闽中地区传统民居夏季自然通风特征及影响因素

张兵华 黄永鑫 杨元传 赵立珍＊

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1.290 m/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）。

图1 民居群空间格局Spatial pattern of dwelling clusters

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1 000 m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。

图2 民居群平面Master plan of dwelling clusters

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3 000[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（computational fluid dynamics, 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）。

图3 实测验证与模拟分析相结合的研究路径The research approach combining actual measurement verification and simulation analysis

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）。

图4 民居室内风速测速点Indoor wind speed measurement points of dwellings

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Kestrel 5500手持气象站，每5 s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0.860 m/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1.460 m/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）。

图5 民居群室外风速测速点Outdoor wind speed points of dwelling clusters

图6 实测与模拟值对比Comparison of measured and simulated values

3 模拟结果与分析

3.1 组群尺度风环境

3.1.1 山地地形分析

组群尺度采用“分步模拟”的方法，首先对组群室外风场进行整体模拟，输入初始风速1.290 m/s、风向SSE，获取民居室外风场，并于建筑室外10 m高度的风场处布置风速传感器输出风速。民居室外风场（图7）表明：风场经过山地地形后，风速、风向发生了一定的变化，这主要受山体形态、高度等因素的影响。其中：后垅厝、上隔兜厝受到东侧山体的影响，民居室外风向发生变化，由初始风向SSE过渡为SE、南风（S）；其余4座民居建筑周边山体顺应来风方向，并未对外部风向产生影响（表1）。在风速上，聚落顺地势逐级引导风场，局部区域山体与山体、建筑之间的狭窄地带，产生了“狭管效应”，使风速明显增强，增加值维持在0.130～0.480 m/s。其中，仅后垅厝受到山体形态阻挡及南侧建筑的影响，形成了大面积的风影区，使得整体风速减弱至0.610 m/s，并随之出现了涡流。

表1 民居室外风速及风向统计Tab.1 Statistics of outdoor wind speed of dwellings and wind direction

图7 民居室外风场Outdoor wind field of dwellings

其次，以输出风速作为初始数值对6座民居室内风场进行模拟分析。考虑到山地民居的特殊性，遂将建筑本体及其长、宽的3倍范围所处环境进行整体模拟，并依据风环境模拟结果绘制出民居室内风场及统计各测速点风速（图8，表2）。

表2 民居室内风速统计Tab.2 Statistics of indoor wind speed of dwellings 单位：m/s

图8 民居室内风场Indoor wind field of dwellings

图9 民居室内风速折线图Broken line graph of indoor wind speed of dwellings

3.1.2 建筑朝向分析

闽中地区传统民居的建筑朝向很大程度取决于山水环境，多呈现“因形就势、不拘方位”的特征，除上隔兜厝完全坐北朝南外，其余建筑均在东西方向有一定的偏移，如延陵堂坐西北朝东南（图2）。究其缘由，则是秉承“背山面水”的营造理念，每座建筑背有靠山、前有秀水[20]。此外，民居主入口门庭，一律正对山涧小溪来水方向，古人云“山主贵、水主福”，此做法暗含吸引财气、为己所用的寓意。由于6座民居建筑择址不同，可通过比较各个民居来流风向与建筑朝向的关系，揭示建筑朝向对民居风速、风向的影响。依据上隔兜厝、延陵堂、前垅厝民居室内风场及各测速点风速值可知（图8，表2）：上隔兜厝初始风速为1.630 m/s，气流进入民居内部风速维持在0.100～0.637 m/s，来流风向与中轴、大通沟平行，民居纵向进风量较大，民居整体通风性能较优。而延陵堂初始风速亦是1.630 m/s，气流进入民居内部风速维持在0.027～0.749 m/s，相较上隔兜厝整体风速略大，这主要是来流风向顺应东西向井巷开口，使得风可以源源不断地通过东西向井巷涌入民居内部，以补偿非传统南北朝向民居纵向进风量减少的情况，使得风速保持在较高水平。

