基于ENVI-met模擬的傳統村落理想山水格局主山高度變化微氣候研究

文/北京工業大學建筑與城市規劃學院 戴 儉 閆曉光

1 背景

近年來，人們越來越重視氣候環境問題。傳統村落微氣候作為微氣候研究中的重要一環，其舒適度影響村民對村落空間品質的感受。微氣候研究以村落和街區為重點，重視傳統村落保護。山水理念的興起對傳統村落微氣候環境保護具有重要作用。

研究通過構建理想山水景觀格局，對不同主山高度變化模型進行模擬，得出主山高度變化與理想山水景觀格局的量化關系，為未來傳統村落的規劃與保護提供依據。

2 概念

2.1 理想山水格局

理想山水格局以山水理念為基礎，經過人類長期生活與實踐積累，選擇最適宜生活的理想居住環境。負陰抱陽，背山面水是理想山水格局的基本布局形式。我國受季風氣候影響較大，理想山水格局的村落可在冬季避開寒冷的西北風，夏季迎接東南風帶來的雨水。最佳傳統村落選址布局形式為基址四周被山環抱，北面為主山，東西兩面為次山，南面為案山，河流繞基址而過，形成山水環抱格局[1]（見圖1）。

圖1 最佳村址選擇

2.2 氣候因子

目前，對室外環境微氣候有影響的氣候因子包括空氣溫度、相對濕度及風速等。本研究以1.5m水平高度作為人體最適宜的感受高度，通過軟件模擬收集數據，對比分析各類指標數值。

1）空氣溫度 是反映室外微氣候環境冷熱程度的指標，是對人體熱舒適度影響最大的因素。

2）相對濕度 是反映室外空氣干濕程度的指標，與人體熱調節過程密切相關。

3）風速 是反映室外空氣流動速度的指標，是風環境中最主要的氣象因子。在其他條件一定時，皮膚表面與環境間的換熱程度隨風速的增加而提高，汗液蒸發速度加快。

2.3 熱舒適度指標

熱舒適度是反映人體與室外環境微氣候熱感覺程度的指標。由于個體差異，人體對熱舒適環境要求不同。

研究以目前應用廣泛的PMV-PPD作為熱舒適度指標，是國際標準組織公認的熱舒適評價指標。PMV-PPD不僅將外部環境中的相關氣象因子如太陽輻射、空氣溫濕度及風速等納入評價指標，還考慮人體因素如人體新陳代謝、衣著情況等。如表1所示，PMV-PPD指標分為7級，0為最理想舒適值[2]。

表1 PMV-PPD熱舒適度指標區間

3 模型建立

3.1 ENVI-met

1998年，德國美因茨大學MICHEAL教授團隊設計研發三維流體非靜力模擬軟件ENVI-met，其通過對不同條件下的太陽輻射、風、建筑物和其他影響因素間的相互作用進行模擬，反映環境微氣候中的物理熱工性能，以及植物、土壤和微氣候環境間的內在聯系，被廣泛應用于物理熱工環境、風環境和熱舒適評價等領域。

3.2 模型簡化

傳統村落的基本模型以門頭溝區典型村落為依據，并進行合理簡化。

基本模型通過對理想山水格局選址的分析，得到村落與外部空間形態布局、體量之間關系。在總結高云飛等[3]經驗和綜合考慮模擬運行速度基礎上，模型經過合理簡化[4]，得到最佳選址簡化模型。

3.3 基本參數設置

3.3.1 地形、網格參數設置

模型經過簡化，基本尺寸設置為長252m、寬248m、高60m的矩形地形。為提高模擬結果的精確性，地形邊界四周12m范圍內不另建模型，模型頂部邊界高度設置為模型最高高度的2倍及以上；垂直網格方向上增加底層細分等距網格和第n層放大不等距網格的形式。根據模型中主山、次山、案山、河流及村落建筑的具體尺寸，最終建立ENVI-met模型。

