基于計算流體動力學的晉東南傳統(tǒng)院落內(nèi)部風環(huán)境數(shù)值分析

李昉芳， 石謙飛

(太原理工大學建筑學院, 太原 030024)

隨著全球性環(huán)境與資源問題的出現(xiàn),生態(tài)建筑越來越受到關(guān)注和重視。不適宜的建筑組群布局可能會造成室外靜風區(qū)或背部渦流區(qū)等不良風環(huán)境,對夏季通風散熱亦或是冬季擋風防寒造成不利影響。中外眾多學者對建筑室外風環(huán)境進行了實驗研究,并已取得諸多理論成果。應小宇等[1]以6幢方形截面高層建筑組成的建筑群的周圍風環(huán)境為研究對象,利用計算機模擬對比分析不同布局形式建筑群的風速比和風向分布,探討了平面布局對風環(huán)境的影響。曾穗平等[2]運用計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)風環(huán)境模擬,通過選取4類組團的20種居住模塊,討論了居住模式組團冬季、夏季風環(huán)境特征,探索不同空間布局形態(tài)的通風效率。前人研究主要中在現(xiàn)代城市中建筑組合模式的風環(huán)境模擬,實際上,傳統(tǒng)聚落對于自然通風的依賴性比現(xiàn)代城市更大,不少傳統(tǒng)民居就是典型的生態(tài)建筑,具有明顯的熱舒適性及節(jié)能優(yōu)勢[3]。黃策等[4]通過模擬典型滿族民居院落冬夏兩季風環(huán)境,總結(jié)了該類型傳統(tǒng)民居在適應北方風環(huán)境方面的優(yōu)缺點。張欣宇等[5]以東北嚴寒地區(qū)典型村落為研究對象,通過風環(huán)境模擬的方法,從聚落發(fā)展規(guī)模和空間布局形式兩方面探討了冬季冷風對村落的影響。肖毅強等[6]在實地測量的基礎(chǔ)上,對廣府地區(qū)相關(guān)傳統(tǒng)村落的熱環(huán)境和風環(huán)境進行模擬,討論該地區(qū)氣候適應性特征,并歸納了其組織方式與尺度規(guī)律。然而總體上看,前人研究中針對傳統(tǒng)村落室外風環(huán)境的研究較少,且主要集中在村落整體或典型建筑單體的風環(huán)境特征討論,缺乏對村落中各民居院落的具體分類探討,對于院落風環(huán)境與空間布局耦合規(guī)律的研究仍處于空白。

基于此,將晉東南傳統(tǒng)院落細分為21個工況,針對夏季和冬季不同的風環(huán)境要求進行數(shù)據(jù)比對和定量分析,并將各工況的院落形態(tài)以建筑體積的形式量化,探討其與風速比的耦合關(guān)系。

1 晉東南傳統(tǒng)樓院式民居基本狀況

1.1 晉東南地區(qū)基本氣候條件

晉東南地區(qū)位于山西東南部,東依太行山,東南部分別與河北、河南兩省相鄰,西部與臨汾地區(qū)交界,北面是晉中地區(qū)。晉東南地區(qū)為高原地形,境內(nèi)地形復雜,盆地、丘陵、山地縱橫交錯,并有沁水、漳水、丹水等河流流經(jīng)[7]。屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū),受大陸性季風氣候的影響,四季分明,年平均溫度9 ℃,冬季盛行西北風,夏季盛行東南風,聚落規(guī)劃需同時兼顧夏季通風和冬季防寒的要求。

1.2 晉東南地區(qū)傳統(tǒng)合院式民居類型

晉東南地區(qū)傳統(tǒng)民居主要采用四合院形式,被稱為“四大八小”院落,由正房、東西廂房和倒座圍合而成,四角為耳房和夾房,平面趨近于正方形[8]。院墻一般高大厚實,有效地將院內(nèi)外空間分割開來,院內(nèi)安寧靜謐,封閉安全。根據(jù)黃莊村各個宅院的圍合形式,可分為4個類型的院落:“口”形院、“U”形院、“L”形院、“一”形院。

