岭南传统冷巷热舒适与建筑能耗耦合模拟研究

周 琪，汤 莉

(中南大学建筑与艺术学院，湖南 长沙 410012)

1 概述

1.1 岭南气候环境

岭南，即五岭以南，以广东、广西与湖南、江西四省边境处的五岭山脉为界与内陆相隔，属于中国建筑气候区划的夏热冬暖地区，夏长冬短，具有高温多雨的气候特征。另外，北回归线横穿其中，南部冬季极少降雪，太阳辐射量大，日照时间长。岭南夏季以东南风为主导，风速较低；冬季以东北风为主导，风速较高；春秋两季为过渡季节波动较大。

1.2 传统冷巷

冷巷，是岭南地区传统民居建筑中较为常见的一种空间形式，分为外部冷巷与内部冷巷两种[1]。本文所讨论的是外部冷巷，即建筑与建筑之间的狭窄通道，其走向通常与当地的夏季主导风向保持一致。冷巷可以说是传统建筑对湿热气候环境的一种适应性设计策略。

1.3 冷巷被动降温策略

传统冷巷的被动降温策略主要体现在遮阳、通风、隔热三个方面。首先，传统冷巷宽度控制严格，一般不超过1.5 m，两侧建筑阻挡了绝大部分太阳辐射进入巷道内部，减少了外部得热；其次，传统冷巷的走向一般与外部风环境相适应，在空气的流动与交换过程中，促进了热量的消散；最后，传统建筑材料的运用使得建筑墙体与巷道地面成为良好的蓄冷体，形成了巷道内部热环境的良性循环。

2 研究方法

Grasshopper工作流涉及参数化建模、环境参数输入、热舒适模拟、建筑能耗模拟、结果可视化五大板块。在环境模拟的过程中，主要利用Dragonfly组件对气象数据进行修正处理[2]，使其更准确地反映实测对象的近地面环境状态；利用Ladybug组件对太阳辐射和天空视域因子进行分析，作为热环境模拟的基础；利用Honeybee组件对表面温度以及建筑的能耗情况进行分析，并将热环境模拟数据导入UTCI模拟板块，最后输出可视化结果[3]。

3 数据实测及分析

3.1 研究对象概况

岭南建筑主要分为广府建筑、潮汕建筑和客家建筑。研究对象位于广东江门的开平市，属于广府地区，村落以规整的梳式布局和三间两廊的合院为主要形式。当地河网纵横，地势较为低洼，受台风的影响较大，建筑为了抵御风灾与洪涝往往采用厚实坚固的墙体。

锦江里村落是开平市“四大名村”之一，现存最高的碉楼“瑞石楼”就位于其中，其选址布局、空间组织以及建筑形式都是岭南建筑的典型代表。村落建筑以1.5 m宽的纵巷划分，每三排建筑划分一条横隔巷，第一条横隔巷宽1.5 m，其后每条横隔巷为0.6 m。建筑基本为两层，采用当地青砖材料砌筑。村落面朝江流，背靠密林，东西两侧有鱼塘。村前为村民劳作或者公共活动的晒场，村后并列分布三座碉楼(见图1)。

3.2 环境参数测量

锦江里村落实测于2022年8月21日上午8:00开始至2022年8月22日上午8:00结束，布置了三个测点(见图2)，依次为晒场内、巷道内和花园内，现场对每个整点进行记录，以获取村落环境的全时段观测数据(见表1)。

3.3 实测数据分析

3.3.1 空气温度

主要受太阳辐射的影响，晒场内温度从上午8:00开始骤然上升，外温度差在下午15:00达到最大，其上升幅度远远大于花园内与巷道内，这是由于巷道内两侧建筑对太阳辐射的遮挡作用，使得巷道得热较少。从下午17:00点开始，温度呈明显的下降趋势，并且在一个小时内，晒场温度降至低于巷道内温度，从热交换角度分析，晒场环境开阔，热量向天空散失的过程中阻碍较小，从而温度迅速下降。

表1 测量仪器及采集方式表

晒场内空气温度在下午15:00达到最高，为38.5 ℃，在次日凌晨5:00达到最低，为25.7 ℃，温差为12.8 ℃；花园内空气温度在下午13:00达到最高，为35.9 ℃，在次日凌晨6:00达到最低，为26.2 ℃，温差为9.7 ℃；巷道内温度在下午13:00达到最高，为33.7 ℃，在次日凌晨6:00达到最低，为26.6 ℃，温差为7.1 ℃。由此可见，传统冷巷能够有效控制温度的变化，维持热环境的相对稳定性(见图3)。

3.3.2 墙壁及地面温度

在夜间，巷道内空气温度低于墙体及地面温度，墙体与地面开始向外散播热量，完成自身降温与蓄冷过程。在白天，巷道内的空气温度高于墙体及地面温度，墙体及地面开始从巷道吸收热量，从而使巷道达到一定的降温效果，完成释冷过程(见图4)。