3.3.2 地理、氣候參數設置

模擬地點位于北京市門頭溝區。比較門頭溝區往年氣候條件數據，選取大寒日和大暑日2個典型日期作為數據模擬日期進行研究。將門頭溝區大寒日和大暑日氣象參數輸入設置。文中未提到的參數按默認數值輸入。將模擬地形中砂壤土、水泥路、水面、建筑、植被等下墊面材質輸入模型。

3.4 不同方案設置

在其他條件一定的情況下，對已建立的基本模型主山高度進行設置。選取模型中村落4條主要街巷為樣本點S1，S2，S3，S4，如圖2所示。

圖2 樣本點選取

4 模擬結果與分析

4.1 室外溫度

經過ENVI-met軟件模擬，研究選擇中午12:00的數據進行分析。冬季，主山高度變化對空氣溫度影響較大。從主山高度變化看，街巷內部空氣溫度隨主山高度的增加逐漸升高。從樣本點選取看，主山擋住西北風，村落東北部S2，S3的溫度升高趨勢明顯大于西南部S1，S4；距主山位置越近，對溫度變化的影響越明顯，樣本點S2處溫度升高趨勢明顯大于S4處。夏季，主山高度變化對空氣溫度的影響較小，主山高度增加對室外溫度升高的影響不明顯（見圖3，4）。

圖3 冬季大寒日不同主山高度室外溫度

圖4 夏季大暑日不同主山高度室外溫度

4.2 相對濕度

冬季，主山高度變化對相對濕度的影響較大。從主山高度變化看，街巷內部相對濕度隨主山高度的增加逐漸升高。從樣本點選取看，由于主山擋住西北風，村落東北部S2，S3的相對濕度升高趨勢明顯大于西南部S1，S4；距主山位置越近，對相對濕度變化的影響越明顯，樣本點S2處相對濕度升高趨勢明顯大于S4處。夏季，主山高度的變化對相對濕度基本沒有影響（見圖5，6）。

圖5 冬季大寒日不同主山高度室外相對濕度

圖6 夏季大暑日不同主山高度室外相對濕度

4.3 風速

冬季，主山高度變化對風速有一定影響。從主山高度變化看，東西向街巷風速隨主山高度的增加逐漸降低，南北向街巷風速變化不明顯。從樣本點選取看，由于主山擋住來自西北的風向，距主山位置越近，風速變化影響越明顯，樣本點S2處風速降低趨勢明顯大于S4處。夏季，主山高度變化對風速基本沒有影響（見圖7，8）。

圖7 冬季大寒日不同主山高度室外風速

圖8 夏季大暑日不同主山高度室外風速

4.4 熱舒適度

冬季，主山高度變化對熱舒適度影響較大。從主山高度變化看，街巷內部熱舒適度隨主山高度的增加逐漸升高。從樣本點選取看，主山擋住西北風，村落東北部S2，S3的熱舒適度變化趨勢明顯大于西南部S1，S4；距離主山位置越近對熱舒適度變化的影響越明顯，樣本點S2處相對濕度升高趨勢明顯大于S4處。夏季，主山高度變化對熱舒適度影響較小，熱舒適度隨著主山高度的增加而降低。

5 結語

理想山水格局中主山高度對傳統村落的微氣候產生影響。從季節看，主山高度的變化對冬季環境微氣候影響較大，對夏季環境微氣候影響較小。原因是主山阻擋了來自西北方向的寒風。從氣候因子看，冬季主山高度的變化對空氣溫度和相對濕度的影響較大，對風速影響較小。空氣溫度和相對濕度對村落東北部變化趨勢的影響明顯大于西南部，且距主山位置越近，變化趨勢越明顯。風速對東西向街巷影響較大，對南北向街巷影響較小。從熱舒適度看,主山高度變化對冬季熱舒適性影響較大，對夏季熱舒適性影響不明顯。

研究通過ENVI-met軟件模擬，基于量化數據闡述理想山水格局中主山對村落環境微氣候帶來的積極影響，發現主山高度變化與環境微氣候間的量化關系及規律，為未來傳統村落的規劃與保護提供指導。