国内传统民居热环境关联气候适应性研究综述.pdf

Vernacular Architecture112DEVELOPMENT OF SMALL CITIES&TOWNSVOL.41 NO.9 SEP.2023小城镇建设2023 年第41卷第9期国内传统民居热环境关联气候适应性研究综述高 培 肖毅强 尹 槐基金项目：国家自然科学基金面上项目“湿热地区建筑气候空间系统的多要素协同作用模式研究”（编号：52078214）。作者简介：高培，华南理工大学建筑学院博士研究生，贵州民族大学建筑工程学院副教授，华南理工大学亚热带建筑与城市科学全国重点实验室研究员。肖毅强，华南理工大学建筑学院教授、博士生导师，华南理工大学亚热带建筑与城市科学全国重点实验室研究员。尹槐，贵州民族大学民族学与历史学学院硕士研究生。摘要：随着我国实现“双碳”目标和降低建筑能耗工作的不断推进，传统民居气候适应性研究受到更广泛关注。研究以 CNKI 中国内学者有关传统民居风热环境关联的气候适应性文献为检索源，利用 CiteSpace软件初步研判研究热点与趋势。通过研读文献，对研究主题和研究方法进行述评。研究表明：相关研究热度持续增长；建筑气候适应性特征机制、风热环境评价、气候适应性优化设计策略和气候经验现代运用为主要研究主题；空间视角的气候适应性研究成为热点议题；参数化研究方法开始运用到相关研究中。最后对相关研究进行展望：未来可加强能耗和碳排量的评估预测，人体行为对建筑气候适应性影响作用的量化研究，气候适应性动态规律研究，多样本、多参数的整合研究，“文绿”结合的气候适应性研究等方面相关研究，以期为我国传统民居气候适应性后续研究提供必要依据与启发。关键词：传统民居；热环境；气候适应性；绿色建筑；研究综述；CiteSpacedoi：10.3969/j.issn.1009-1483.2023.09.015 中图分类号：TU241/TU11文章编号：1009-1483（2023）09-0112-08 文献标识码：AA Review of the Climate Responsive Characteristics Research on Thermal Environment Correlation of Domestic Traditional DwellingsGAO Pei,XIAO Yiqiang,YIN HuaiAbstract With the continuous promotion of Chinas double carbon goal and reduction of building energy consumption,the research on the climate responsive characteristics of traditional residential buildings has received wide attention.The study uses Chinese scholars literature on the climate responsive characteristics of traditional residential buildings in relation to wind and thermal environment on CNKI as the search source,and CiteSpace software as a preliminary research source to identify research hotspots and trends.By studying the literature,the research topics and research methods are reviewed.The study shows that:the hotness of related research continues to grow,and the mechanisms of traditional dwellings climate responsive characteristics,wind and thermal environment evaluation,optimal design strategies for climate responsive characteristics and modern application of climate responsive experience are the main