夏热冬冷地区柯大兴古村落风环境优化分析

方 媛

(武汉大学，湖北 武汉 430070)

0 引言

我国传统民居建筑在祖先们的不断实践过程下，创造出蕴含着生态性的设计理念，这也使得他们即使在没有现代先进设备的条件下也可以通过恰当选材、利用适宜气候和合理的组织空间关系等方式获得较为舒适的人居环境，达到建筑的低能耗与周围环境的舒适性。目前，在我国，对于村落室外风环境相关内容的研究较少，主要集中在房屋或院落单体、特殊地形村落[1]。通过对古村落的分析，并提出对于古村落的优化适宜性设计策略，以此来调节室外的风环境，削弱冬夏季不适宜气候的影响[2]，旨在为日后柯大兴古村落的修复提供参考。

1 大冶市柯大兴古村落概述

柯大兴村位于湖北省黄石市大冶市大箕铺镇，在第三次文物普查中被发现，是一座建于清朝咸丰八年的古民居建筑群。大冶市夏热冬冷雨水充沛，属于典型的大陆性季风气候。通过实地调研考察，收集测量了柯大兴村的建筑群信息，然后借助谷歌影像地图绘制了村落建筑及其周围地形图，并进行了模型的建造。

2 柯大兴现状风环境特征分析

2.1 总体布局

柯大兴村选址位于山地区域，气流分布情况会受到山地地势的极大影响。在主导风向的影响下，风向和当地的地形关系根据朝向可以分为迎风坡与背风坡[3]。

大冶市的夏季主导风为东南风，夏季时村落处于迎风面，迎风面向的常年主导风向较高，由于气流在受到界面挤压的时候，风压增大，在山脊处达到最大值，但在东南角有坡地，使得村落居于低洼地形，一定程度影响主导风向的流入。冬季主导风为西北风，冬季时村落位于东南面，处于背风面，风速较小，可以阻挡冬季寒风。由于西北侧的山体影响冬季整体村落的风速较小，在“背风面”的作用下，冬季村落迎风面最大风速明显小于设定的平均风速，可见，背风面在冬季一定程度上可以抵御冬季不利气候的影响，具有防寒的作用，可以减少村落的冷风渗透[3]。

一般来说，城市内部建筑的密度越大，粗糙度系数就越大，相对于风而言，地面所造成的摩擦力就越大，因此风速就会降低[4]。对于村落来说，柯大兴古村落的建筑排布对于整体风环境也有较好的作用。如图1所示，柯大兴村建筑密度高度较高的建筑布置于西北向，有利于减弱冬季主导风向上的寒风，而村落群在夏季主导风向下分布的较为松散稀疏，同时所处地势较低，可以看出该村落现状分布较为科学，有效的利用了地形和气候。

2.2 采用多个内天井

由于村落民居排布密集，内部巷道较为高深狭窄，夏季受到的太阳辐射量较小，于是内部温度较低，而天井是民居主要采光口，夏季受到太阳直射，温度较高，这样室内外存在温差，巷道的冷空气密度较高，且天井的热空气密度高，容易带动空气流通形成热压通风，加快散热，创造良好舒适的环境。通过调研可以发现柯大兴村内的民居采用多个天井，这样一来，可以使得院子内气流流动的概率大大增加，相比于一般的单个天井，多个天井更有利于自然通风[3](见图2，图3)。

2.3 密集的群体优化效应

调研发现，柯大兴古村落内部民居建造十分密集，建筑互相遮挡，在这样密集建造的情况下，内部的大部分墙面免受太阳的直射，厚重的墙体也就不会在夏季蓄热，从而可以发挥出其隔热的作用。同时建筑群在这样密集紧凑的建造方式下也可以互相遮挡，使得彼此都处于阴影中，这样一来室内外会产生温差，天井和巷道间才可能形成热压通风。柯大兴村这种紧密的建造方式既可以通过建筑间的相互遮挡避免过多的热量吸收，又可以形成相互贯通的内部巷道合理组织通风，兼具了遮阳与通风的双重优势[5]。

3 风环境模拟概述

3.1 研究分析方法

本文根据描绘的谷歌卫星地图建立古村落风环境模型。采用CFD模拟村落冬夏两季风环境，评价其流场分布状况，采用PHOENICS软件推出的FLAIR模块进行模拟。冬季模拟数据选取大冶市1月份天气数据，平均温度6 ℃，最高频率主导风向西北风与其平均风速2.9 m/s。夏季模拟数值选取8月份天气数据，平均温度28 ℃，平均风速2.3 m/s，最高频率的主导风向为东南风。

