嶺南傳統(tǒng)冷巷熱舒適與建筑能耗耦合模擬研究

周 琪，湯 莉

(中南大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410012)

1 概述

1.1 嶺南氣候環(huán)境

嶺南，即五嶺以南，以廣東、廣西與湖南、江西四省邊境處的五嶺山脈為界與內(nèi)陸相隔，屬于中國建筑氣候區(qū)劃的夏熱冬暖地區(qū)，夏長冬短，具有高溫多雨的氣候特征。另外，北回歸線橫穿其中，南部冬季極少降雪，太陽輻射量大，日照時間長。嶺南夏季以東南風(fēng)為主導(dǎo)，風(fēng)速較低；冬季以東北風(fēng)為主導(dǎo)，風(fēng)速較高；春秋兩季為過渡季節(jié)波動較大。

1.2 傳統(tǒng)冷巷

冷巷，是嶺南地區(qū)傳統(tǒng)民居建筑中較為常見的一種空間形式，分為外部冷巷與內(nèi)部冷巷兩種[1]。本文所討論的是外部冷巷，即建筑與建筑之間的狹窄通道，其走向通常與當(dāng)?shù)氐南募局鲗?dǎo)風(fēng)向保持一致。冷巷可以說是傳統(tǒng)建筑對濕熱氣候環(huán)境的一種適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略。

1.3 冷巷被動降溫策略

傳統(tǒng)冷巷的被動降溫策略主要體現(xiàn)在遮陽、通風(fēng)、隔熱三個方面。首先，傳統(tǒng)冷巷寬度控制嚴(yán)格，一般不超過1.5 m，兩側(cè)建筑阻擋了絕大部分太陽輻射進(jìn)入巷道內(nèi)部，減少了外部得熱；其次，傳統(tǒng)冷巷的走向一般與外部風(fēng)環(huán)境相適應(yīng)，在空氣的流動與交換過程中，促進(jìn)了熱量的消散；最后，傳統(tǒng)建筑材料的運(yùn)用使得建筑墻體與巷道地面成為良好的蓄冷體，形成了巷道內(nèi)部熱環(huán)境的良性循環(huán)。

2 研究方法

Grasshopper工作流涉及參數(shù)化建模、環(huán)境參數(shù)輸入、熱舒適模擬、建筑能耗模擬、結(jié)果可視化五大板塊。在環(huán)境模擬的過程中，主要利用Dragonfly組件對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理[2]，使其更準(zhǔn)確地反映實(shí)測對象的近地面環(huán)境狀態(tài)；利用Ladybug組件對太陽輻射和天空視域因子進(jìn)行分析，作為熱環(huán)境模擬的基礎(chǔ)；利用Honeybee組件對表面溫度以及建筑的能耗情況進(jìn)行分析，并將熱環(huán)境模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)入UTCI模擬板塊，最后輸出可視化結(jié)果[3]。

3 數(shù)據(jù)實(shí)測及分析

3.1 研究對象概況

嶺南建筑主要分為廣府建筑、潮汕建筑和客家建筑。研究對象位于廣東江門的開平市，屬于廣府地區(qū)，村落以規(guī)整的梳式布局和三間兩廊的合院為主要形式。當(dāng)?shù)睾泳W(wǎng)縱橫，地勢較為低洼，受臺風(fēng)的影響較大，建筑為了抵御風(fēng)災(zāi)與洪澇往往采用厚實(shí)堅(jiān)固的墻體。

錦江里村落是開平市“四大名村”之一，現(xiàn)存最高的碉樓“瑞石樓”就位于其中，其選址布局、空間組織以及建筑形式都是嶺南建筑的典型代表。村落建筑以1.5 m寬的縱巷劃分，每三排建筑劃分一條橫隔巷，第一條橫隔巷寬1.5 m，其后每條橫隔巷為0.6 m。建筑基本為兩層，采用當(dāng)?shù)厍啻u材料砌筑。村落面朝江流，背靠密林，東西兩側(cè)有魚塘。村前為村民勞作或者公共活動的曬場，村后并列分布三座碉樓(見圖1)。

3.2 環(huán)境參數(shù)測量

錦江里村落實(shí)測于2022年8月21日上午8:00開始至2022年8月22日上午8:00結(jié)束，布置了三個測點(diǎn)(見圖2)，依次為曬場內(nèi)、巷道內(nèi)和花園內(nèi)，現(xiàn)場對每個整點(diǎn)進(jìn)行記錄，以獲取村落環(huán)境的全時段觀測數(shù)據(jù)(見表1)。