3.1.3 平面布局分析

同客家民居、闽南大厝相似，受大宗族宗教制度的影响，闽中地区传统民居平面布局为横向发展的大厝平面[21]。依据民居室内风场及风速折线图（图8、9）可知中轴线（点A～E）风速值变化，其中场院（点A）气流较大，风速随着民居纵向深入，先减弱后增强，天井（点D）为第二峰值点，随后减弱，上堂（点E）风速为最低值。观察民居过水亭风速值变化发现，后垅厝、志仁堂、前垅厝均为左侧过水亭点（点B2、B4、B6、E2、E4、E6）风速大于右侧过水亭点（点B1、B3、B5、E1、E3、E5），且位于同一大通沟上的过水亭点E大于点B，这主要受来流风向与右侧护厝形态的影响，左侧大通沟进风量大于右侧，且点E风速值受到大通沟与天井、东西向井巷的共同作用，风速增强（大于点B）。而延陵堂、上隔兜厝则呈现相反的规律，延陵堂受自身建筑朝向的影响，与来流风向的夹角利于右侧大通沟获得来风，风速增强。上隔兜厝受东侧山体阻挡且来风方向与大通沟平行，使得左、右侧过水亭进风量相同，气流由点B向点E推进过程中，受建构筑物的阻挡，风速衰弱明显，点E通风效果劣于点B。根据各测速点风速值可以发现：各个民居在空间通风规律上具有一致性，且各空间的自然通风特征与居民使用需求相契合。

3.1.4 建筑护厝分析

护厝是闽中地区传统民居独具特色的组成部分，以“三堂五栋”为主体建筑横向延伸，设置左、右护厝，既增加了民居的磅礴气势，又满足了古时宗族聚居的空间需求。依据吴氏祖厝、志仁堂、前垅厝民居室内风场及各测速点风速值可知（图8，表2），吴氏祖厝现仅存“三堂五栋”主体建筑，初始风速为1.770 m/s，气流进入民居内部，风速维持在0.091～0.637 m/s，民居仅受下堂气流的影响，南北产生对流，形成了明显的穿堂风，风从院落中间穿过，人行高度风速增强，其中点B风速值达到0.637 m/s。志仁堂为“三堂五栋、左一右三护厝”布局，初始风速为1.320 m/s，民居风速维持在0.086～0.515 m/s，较初始风速而言，民居整体通风性能较优。前垅厝为“三堂五栋、左三右三护厝”布局，初始风速1.770 m/s，民居风速维持在0.050～0.422 m/s，极值风速较吴氏祖祠、志仁堂略微减小，但整体风速变化不明显。通过对比测速点A～E风差值，可以发现：随着护厝的增加，“三堂五栋”处于层层护厝包裹之下，点A～E的风差值降低，呈现更加平缓、舒适的自然风。

3.2 单体尺度风环境

影响民居自然通风的因素众多，除了上述从聚落、组群尺度所探讨的聚落选址、山地地形、建筑朝向等因素外，还应考虑极具地域特色的天井形制，其由主、侧天井两部分构成，且受多级台基的影响，檐口高度逐级提升，作为连接建筑与外部环境的纽带，承担了通风、采光等功能[22]（图10）。本研究以后垅厝为基本原型，将主、侧天井面宽、进深与檐口高差作为变量参数，通过控制单一变量构建4组对照组模型，来解析“天井形制”差异对闽中地区传统民居自然通风效果的影响（表3）。

表3 模型三维参数设定Tab.3 Setting of three-dimensional model parameters 单位：m

图10 后垅厝天井实景Real view of “Houlongcuo” patio

以风速0.610 m/s，风向SSE作为初始参数进行模拟。依据风环境模拟结果，绘制出对照组模型室内点E处风场及统计各测速点风速值。

3.2.1 主、侧天井面宽分析

依据控制单一变量原则，主天井面宽以1.80 m为模数，构建LA、LB、LC理想模型，侧天井面宽以1.60 m为模数，构建OA、LB、OB理想模型（表3）。依据对照组模型室内风场及风速（图11，表4）可知，模型LA、LB、LC风场分布特征基本一致，其中模型LA平均风速为0.105 m/s、LB平均风速为0.112 m/s、LC平均风速为0.126 m/s。由此可知，随着主天井面宽的增加，民居室内平均风速逐渐增强。模型OA、LB、OB风场分布呈现随着侧天井面宽的增加，气流徘徊于场院不易进入民居内部的特征，这主要由于侧天井面宽增加，气流大量涌入大通沟，形成强大的风压差，并减弱下堂入口导流作用，使得模型OB中点A、B处风速值均小于模型OA、LB。同样，对比过水亭风速值可知，模型OB由于侧天井面宽的增加，有助于提升点B1、B2处风速，使点B1、B2处风速值大于模型LB、OA，但对点E1、E2影响不明显。

