基于绿色建筑技术的传统村落风热环境改造研究——以赣南卢屋村选区为例

陶晓龙， 沈之皓， 汪李娜， 李诗蕾， 朱星源， 蔡丽蓉

（江西理工大学）

1 引言

随着生态环境气候问题日益加剧，低温寒潮、全球变暖等现象对人居环境造成巨大影响，其中传统村落因不合时宜的建筑构造、空间布局和绿化环境等因素遭受较大冲击。

室内外环境热舒适主要受风环境与热环境影响，然而目前我国对于风环境或热环境的研究集中在城市建筑组团，传统村落由于受到不同地域气候条件、地形地貌以及经济发展水平的制约，研究相对较少[1]。研究内容大多数是风环境或热环境单一方面，如张少康通过WRF中尺度预报模式系统对区域风环境进行模拟，对珠三角地区城镇空间规划提出优化建议[2]。高源通过Rhino-Grasshopper 可视化编程平台，以冬季采暖能耗和室内热舒适为目标，对北方乡村住宅热舒适与节能提出优化改造建议[3]。

本文以优化赣南传统村落的风、热环境为目标，对赣州市卢屋村中的传统民居沙塘里一号及其周边的环境进行实地调研测量，并运用Thsware绿色技术软件对现状进行模拟，分析问题。以此为基础，通过模拟调整村落下垫面的设计、改造建筑围护结构的方式，改善原有的建筑及环境，并提出针对赣南传统村落，基于Grasshopper 的参数化设计策略，从而为赣南传统村落的绿色健康发展提供风热环境方面的理论参考。

2 研究区域概况

本文研究区域为赣南客家传统名村卢屋村，位于江西省南部地区，属亚热带丘陵山区湿润季风气候，地形以山地、丘陵为主。据赣州市气象局官网气象公报文件中所述赣州市气象条件，选区所在地夏季以南风为主，春、冬季节盛行北风，秋季以西北风为主。夏季闷热、潮湿，冬季寒冷、干燥。在一年中一月为全年最冷月，平均气温5℃，七月为全年最热月，平均气温34℃。建筑朝向宜朝南并且自然通风是该场地较适合采用的被动式节能技术。

3 赣南传统村落的现状问题分析

3.1 赣南地区传统民居详细测绘和建模示意

为了研究赣南地区风热情况对当地传统民居建筑的影响，本课题选取了赣州市卢屋村内一栋面积较大且结构具有代表性的建筑沙塘里一号为主要研究对象，并将周围跟该建筑紧密相关的五栋传统建筑、三栋现代建筑及周边环境纳入研究范围，如图1所示。该民居为两进天井式传统民居，中庭是狭小的天井。对其外部环境以及沙塘里一号的建筑内部进行测绘分析，探究其选区环境以及建筑内部环境的基础风热情况。建筑测绘简图如图2所示。

图2 砂塘里一号平面图

3.2 赣南地区室内外风热环境问题初步探究

通过采用Leica D2 手持激光测距仪、拓普瑞温湿度数据记录仪和Kestrel风速计等仪器对该传统民居进行详细实地测绘以及问卷调查等方法，我们得出以下调研结果并对现状进行综合分析。

该建筑内部整体结构混乱；门窗构件老旧，外墙开窗少、开窗高，导致室内通风效果不理想；砖墙面较完整但保温隔热性能较差；屋面交接不齐，屋顶采用木架瓦屋面搭建，导热性较高；选区内高大乔木较少导致遮阴率低，导风效果差。

4 赣南传统村落的风热环境模拟研究

4.1 模拟方法

本文基于CFD（Computational Fluid Dynamics）技术，在对选区环境进行实测调研后，使用Thsware绿色技术软件，从住区热环境、室内外风环境和室内热舒适等方面对赣南传统村落进行模拟分析。

4.2 参数设定

选区气候区划分为第Ⅲ区，夏季炎热、冬季湿冷。参考赣州市气象局官网气象公报文件，将夏季主导风向设置为S，平均风速2.8m/s；冬季主导风向设置为N，平均风速3.3m/s；根据《建筑通风效果测试与评价标准》将选区定为B 类-乡村，地面粗糙度指数为0.16；相对湿度分别检测50%、65%、80%三种情况。