晉東南傳統(tǒng)樓院為雙出水硬山式兩層樓房,二層較低矮,只做儲藏物品、糧食之用,一層住人。由于二層相對一層較低,使得二層比一層便于通風,物品和糧食在二層不會受潮,便于保存。加之當?shù)靥栞椛鋸娏?有明顯的季節(jié)性,氣溫的年、日變化大,二層起到了有效的阻隔作用。根據(jù)晉東南傳統(tǒng)聚落各類型民居傳統(tǒng)二層樓院與普通單層建筑的組合形式,歸納出21種院落組合形式(圖1、圖2)。

圖1 晉東南傳統(tǒng)聚落民居布局Fig.1 Layout of traditional settlements in Southeast Shanxi

圖2 晉東南傳統(tǒng)院落組合形式分類Fig.2 Classification of the combination forms of traditional courtyards in Southeast Shanxi

2 風環(huán)境模型的建立

2.1 模擬邊界條件與區(qū)域大小設(shè)定

相對于風速儀實測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和測量周期較長的缺點,CFD模擬數(shù)據(jù)模擬仿真度很高,且在近年得到了廣泛的發(fā)展[9-10]。在風環(huán)境模擬中,采用的是計算流體與計算傳熱學軟件PHOENICS,基于有限容積法,使CAD軟件與其有效對接[9]。由于風場受到地面、低矮樹木等影響,模擬設(shè)定風場為梯度風場,湍流模型采用模擬精度較高且較常用的k-ε模型,即只引入湍流脈動動能(k)與湍流耗散率(ε)兩個量的輸運微分方程湍流模型[11]。

風場范圍的選擇對于模擬結(jié)果的可信度有很大關(guān)系。對于院落中風場范圍的界定,考慮民居背風面尾流區(qū)的風環(huán)境分布情況,設(shè)定為二倍院落大小,即36.2 m×46.4 m。豎向風場范圍的界定方面,風場高度定為二倍最大建筑高度,即18.2 m。

根據(jù)對晉東南地區(qū)氣象數(shù)據(jù)采集和分析,模擬的風場參數(shù)條件選擇晉東南夏季平均條件(風向:SE；風速:3.6 m/s)和冬季典型條件(風向:NW；風速:4.8 m/s)[12]。為了便于統(tǒng)一比較,所有工況按照理想的院落布局,使正房開窗一側(cè)的長邊垂直且正面正南方向。

2.2 建筑模型與測點設(shè)定

以陵川縣黃莊村為例,各庭院除去個別因地形造成的特殊情況,庭院橫向進深(L1)與庭院縱向進深(L2)比例在1∶0.8～1∶1.3。在風環(huán)境模擬中,為了便于相互比較,將L1與L2的比值設(shè)定為黃莊村內(nèi)各庭院縱橫比的平均值1∶1.1,庭院大小為6 m×6.6 m。

模擬將按照院落空間位置劃分三類測點進行測算[13]。第一類是在院落空間中較為偏僻的四角安置的4個測點R1、R2、R3、R4；第二類是四角測點相互連線的中點Q1、Q2、Q3、Q4；第三類是院落內(nèi)部區(qū)域的測點,包括院落中點O,以及四角測點與O點連線的中點P1、P2、P3、P4(圖3)。三類測點由院落內(nèi)偏僻位置至核心位置均勻分布,以反映晉東南傳統(tǒng)樓院空間的風環(huán)境情況。

圖3 測點位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of measuring point location

2.3 風環(huán)境評價標準

中外現(xiàn)今陸續(xù)對建筑周邊風速設(shè)置了限制,但對于建筑周邊環(huán)境風環(huán)境仍無一致評價標準,目前主要的評價方法主要有：相對舒適度評估法、風速概率統(tǒng)計評估法和風速比評估法[14]。相對舒適度評估法和風速概率統(tǒng)計評估法在一定程度上基于人的主觀感受,易產(chǎn)生因人而異的差異性。研究的是民居院落空間1.5 m人行高度處的風環(huán)境狀況,使用風速比評估法為評價方法,以計算機模擬得出的1.5 m高度院落中不同測點的風速與不受干擾的來流處風速比值來表示受不同院落環(huán)境影響的風環(huán)境[15]。風速比計算公式為