research themes.Climate responsive characteristics research from a spatial perspective becomes a hot topic.Parametric research methods start to be applied to related research.In the future,we can strengthen the assessment and prediction of energy consumption and carbon emission,the quantitative research on the effect of human behavior on traditional dwellings climate responsive characteristics,the research on the dynamic law of climate responsive characteristics,the integration research of multiple samples and parameters and combining culture and physical environment research.This study is intended to provide the necessary basis and inspiration for subsequent research on the climate responsive characteristics of traditional dwellings in China.Keywords traditional dwelling;thermal environment;climate responsive characteristic;green building;research review;CiteSpace乡土建筑113DEVELOPMENT OF SMALL CITIES&TOWNSVOL.41 NO.9 SEP.2023小城镇建设2023 年第41卷第9期0 引言全球气候变暖，极端天气多发，地球生态系统 遭到重大威胁。为应对全球气候变化，我国提出了二氧化碳排放力争于 2030 年前达峰，努力争取2060年前实现碳中和目标（以下简称“双碳目标”）。同时当前人类生存活动能源消耗巨大，其中建筑业已成为全球主要的能耗消费行业，相关研究表明，建筑业能源消耗在全球占比已超过 40%1。降低能耗，减少二氧化碳排放量，发展绿色建筑是一项重要途径。我国广大的优秀传统民居在长时期的历史发展过程中，通过不断的试错调适，形成了一套稳定而适宜的应对当地气候的绿色经验，相关经验很早便受到国内外学者的关注，对现代建筑营建的降碳减排具有重要启示意义。在绿色可持续发展时代背景下，持续对我国不同地区传统民居气候适应经验进行挖掘，识别其科学机制，具有重大的理论和实践意义。本研究对传统民居气候适应性主要限定在与风热环境关联问题上，分析近 10 年我国传统民居气候适应性研究进展，为传统民居气候适应性后续研究提供必要依据与启发。1 数据来源与研究方法研究以中国知网为基本搜索数据库，采用“主题”检索传统民居气候适应性相关文献，检索时间范围限定在 2012 年 1 月 1 日至 2021 年 12 月 31 日近 10 年时间内，共检索到文献 526 篇，进一步通过人工分析排除部分文献，排除规则为：1）学位论 文；2）未涉及风热环境问题文献；3）非传统民居文献；4）非国内相关研究内容，最终得到有效文献201 篇，其中学术期刊论文 190 篇，会议论文 11 篇。对有效论文首先根据年度发文量分析研究热度趋势，将有效文献利用 CiteSpace 进行分析生成知识图谱，初步对近年研究趋势和研究热点进行研判。由于计算机规则和分析的信息范围仍然会存在一定偏差，软件分析仅辅助作为参考，通过进一步人工研读分析文献，进而综述研究现状，展望未来发展趋势。2 统计与分析近 10 年发文量总体上不断增长，发文量分布指数拟合度 R2 值为 0.9129，说明传统民居气候适应性研究文献持续增长态势明显（见图 1）。运用 CiteSpace 软件通过聚类分析得到文献关键词图谱模块值 Q=0.84，平均轮廓值 S=0.89，每一个聚类主题内部关键词关联值均大于 0.8，相关研究显示 Q0.3 表明聚类结构明晰，S0.5 表明聚类划分合理，关键词关联值大于 0.7 表明关联度良好，说明本次分析结果可信度高。