濕熱地區(qū)冷巷空間形態(tài)尺度量化模擬

孫倩倩 郭希晞 陳敬

摘 要：為厘清中國南方傳統(tǒng)民居中冷巷空間應(yīng)對濕熱氣候蘊含的微氣候調(diào)節(jié)作用，采用流體力學(xué)（CFD）模擬的方法，選擇Autodesk CFD作為主要模擬實驗分析工具，以熱濕環(huán)境評價等級指標(biāo)作為評價依據(jù)，將4類建筑空間，在冷巷不同空間形態(tài)尺度下形成的4種不同實驗?zāi)Ｐ停治龉ぷ髅嫔系娘L(fēng)速、空氣溫度、熱舒適度及分布情況。結(jié)果表明，室外冷巷空間與室內(nèi)空間相比，具有更高的熱舒適度;濕熱地區(qū)中重要的經(jīng)常性使用的建筑空間，應(yīng)布置在南側(cè)，夏季最大風(fēng)頻的上風(fēng)向，次要的輔助性建筑空間宜布置在北側(cè)，夏季最大風(fēng)頻的下風(fēng)向;進行建筑設(shè)計時，可以通過調(diào)整冷巷的偏轉(zhuǎn)角度、寬度和形態(tài)，以達到改善建筑熱環(huán)境的目的;位于最大風(fēng)頻的下風(fēng)向的后廳空間，要改善其熱工環(huán)境，可以采用增大南北對流的開窗面積、增加門窗遮陽的策略。研究結(jié)果對于濕熱地區(qū)現(xiàn)代建筑設(shè)計中建筑空間布局方式和冷巷空間形態(tài)尺度的應(yīng)用實踐具有一定價值。

關(guān)鍵詞：冷巷尺度;自然通風(fēng);空間布局;熱舒適度

中圖分類號：TU 24?????????? 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）01-0125-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0117開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Quantitative simulation of spatial morphology and scale

of cold lanes in hot and humid regions

SUN Qianqian1，2 ，GUO Xixi1，CHEN Jing2

（1.College of Civil and Architectural? Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.College of Architecture，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

Abstract：In order to clarify the microclimate regulation effect of cold lanes in traditional houses in southern China in response to hot and humid climate，the method of fluid mechanics（CFD）simulation is adopted.Autodesk CFD is selected as the main simulation experiment analysis tool，and the evaluation index of the hot and humid environment is used as the evaluation basis.A detailed analysis has been made of the wind speed，air temperature，thermal comfort and distribution of 4 types of building spaces in 4 different experimental models formed under different spatial scales of cold lanes.The results show that the outdoor cold alley space possesses higher thermal comfort over indoor space.Important and frequently used architectural spaces in hot and humid areas should be arranged on the south side，with the upwind direction of the maximum wind frequency in summer，and secondary auxiliary building spaces should be arranged on the north side，with the downwind direction of the maximum wind frequency in summer.In the architectural design，the deflection angle，width and shape of the cold lane can be adjusted to achieve the purpose of improving the thermal environment of the building.In order to improve the thermal environment of the back hall space located in the downwind direction of the maximum wind frequency，the strategy of increasing the window area of north-south convection and increasing the shading of doors and windows can be adopted.The research results have certain value for the practical application of the architectural space layout and the spatial form and scale of cold lanes in modern architectural design in hot and humid areas.Key words：cold lane scale;natural ventilation;spatial layout;thermal comfort

0 引 言

隨著中國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，現(xiàn)代建筑的設(shè)計與建造滿足了人們對空間的需求，隨之帶來了建筑能耗過高的問題，建筑全過程能耗占全國能源消費總量比重為46.5%。在中國南方濕熱地區(qū)，由于高溫、高濕的氣候條件會加劇空調(diào)的使用，在進行房屋建設(shè)時，應(yīng)盡量采用自然通風(fēng)等被動式策略[1]，以調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境[2]。傳統(tǒng)民居在長期試錯過程中形成了樸素有效的氣候調(diào)節(jié)空間[3]，冷巷是民居中用于被動式降溫的典型代表空間之一，一般指傳統(tǒng)民居中建筑與建筑之間形成的窄巷道或在建筑一側(cè)的狹窄通道[4]，通常沿