K=V0/v

(1)

式(1)中:K為風速比；V0為測點風速；v為來流風速。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 夏季院落內(nèi)風環(huán)境比較分析

經(jīng)過計算機模擬得出21種樓院空間在夏季東南風影響下1.5 m人行高度的風速模擬結(jié)果(圖4),并依據(jù)測點測得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析[16]。

3.1.1 基于民居圍合形式的夏季風環(huán)境比較分析

二層樓院是晉東南傳統(tǒng)民居常用的建筑形式,通過分析工況A1(“口”形院)、工況B1(“U”形院)、工況C1(“L”形院)、工況D1(“一”形院)的夏季各測點風速比情況(圖5),并進行比較,可得出基于不同民居建筑圍合形式的風環(huán)境特點。

第一類測點R1、R2、R3、R4的風速比可以反映院落角落處的風環(huán)境情況。此類測點中,工況A1和工況B1在測點R3處出現(xiàn)峰值(0.86、0.93),空氣流動情況較好,但工況A1在測點R1、R4形成了風速很低的風影區(qū),對其整體角落空氣流動情況評估造成不利影響。工況C1和D1的風速比在4個測點的數(shù)值皆處于0.25～0.55的平穩(wěn)區(qū),且低風速區(qū)相對較多。由此可見,“口”形院和“U”形院由于建筑物對風有更強的攔截能力,對于院落開口位置更加敏感,而在“L”形院和“一”形院中,院落角落處的渦流平緩且弱,容易造成污染物堆積在角落處。綜合第一類測點各工況的平均風速比(表1),院落角落處風環(huán)境情況由好到差分別為工況B1、C1、D1、A1。

反映院落軸線風環(huán)境情況的第二類測點中,“口”形院四周皆為二層建筑,院內(nèi)風速比最高值極大程度受開口位置影響。工況A1在測點Q2出現(xiàn)0.71的小峰值,遠高于其余3個工況的風速比(0.21～0.24),但在測點Q1、Q3、Q4的風速比均處于較低位置,表現(xiàn)出了較強的波動性。其他類型院落則更大程度受圍墻的位置影響,工況B1、C1、D1在測點Q2、Q3、Q4的風速比走勢有一定的相似性,空氣流動情況最好的是工況B1,最差的是工況C1。以四個測點的平均風速比為標準,院落空間軸線處風環(huán)境情況由好到差分別為工況D1、B1、A1、C1。

在院落內(nèi)部的第三類核心測點的測算中,4個工況在風速比的比較上出現(xiàn)了斷層。工況A1、B1在5個測點的風速比均明顯優(yōu)于工況C1、D1,其中工況A1在測點P2出現(xiàn)內(nèi)部區(qū)域的小峰值0.49,工況B1則在測點P3出現(xiàn)小峰值0.64。院落內(nèi)部5個測點處的風速比由高到低分別為工況B1、A1、D1、C1。

綜合來看,在夏季東南風主導條件下,所有測點的平均風速比依次為B1>A1>D1>C1,可以發(fā)現(xiàn)“U”形院于“U口”處承接院外來流的同時形成開口處的高風速通道；“口”形院易受院落開口位置影響形成較強導風通道,但其余角落易形成靜風區(qū)；“L”形院(工況C1)與“一”形院(工況D1)則院內(nèi)風影區(qū)面積較大,難以營造舒適的夏季院內(nèi)風環(huán)境。

3.1.2 基于民居組合高度的夏季風環(huán)境比較分析

為了進一步分析晉東南傳統(tǒng)民居建筑單雙層組合情況對院落內(nèi)風環(huán)境的影響,筆者分析了更適宜營造夏季風環(huán)境的“口”形院和“U”形院的風速比變化情況如圖6所示。