表4 对照组模型室内风速统计Tab.4 Indoor wind speed statistics of control model 单位：m/s

图11 对照组模型室内点E处风场Statistics of wind field at indoor point E of the control models

3.2.2 天井进深分析

依据控制单一变量原则，天井进深以2.10 m为模数，构建PA、LB、PB理想模型（表3）。依据对照组模型室内风场及风速（图11，表4）可知，模型PB平均风速为0.094 m/s，小于模型PA、LB，且点B1、E1、B2、E2风速值也小于模型PA、LB。由此可知，随着天井进深的增加，民居室内平均风速逐渐减弱，且在左、右过水亭表现更为明显。而“三堂五栋”测速点数值则呈现出先增大后减小的趋势，这是由于面宽进深比减小，有助于引导气流，并加剧了空气流动速率，使得风速增强，于LB达到最大值。而进一步增大进深，使得垂直方向上的气流易于进入天井内部，对来自下堂气流产生阻挡，产生了局部涡流，使得测速点（A～E）风速值减弱。

3.2.3 檐口高差分析

依据控制单一变量原则，檐口高差以0.36 m为模数，构建EA、LB、EB理想模型（表3）。依据对照组模型室内风场及风速（图11，表4）可知，过水亭风速与檐口高差变化呈正相关，过水亭（点B1～E2）风速值随着檐口高差的增加而增大，模型EB的风速值均大于EA、LB。而“三堂五栋”的点A、B风速随着檐口高差的增加呈现出先减弱后增强的规律，而点C、D、E风速则呈现先增强后减弱的规律。这是由于随着檐口高差值的增加，点C、D、E处上空气流受下堂屋面阻挡变小，风速有所增强；而随着檐口高差进一步增加，来自下堂的气流将受台基的阻挡，且天井上空气流开始受上堂屋面的影响，使点C、D、E处风速减弱。后垅厝以多级台基设计消除场地高差，达到建筑与基址环境的有机融合，共划分3级台基，每级台基设定合理高度为0.82 m，仅产生少数回流风场而不影响通风效果，并使檐口高差值达到3.14 m，与背山山体坡度相契合，有助于引导气流形成穿堂风并获取充足的日照（图12）。

4 结论

本研究采用实测验证与模拟分析相结合的研究路径，以经通民居群为研究对象，从不同尺度层级出发，系统地论述了闽中地区大型山地传统民居夏季自然通风特征及影响因素，得出3点结论。1）聚落选址于河谷台地、山间丘陵的低矮山坡上，避开了气流变化莫测的山顶、山脊与气流不通畅的洼地。2）建筑朝向顺应山形走势，“因形就势、不拘方位”；平面布局与自然通风相呼应，与使用需求相契合；护厝层层延伸，既满足了家族聚居的需求，又利于形成更加平缓、舒适的自然风。3）“天井形制”是影响民居自然通风的重要因素之一，天井面宽变化对自然通风影响不大，天井进深变化影响民居室内平均风速，且在左、右过水亭表现明显，檐口高差值是在考虑场地台基高度与背山山体坡度后所取的理想值。

依据空间尺度划分不同层级，构建多层级、分要素的分析框架，传统民居各尺度层级的自然通风特征及影响要素证实了系统性、延续性是闽中地区传统民居适应气候的关键。中国地域辽阔，多样的自然气候特征造就了各具特色的地域民居，闽中地区大型山地民居蕴含着地域低能耗气候适应性的营造智慧，剖析其科学内涵，将有助于完善山地民居气候适应性设计理论与方法，更好地传承闽中地区传统民居绿色营造方式，并为闽中地区现代建筑设计提供经验导向。然而，本研究受制于实测数据的获取精度，模拟以气象站数据作为初始条件，且单体民居模拟时考虑了周边地形环境，而将其3倍范围纳入是否为最佳范围，仍需进一步探究。未来研究有必要对研究区域进行长期的气候实测观察，以此可提高模拟初始数据的精确度。同时，可进一步对既有建筑的生态智慧进行凝练与归纳，构建地域低能耗气候适应性营造技艺的“基因库”。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图4、12由作者改绘，原测绘图来源于浙江大学建筑工程学院建筑系张玉瑜副教授，由尤溪博物馆提供。其余图表由作者绘制或拍摄。