3.3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

3.3.1 空氣溫度

主要受太陽輻射的影響，曬場內(nèi)溫度從上午8:00開始驟然上升，外溫度差在下午15:00達(dá)到最大，其上升幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于花園內(nèi)與巷道內(nèi)，這是由于巷道內(nèi)兩側(cè)建筑對太陽輻射的遮擋作用，使得巷道得熱較少。從下午17:00點(diǎn)開始，溫度呈明顯的下降趨勢，并且在一個小時內(nèi)，曬場溫度降至低于巷道內(nèi)溫度，從熱交換角度分析，曬場環(huán)境開闊，熱量向天空散失的過程中阻礙較小，從而溫度迅速下降。

表1 測量儀器及采集方式表

曬場內(nèi)空氣溫度在下午15:00達(dá)到最高，為38.5 ℃，在次日凌晨5:00達(dá)到最低，為25.7 ℃，溫差為12.8 ℃；花園內(nèi)空氣溫度在下午13:00達(dá)到最高，為35.9 ℃，在次日凌晨6:00達(dá)到最低，為26.2 ℃，溫差為9.7 ℃；巷道內(nèi)溫度在下午13:00達(dá)到最高，為33.7 ℃，在次日凌晨6:00達(dá)到最低，為26.6 ℃，溫差為7.1 ℃。由此可見，傳統(tǒng)冷巷能夠有效控制溫度的變化，維持熱環(huán)境的相對穩(wěn)定性(見圖3)。

3.3.2 墻壁及地面溫度

在夜間，巷道內(nèi)空氣溫度低于墻體及地面溫度，墻體與地面開始向外散播熱量，完成自身降溫與蓄冷過程。在白天，巷道內(nèi)的空氣溫度高于墻體及地面溫度，墻體及地面開始從巷道吸收熱量，從而使巷道達(dá)到一定的降溫效果，完成釋冷過程(見圖4)。

3.3.3 風(fēng)速與風(fēng)向

由圖5可知，巷道整體風(fēng)速水平較低，白天以北風(fēng)為主，主要是巷道內(nèi)部溫度低于曬場溫度，從而形成的由巷道流向曬場的冷巷風(fēng)。夜間以南風(fēng)為主，因?yàn)榇藭r曬場溫度較低，成為冷源，形成穿過村落的晚風(fēng)，帶走村落內(nèi)部的熱量，有利于提高村落內(nèi)部的熱舒適性，在季風(fēng)的加持下，村落的夜間通風(fēng)散熱效果更為顯著。

3.3.4 平均輻射溫度

平均輻射溫度是計(jì)算通用熱氣候指數(shù)的基礎(chǔ)，可以由黑球溫度與空氣溫度計(jì)算得出，是反映熱舒適度的重要指標(biāo)。從圖6可以看出，平均輻射溫度在正午12:00出現(xiàn)巨大波動，達(dá)到了48 ℃。結(jié)合巷道內(nèi)日照情況分析(見圖7)，得出此時太陽高度角達(dá)到最大值，直接照射巷道內(nèi)部，造成了平均輻射溫度的急劇上升。

4 數(shù)值模擬

4.1 熱環(huán)境模擬有效性驗(yàn)證

如圖8所示，為保證模擬的精度與軟件運(yùn)行的效率，需要對空間模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕幚?，并根?jù)實(shí)地調(diào)研結(jié)果對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。同時，為了避免氣象數(shù)據(jù)本身對模擬驗(yàn)證的影響，將實(shí)際測得的溫濕度、風(fēng)速數(shù)據(jù)作為輸入條件進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬精度設(shè)置為0.5 m，模擬時間設(shè)置為下午15:00，得到巷道內(nèi)的平均輻射溫度為29.6 ℃，而實(shí)測結(jié)果為29.9 ℃，差值為0.3 ℃，證明模擬所采用的數(shù)值模型以及模擬結(jié)果是可靠的。