建筑縱深方向展開，廣泛存在于中國南方濕熱地區(qū)。

陳曉揚等以南京地區(qū)為例探究了墻體材料對冷巷的影響以及中廊的季節(jié)及晝夜優(yōu)化控制模式[5]。田春來以浙江鳳溪玫瑰研學(xué)基地建筑設(shè)計競賽獲獎方案為例，定性分析了冷巷的設(shè)計[6]。陳輝通過實測發(fā)現(xiàn)，在冷巷中人體對熱舒適的感知主要來自于溫度相對低的墻體與人體之間的輻射[7]。關(guān)于濕熱地區(qū)的冷巷研究在界面材料的熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用影響、冷巷在方案中的設(shè)計過程等方面做了深入研究，但針對冷巷的寬度、方位、形態(tài)等空間設(shè)計要素變量做定量分析的研究相對較少。文中以2020年臺達杯國際太陽能建筑設(shè)計地塊為例，基于不同冷巷空間形態(tài)下的實驗?zāi)Ｐ?，定量模擬冷巷空間中各個設(shè)計因素對被動式降溫效果的影響作用，傳承傳承冷巷空間原型，為現(xiàn)代建筑設(shè)計提供參考。

1 研究條件研究對象所在地塊位于福建省南平市建陽區(qū)，北緯27°19′58″，東經(jīng)118°05′47″，海拔168 m。屬典型濕熱地區(qū)，光熱資源豐富，冬短夏長，雨季集中，年平均氣溫19.5 ℃，最熱月平均溫度28.8 ℃，最冷月平均溫度10.2 ℃，采暖度日數(shù)816 d，空調(diào)度日數(shù)241 d。地塊處于城市中心地帶，交通便利，用地東北高西南低，用地內(nèi)無既有建筑和需要保留的樹木，場地較為空曠。東側(cè)與綠歐璟園小區(qū)隔景龍路相鄰，南鄰書院南路，西鄰城市級干道建平大道，北側(cè)緊靠融匯山水居住小區(qū)，用地面積6 028 m2。場地西北側(cè)為水泵房和空地，有出入口通往場地（圖1）。

2 模擬實驗

2.1 建筑空間類型用地范圍內(nèi)需設(shè)計12班共360人規(guī)模的全日制幼兒園一所，層數(shù)不超過3層，總建筑面積不超過4 700 m2，設(shè)計應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?、資源條件、建筑特色以及建筑的使用特點，針對研究對象的建設(shè)條件和使用特點，解決的夏季通風(fēng)、降溫等問題，達到降低建筑能耗的目的。將建筑單體尺度進行定量（表

1），按照建筑單體空間尺度所能容納的建筑功能進行群體組織，形成2種建筑空間類型（表2），包括重要性經(jīng)常活動空間（幼兒生活用房）、次要性輔助使用空間（服務(wù)管理、后勤供應(yīng)用房），研究冷巷空間形態(tài)不同變量條件下的建筑熱環(huán)境影響。

2.2 空間形態(tài)對比以冷巷組織基本建筑單元，建筑單元經(jīng)過不同的冷巷空間組織設(shè)計，形成了4個模擬方案（表3）。建筑設(shè)計中群體布局方向通常受場地影響，室外空間盡量減少異形等消極空間的產(chǎn)生[8]。模擬方案C02～C04中4個方向的建筑外輪廓與基地4個方向的控制線平行，均為南偏東19°，在滿足寬度和形態(tài)變量條件的同時，又能與已知基地條件形成合理的建筑外部空間。在C01中東側(cè)與南側(cè)建筑外部輪廓能與基地控制線形成合理室外活動空間的基礎(chǔ)上，偏轉(zhuǎn)角度最大增加至35°，偏轉(zhuǎn)角度與C02相差大于15°，具備比較研究價值。冷

巷寬度方面，在不超過建筑用地紅線的前提下，冷巷空間中寬度上限值為4 m，而幼兒園中單面走廊或外廊，生活用房不得小于1.8 m，服務(wù)、供應(yīng)用房不得小于1.3 m，因此采用2 m作為變量條件。

