基于ENVI-met的干旱區傳統聚落氣候適應性評價
——以吐魯番麻扎村為例

冶建明

賈永生

劉國鋒

近年來生活的高耗能以及能源緊張成為現今發展的主要問題，夏季降溫與冬季取暖占據了建筑能耗的一半以上，在創建節約型社會背景下節能減排，倡導使用清潔能源提上了政府議程[2]。利用傳統聚落空間的內、外部環境，改善傳統聚落的氣候適應性，降低能耗，提高居住舒適度顯得尤為重要。

大多的傳統聚落不能很好地利用聚落空間內、外部環境提高舒適性，造成了傳統聚落的熱舒適性和氣候適應性較差。為解決夏季、冬季舒適性的問題，大部分居民使用高耗能電器以及高污染能源，沒有很好地利用傳統聚落氣候適應性的優勢。目前研究區域主要集中于南方傳統聚落，西北地區聚落氣候適應性研究甚少[3]。吐魯番位于西北干旱區，麻扎村作為典型的傳統聚落，有著豐富的歷史文化底蘊，因此，研究麻扎村聚落的氣候適應性，對于指導麻扎村以及西北干旱區聚落的優化設計具有重要意義。

1 研究區概況

麻扎村位于吐魯番盆地邊緣地帶，庫木塔格沙漠以北，火焰山中段的吐峪溝大峽谷南部。麻扎村以農耕為主，依托地勢的陡緩，傍水沿河而建。吐魯番盆地具有降水少、蒸發大、日照長、干旱少雨的特點。人文因素和自然因素影響著村落的格局，采用典型的吐魯番地區傳統村落的布局方式，呈現出“綠洲灌溉型”的村落格局，即村落中的耕地沿水分布[4]。村落沿著綠洲邊緣而布置，盡量減少占領耕地的使用面積。麻扎村分布著六個居住組團（表1），組團受到了中心建筑的規制，不同的組團以及院落的布局形式，是為了順應地形以及向陽背風的合理布局[5]。

表1 麻扎村聚落空間組團

圖1 麻扎村總平面圖

圖2 麻扎村組團分析圖

2 數字化模型構建及氣象數據獲取

ENVI-met微氣候軟件由德國波鴻大學地理研究所Michael Bruse和Heribert Fleer 1998年開發的微氣候模擬仿真軟件。主要應用在城市微氣候、環境規劃、建筑設計、評估景觀設計方案等。本文通過中國天氣數據網站獲取模擬地點2018年相關氣象天氣數據資料，分析過程中將氣象數據中的溫度、濕度、風速、風向等參數導入ENVI-met軟件中進行模擬[6-11]。

分別建立麻扎村整體模型和內部組團模型，大尺度模擬分析麻扎村整體熱舒適性，小尺度進一步精確模擬分析麻扎村內部各個組團的熱舒適性。材質參數設置主要采用了磚路、默認的土壤、混凝土路面、瀝青道路等。不同材質內部設置不同傳熱參數，模擬現實中的熱交換（表2）。

3 麻扎村不同尺度下仿真模擬結果分析

人體熱舒適度作為衡量熱環境的重要指標，本文分別模擬了麻扎村整體和內部組團夏季高溫極端條件下溫度、濕度、風速、熱舒適度（PMV）的分布，對比三種不同高度下溫度、濕度、風速、熱舒適度（PMV）的變化，從而進行熱舒適度的評價。

3.1 麻扎村微氣候模擬分析

麻扎村溫度模擬分布顯示（表3），水系周圍溫度低于大氣溫度，水分的蒸發帶走周圍的熱量，使其與模擬溫度相差4℃。農作物的蒸騰作用使周圍環境與模擬溫度相差2℃；濕度模擬分布顯示，在輸入最小相對濕度為8%的情況下，水域周圍以及農田作物的濕度最高達到16%，顯著提高聚落上下游的空氣濕度。受峽谷風的影響，上游大氣中的水分隨風進入麻扎村，提高麻扎村內的濕度，濕度可以達到13%；風速模擬分布顯示，在麻扎村上游和下游上空風速流動較小。麻扎村內部街巷空間風速增加顯著，建筑之間的風速為1.5m/s左右，在人可以接受的范圍內；PMV模擬分布圖顯示，高溫低濕的條件下PMV數值超過3.5，使人感到不舒適。通過極端條件下PMV的變化，分析得出舒適的范圍內。PMV的范圍在0.5左右使得人們感到舒適，選取數值接近0.5左右的進行分析。由圖看出舒適度值最小的在4，靠近水系以及植物分布密集處。

