夏熱冬冷地區柯大興古村落風環境優化分析

方 媛

(武漢大學，湖北 武漢 430070)

0 引言

我國傳統民居建筑在祖先們的不斷實踐過程下，創造出蘊含著生態性的設計理念，這也使得他們即使在沒有現代先進設備的條件下也可以通過恰當選材、利用適宜氣候和合理的組織空間關系等方式獲得較為舒適的人居環境，達到建筑的低能耗與周圍環境的舒適性。目前，在我國，對于村落室外風環境相關內容的研究較少，主要集中在房屋或院落單體、特殊地形村落[1]。通過對古村落的分析，并提出對于古村落的優化適宜性設計策略，以此來調節室外的風環境，削弱冬夏季不適宜氣候的影響[2]，旨在為日后柯大興古村落的修復提供參考。

1 大冶市柯大興古村落概述

柯大興村位于湖北省黃石市大冶市大箕鋪鎮，在第三次文物普查中被發現，是一座建于清朝咸豐八年的古民居建筑群。大冶市夏熱冬冷雨水充沛，屬于典型的大陸性季風氣候。通過實地調研考察，收集測量了柯大興村的建筑群信息，然后借助谷歌影像地圖繪制了村落建筑及其周圍地形圖，并進行了模型的建造。

2 柯大興現狀風環境特征分析

2.1 總體布局

柯大興村選址位于山地區域，氣流分布情況會受到山地地勢的極大影響。在主導風向的影響下，風向和當地的地形關系根據朝向可以分為迎風坡與背風坡[3]。

大冶市的夏季主導風為東南風，夏季時村落處于迎風面，迎風面向的常年主導風向較高，由于氣流在受到界面擠壓的時候，風壓增大，在山脊處達到最大值，但在東南角有坡地，使得村落居于低洼地形，一定程度影響主導風向的流入。冬季主導風為西北風，冬季時村落位于東南面，處于背風面，風速較小，可以阻擋冬季寒風。由于西北側的山體影響冬季整體村落的風速較小，在“背風面”的作用下，冬季村落迎風面最大風速明顯小于設定的平均風速，可見，背風面在冬季一定程度上可以抵御冬季不利氣候的影響，具有防寒的作用，可以減少村落的冷風滲透[3]。

一般來說，城市內部建筑的密度越大，粗糙度系數就越大，相對于風而言，地面所造成的摩擦力就越大，因此風速就會降低[4]。對于村落來說，柯大興古村落的建筑排布對于整體風環境也有較好的作用。如圖1所示，柯大興村建筑密度高度較高的建筑布置于西北向，有利于減弱冬季主導風向上的寒風，而村落群在夏季主導風向下分布的較為松散稀疏，同時所處地勢較低，可以看出該村落現狀分布較為科學，有效的利用了地形和氣候。

2.2 采用多個內天井

由于村落民居排布密集，內部巷道較為高深狹窄，夏季受到的太陽輻射量較小，于是內部溫度較低，而天井是民居主要采光口，夏季受到太陽直射，溫度較高，這樣室內外存在溫差，巷道的冷空氣密度較高，且天井的熱空氣密度高，容易帶動空氣流通形成熱壓通風，加快散熱，創造良好舒適的環境。通過調研可以發現柯大興村內的民居采用多個天井，這樣一來，可以使得院子內氣流流動的概率大大增加，相比于一般的單個天井，多個天井更有利于自然通風[3](見圖2，圖3)。

2.3 密集的群體優化效應

調研發現，柯大興古村落內部民居建造十分密集，建筑互相遮擋，在這樣密集建造的情況下，內部的大部分墻面免受太陽的直射，厚重的墻體也就不會在夏季蓄熱，從而可以發揮出其隔熱的作用。同時建筑群在這樣密集緊湊的建造方式下也可以互相遮擋，使得彼此都處于陰影中，這樣一來室內外會產生溫差，天井和巷道間才可能形成熱壓通風?？麓笈d村這種緊密的建造方式既可以通過建筑間的相互遮擋避免過多的熱量吸收，又可以形成相互貫通的內部巷道合理組織通風，兼具了遮陽與通風的雙重優勢[5]。

3 風環境模擬概述

3.1 研究分析方法

本文根據描繪的谷歌衛星地圖建立古村落風環境模型。采用CFD模擬村落冬夏兩季風環境，評價其流場分布狀況，采用PHOENICS軟件推出的FLAIR模塊進行模擬。冬季模擬數據選取大冶市1月份天氣數據，平均溫度6 ℃，最高頻率主導風向西北風與其平均風速2.9 m/s。夏季模擬數值選取8月份天氣數據，平均溫度28 ℃，平均風速2.3 m/s，最高頻率的主導風向為東南風。

