基于綠色建筑技術的傳統村落風熱環境改造研究
——以贛南盧屋村選區為例

陶曉龍， 沈之皓， 汪李娜， 李詩蕾， 朱星源， 蔡麗蓉

（江西理工大學）

1 引言

隨著生態環境氣候問題日益加劇，低溫寒潮、全球變暖等現象對人居環境造成巨大影響，其中傳統村落因不合時宜的建筑構造、空間布局和綠化環境等因素遭受較大沖擊。

室內外環境熱舒適主要受風環境與熱環境影響，然而目前我國對于風環境或熱環境的研究集中在城市建筑組團，傳統村落由于受到不同地域氣候條件、地形地貌以及經濟發展水平的制約，研究相對較少[1]。研究內容大多數是風環境或熱環境單一方面，如張少康通過WRF中尺度預報模式系統對區域風環境進行模擬，對珠三角地區城鎮空間規劃提出優化建議[2]。高源通過Rhino-Grasshopper 可視化編程平臺，以冬季采暖能耗和室內熱舒適為目標，對北方鄉村住宅熱舒適與節能提出優化改造建議[3]。

本文以優化贛南傳統村落的風、熱環境為目標，對贛州市盧屋村中的傳統民居沙塘里一號及其周邊的環境進行實地調研測量，并運用Thsware綠色技術軟件對現狀進行模擬，分析問題。以此為基礎，通過模擬調整村落下墊面的設計、改造建筑圍護結構的方式，改善原有的建筑及環境，并提出針對贛南傳統村落，基于Grasshopper 的參數化設計策略，從而為贛南傳統村落的綠色健康發展提供風熱環境方面的理論參考。

2 研究區域概況

本文研究區域為贛南客家傳統名村盧屋村，位于江西省南部地區，屬亞熱帶丘陵山區濕潤季風氣候，地形以山地、丘陵為主。據贛州市氣象局官網氣象公報文件中所述贛州市氣象條件，選區所在地夏季以南風為主，春、冬季節盛行北風，秋季以西北風為主。夏季悶熱、潮濕，冬季寒冷、干燥。在一年中一月為全年最冷月，平均氣溫5℃，七月為全年最熱月，平均氣溫34℃。建筑朝向宜朝南并且自然通風是該場地較適合采用的被動式節能技術。

3 贛南傳統村落的現狀問題分析

3.1 贛南地區傳統民居詳細測繪和建模示意

為了研究贛南地區風熱情況對當地傳統民居建筑的影響，本課題選取了贛州市盧屋村內一棟面積較大且結構具有代表性的建筑沙塘里一號為主要研究對象，并將周圍跟該建筑緊密相關的五棟傳統建筑、三棟現代建筑及周邊環境納入研究范圍，如圖1所示。該民居為兩進天井式傳統民居，中庭是狹小的天井。對其外部環境以及沙塘里一號的建筑內部進行測繪分析，探究其選區環境以及建筑內部環境的基礎風熱情況。建筑測繪簡圖如圖2所示。

圖2 砂塘里一號平面圖

3.2 贛南地區室內外風熱環境問題初步探究

通過采用Leica D2 手持激光測距儀、拓普瑞溫濕度數據記錄儀和Kestrel風速計等儀器對該傳統民居進行詳細實地測繪以及問卷調查等方法，我們得出以下調研結果并對現狀進行綜合分析。

該建筑內部整體結構混亂；門窗構件老舊，外墻開窗少、開窗高，導致室內通風效果不理想；磚墻面較完整但保溫隔熱性能較差；屋面交接不齊，屋頂采用木架瓦屋面搭建，導熱性較高；選區內高大喬木較少導致遮陰率低，導風效果差。

4 贛南傳統村落的風熱環境模擬研究

4.1 模擬方法

本文基于CFD（Computational Fluid Dynamics）技術，在對選區環境進行實測調研后，使用Thsware綠色技術軟件，從住區熱環境、室內外風環境和室內熱舒適等方面對贛南傳統村落進行模擬分析。

4.2 參數設定

選區氣候區劃分為第Ⅲ區，夏季炎熱、冬季濕冷。參考贛州市氣象局官網氣象公報文件，將夏季主導風向設置為S，平均風速2.8m/s；冬季主導風向設置為N，平均風速3.3m/s；根據《建筑通風效果測試與評價標準》將選區定為B 類-鄉村，地面粗糙度指數為0.16；相對濕度分別檢測50%、65%、80%三種情況。