3.2 組團微氣候模擬分析（表4）

溫度模擬分析。組團1中植物與水的疊加影響，使得周圍最低溫度為40℃，與仿真模擬輸入溫度相比降低了6℃；組團2生產作物的蒸騰作用降溫較為顯著，溫度為41～42℃；組團3削弱了植物和水系的作用，使溫度變化不明顯，組團內溫度浮動在42℃；風從麻扎村的上游向下游流動，使麻扎村聚落的熱量向下游處移動，導致貼近組團4以南的建筑溫度為42℃，組團以南的作物片區溫度為41℃；組團5受熱島效應影響，使得組團的溫度高出1℃；組團6為麻扎村近年來規劃的區域，場地開闊，且周圍植物稀少，內部設置有面積較大的停車場，溫度達到了44℃。

表2 仿真模型示意

表3 麻扎村微氣候模擬分布

表4 組團微氣候模擬分布

續表4 組團微氣候模擬分布

濕度模擬分析。組團1受水蒸發及植物蒸騰共同作用，內部濕度達到15%，改善了內部微氣候，提高了舒適度；組團2北接農業生產用地，河流三條分支貫穿其中，使內部的濕度達到19%；組團3內少有植物和明渠，植物蒸騰作用和水分蒸發量少，內部濕度為14%；組團4內濕度達到17%，高出模擬分析的濕度，周邊的植物以及作物改善了組團的微氣候；組團5受地形地貌影響，隨著等高線進行分布，組團內濕度變化不顯著，濕度維持在14%左右；組團6近些年來建設采用了大量的硬質鋪裝，內部濕度低于其他組團的濕度，為13%。

風速模擬分析。組團1的右側與山脈相毗鄰，左側與帶狀植物相接壤，對比發現右側的風速在1.6m/s，帶有植物的一邊風速在1.0m/s，表明植物能夠有效地降低風速；組團2的建筑布局交錯相應，風速1m/s，變化不顯著；組團3以北形成了一定大小的窩風，增強了氣體的流動速度，最大處風速接近3.3m/s；組團4風向受以北組團的阻礙作用和建筑布局交錯布置，內部的風速為0.6m/s；組團5建筑布局緊密，受用地情況的限制，建筑多層且沿地形的起伏進行分布，組團內部氣體流通性差，風速為0.3m/s；組團6內無明顯的障礙物阻擋氣體的流動，風速在停車場較高，為1.9m/s。

PMV模擬分析。組團1建筑附近PMV接近4，舒適區域帶狀分布，與水系及植物分布相同；組團2以北為農業生產用地，同時受到上游地帶的影響，內部PMV數值為5，周圍環境可以影響到組團內部的舒適度；組團3受另外兩個組團的影響，削弱上游與下游中植被和水系的作用，該組團內部的PMV數值為5；組團4下游作物的核心區域PMV的數值趨近于4，在靠近組團內PMV數值升高到5；組團5的左下角PMV的數值為5，在靠近山脈的組團內部PMV的數值升高到6，靠近山脈使人們越感到不舒適；組團6中的PMV為6，變化不顯著，使人感到不舒適。

4 結論

首先在大尺度范圍，對麻扎村的整體進行仿真模擬分析。然后對于小尺度進行仿真模擬分析，進一步探究麻扎村內部六個組團的影響。麻扎村微氣候模擬結果分析得到以下結論：

①麻扎村整體氣候適應性較好，受峽谷風的影響，上游大氣中的水分隨風進入麻扎村，提高了內部濕度。狹長的街巷內促使氣體流動，建筑與建筑之間易產生窩風，通風條件有待改善。山脈中土壤的比熱容低，在受到強烈太陽的照射下，使得地表溫度快速升高，高于周圍環境溫度，降低舒適度。水系與植物在高溫環境中有明顯降溫增濕的效果，能夠改善聚落微氣候，提高舒適度。