3.3.3 风速与风向

由图5可知，巷道整体风速水平较低，白天以北风为主，主要是巷道内部温度低于晒场温度，从而形成的由巷道流向晒场的冷巷风。夜间以南风为主，因为此时晒场温度较低，成为冷源，形成穿过村落的晚风，带走村落内部的热量，有利于提高村落内部的热舒适性，在季风的加持下，村落的夜间通风散热效果更为显著。

3.3.4 平均辐射温度

平均辐射温度是计算通用热气候指数的基础，可以由黑球温度与空气温度计算得出，是反映热舒适度的重要指标。从图6可以看出，平均辐射温度在正午12:00出现巨大波动，达到了48 ℃。结合巷道内日照情况分析(见图7)，得出此时太阳高度角达到最大值，直接照射巷道内部，造成了平均辐射温度的急剧上升。

4 数值模拟

4.1 热环境模拟有效性验证

如图8所示，为保证模拟的精度与软件运行的效率，需要对空间模型进行了适当的简化处理，并根据实地调研结果对环境参数进行设置。同时，为了避免气象数据本身对模拟验证的影响，将实际测得的温湿度、风速数据作为输入条件进行模拟计算。模拟精度设置为0.5 m，模拟时间设置为下午15:00，得到巷道内的平均辐射温度为29.6 ℃，而实测结果为29.9 ℃，差值为0.3 ℃，证明模拟所采用的数值模型以及模拟结果是可靠的。

4.2 传统冷巷热舒适模拟

4.2.1 MRT室外热环境模拟结果分析

如图9所示，A,B,C,D,E五点分别为巷道口、巷道中、小空地、交叉口、巷道尾。在建筑对太阳辐射的遮挡作用下，B,D,E三点的平均辐射温度要比A,C两点低。其中，交叉口D点同时受纵巷和横隔巷的风力作用，通风状况优于B点，对应的平均辐射温度也有所下降。热环境性能最优点为E点，此点位于巷道尾，白天村落后方的树林在遮阴与蒸腾效应的双重作用下，温度显著低于巷道内与村前的晒场，形成了从树林流向巷道内的热压通风，风速也从E点到B点依次递减。

4.2.2 UTCI室外热舒适模拟结果分析

室外热舒适受热环境与热适应双重因素的作用，热环境通过与人体进行热交换使人产生热生理反应，进而影响人的热感觉[4]。由图10可知，室外热舒适受太阳辐射的影响较大，冷巷UTCI值随一天中太阳辐射角度和强度的变化而变化，巷道内外的热舒适差异主要源于建筑对太阳辐射的遮挡。从下午17：00开始，巷道内外整体热舒适得到提升，推测是因为日落后，巷道内外温度下降所致。

4.3 传统冷巷建筑能耗模拟

传统冷巷可以有效调节村落的微气候环境，利用被动降温策略，减少人们对空调系统的依赖，从而实现建筑节能。冷巷将大部分太阳直射阻挡在外，建筑墙体等围护结构的温度波动相对稳定，夏季室内热环境得到改善[5-6]。图11所示为各建筑的年平均制冷与供暖能耗，模拟区域4和5在冷巷的作用下夏季制冷能耗得到控制，模拟区域2位于北侧，冬季建筑室内太阳辐射得热较少，相应的采暖需求有所上升，但是，由于岭南地区所处环境夏热冬暖，所以冷巷对冬季建筑能耗的影响并不太大。

5 建筑窗墙比对冷巷热舒适与建筑能耗的影响

如图12所示，研究设计了七组实验，A为对照组，反映实际情况，采用单层玻璃，开窗比例为0.15(见图13)。另外六组为实验组，其中D组保持单层玻璃不变，将窗墙比扩大到0.3，模拟结果显示，巷道内部下午15：00阳光照射处和遮阴处的UTCI均增加了0.3 ℃，而夏季制冷能耗增加了2.6 kWh/m2，冬季采暖能耗增加了0.2 kWh/m2，总能耗值累积增长了2.8 kWh/m2。由此可知，适当的降低建筑窗墙比可以有效提高冷巷的热舒适性并且减少能源需求，但是，建筑设计也有一定的采光要求，只能在有限范围内对窗墙比进行调节[7]。G组实验进一步研究了玻璃材质对模拟结果的影响，保持开窗比0.15不变，将单层比例替换成双层玻璃，UTCI值略有下降，总能耗减小了0.7 kWh/m2，为建筑节能提供了另一条可行路径。

图12 拓展实验设计及模拟结果表

6 结论与展望

从人居环境的角度，传统冷巷提升了环境的热舒适性；从节能减排的角度，其作为一种被动降温策略，减少了对空调系统的依赖，实现了“低碳”效应。文章通过实测与模拟定量研究了传统冷巷的作用机制，建立了传统冷巷热舒适与建筑能耗的耦合分析模型，探讨了单一设计要素建筑窗墙比对传统冷巷环境效益的影响规律。如何继承与发展传统冷巷的环境优势，使其适应更广范围的气候环境，适应新的建筑类型与空间场景，是值得我们继续思考与探索的问题。