高频聚类主题依次为#0 传统民居、#1 传统建筑、#2 气候适应、#3 热舒适、#4 微气候、#5 住宅建筑等（见图 2）。在以上聚类主题基础上进一步将同义词进行合并，得到以下主要聚类主题：1）建筑气候适应性特征机制；2）风热环境评价；3）气候适应性优化设计策略。关键词时区图谱可以反映每年研究热点的变化情 况（见图3）。从研究区域看，2017年前主要为西藏、岭南、徽州和苏州地区，2017 年后开始出现川西平原、壮侗地区和严寒地区，说明研究范围不断扩大。从研究方法看，2016 年实测成为热点，2017 年数值模拟开始成为热点，2021年参数化开始成为热点。从研究目标看，2016 年前主要为经验挖掘，2016年后开始出现弹性设计、优化策略等以发展为目的 研究。3 研究述评在前述聚类分析基础上，通过进一步研读分析文献，最终归纳研究现状为两大研究方向和四类主题（见图 4）。3.1 建筑气候适应性特征机制研究该主题的研究持续成为国内学者的研究重点，相关研究可分为整体视角和专门视角两大类。3.1.1 整体视角整体视角研究包括聚落整体、类型整体和宏观特征整体三方面。1）聚落整体。聚落整体包括聚落及其构成建筑单体，是从其研究的范围整体性出发进行界定，对其宏观聚落、中观建筑群和微观建筑单体不同构成要素层面进行研究，较为全面地分析气候适应性问题。研究的核心问题一般为聚落建筑要素与气候图 1 国内相关文献年度载文量及增长趋势图资料来源：作者自绘。4030201002012791113202525213337201520182013201620192014201720202021发文量/篇年份Vernacular Architecture114DEVELOPMENT OF SMALL CITIES&TOWNSVOL.41 NO.9 SEP.2023小城镇建设2023 年第41卷第9期图 2 关键词聚类图谱资料来源：作者自绘。图 3 关键词时区图谱资料来源：作者自绘。图 4 国内传统民居风热环境关联的气候适应性研究文献知识框架资料来源：作者自绘。传统民居气候适应经验发掘与分析发展与运用现代建筑实践运用研究问题研究方向研究主题研究重点风热环境评价实测与模拟分析评价热舒适度研究现代运用新设计方法研究新评价方法研究气候适应性优化策略基于气候分析软件定量研究定性优化策略气候适应性特征与机制聚落整体聚落微气候类型整体建筑界面宏观特征整体建筑空间整体视角专门视角乡土建筑115DEVELOPMENT OF SMALL CITIES&TOWNSVOL.41 NO.9 SEP.2023小城镇建设2023 年第41卷第9期要素之间的关系，聚落建筑要素包括：聚落选址、聚落布局、聚落中的公共空间、建筑形态、建筑构造、建筑材料等；气候因素主要包括：风速、温度、相对湿度和太阳辐射等2-6。林琳等从定量收集和预测建筑能耗数据切入，进而识别并验证气候适应性策略，认为粤西地区常见的密集居住模式和梳式布局是一种聚落尺度的整体气候适应性策略3，该研究充分说明基于聚落“整体观”的气候适应性研究具有重要意义。杜春兰等针对不同尺度类型空间，对同一民族类型聚落在不同地域、气候特征下的气候适应性开展研究，进而评估其不同地域的气候适应性问题4，该对比研究范式为后续研究提供了新思路。何美婷等结合能量概念的来源及对热力学知识，对聚落整体气候适应性特征进行分析，搭建传统与现代乡土建筑之间的热力学联系，相关研究为未来乡村规划和设计提供了新的视角6。2）类型整体。类型整体是从建筑类型整体性出发，以地域类型最为多见，究其原因也是地域与气候的关系更为密切。该研究方面建筑要素涉及建筑朝向、空间单元、空间组织、围护结构材料和构造等，气候要素主要涉及风速、温度、相对湿度、太阳辐射、日照等，涉及的气候策略主要包括通风、隔热、遮阳、保温等，研究中多涉及上述多要素的综合分析7-13。实地监测热环境数据是该方面研究主要采用的手段，如李涛等通过实测分析归纳得出遮阳、绿化、增强围护结构热工性能、利用被动式太阳能资源为当地传统建筑气候适应性策略，并进一步评估其效能10。闵天怡等针对苏州地区乡土民居，创造性从包括界面和空间意义的建筑“开启”要素切入，研究“开启”所特有的地域性气候应变模式、技术策略及现实价值13。3）宏观特征整体。宏观特征整体视角指相对于气候适应性特征范围，从更宽泛的综合特征研究目标出发，在更宏观完整的特征问题研究中部分涉及到气候适应性问题。相关的宏观系统性特征主要有地域性特征、生态适应性特征和自然适应性特征等。