闽中地区传统民居夏季自然通风特征及影响因素

 

摘要：【目的】山地传统民居为适应地域气候变化形成了独特的建造技艺，挖掘其营造方式与背后复杂影响因素的关联性，对当下地域建筑的低能耗绿色设计与气候适应性改造有所助益。

 

【方法】以福建省三明市尤溪县经通村民居群为例，基于现场实测与气象数据，采用“分步模拟”方法，从组群、单体2个不同层级尺度对民居群进行计算流体力学模拟，定性、定量地分析其夏季自然通风特征。

 

【结果】研究表明：

 

1）聚落选址基于区域气候，注重宏观山水格局的空间方位关系，遵循空间通风规律；

 

2）组群延续空间单元的优势，山体、朝向、布局与护厝共同影响民居的通风性能；

 

3）单体顺应自然环境，综合考究形制、尺度与高差以寻求整体协调的适宜通风营造方式。

 

【结论】闽中地区传统民居依托不同层级尺度相互呼应与逐级传导，营造出适宜的夏季自然通风条件，这蕴含着地域低能耗气候适应性的营造智慧，系统性、延续性是其适应自然气候的关键。

 

传统民居在与自然环境不断“试错”“磨合”中发展，气候作为最活跃的环境要素，其影响贯穿民居营造始终，故传统民居营造中积淀了大量适应气候的绿色营造的方法经验[1]。近年来，面对日趋严峻的全球气候变化形势，依赖机械设备来满足人们对环境品质需求的做法造成了大量能耗，探析传统民居中蕴含的生态智慧，将其作为现代建筑设计的经验导向，有助于传承传统建筑绿色营造方式，促进节能减排，助力“双碳”目标的实现[2]。

 

进入21世纪，国内外关于传统民居风环境的研究逐步丰富，方法以实测和数值模拟为主。其中，实测研究多侧重解读民居为适应地域气候所呈现的外部表征，例如：洛阳民居建筑的空间布局利于冬季防风[3]；乡土荒漠建筑的形态具有衰弱强风作用[4]；马达加斯加传统木屋的结构有助于抵抗气旋风[5]。数值模拟研究多围绕影响民居通风的因素展开，例如：皖中地区传统民居采用“天井-穿堂-院落”的空间形制，有助于形成穿堂风[6]；吐鲁番生土民居围护结构的蓄热性能对民居夜间通风的影响最为显著[7]；秦岭地区传统民居的院落空间尺度、出入口位置、屋檐出檐尺度等均会影响民居通风[8]；伊朗气候干燥，房屋的庭院空间是影响新鲜空气进风量的关键[9]。

 

此外，数值模拟也被广泛应用于寻求营造适宜通风特征的形态参数中，例如：石峰等[10]构建了天井几何形态分析模型，得出福州民居天井面宽进深比为2∶1时通风效果最佳；Zune等[11]分析了缅甸乡土建筑风环境，得出利于通风的多级屋顶形态；Zhong等[12]通过研究南方民居中庭尺寸的合理取值，探究了适宜的通风环境。上述研究从地域视角出发，多依据地区气候环境的差异，导向性地选取典型季节来探析民居自然通风特征，并分析影响民居通风的关键因素，总结了大量适应当地气候的营建技艺，但仍存在影响因素分析不够全面、系统性不足等问题。

 

系统性、延续性是闽中地区传统民居适应气候的关键，闽中地区传统民居适应地域气候环境，自然而然地依山坡、山坳构筑厝屋，造就了因形就势、不拘方位的建筑朝向，顺理成章地确定了“天井形制”，各层级相互呼应，层级延续[13-14]。同时，既有研究较多停留在单体、体量小、高差小的民居上，针对大型山地民居较少涉及。

闽中地区传统民居不同于“小体量、灵活”的西南山地民居，其融汇了闽南、闽西等地的建筑文化元素，深受大宗族观念的影响，造就了大型山地民居建筑[15]。因此，本研究以福建省三明市经通村民居群为例，通过划分组群、单体2个不同尺度层级，分层级、分要素地对闽中地区传统民居群夏季自然通风特征进行解析，并依据经通村民居群现存6座民居在营建思想上一致性与适应所处环境时所表现出的差异性，分析影响大型山地民居夏季自然通风的因素，从气候适应性视角出发剖析其背后的深层逻辑，对其中低能耗建造技艺、设计智慧进行总结，致力于完善地域建筑低能耗气候适应性的营建体系。

 