“口”形院各院落風速比在第一類測點的測算中,工況A1、A2、A3和A5呈現(xiàn)出波動性更大且高度相似的特點,具體表現(xiàn)為測點R3處高峰風速比更高(0.85～0.88),測點R1處低谷風速比更低(0.05～0.11)。其他5個工況也呈現(xiàn)相似度很高的特點,在測點R3和R4分別出現(xiàn)最高值(0.68～0.76)和最低值(0.09～0.22)。此類測點中工況A8由于初始來流方向建筑低矮,院落角落的風速比最高?！癠”形院與“口”形院風速比的情況相比略有不同,5種工況較均勻分布,基本按照同一走勢未分化為兩類,風速比最高的是工況B2、B1。

第二類測點的測算中,“口”形院在測點Q1、Q2處仍然延續(xù)第一類測點中的走勢,在測點Q3、Q4處逐漸分散,說明“口”形院內(nèi)中軸線位置上靠近開口處比開口較遠處和院落角落處更易受民居組合高度外其他因素影響。工況A5、A8、A2在院落軸心處風速比最高。“U”形院風速比在第二類測點整體較多樣化,可以認為是影響此類測點風環(huán)境的因素較多,風速比最高的仍為工況B2、B1。

第三類院落內(nèi)部測點的風速比顯示,“口”型院中工況A1、A2、A3和A5在測點P1、P2、P3處風速比明顯更有優(yōu)勢,但在測點P4和O有所下降。說明氣流經(jīng)過測點P4和O處時風環(huán)境受民居層數(shù)影響明顯。與之相對,測點P1、P2、P3處工況A1、A2、A3和A5相差很小,主要受開口位置氣流影響,受布局影響較小。而其他5種工況則相反,更易受民居高度組合影響?！癠”形院內(nèi)部測點走勢與第一類角落測點相似,風速比最大的為工況B1、B2。

從所有測點的平均風速比(表2)可知,“口”形院風速比由高至低,即夏季風環(huán)境由好至差分別為A5、A8、A2、A3、A6、A1、A7、A4,“U”形院由好至差分別為工況B2、B1、B3、B5、B4?！翱凇毙卧褐酗L速比最高的工況A5并不是晉東南傳統(tǒng)樓院中常用的典型形式,但在晉東南傳統(tǒng)聚落的典型集中式居住群組布局中,居住單元相互咬合形成整體,工況A5形成的院落內(nèi)風環(huán)境類似于此種院落組合,可以營造出良好的夏季通風環(huán)境。由工況A2優(yōu)于工況A3,工況A6優(yōu)于工況A7,工況B2優(yōu)于工況B3,以及未具體累述的工況C1優(yōu)于工況C2,工況C3優(yōu)于工況C4等幾項模擬結(jié)果,可以看出當東西廂房為不同高度或?qū)訑?shù)時,西廂房高東廂房低可使院落內(nèi)形成更大面積的高風速區(qū),改善通風條件。此外,工況A8、B4的風速比情況顯示,南向高北向低的晉東南傳統(tǒng)簸箕院也有利于營造好的空氣流通環(huán)境。

表2 “口”形院、“U”形院夏季平均風速比Table 2 Average wind speed ratio under “mouth” courtyard and “U” courtyard in summer

3.2 冬季院落內(nèi)風環(huán)境比較分析

晉東南冬季天氣寒冷,院落內(nèi)各測點的風速比越低,越能營造理想的室外風環(huán)境。冬季的人行高度風速比情況(圖7)與夏季較類似,僅方向相反。

圖7 冬季院落內(nèi)風環(huán)境模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of wind environment in courtyards in winter

3.2.1 基于民居圍合形式的冬季風環(huán)境比較分析

選取所有建筑均為二層建筑的工況A1(“口”形院)、工況B1(“U”形院)、工況C1(“L”形院)、工況D1(“一”形院)進行冬季各測點風速比的比較(圖8),分析冬季不同圍合形式院落的風環(huán)境特點。