4.3 模拟结果

4.3.1 住区热环境

经对现状环境进行模拟分析，得出绿化遮阳覆盖率为17%，地表平均太阳辐射吸收系数为0.16。夏季室外温度55%区域最高可达38.3℃。部分区域受到绿化遮阳覆盖、屋顶绿化及风场影响温度相对较低。通过计算的室外环境平均热岛强度为3.24℃，不满足《城市居住区环境设计标准》中住区夏季平均热岛强度标准的要求。

4.3.2 室内热舒适

结合室外风环境分析结果，通过Thsware软件对选区内沙塘里1 号室内热舒适模拟分析，结果如图3。

图3 沙塘里1号室内全年温度对比图

①八、九月份最高室内温度约为29℃，高于最高舒适温度，不符合《绿色建筑评价标准》GB/T50379-2019。

②冬季时，传统建筑中多数外墙门窗气密性较差，造成“冷桥”、冷风渗透等现象，导致室内温度较低。春、冬季温度均低于最低舒适温度标准，不符合《绿色建筑评价标准》GB/T50379-2019。

③Pmv值-0.5～+0.5为最佳值，由分析得该建筑中门窗洞口处Pmv值约0.817，天井附近pmv值处约-0.616，不符合标准。

4.3.3 室内外风环境分析

通过Thsware 软件对整个选区进行风环境模拟分析后，得出计算域内风速分布图，如图4-5所示。

图4 选区冬、夏季室外风速

图5 沙塘里1号夏季一二层室内风速

①建筑外部没有风速超限区域（风速大于5m/s），但存在较多静风区，从风速分布图可推测，选区内部建筑排布密集、围合紧密、错落不甚合理，导致静风区较多。

②夏季南风可进入街巷有利室内通风，但由于现状建筑墙体和乔木的无序阻挡，通风效果减弱。

③冬季北风较强，使室内外压强差过大而影响室内通风，进而影响室内热舒适，沙塘里1号建筑东北侧和北侧受冬季风影响较大。

④沙塘里1 号建筑室内房间狭长且贯通性不强，门窗排布不合理等，造成该建筑室内风环境不流通，多数房间存在静风区。

4.4 模拟结果分析及改进意见

从住区热环境模拟中可得出室外环境平均热岛强度不符合《城市住区热环境设计标准》规范。对室内热舒适进行模拟分析，可得出目标传统建筑内夏热冬冷，室内热舒适值较低，未满足人体热舒适标准。从风环境分析云图中可得，室外风速分布不均匀，存在较多静风区；室内存在较多密闭静风区，空气不流通。

针对以上分析结果，在综合当地居民接受程度以及改进方案可实施性等多方面因素后，本项目于场地环境、建筑围护结构以及参数化绿色改造策略三方面进行改进。

5 风热环境质量改进技术策略

通过对赣南地区传统民居建筑现状调研及斯维尔软件模拟分析，在尊重赣南地区传统民居原有结构的基础上，调整选区场地环境以及围护结构的设计内容，并运用Thsware 绿色技术软件进行再分析，验证改进设计方案的可行性。同时提出基于Grasshopper 的参数化改造策略理论，以期为以后的改造发展提供理论参考。

5.1 场地环境改造及分析模拟

5.1.1 场地下垫面的配置

场地植被指数和地表反照率对住区热环境影响程度分别为32.6%和22.8%[4]，因此在场地环境改造中植被指数和地表结构配比极为重要。

①通过增加场地植被覆盖率，可有效改善选区热岛强度情况，减少午间选区温度波幅。调整后通过Thsware再次分析得，选区建筑周边环境夏季平均温度下降3℃，绿容率上升0.21。

②室外场地及建筑庭院的铺装可选择本土碎石材质，使得雨水能够下渗入地面，既可改善地下土壤的湿度也可以让土壤吸收水分和热量从而起到调节选区局部环境湿度的作用，改进后热岛强度降低1.74℃。改造前后结果如图6。

图6 选区改进前后夏季正午温度分布对比图

5.1.2 绿化导风

树冠两侧及间隔处有导风作用，使得局部风速增大；留有间隔的一排树木在满足经济条件的同时仍能起到优于单棵的阻风效果，更适合在实际情况中使用[5]。

①通过多次模拟验证，得出在建筑北侧栽植乔木的合适位置，从而阻截冬季冷风的侵袭，减少选区的温度流失。改造后北侧建筑迎风面风压降低0.33N/㎡，改造前后对比结果如图7所示。