4.3 模擬結果

4.3.1 住區熱環境

經對現狀環境進行模擬分析，得出綠化遮陽覆蓋率為17%，地表平均太陽輻射吸收系數為0.16。夏季室外溫度55%區域最高可達38.3℃。部分區域受到綠化遮陽覆蓋、屋頂綠化及風場影響溫度相對較低。通過計算的室外環境平均熱島強度為3.24℃，不滿足《城市居住區環境設計標準》中住區夏季平均熱島強度標準的要求。

4.3.2 室內熱舒適

結合室外風環境分析結果，通過Thsware軟件對選區內沙塘里1 號室內熱舒適模擬分析，結果如圖3。

圖3 沙塘里1號室內全年溫度對比圖

①八、九月份最高室內溫度約為29℃，高于最高舒適溫度，不符合《綠色建筑評價標準》GB/T50379-2019。

②冬季時，傳統建筑中多數外墻門窗氣密性較差，造成“冷橋”、冷風滲透等現象，導致室內溫度較低。春、冬季溫度均低于最低舒適溫度標準，不符合《綠色建筑評價標準》GB/T50379-2019。

③Pmv值-0.5～+0.5為最佳值，由分析得該建筑中門窗洞口處Pmv值約0.817，天井附近pmv值處約-0.616，不符合標準。

4.3.3 室內外風環境分析

通過Thsware 軟件對整個選區進行風環境模擬分析后，得出計算域內風速分布圖，如圖4-5所示。

圖4 選區冬、夏季室外風速

圖5 沙塘里1號夏季一二層室內風速

①建筑外部沒有風速超限區域（風速大于5m/s），但存在較多靜風區，從風速分布圖可推測，選區內部建筑排布密集、圍合緊密、錯落不甚合理，導致靜風區較多。

②夏季南風可進入街巷有利室內通風，但由于現狀建筑墻體和喬木的無序阻擋，通風效果減弱。

③冬季北風較強，使室內外壓強差過大而影響室內通風，進而影響室內熱舒適，沙塘里1號建筑東北側和北側受冬季風影響較大。

④沙塘里1 號建筑室內房間狹長且貫通性不強，門窗排布不合理等，造成該建筑室內風環境不流通，多數房間存在靜風區。

4.4 模擬結果分析及改進意見

從住區熱環境模擬中可得出室外環境平均熱島強度不符合《城市住區熱環境設計標準》規范。對室內熱舒適進行模擬分析，可得出目標傳統建筑內夏熱冬冷，室內熱舒適值較低，未滿足人體熱舒適標準。從風環境分析云圖中可得，室外風速分布不均勻，存在較多靜風區；室內存在較多密閉靜風區，空氣不流通。

針對以上分析結果，在綜合當地居民接受程度以及改進方案可實施性等多方面因素后，本項目于場地環境、建筑圍護結構以及參數化綠色改造策略三方面進行改進。

5 風熱環境質量改進技術策略

通過對贛南地區傳統民居建筑現狀調研及斯維爾軟件模擬分析，在尊重贛南地區傳統民居原有結構的基礎上，調整選區場地環境以及圍護結構的設計內容，并運用Thsware 綠色技術軟件進行再分析，驗證改進設計方案的可行性。同時提出基于Grasshopper 的參數化改造策略理論，以期為以后的改造發展提供理論參考。

5.1 場地環境改造及分析模擬

5.1.1 場地下墊面的配置

場地植被指數和地表反照率對住區熱環境影響程度分別為32.6%和22.8%[4]，因此在場地環境改造中植被指數和地表結構配比極為重要。

①通過增加場地植被覆蓋率，可有效改善選區熱島強度情況，減少午間選區溫度波幅。調整后通過Thsware再次分析得，選區建筑周邊環境夏季平均溫度下降3℃，綠容率上升0.21。

②室外場地及建筑庭院的鋪裝可選擇本土碎石材質，使得雨水能夠下滲入地面，既可改善地下土壤的濕度也可以讓土壤吸收水分和熱量從而起到調節選區局部環境濕度的作用，改進后熱島強度降低1.74℃。改造前后結果如圖6。

圖6 選區改進前后夏季正午溫度分布對比圖

5.1.2 綠化導風

樹冠兩側及間隔處有導風作用，使得局部風速增大；留有間隔的一排樹木在滿足經濟條件的同時仍能起到優于單棵的阻風效果，更適合在實際情況中使用[5]。

①通過多次模擬驗證，得出在建筑北側栽植喬木的合適位置，從而阻截冬季冷風的侵襲，減少選區的溫度流失。改造后北側建筑迎風面風壓降低0.33N/㎡，改造前后對比結果如圖7所示。

圖7 冬季導風前后室外風環境對比

②在選區池塘南側通過栽植喬木能起到合理導風效果，將經過池塘的夏季風導入選區內，調節選區風環境，減輕選區熱島強度。改造后街巷內風速提高0.189m/s，改造前后對比結果如圖8所示。