4.2 傳統(tǒng)冷巷熱舒適模擬

4.2.1 MRT室外熱環(huán)境模擬結(jié)果分析

如圖9所示，A,B,C,D,E五點(diǎn)分別為巷道口、巷道中、小空地、交叉口、巷道尾。在建筑對太陽輻射的遮擋作用下，B,D,E三點(diǎn)的平均輻射溫度要比A,C兩點(diǎn)低。其中，交叉口D點(diǎn)同時受縱巷和橫隔巷的風(fēng)力作用，通風(fēng)狀況優(yōu)于B點(diǎn)，對應(yīng)的平均輻射溫度也有所下降。熱環(huán)境性能最優(yōu)點(diǎn)為E點(diǎn)，此點(diǎn)位于巷道尾，白天村落后方的樹林在遮陰與蒸騰效應(yīng)的雙重作用下，溫度顯著低于巷道內(nèi)與村前的曬場，形成了從樹林流向巷道內(nèi)的熱壓通風(fēng)，風(fēng)速也從E點(diǎn)到B點(diǎn)依次遞減。

4.2.2 UTCI室外熱舒適模擬結(jié)果分析

室外熱舒適受熱環(huán)境與熱適應(yīng)雙重因素的作用，熱環(huán)境通過與人體進(jìn)行熱交換使人產(chǎn)生熱生理反應(yīng)，進(jìn)而影響人的熱感覺[4]。由圖10可知，室外熱舒適受太陽輻射的影響較大，冷巷UTCI值隨一天中太陽輻射角度和強(qiáng)度的變化而變化，巷道內(nèi)外的熱舒適差異主要源于建筑對太陽輻射的遮擋。從下午17：00開始，巷道內(nèi)外整體熱舒適得到提升，推測是因?yàn)槿章浜?，巷道?nèi)外溫度下降所致。

4.3 傳統(tǒng)冷巷建筑能耗模擬

傳統(tǒng)冷巷可以有效調(diào)節(jié)村落的微氣候環(huán)境，利用被動降溫策略，減少人們對空調(diào)系統(tǒng)的依賴，從而實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。冷巷將大部分太陽直射阻擋在外，建筑墻體等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度波動相對穩(wěn)定，夏季室內(nèi)熱環(huán)境得到改善[5-6]。圖11所示為各建筑的年平均制冷與供暖能耗，模擬區(qū)域4和5在冷巷的作用下夏季制冷能耗得到控制，模擬區(qū)域2位于北側(cè)，冬季建筑室內(nèi)太陽輻射得熱較少，相應(yīng)的采暖需求有所上升，但是，由于嶺南地區(qū)所處環(huán)境夏熱冬暖，所以冷巷對冬季建筑能耗的影響并不太大。

5 建筑窗墻比對冷巷熱舒適與建筑能耗的影響

如圖12所示，研究設(shè)計(jì)了七組實(shí)驗(yàn)，A為對照組，反映實(shí)際情況，采用單層玻璃，開窗比例為0.15(見圖13)。另外六組為實(shí)驗(yàn)組，其中D組保持單層玻璃不變，將窗墻比擴(kuò)大到0.3，模擬結(jié)果顯示，巷道內(nèi)部下午15：00陽光照射處和遮陰處的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，總能耗值累積增長了2.8 kWh/m2。由此可知，適當(dāng)?shù)慕档徒ㄖ皦Ρ瓤梢杂行岣呃湎锏臒崾孢m性并且減少能源需求，但是，建筑設(shè)計(jì)也有一定的采光要求，只能在有限范圍內(nèi)對窗墻比進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]。G組實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了玻璃材質(zhì)對模擬結(jié)果的影響，保持開窗比0.15不變，將單層比例替換成雙層玻璃，UTCI值略有下降，總能耗減小了0.7 kWh/m2，為建筑節(jié)能提供了另一條可行路徑。

圖12 拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果表

6 結(jié)論與展望

從人居環(huán)境的角度，傳統(tǒng)冷巷提升了環(huán)境的熱舒適性；從節(jié)能減排的角度，其作為一種被動降溫策略，減少了對空調(diào)系統(tǒng)的依賴，實(shí)現(xiàn)了“低碳”效應(yīng)。文章通過實(shí)測與模擬定量研究了傳統(tǒng)冷巷的作用機(jī)制，建立了傳統(tǒng)冷巷熱舒適與建筑能耗的耦合分析模型，探討了單一設(shè)計(jì)要素建筑窗墻比對傳統(tǒng)冷巷環(huán)境效益的影響規(guī)律。如何繼承與發(fā)展傳統(tǒng)冷巷的環(huán)境優(yōu)勢，使其適應(yīng)更廣范圍的氣候環(huán)境，適應(yīng)新的建筑類型與空間場景，是值得我們繼續(xù)思考與探索的問題。