逯海勇等对鲁中山区西部典型传统夯土民居自然适应性进行分析，将其分为气候适应性、地形适应性、地方材料适应性14。赵威等就京西黄岭西村生态适应性系统特征展开研究，包括自然适应性和人文适应性，其中自然适应性包括环境适应性、地形适应性和气候适应性15。然而，该方面研究由于放置于较为宽泛的框架中，气候适应性研究的深度有一定不足，其仅作为整体特征的一个构成部分。3.1.2 专门视角专门视角的研究包括聚落微气候、建筑界面和建筑空间三方面。1）聚落微气候。聚落微气候方面的研究多为定量分析研究，关键研究问题是聚落空间因素与微气候之间的关系。聚落空间因素主要包括山水格局、街巷布局、景观要素和建筑布局，其中山水格局常包括坡向、风向、山水空间布局、坡度、海拔和形态等因子16-17。微气候要素主要包括风环境、温度、湿度和太阳辐射。在相关研究中对于聚落空间因素方面关注最多的为山水格局和街巷布局，对微气候因素关注最多的为风环境。在山水格局与微气候因素及人体舒适度关系研究上，刘冉倩等探索参数化量化研究方法，尝试将山水格局形态表征量化，定量分析山水格局参数因子（自变量）分别与人体舒适度（因变量）和模拟辐射值微气候因子的耦合关系16。对多参数联动关系的参数化研究预计将成为聚落微气候适应性研究的一大趋势。齐羚等安装移动气象站进行 24h 数据采集，并在 4 个季节选取 10个观测点对风速、风向、相对湿度、空气温度及太阳辐射等小气候要素进行实测17。此类全时段多样点数据采集方式，数据翔实，未来研究中将不断得到发展。2）建筑界面。有关乡土民居建筑界面气候适应性的研究虽多作为前述整体视角中的一个部分进行研究，但仍有部分研究仅从界面单一视角进行分析。在定性研究方面，如贾苏尔阿布拉等分别从屋顶、墙体和窗户 3 个方面对干旱区传统乡土建筑界面进行气候策略分析18。定量研究方面，如李肇旗等对吐鲁番康克村传统民居模拟分析遮阳设施、绿化植物、围护结构等的热湿性能，对利用被动式太阳能资源的双层窗进行冬季热性能分析，进而证明其气候适应经验19。然而，当前研究还主要为针对单一界面要素，对多要素协同性能复合方向的研究还有较大拓展空间。3）建筑空间。近年来从空间视角切入气候适应性研究持续成为研究热点，特别是在建筑中起到气候调节作用的一系列空间，对于该类空间的定义也比较多样，从空间的常识性称谓上有半开敞堂屋、合院、院落、天井、檐廊、巷道等；也有从地域习俗称谓上进行定义的，如拜亭、埕等20-21；有从气候调节功能作用进行定义的，包括冷巷空间、缓冲Vernacular Architecture116DEVELOPMENT OF SMALL CITIES&TOWNSVOL.41 NO.9 SEP.2023小城镇建设2023 年第41卷第9期空间、中介空间、过渡空间等22-27。如郝石盟等对渝东南地区典型天井式民居的气候适应性机制及有效程度进行了验证28；陈洁等调查了居民对“过渡空间”的使用行为方式27。人的行为方式这一对建筑气候适应性的重要影响因素得到关注，未来人的行为对建筑气候适应性影响作用机制的深入定量研究将有较大发展空间。近年来也出现了将建筑空间设计要素作为变量，探索空间因素变量与气候因素之间的联动规律，其中尺度变量方面的研究比较突出29-31。肖毅强等选取广府传统村落，在实测调研基础上，对案例的热环境与风环境进行数值模拟，特别是针对天井和巷道的尺度规律论证其气候适应性特征，研究表明冷巷宽度在 1m、2m 条件下村落整体气温稳定，天井进深的变化亦对村落微气候产生一定的影响31。值得注意的是空间组合因素作为变量的研究开始出现，刘乾宇等对单一案例空间的组合进行空间削减，因此产生空间组合变量，并研究变量与气候适应性的关系32。该研究虽属于探讨空间组合作为变量与气候因素之间的联动规律的有效尝试，但样本量较少，变量规律较为单一，未来更加复杂的组合变化规律与气候因素联动规律仍值得深入探索。3.2 风热环境评价对于风热环境的评价常用实测与模拟的定量研究方法，其中以实测为主获取风热环境数据，不少学者对热环境的评价中同时对居住者的热舒适度进行问卷调查并评价热舒适度满意程度33-34，也有一些研究将实测风热环境数据进一步拓展与地区舒适标准对比，评判其对于地区现行标准的达成程度35。部分学者在风热环境实测的基础上，进一步量化分析研究当地居民的热舒适温度范围，如吴崇山等通过研究确定了贵州台江登鲁村苗族村民 80%可接受温度范围为 6.521.2C，相较于夏热冬冷地区相似纬度的汉族农村，拥有较低的80%可接受温度下限36。受气候、文化、习俗等多方面因素影响，不同地域人体舒适度范围具有相异性，有针对性地开展研究具有重要实践和理论意义。