②組團微氣候模擬分析表明，由于組團內部環境不同，使得各組團微氣候存在差異。組團1由于植物與水的疊加影響，降溫增濕效果明顯，提高了舒適度。組團2由于生產作物的蒸騰作用降溫較為顯著。組團3削弱了植物和水系的作用，溫度變化不明顯。風使麻扎村聚落的熱量向下游處移動，導致貼近組團4溫度較高。組團5受到熱島效應的作用，微氣候環境需要改善。組團6場地開闊，植被量較少，直射時間長，且周圍植物稀少，造成場地溫度較高。

通過不同尺度的仿真模擬分析表明，通過合理的街巷布局以及內部景觀要素配置，能夠有效改善聚落微氣候環境，應充分利用環境的有利條件，優化改善不利條件，從而提高聚落氣候適應性。

5 麻扎村傳統聚落氣候適應性優化策略

聚落的大環境是由當地的氣候條件決定的，并且難以改變。為提高生活環境的舒適度，改善聚落的氣候適應性，進行微氣候評價與優化是可行而又有必要的。基于氣候適應性的理念對聚落合理的規劃布局與內部景觀要素提出優化策略，從不同尺度改善聚落生活環境。

5.1 聚落街巷布局

麻扎村聚落具有一定的獨特性，聚落在發展過程中規模較小時，街道可以采用“S”型布局，隨著聚落規模不斷變大，較長的街巷使得風速逐漸縮減，上游處的風向較大，下游處的風向小。為了更好地改善通風效果，需要提高街巷的穿插的數目，增加各個點的進風量，從而使通風順暢。街巷從北往南設置，在上游風速較大的情況下，建筑采用“品”字型布局，削弱上游的風速以及窩風的影響，增加下游處的街巷長度，位于下游的建筑不易采用“品”型布置。

5.2 內部景觀要素

聚落中的植物在夏季高溫天氣能夠降溫增濕，同時遮擋陽光減少直射面積。冬季低溫天氣具有保溫作用。聚落周邊的植物可以疏導空氣中流動的氣體，引導氣流從合適的方位進入聚落，優化聚落內的氣流分布。位于聚落中建筑稀疏的區域，提高建筑周圍的植物的數量，環繞式布置改善建筑周圍的氣候，院落中種植高大的喬木，減少陽光的照射。位于建筑密集的區域，適當增加明渠的長度，利用水的蒸發實現降溫，以此提高周圍空氣濕度，提高人們的舒適度。

在組團密集區域適當增加明渠的長度和寬度，采用蜿蜒曲折的做法，增加明渠的長度。在組團稀疏的區域，減小水體與大氣接觸的面積，采用多段式分布，明渠與暗渠間斷出現。同時宜在上游處修建人工小型的湖泊，如在中心建筑北組團以及北段臨水組團中設置小型湖泊或者水壩，貯存一部分水體，改善組團內以及周圍組團的空氣濕度，營造更加舒適的生活環境。

充分考慮居民生活方式。麻扎民居建筑因其構筑方式特殊，房間的通風采光性能較差，所以只要不是冬季或者大風天氣，村民的很多生活內容是在室外的棚架下進行的，棚架也是建筑空間組織方式的核心。由于當地冬夏兩季溫差大而且一年中有固定天數的大風天氣，需妥善處理房間采光、遮陽、通風之間的矛盾，麻扎民居中的門窗尺寸與一般的民居相比都較小，設計中需予以注意。

結語

人們為了更好地適應性當地自然環境而不斷的探索與優化，逐漸發展形成聚落。古老的傳統聚落能夠長久的存在，這其中包含著人們的營建智慧與氣候適應性理念。研究傳統聚落氣候適應性，不僅是對傳統聚落進行挖掘，更是對傳統聚落中古老的生態思想及技術進行探索與研究。研究麻扎村聚落氣候適應性，本文主要是采取計算機仿真模擬的分析方法，計算機的應用促進了該論文的發展與研究，并結合吐魯番實地調研，獲取相關一手資料。ENVI-met微氣候仿真軟件只能去接近現實中的結果，并不能完全跟現實中一樣，所以該分析的方法具有一定的局限性。通過對麻扎村傳統聚落進行氣候適應性研究，發現聚落內中不足之處，提出相關對策，為今后設計規劃中做出指導意見，并提供數據支撐。氣候適應性的研究不僅可以研究已建成建筑，還可以為設計前期評估景觀設計方案，從而提高居住舒適度，在聚落的提升以及規劃建設上有著很大的應用前景。

資料來源：

文中圖表均為作者自繪。