巷内部空气温度随主山高度的增加逐渐升高。从样本点选取看，主山挡住西北风，村落东北部S2，S3的温度升高趋势明显大于西南部S1，S4；距主山位置越近，对温度变化的影响越明显，样本点S2处温度升高趋势明显大于S4处。夏季，主山高度变化对空气温度的影响较小，主山高度增加对室外温度升高的影响不明显（见图3，4）。

图3 冬季大寒日不同主山高度室外温度

图4 夏季大暑日不同主山高度室外温度

4.2 相对湿度

冬季，主山高度变化对相对湿度的影响较大。从主山高度变化看，街巷内部相对湿度随主山高度的增加逐渐升高。从样本点选取看，由于主山挡住西北风，村落东北部S2，S3的相对湿度升高趋势明显大于西南部S1，S4；距主山位置越近，对相对湿度变化的影响越明显，样本点S2处相对湿度升高趋势明显大于S4处。夏季，主山高度的变化对相对湿度基本没有影响（见图5，6）。

图5 冬季大寒日不同主山高度室外相对湿度

图6 夏季大暑日不同主山高度室外相对湿度

4.3 风速

冬季，主山高度变化对风速有一定影响。从主山高度变化看，东西向街巷风速随主山高度的增加逐渐降低，南北向街巷风速变化不明显。从样本点选取看，由于主山挡住来自西北的风向，距主山位置越近，风速变化影响越明显，样本点S2处风速降低趋势明显大于S4处。夏季，主山高度变化对风速基本没有影响（见图7，8）。

图7 冬季大寒日不同主山高度室外风速

图8 夏季大暑日不同主山高度室外风速

4.4 热舒适度

冬季，主山高度变化对热舒适度影响较大。从主山高度变化看，街巷内部热舒适度随主山高度的增加逐渐升高。从样本点选取看，主山挡住西北风，村落东北部S2，S3的热舒适度变化趋势明显大于西南部S1，S4；距离主山位置越近对热舒适度变化的影响越明显，样本点S2处相对湿度升高趋势明显大于S4处。夏季，主山高度变化对热舒适度影响较小，热舒适度随着主山高度的增加而降低。

5 结语

理想山水格局中主山高度对传统村落的微气候产生影响。从季节看，主山高度的变化对冬季环境微气候影响较大，对夏季环境微气候影响较小。原因是主山阻挡了来自西北方向的寒风。从气候因子看，冬季主山高度的变化对空气温度和相对湿度的影响较大，对风速影响较小。空气温度和相对湿度对村落东北部变化趋势的影响明显大于西南部，且距主山位置越近，变化趋势越明显。风速对东西向街巷影响较大，对南北向街巷影响较小。从热舒适度看,主山高度变化对冬季热舒适性影响较大，对夏季热舒适性影响不明显。

研究通过ENVI-met软件模拟，基于量化数据阐述理想山水格局中主山对村落环境微气候带来的积极影响，发现主山高度变化与环境微气候间的量化关系及规律，为未来传统村落的规划与保护提供指导。