3.3 气候适应性优化设计策略气候适应性优化设计策略方面的研究可分两 类，一类主要为定性优化策略研究，一类为借助气候分析软件生成并分析确定当地的建筑气候被动适宜策略。定性优化策略研究方面，主要是在传统气候适应策略经验总结识别基础上，为更进一步提高其气候适应效能而定性提出的优化策略26,37-39。气候分析软件将特定地区的气候数据、人体热舒适需求与建筑设计策略 3 个因素有机结合，软件可以通过对多年内某地区的气象数据进行整理分析，从而提供当地的建筑气候被动适宜策略。该方面研究国内学者一般通过气候软件分析初步确定研究地的建筑气候被动适宜策略，并以此为基础与当地传统气候适应策略进行对比分析，最终筛选确定出当地的建筑气候适应策略40-43。周钰等针对传统气候适应策略缺陷针对性提出优化改进策略，并进一步拓展到定量模拟验证优化策略的有效性上43。由于 Climate Consultant 具有更为多元和丰富的功能模块而受到国内学者的青睐，该软件提供了4种热舒适模型（见表 2）。3.4 传统民居气候经验的现代运用基于传统民居气候适应性经验开发构建一套现代运用的新方法，包括新的设计方法和评价方法。设计方法上主要构建交互平台，采用参数化辅助优化设计流程，如刘冉倩等尝试初步构建交互平台,提出参数化辅助优化设计流程,为传统村落保护改造及城市中的山水理想格局设计，提供优化辅助设计策略与技术指导16。评价方法上闫吉春等在对传表 2 ClimateConsultant 气候软件热舒适模型国内研究运用分析表热舒适模型模型特征运用代表文献运用程度评价California Energy Code 舒适模型 2013静态模型，假设热舒适要求的室内温度恒定，假设舒适范围跨度小无无ASHRAE Standard 55PMV舒适模型动态模型，设定夏季和冬季 2 个不同舒适范围，假设人体随气候变化调节衣量，无湿度下限阈值，忽略湿度过低情况下对舒适度的影响无无ASHRAE 的基础手册舒适模型 2005动态模型，设定夏季和冬季 2 个不同舒适范围，假设人体随气候变化调节衣量40-42广泛ASHRAE Standard 55-2010中的自适应舒适模型动态模型，设定人体在 1 个窗户可启闭空间中，假设人体随气候变化调节衣量43低资料来源：作者自绘。乡土建筑117DEVELOPMENT OF SMALL CITIES&TOWNSVOL.41 NO.9 SEP.2023小城镇建设2023 年第41卷第9期统建筑气候适应经验定性分析基础上，基于层次分析法，计算宁夏建筑气候适应性指数并判断其气候适应性程度44。将传统民居气候适应性经验转化运用到现代公共建筑创作中，一般先对传统乡土建筑的气候适应性特征进行识别后,尝试将其转化并适应当前环境和建筑需求，创作设计现代气候响应性建筑，如李麟学等在义乌雪峰文学馆创作中对当地传统民居布局、院落组织等方面的气候经验进行了相关转译运用45。此外还有将传统民居气候适应经验应用于现代建筑后验证其运行效率46-47，如杨柳等将传统民居气候适应性原型特征应用于工程实践中,并验证其有效削弱太阳辐射和高温空气对室内热环境的影响46。3.5 研究方法国内有关研究总体上看仍然为定性研究与定量研究并存，定量研究趋势逐渐明显。定量研究中数据来源常采用实测和模拟生成等方式，数据分析常采用软件分析方法，较常用模拟分析软件，热舒适度评价标准也比较多样化（见表 3、表 4）。4 总结与展望通过对近 10 年国内传统民居风热环境相关气候适应性研究文献计量与可视化分析，并通过研读代表性文献对研究现状进行梳理和总结，得出如下结论：第一，传统民居气候适应性研究是当前绿色建筑研究中的重要分支，近年来研究热度持续增长；第二，研究目标主要为传统民居气候适应经验的发掘与分析，传统民居气候适应经验发展与运用；第三，传统民居空间专门视角的气候适应性研究成为热点议题，但对相关空间的定义比较多样化，将空间设计因素作为变量分析其与气候因素之间的动态联动规律研究开始出现，特别是尺度变量方面研究比较突出；第四，研究方法上定性与定量研究并存，实测和模拟等定量研究趋势明显，参数化研究方法开始运用到相关研究中。在“双碳”目标背景下，随着乡村振兴战略的不断推进，计算机模拟技术和人工智能技术的不断发展，我国传统民居气候适应性研究也将出现新的发展趋势：第一，对传统民居能耗和碳排量的评估预测。除对热环境进行实测模拟外，对一定时期内传统民居能耗和碳排的定量预测需持续加强，甚至从单体扩大到聚落层面宏观尺度能耗模型研究。第二，人的居住行为对建筑气候适应性影响作用的量化研究。第三，气候适应性动态规律研究。