圖8 夏季導風前后室外風環境對比

5.2 圍護結構改造及分析模擬

圍護結構的改善可以使得室內熱舒適得到很好的提升，進而滿足使用者的要求并且降低建筑能耗，起到節能減排的作用[6]。改造方案如圖9所示，改造后室內風環境模擬結果如圖10所示。

圖9 目標建筑室內風口改造示意圖

圖10 目標建筑改造后室內風環境

①在分析模擬贛州市常年風速風向及日照條件的基礎上，根據所得數據調整目標建筑南北向屋頂的標高，形成高低落差。從而形成通風口兼采光窗。屋頂交錯處利用百葉的不同角度實現對進風量的控制。

②一二層之間增加鏤空觀景臺階，使二層與天井之間連通，既美觀又可起到連通室內外氣流的效果。

③利用光伏屋面瓦的吸熱特性加熱屋頂空氣，使之與室內較冷空氣形成氣壓差，通過屋脊通風口排出，同時下部空氣因上部氣壓變低而上升，吸引室內其余房間空氣匯集，完成室內外空氣對流。

④適當調整建筑天井面積，增加建筑內部橫向與垂直空間的通風效果，既有利于采光，降低室內空氣濕度，使建筑室內熱舒適性提升。又可增強室內通風效果。

5.3 參數化綠色改造策略

通過grasshopper 可視化編程平臺，使建筑外表皮以及復合一體化裝置在感官系統對外界因素的監測下，能夠實時有效的做出改變。

5.3.1 基于grasshopper的可調節性技術

通過在建筑屋頂和墻面等各個部位安裝監測溫度、光照和風速的感官傳感器，將外界氣象因素轉述為數據信息。利用grasshopper可視參數化設計建筑外表皮運動模式，記錄典型氣象節點，制定可變建筑外表皮的適應性參數浮動范圍和記憶周期，同時結合thsware 軟件，以此作為優化設計的參考依據，進行住區熱環境和風環境模擬驗證，促進設計方案的優化。

5.3.2 自動化循環技術

通過grasshopper參數化設計使建筑室內外環境在感官系統的自動檢測下，運用太陽能光伏發電-輻射制冷一體化裝置結合土壤源熱泵系統來改善室內熱舒適，復合裝置如圖11所示。

圖11 復合裝置示意圖

①夏季日照充足，可充分利用太陽能光伏發電系統，利用太陽電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能轉換為電能[7]，利用恒溫的土壤實現與建筑內部完成熱交換，降低一層空間溫度的同時促進室內一二層室內外空氣循環。夜間則利用輻射制冷技術達到夜間室內溫度整體低于改前夜間溫度的效果；

②冬季利用管路循環將土壤中的熱量與室內空氣間熱量進行置換，提升室內溫度，上下層形成溫差即可促進室內空氣新風循環，增加室內換氣次數。

6 結語

通過對傳統村落下墊面布局、建筑圍護結構的改進以及提出參數化綠色改造策略，得出一套針對贛南傳統村落的有效改進策略，策略如下。

①場地環境改造：通過模擬調整村落下墊面的設計，以及配置樹冠導風排布結構，使選區內熱島強度明顯下降，舒適度得到提升。

②圍護結構改造：模擬研究后通過建筑天井的調整、屋頂錯落形成天窗和鏤空梯段等導風措施，有效提高室內熱舒適度，減少室內靜風區。

③參數化綠色改造策略：利用grasshopper 參數化設計使建筑室內外環境在感官系統的自動檢測下，對太陽能光伏發電-輻射制冷一體化裝置、土壤源熱泵系統輸出修改數據，同時運用thsware綠色技術軟件對改進數據進行模擬驗證優化。

研究通過對贛南傳統民居建筑的現狀進行實測，結合模擬分析，歸納出研究范圍內部熱島強度高、室內熱舒適較差的問題。課題以研究對象室外環境、圍護結構和參數化綠色改造策略為變量進行研究分析，得出相關改進設計方案，同時運用thsware 綠色技術軟件進行模擬驗證，實驗表明：優化后的室外熱島強度下降至1.5℃，符合《城市住區熱環境設計標準》規范；室內外靜風區被消除；夏季室內平均最低溫度下降3.6℃；室內熱舒適得到提高，pmv 值均浮動在-0.5～+0.5 之間，滿足人體熱舒適標準。驗證了改進方案的可行性。這不僅對贛南傳統村落的改造建設和可持續發展有重大幫助，同時對相似類型村落改建具有參考意義。