1研究对象

 

1.1气候特征

 

民居群位于福建省三明市尤溪县经通村，属典型的中亚热带季风性湿润气候，夏季炎热多雨、冬季温凉。笔者在实地调研中发现，不同季节传统民居自然通风策略的目标存在差异，但民居的营建在适应地域气候环境之时，其技艺又具有一定导向性，即在“冬季防风、夏季导风”的固有经验之下，亦会根据地域气候的差异有所取舍、有所侧重。

面对炎热多雨的夏季气候特征，营造适宜的自然通风条件以改善热环境成了闽中地区传统民居营造的目标导向。此外，在与当地村民、匠人沟通中得知，民居群具有选址靠山面谷、护厝横向平行、天井开敞跌落以及低层檐口高深的营造特征，大多是以满足夏季“遮阳、导风”为目标导向，遂弱化春、秋、冬三季的影响，聚焦于夏季自然通风。本研究选取福建-尤溪气象站（58837）2020—2021年数据，其中夏季平均风速1.290m/s、主导风向为东南偏南风（SSE），作为风环境模拟的初始参数。

 

1.2经通村民居群特征

 

经通村历史悠久，北宋各姓祖先开发了古村的中部，南宋逐渐扩大，清代道光十五年（1835年）进入鼎盛时期，清中晚期持续繁荣，历史发展脉络清晰。2017年，经通村被列为福建省第二批省级传统村落。民居群位于经通村经济坑自然村，以大山余脉的来龙祥山作为背景与衬托，以远处玉带缠绕的沈溪为前景；各大厝则以门前山涧作为入户导气之参照，并以多重望山、案山为对景，水口山为屏障，利于引导夏季风进入聚落所处的“穴”之中，实现取其山势之藏纳，获得“气聚”[16]（图1）。

 

民居群原由8座独立民居建筑组成，其中高山厝、邦准厝已毁，现存6座传统民居分布于一涧两岸山坡、山坳上，海拔均在1000m以上（图2）。传统民居遵循传统“负阴抱阳、背山面水”的理想空间格局，虽然具有通风导气被动式节能的营造经验，但其具体的夏季自然通风特征与影响因素还需要借助定量模拟以及辅助分析进一步研究。

 

2计算流体力学数值模拟

 

2.1模拟建立及参数选择

 

依据对民居群地形及6座民居的平、立面实测数据，绘制CAD图纸。将其导入到SketchUp软件中建模，并转为Stereolithography文件，再导入到Phoenics软件中进行模拟。受地形要素、低矮树木等影响，模拟风场设定为梯度风场，采用标准k-ε湍流模型，地面粗糙度为0.25，迭代次数3000[17]。

 

2.2模拟步骤确立

 

 

本研究分为实测验证与模拟分析两部分。实测验证通过现场实测数据与计算流体力学（computationalfluiddynamics,CFD）模拟数值进行相互验证、模型校正。模拟分析采用“分步模拟”方法，从组群、单体2个层级尺度入手，定性、定量地分析影响民居夏季自然通风的各层级尺度要素，最终归纳出闽中地区传统民居适应当地气候所形成的营造技艺（图3）

 

2.3风速测速点设定

 

现存6座民居在平面形制上具有一致性，均设定风速测速点，可横向对比各传统民居通风特征。其中点A位于场院，监测迎风面风速；点B位于下堂正中央，监测前厅风速；点C、D位于天井，监测天井风速；点E位于上堂，监测民居会客厅风速。点B1、B3、B5、E1、E3、E5和点B2、B4、B6、E2、E4、E6分别位于左、右护厝过水亭，监测过水亭公共空间风速（图4）。

 

2.4实测验证

 

已有众多学者验证了Phoenics软件模拟风环境的准确性[18-19]，但本研究的对象地处山地环境，且考虑到模型简化、参数设置等原因，可能会产生较大的误差，故本研究采取模拟分析结合实测验证的方法。实测时间为2022-06-07的13：00—17：00，实测对象为后垅厝与民居群2个层级，实测仪器为Kestrel5500手持气象站，每5s测速并取平均值。



后垅厝测点O为室外风速点，实测结果作为模拟初始数值，风速为0.860m/s、风向为东南风（SE），其余点作为验证数值（图4）；民居群以实测当日气象站公布的平均风速、风向作为模拟初始数值，平均风速为1.460m/s，风向为SE，其余点作为验证数值（图5）。



通过实测与模拟值的对比，可知二者结果相近（图6）。