第四，表 4 国内研究常用热舒适评价标准主要指标主要考虑因素主要应用领域代表文献WGBT湿球温度、干球温度、黑球温度室外热安全性室外热舒适性16PMV空气温度、空气湿度、辐射温度、风速、新陈代谢量、服装热阻室内热舒适性51-52SET空气温度、空气相对湿度、平均辐射温度、风速、服装热阻室内外热舒适性53PET空气温度、相对湿度、风速、平均辐射温度等气象参数；人的活动产热、新陈代谢率、服装热阻等个体参数室外热舒适性31、53UTCI空气温度、辐射温度、相对湿度和风速室外热舒适性30资料来源：作者自绘。表 3 国内学者常用分析软件软件名称主要分析内容代表文献ENVI-met室外风速、温度、湿度和热舒适度29、31Ecotect 围护结构得热、自然采光照度和热舒适度2、32Phoenics（CFD）风环境17、42FLUENT（CFD）风环境48Ladybug太阳辐射30Butterfly风环境30Energy Plus建筑能耗47、49HTB2建筑能耗3VirVil太阳直接辐射和漫反射，以及周边障碍物对于建筑外围护结构的综合影响；聚落尺度全年太阳总辐射量的综合模拟50资料来源：作者自绘。Vernacular Architecture118DEVELOPMENT OF SMALL CITIES&TOWNSVOL.41 NO.9 SEP.2023小城镇建设2023 年第41卷第9期多样本、多参数的整合研究。第五，“文绿”结合的传统民居气候适应性研究。传统民居常常具有地域文化性和气候适应性多义特征，两者相互关联的特征机制研究将更深入全面地认知传统民居智慧经验，更有助于对当代绿色地域建筑营建的启示。参考文献：1SEYEDZADEHS,RAHIMIANFP,GLESKI,etal.MachineLearningforEstimationofBuildingEnergyConsumptionandPerformance:AReviewJ.VisualizationinEngineering,2018,6(1):1-20.2耿虹,赵东昊,朱霞.鄂东北“木兰石砌”民居气候适应性营建策略研究以武汉市黄陂区罗家岗村为例 J.华中建筑,2020,38(5):130-134.3林琳,陆琦.基于能耗量化模拟的乡村空间形态体化特征J.风景园林,2020,27(4):81-86.4杜春兰,林立揩.云南彝族传统聚落微气候特征分析 J.中国园林,2020,36(1):43-48.5吴志刚,肖毅强.闽东沿海传统民居气候适应性研究以长乐“九头马”古民居群为例J.南方建筑,2017(5):88-93.6何美婷,李麟学.基于自然能量的乡土建筑热力学研究 J.建筑节能,2019,47(10):79-88.7董晓,刘加平.秦岭山地传统民居院落地域适应性及传承研究J.建筑科学,2022,38(6):79-87,96.8张真真,胡一可.黔西南地区民居环境实测与气候适应性研究J.南方建筑,2020(1):108-114.9NIEQ,ZHAOS,ZHANGQ,etal.AnInvestigationontheClimate-responsiveDesignStrategiesofVernacularDwellingsinKhamsJ.BuildingandEnvironment,2019,161(8):106248.10 李涛,雷振东.喀什老城民居的气候适应措施调查分析 J.干旱区资源与环境,2019,33(10):85-90.11 彭军旺,徐锦枫.党家村“窄院”与西递村“天井”气候适应性研究J.中外建筑,2021(12):117-121.12 张涛,张琪玮,买亚锋.传统民居青海庄窠的气候适应性研究J.太阳能学报,2021,42(8):1-6.13 闵天怡,张彤.苏州地区乡土民居“开启”要素的气候适应性浅析J.西部人居环境学刊,2015,30(2):25-35.14 逯海勇,胡海燕,苗蕾,等.鲁中山区西部典型传统夯土民居自然适应性分析以济南市东峪南崖村为例 J.建筑与文化,2017(10):239-241.15 赵威,李翅,王静文.传统山地村落的生态适应性研究以京西黄岭西村为例J.风景园林,2018,25(8):91-96.16 刘冉倩,齐羚,崔岳晨,等.基于微气候适应性的传统村落山水格局参数化设计策略研究以天津市蓟州区西井峪村为例 J.中国园林,2021,37(12):104-109.17 齐羚,马梓烜,郭雨萌,等.基于微气候适应性设计的天津市蓟州区西井峪村山水格局分析 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