3.2 建立場地模型

根據調研繪制了村落模型，以此為基礎設定風場模型。柯大興村的風場模型以不影響民居群的邊界氣流為基礎，來流方向應大于模型高度的2倍為宜，后方應大于建筑高度的5倍為宜，確定了計算域的面積為3 500 m×2 500 m×400 m。由于村落建筑密集內部風環境較復雜，所以在網格中心處進行了加密處理。

4 風環境模擬結果及分析

4.1 冬季主導風向模擬分析

4.1.1風速分析

圖4為柯大興村冬季主導風向西北風風速2.9 m/s情況下，建筑室外地坪1.5 m處的風速模擬圖，由圖4可見，該村落在西北側的迎風面出現最高風速，最大風速約為2.5 m/s;最低風速出現在其南背風處及風影區，最低風速約為0.3 m/s。

4.1.2風壓評價

圖5為柯大興村冬季主導風向西北風風速2.9 m/s情況下，建筑室外地坪1.5 m處的風壓模擬圖，該村落北面風壓為0.35 Pa～3.5 Pa，最大的風壓呈現在古村落群的迎風面，風壓約為3.5 Pa。最小風壓約為-2.3 Pa出現在村落的背風面。此外，由于受到兩側風壓的影響，村落西北向迎風面的房間容易引起建筑室內的冷風滲透作用，所以應加強這片區域民居的門窗密閉性，并采取相應措施來保證其室內冬季取暖。

4.2 夏季主導風向模擬分析

4.2.1風速評價

圖6為柯大興村夏季主導風向東南風風速2.0 m/s情況下的模擬圖，建筑室外地坪1.5 m處的風速模擬圖，由圖6可見，該村落夏季室外最高風速約為 2.6 m/s出現在其東南面迎風側;在其北背風處及風影區出現最小風速，最低風速約為0.23 m/s。村落風速基本處于0.2 m/s～2 m/s。

4.2.2風壓評價

圖7為柯大興村夏季主導風向東南風，風速2.0 m/s情況下，建筑室外地坪1.5 m處的風壓模擬圖，該村落南面風壓大約0.36 Pa～2 Pa，最大風壓為2 Pa，最大風壓出現在建筑物迎風面。在建筑物背風面出現最小風壓，約為-1.5 Pa。

4.3 通風對熱舒適性的影響

自然通風是夏季被動式降溫的常用方式，在村落互相遮擋的環境中，雖然緊密建造的古民居使得彼此的墻面不會受到太陽的直射，但是屋頂還是會裸露在外受到太陽直射，所以需要依靠通風才能獲得較為舒適的環境。在傳統民居中，當周圍的環境溫濕度已經超過了舒適范圍的情況下，較適宜的風速可以通過加快汗的蒸發方式來加速散熱，同時獲得舒適的環境[3]。下面結合柯大興村夏季8月風環境模擬為例，針對古村落內部巷道風速進行分析(見圖8)。

由圖6可見夏季主導風由西南面吹入村落，在村口處由于空間開闊氣流，主巷道產生狹道效益，故在主巷處風速加大，二號巷道由于建筑排布緊密影響風速，三號巷道南段

由于狹道效應獲得加速風，北端由于位于建筑物風影區，背風面形成空氣渦旋區，風速減弱，同時建筑物在渦旋區難以獲得穿堂風，夏季較為炎熱。主巷的風速明顯高于其他巷道，這也就不難理解為什么夏季村落里的老人們總喜歡坐在主巷兩側乘涼。

在柯大興村夏季的東南風以2.0 m/s的速度下，村落主巷道的風速大約在1 m/s～1.5 m/s這個區間內，此時巷道內的溫度相當于下降了3.5 ℃，在這個環境下周圍能感受到涼風陣陣，同時微風可以帶走巷道內積攢的熱量，使得村民們不至于感到炎熱，緩解不利的炎熱環境。

二號巷道內的風速在0.5 m/s～1 m/s，相當于溫度下降了2.8 ℃左右，在空氣較熱時能夠感受到風還是可以接受的。而在三號巷道處風速在0 m/s～0.3 m/s，幾乎感覺不到風速。所以夏季大冶村在主巷道處的氣候舒適，是避暑乘涼的好去處，三號巷道較為悶熱，夏季較少人停留。

5 結語

以大冶市的氣候特征為例，村落選址位于山體東南面有益于改善整體村落的風環境；村落呈現東南稀疏，西北密集的布局有益于夏季風的引入與冬季寒風的抵御；村落較為緊湊的布局與多進天井利于夏季通風與散熱。村落西面后方，由于建筑排布的影響，會導致風影區，同時由于這片區域較少人居住堆放雜物較多，風環境較差，不利于污染物的散失以及有效的除濕。過大的風速會影響居民舒適度，過小的風速不利于地面污染物的散失，今后可對這片區域進行重點整治與改善。