嶺南傳統冷巷熱舒適與建筑能耗耦合模擬研究

周 琪，湯 莉

(中南大學建筑與藝術學院，湖南 長沙 410012)

1 概述

1.1 嶺南氣候環境

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陸相隔，屬于中國建筑氣候區劃的夏熱冬暖地區，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。嶺南夏季以東南風為主導，風速較低；冬季以東北風為主導，風速較高；春秋兩季為過渡季節波動較大。

1.2 傳統冷巷

冷巷，是嶺南地區傳統民居建筑中較為常見的一種空間形式，分為外部冷巷與內部冷巷兩種[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，其走向通常與當地的夏季主導風向保持一致。冷巷可以說是傳統建筑對濕熱氣候環境的一種適應性設計策略。

1.3 冷巷被動降溫策略

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

2 研究方法

Grasshopper工作流涉及參數化建模、環境參數輸入、熱舒適模擬、建筑能耗模擬、結果可視化五大板塊。在環境模擬的過程中，主要利用Dragonfly組件對氣象數據進行修正處理[2]，使其更準確地反映實測對象的近地面環境狀態；利用Ladybug組件對太陽輻射和天空視域因子進行分析，作為熱環境模擬的基礎；利用Honeybee組件對表面溫度以及建筑的能耗情況進行分析，并將熱環境模擬數據導入UTCI模擬板塊，最后輸出可視化結果[3]。

3 數據實測及分析

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，村落以規整的梳式布局和三間兩廊的合院為主要形式。當地河網縱橫，地勢較為低洼，受臺風的影響較大，建筑為了抵御風災與洪澇往往采用厚實堅固的墻體。

錦江里村落是開平市“四大名村”之一，現存最高的碉樓“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，采用當地青磚材料砌筑。村落面朝江流，背靠密林，東西兩側有魚塘。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 環境參數測量

錦江里村落實測于2022年8月21日上午8:00開始至2022年8月22日上午8:00結束，布置了三個測點(見圖2)，依次為曬場內、巷道內和花園內，現場對每個整點進行記錄，以獲取村落環境的全時段觀測數據(見表1)。

3.3 實測數據分析

3.3.1 空氣溫度

主要受太陽輻射的影響，曬場內溫度從上午8:00開始驟然上升，外溫度差在下午15:00達到最大，其上升幅度遠遠大于花園內與巷道內，這是由于巷道內兩側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點開始，溫度呈明顯的下降趨勢，并且在一個小時內，曬場溫度降至低于巷道內溫度，從熱交換角度分析，曬場環境開闊，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

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

3.3.2 墻壁及地面溫度

在夜間，巷道內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，從而使巷道達到一定的降溫效果，完成釋冷過程(見圖4)。

3.3.3 風速與風向

由圖5可知，巷道整體風速水平較低，白天以北風為主，主要是巷道內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。夜間以南風為主，因為此時曬場溫度較低，成為冷源，形成穿過村落的晚風，帶走村落內部的熱量，有利于提高村落內部的熱舒適性，在季風的加持下，村落的夜間通風散熱效果更為顯著。

3.3.4 平均輻射溫度

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

4 數值模擬

4.1 熱環境模擬有效性驗證

如圖8所示，為保證模擬的精度與軟件運行的效率，需要對空間模型進行了適當的簡化處理，并根據實地調研結果對環境參數進行設置。同時，為了避免氣象數據本身對模擬驗證的影響，將實際測得的溫濕度、風速數據作為輸入條件進行模擬計算。模擬精度設置為0.5 m，模擬時間設置為下午15:00，得到巷道內的平均輻射溫度為29.6 ℃，而實測結果為29.9 ℃，差值為0.3 ℃，證明模擬所采用的數值模型以及模擬結果是可靠的。

4.2 傳統冷巷熱舒適模擬

4.2.1 MRT室外熱環境模擬結果分析

如圖9所示，A,B,C,D,E五點分別為巷道口、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三點的平均輻射溫度要比A,C兩點低。其中，交叉口D點同時受縱巷和橫隔巷的風力作用，通風狀況優于B點，對應的平均輻射溫度也有所下降。熱環境性能最優點為E點，此點位于巷道尾，白天村落后方的樹林在遮陰與蒸騰效應的雙重作用下，溫度顯著低于巷道內與村前的曬場，形成了從樹林流向巷道內的熱壓通風，風速也從E點到B點依次遞減。

4.2.2 UTCI室外熱舒適模擬結果分析

室外熱舒適受熱環境與熱適應雙重因素的作用，熱環境通過與人體進行熱交換使人產生熱生理反應，進而影響人的熱感覺[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度的變化而變化，巷道內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，巷道內外整體熱舒適得到提升，推測是因為日落后，巷道內外溫度下降所致。

4.3 傳統冷巷建筑能耗模擬

傳統冷巷可以有效調節村落的微氣候環境，利用被動降溫策略，減少人們對空調系統的依賴，從而實現建筑節能。冷巷將大部分太陽直射阻擋在外，建筑墻體等圍護結構的溫度波動相對穩定，夏季室內熱環境得到改善[5-6]。圖11所示為各建筑的年平均制冷與供暖能耗，模擬區域4和5在冷巷的作用下夏季制冷能耗得到控制，模擬區域2位于北側，冬季建筑室內太陽輻射得熱較少，相應的采暖需求有所上升，但是，由于嶺南地區所處環境夏熱冬暖，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，研究設計了七組實驗，A為對照組，反映實際情況，采用單層玻璃，開窗比例為0.15(見圖13)。另外六組為實驗組，其中D組保持單層玻璃不變，將窗墻比擴大到0.3，模擬結果顯示，巷道內部下午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，適當的降低建筑窗墻比可以有效提高冷巷的熱舒適性并且減少能源需求，但是，建筑設計也有一定的采光要求，只能在有限范圍內對窗墻比進行調節[7]。G組實驗進一步研究了玻璃材質對模擬結果的影響，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，為建筑節能提供了另一條可行路徑。

圖12 拓展實驗設計及模擬結果表

6 結論與展望

從人居環境的角度，傳統冷巷提升了環境的熱舒適性；從節能減排的角度，其作為一種被動降溫策略，減少了對空調系統的依賴，實現了“低碳”效應。文章通過實測與模擬定量研究了傳統冷巷的作用機制，建立了傳統冷巷熱舒適與建筑能耗的耦合分析模型，探討了單一設計要素建筑窗墻比對傳統冷巷環境效益的影響規律。如何繼承與發展傳統冷巷的環境優勢，使其適應更廣范圍的氣候環境，適應新的建筑類型與空間場景，是值得我們繼續思考與探索的問題。