圖8 工況A1、B1、C1、D1各測點冬季風速比Fig.8 Wind speed ratio of each measuring point under working condition A1, B1, C1, D1 in winter

工況A1在角落測點和中軸線測點的風環(huán)境特點有相似之處,對于院落開口位置敏感,在測點R3、R4、Q3處風速比峰值很高(1.0～1.4),在其余不正對院落開口的測點處則風速比很低(0.1～0.4)。但在院落內(nèi)部的五個測點,工況A1的風速比基本穩(wěn)定處于較低水平,寒冷條件下院落內(nèi)風環(huán)境較舒適。工況B1的風速比走勢整體與夏季相似,相鄰測點風速比相差大,在第三類測點的平均風速比很高,來流在正房與廂房之間被加速,形成狹管效應。工況C1由于在西北方向高大,抵擋了冬季主導風,因此在三類測點處均獲得了較為穩(wěn)定的低風速比值,僅在測點Q4有小峰值(0.8)。工況D1則同工況B1具有相同缺點,即相鄰測點風速比相差大,在各類測點的比較中均不占優(yōu)勢。

在冬季西北風主導條件下,所有測點的平均風速比(表3)由低至高,即冬季風環(huán)境由好至差分別為工況C1、A1、D1、B1,宜采用“L”形院、“口”形院,不宜采用“一”形院、“U”形院。

表3 工況A1,B1,C1,D1冬季平均風速比Table 3 Table of average wind speed ratio under working condition A1, B1, C1, D1 in winter

3.2.2 基于民居組合高度的冬季風環(huán)境比較分析

為了便于統(tǒng)一比較,同樣選取“口”形院和“U”形院的風速比變化情況(圖9)分析冬季晉東南傳統(tǒng)民居建筑單雙層組合情況對院落內(nèi)風環(huán)境的影響。

圖9 “口”形院、“U”形院冬季各測點風速比Fig.9 Wind speed ratio of each measuring point of “mouth” courtyard and “U”courtyard in winter

“口”形院各工況在內(nèi)部5個測點的風速比相差不大,風速比差異情況基本體現(xiàn)在前兩類測點處。

工況A1、A2、A3、A5倒座與廂房建筑外墻之間自西向東形成了狹管效應,因此在測點R4、Q3、R3處風速變的較大,風速比均大于1。工況A8也形成了此效應,但由于倒座和東西廂房均較為低矮,狹管效應有所減弱。工況A4、A6、A7院落內(nèi)的風速比穩(wěn)定在0.67以內(nèi),基本不會對院內(nèi)活動造成不利影響。

“U”形院的比較中,工況B1、B2正房與廂房之間形成的高風速區(qū)與因院落開口形成的高風速區(qū)相互融合疊加,使得測點R1、R2、R3、Q1、Q2處的風速比比其他工況更高,第一類和第二類的平均風速比也更高。工況B3、B4則由于西廂房僅一層,對來流阻擋能力較弱,使得院落內(nèi)部測點的風速比有所提高(0.72、0.61)。工況B5由于所有建筑均為單層,正房與廂房之間狹管效應弱,院內(nèi)低風速區(qū)面積大,風速比低。

從所有測點的平均風速比(表4)可知,“口”形院風速比由低至高,即冬季風環(huán)境由好至差分別為工況A6、A4、A8、A7、A1、A2、A5、A3,“U”形院由低至高分別為工況B5、B4、B2、B3、B1。不同于低層建筑對風的阻擋作用較弱的一般認知,工況B5由于難形成高風速區(qū),風速比最低,可見單層民居院落在冬季抗風方面比較有優(yōu)勢。由工況A2優(yōu)于A3,工況A6優(yōu)于工況A7,工況B2優(yōu)于工況B3的模擬結(jié)果(表4)可以看出,當東西廂房為不同高度或?qū)訑?shù)時,冬季西廂房高東廂房低的形式仍能營造更優(yōu)質(zhì)的風環(huán)境和更舒適的活動條件。由工況A3、B3的風速比排名可以得知,在來流方向形成高度的凹口會對冬季院落內(nèi)風環(huán)境造成不利影響。