3.2 建立场地模型

根据调研绘制了村落模型，以此为基础设定风场模型。柯大兴村的风场模型以不影响民居群的边界气流为基础，来流方向应大于模型高度的2倍为宜，后方应大于建筑高度的5倍为宜，确定了计算域的面积为3 500 m×2 500 m×400 m。由于村落建筑密集内部风环境较复杂，所以在网格中心处进行了加密处理。

4 风环境模拟结果及分析

4.1 冬季主导风向模拟分析

4.1.1风速分析

图4为柯大兴村冬季主导风向西北风风速2.9 m/s情况下，建筑室外地坪1.5 m处的风速模拟图，由图4可见，该村落在西北侧的迎风面出现最高风速，最大风速约为2.5 m/s;最低风速出现在其南背风处及风影区，最低风速约为0.3 m/s。

4.1.2风压评价

图5为柯大兴村冬季主导风向西北风风速2.9 m/s情况下，建筑室外地坪1.5 m处的风压模拟图，该村落北面风压为0.35 Pa～3.5 Pa，最大的风压呈现在古村落群的迎风面，风压约为3.5 Pa。最小风压约为-2.3 Pa出现在村落的背风面。此外，由于受到两侧风压的影响，村落西北向迎风面的房间容易引起建筑室内的冷风渗透作用，所以应加强这片区域民居的门窗密闭性，并采取相应措施来保证其室内冬季取暖。

4.2 夏季主导风向模拟分析

4.2.1风速评价

图6为柯大兴村夏季主导风向东南风风速2.0 m/s情况下的模拟图，建筑室外地坪1.5 m处的风速模拟图，由图6可见，该村落夏季室外最高风速约为 2.6 m/s出现在其东南面迎风侧;在其北背风处及风影区出现最小风速，最低风速约为0.23 m/s。村落风速基本处于0.2 m/s～2 m/s。

4.2.2风压评价

图7为柯大兴村夏季主导风向东南风，风速2.0 m/s情况下，建筑室外地坪1.5 m处的风压模拟图，该村落南面风压大约0.36 Pa～2 Pa，最大风压为2 Pa，最大风压出现在建筑物迎风面。在建筑物背风面出现最小风压，约为-1.5 Pa。

4.3 通风对热舒适性的影响

自然通风是夏季被动式降温的常用方式，在村落互相遮挡的环境中，虽然紧密建造的古民居使得彼此的墙面不会受到太阳的直射，但是屋顶还是会裸露在外受到太阳直射，所以需要依靠通风才能获得较为舒适的环境。在传统民居中，当周围的环境温湿度已经超过了舒适范围的情况下，较适宜的风速可以通过加快汗的蒸发方式来加速散热，同时获得舒适的环境[3]。下面结合柯大兴村夏季8月风环境模拟为例，针对古村落内部巷道风速进行分析(见图8)。

由图6可见夏季主导风由西南面吹入村落，在村口处由于空间开阔气流，主巷道产生狭道效益，故在主巷处风速加大，二号巷道由于建筑排布紧密影响风速，三号巷道南段

由于狭道效应获得加速风，北端由于位于建筑物风影区，背风面形成空气涡旋区，风速减弱，同时建筑物在涡旋区难以获得穿堂风，夏季较为炎热。主巷的风速明显高于其他巷道，这也就不难理解为什么夏季村落里的老人们总喜欢坐在主巷两侧乘凉。

在柯大兴村夏季的东南风以2.0 m/s的速度下，村落主巷道的风速大约在1 m/s～1.5 m/s这个区间内，此时巷道内的温度相当于下降了3.5 ℃，在这个环境下周围能感受到凉风阵阵，同时微风可以带走巷道内积攒的热量，使得村民们不至于感到炎热，缓解不利的炎热环境。

二号巷道内的风速在0.5 m/s～1 m/s，相当于温度下降了2.8 ℃左右，在空气较热时能够感受到风还是可以接受的。而在三号巷道处风速在0 m/s～0.3 m/s，几乎感觉不到风速。所以夏季大冶村在主巷道处的气候舒适，是避暑乘凉的好去处，三号巷道较为闷热，夏季较少人停留。

5 结语

以大冶市的气候特征为例，村落选址位于山体东南面有益于改善整体村落的风环境；村落呈现东南稀疏，西北密集的布局有益于夏季风的引入与冬季寒风的抵御；村落较为紧凑的布局与多进天井利于夏季通风与散热。村落西面后方，由于建筑排布的影响，会导致风影区，同时由于这片区域较少人居住堆放杂物较多，风环境较差，不利于污染物的散失以及有效的除湿。过大的风速会影响居民舒适度，过小的风速不利于地面污染物的散失，今后可对这片区域进行重点整治与改善。