图7 冬季导风前后室外风环境对比

②在选区池塘南侧通过栽植乔木能起到合理导风效果，将经过池塘的夏季风导入选区内，调节选区风环境，减轻选区热岛强度。改造后街巷内风速提高0.189m/s，改造前后对比结果如图8所示。

图8 夏季导风前后室外风环境对比

5.2 围护结构改造及分析模拟

围护结构的改善可以使得室内热舒适得到很好的提升，进而满足使用者的要求并且降低建筑能耗，起到节能减排的作用[6]。改造方案如图9所示，改造后室内风环境模拟结果如图10所示。

图9 目标建筑室内风口改造示意图

图10 目标建筑改造后室内风环境

①在分析模拟赣州市常年风速风向及日照条件的基础上，根据所得数据调整目标建筑南北向屋顶的标高，形成高低落差。从而形成通风口兼采光窗。屋顶交错处利用百叶的不同角度实现对进风量的控制。

②一二层之间增加镂空观景台阶，使二层与天井之间连通，既美观又可起到连通室内外气流的效果。

③利用光伏屋面瓦的吸热特性加热屋顶空气，使之与室内较冷空气形成气压差，通过屋脊通风口排出，同时下部空气因上部气压变低而上升，吸引室内其余房间空气汇集，完成室内外空气对流。

④适当调整建筑天井面积，增加建筑内部横向与垂直空间的通风效果，既有利于采光，降低室内空气湿度，使建筑室内热舒适性提升。又可增强室内通风效果。

5.3 参数化绿色改造策略

通过grasshopper 可视化编程平台，使建筑外表皮以及复合一体化装置在感官系统对外界因素的监测下，能够实时有效的做出改变。

5.3.1 基于grasshopper的可调节性技术

通过在建筑屋顶和墙面等各个部位安装监测温度、光照和风速的感官传感器，将外界气象因素转述为数据信息。利用grasshopper可视参数化设计建筑外表皮运动模式，记录典型气象节点，制定可变建筑外表皮的适应性参数浮动范围和记忆周期，同时结合thsware 软件，以此作为优化设计的参考依据，进行住区热环境和风环境模拟验证，促进设计方案的优化。

5.3.2 自动化循环技术

通过grasshopper参数化设计使建筑室内外环境在感官系统的自动检测下，运用太阳能光伏发电-辐射制冷一体化装置结合土壤源热泵系统来改善室内热舒适，复合装置如图11所示。

图11 复合装置示意图

①夏季日照充足，可充分利用太阳能光伏发电系统，利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能转换为电能[7]，利用恒温的土壤实现与建筑内部完成热交换，降低一层空间温度的同时促进室内一二层室内外空气循环。夜间则利用辐射制冷技术达到夜间室内温度整体低于改前夜间温度的效果；

②冬季利用管路循环将土壤中的热量与室内空气间热量进行置换，提升室内温度，上下层形成温差即可促进室内空气新风循环，增加室内换气次数。

6 结语

通过对传统村落下垫面布局、建筑围护结构的改进以及提出参数化绿色改造策略，得出一套针对赣南传统村落的有效改进策略，策略如下。

①场地环境改造：通过模拟调整村落下垫面的设计，以及配置树冠导风排布结构，使选区内热岛强度明显下降，舒适度得到提升。

②围护结构改造：模拟研究后通过建筑天井的调整、屋顶错落形成天窗和镂空梯段等导风措施，有效提高室内热舒适度，减少室内静风区。

③参数化绿色改造策略：利用grasshopper 参数化设计使建筑室内外环境在感官系统的自动检测下，对太阳能光伏发电-辐射制冷一体化装置、土壤源热泵系统输出修改数据，同时运用thsware绿色技术软件对改进数据进行模拟验证优化。

研究通过对赣南传统民居建筑的现状进行实测，结合模拟分析，归纳出研究范围内部热岛强度高、室内热舒适较差的问题。课题以研究对象室外环境、围护结构和参数化绿色改造策略为变量进行研究分析，得出相关改进设计方案，同时运用thsware 绿色技术软件进行模拟验证，实验表明：优化后的室外热岛强度下降至1.5℃，符合《城市住区热环境设计标准》规范；室内外静风区被消除；夏季室内平均最低温度下降3.6℃；室内热舒适得到提高，pmv 值均浮动在-0.5～+0.5 之间，满足人体热舒适标准。验证了改进方案的可行性。这不仅对赣南传统村落的改造建设和可持续发展有重大帮助，同时对相似类型村落改建具有参考意义。