表4 “口”形院、“U”形院冬季平均風速比Table 4 Table of average wind speed ratio under “mouth” courtyard and “U” courtyard1 in winter

4 院落平均風速比與建筑體積的耦合分析

通過計算所有工況的建筑體積,將每一種工況的院落形態(tài)量化,分析各工況院落內(nèi)平均風速比與建筑體積的耦合關(guān)系。當建筑體積相同,東西廂房層數(shù)相互交換時,選取能營造更好風環(huán)境的情況,即東廂房高西廂房低的工況A2、A6、B2、C1、C3、C5。通過羅列15組數(shù)據(jù)的風速比散點情況,利用MATLAB數(shù)據(jù)分析軟件進行曲線擬合,得到建筑體積(x)與院落平均風速比(y)的曲線(圖10)。

圖10 院落平均風速比與建筑體積Fig.10 Curve analysis of average wind speed ratio and building volume of courtyard

夏季院落平均風速比(y)與建筑體積(x)的曲線公式為

y=-4.43×10-10x3+1.27×10-6x2-

1×10-3x+4.94×10-1

(2)

從式(2)可以發(fā)現(xiàn),隨著院落內(nèi)建筑體積的增大,院落內(nèi)平均風速比呈現(xiàn)多項式的回歸關(guān)系。風速比曲線的單調(diào)區(qū)間主要由民居圍合形式?jīng)Q定,在“一”形院的區(qū)間y先隨著x的增大而減小,到了“L”形院的區(qū)間,y開始隨x的增大而增大,隨后在“U”形院的區(qū)間,y繼續(xù)增大達到最大值,繼而在“口”形院的區(qū)間,y開始隨x增大而重新減小。

冬季院落平均風速比(y)與建筑體積(x)的曲線公式為

y=1.15×10-12x4-4.92×10-9x3+

7.09×10-6x2+4×10-3x+9.36×10-1

(3)

式(3)中：風速比曲線的單調(diào)區(qū)間仍然由民居圍合形式?jīng)Q定,前兩個單調(diào)區(qū)間與夏季模擬曲線具有相似性,但在后兩個單調(diào)區(qū)間,“口”形院各點y先隨x增大而減小,隨后又迅速增大。在冬季和夏季的擬合曲線中,“口”形院各散點的擬合度均不高,說明在圍合性好的院落中平均風速比更易受除建筑體積外其他因素的影響。

5 晉東南院落布局模式選擇與優(yōu)化

晉東南地區(qū)冬冷夏熱,院落布局除了需要考慮夏季導風疏熱的問題,還需要考慮冬季阻風防寒的問題。為達到導風疏熱的目的,可選擇“口”形院、“U”形院中的工況A5、A8、A2、A6、A1、B2、B1、B3；為達到冬季阻風防寒的目的,可選擇“口”形院、“L”形院中的工況A6、A4、A8、A1、C1、C3。綜合考慮,建筑物全圍合的“口”形院中的工況A1、A2、A6、A8方案兼顧夏季散熱與冬季抗寒的功能,且工況A6營造了最舒適的院落內(nèi)風環(huán)境。

6 結(jié)論

(1)建筑物全圍合的“口”形院最能兼顧夏季散熱與冬季抗寒的功能,且“口”形院中正房西廂房雙層、倒座東廂房單層的院落布局形式,營造了最舒適的院落內(nèi)風環(huán)境。

(2)當東西廂房為不同高度或?qū)訑?shù)時,西廂房高東廂房低能營造更優(yōu)質(zhì)的風環(huán)境和更舒適的活動條件。

(3)風速比曲線的單調(diào)區(qū)間主要由民居圍合形式?jīng)Q定,單調(diào)性則由主要由民居組合高度決定。