基于以上變量條件設(shè)定，探究不同方位、寬度、形態(tài)變量下的冷巷空間形態(tài)對于自然通風(fēng)下熱環(huán)境的影響差異。第1組方案對比為C01、C02，冷巷寬度與形態(tài)相同，方位偏轉(zhuǎn)角度不同，分別為南偏東35°和南偏東19°;第2組方案對比為C02、C03，冷巷方位和形態(tài)相同，寬度不同，分別為2 m和4 m;第3組方案對比為C03、C04，冷巷方位和寬度相同，形態(tài)不同，分別為直線型和折線型。

3 模擬條件設(shè)定與熱環(huán)境評價

3.1 模擬條件隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，采用計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）能夠進行方案設(shè)計階段中建筑熱工性能的預(yù)測，能進行相同邊界條件、不同設(shè)計變量條件下的設(shè)計方案進行模擬結(jié)果對比。模擬實驗采用Autodesk CFD模擬軟件，可以通過設(shè)定室外氣象參數(shù)與熱舒適因子等邊界條件，得到建筑室內(nèi)外空氣溫度、輻射溫度、相對濕度和風(fēng)速分布，形成直觀的可視化圖像界面，通過布點的方式獲取熱環(huán)境相關(guān)參數(shù)的具體數(shù)值。模擬選取的湍流模型為不可壓縮氣體的標(biāo)準(zhǔn)K-ε方程，k方程和ε方程可分別簡化為[9]ρDkDt=

式（2）和（3）中 ρ為流體密度;μt為流體沿t方向的分量;Gk為平均速度梯度引起的湍流動能;C1ε，C2ε為常數(shù);C1ε=1.44;C2ε=1.92;σk和σk為湍流數(shù);σk=1.0，σk=1.3[9]。

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[10]中關(guān)于福建南平的熱環(huán)境分析氣象數(shù)據(jù)，選取與氣象數(shù)據(jù)集中夏季通風(fēng)室外計算參數(shù)相近的典型時間點，作為模擬邊界條件（表4）。

3.2 熱環(huán)境在進行室內(nèi)外熱環(huán)境模擬時，根據(jù)國際與國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，熱環(huán)境選取人體主要活動高度，采用距離各層地面1.1 m的截面分析。選取熱環(huán)境評價指標(biāo)包括風(fēng)速、溫度和人體熱舒適指標(biāo)，評價不同冷巷空間形態(tài)下的熱環(huán)境作用。

3.2.1 風(fēng)速濕熱氣候條件下，自然通風(fēng)在建筑中發(fā)揮重要的作用。風(fēng)速指標(biāo)分為2種，第1種為每個單獨的建筑空間平均風(fēng)速，包括前廳A1-A4、后廳B1-B7、冷巷L(fēng)1-L5、庭院T1-T4（表5），分別計算每個空間1.1 m高截面的平均風(fēng)速;第2種為計算前廳A1-A4四類建筑空間累計的風(fēng)速平均值，即得到前廳A的平均風(fēng)速，后廳B、冷巷L(fēng)、庭院T以此類推。當(dāng)風(fēng)速低于0.5 m/s時，處于靜風(fēng)狀態(tài)，幾乎感受不到風(fēng)速，這時熱環(huán)境相對較差。邊界條件設(shè)置外界風(fēng)速為3.4 m/s，風(fēng)速不會超過人體不舒適的上限值。因此，以單個空間的平均風(fēng)速大小、單類空間的平均風(fēng)速大小和0.5 m/s的標(biāo)準(zhǔn)條件作為風(fēng)速評價指標(biāo)。

3.2.2 空氣溫度溫度是影響人體熱舒適的重要熱環(huán)境指標(biāo)。平均溫度數(shù)值的比較方法與上述平均風(fēng)速的比較方法相同，即比較不同變量條件下單個空間和單類空間的平均溫度。根據(jù)濕熱地區(qū)的有關(guān)研究[11]，80%的人體可接受的熱環(huán)境溫度范圍為22.1～28.7℃。在進行空氣溫度評價時，通過對平均溫度和可接受溫度上限溫度分布區(qū)間的比較，可在一定程度上反映模擬截面溫度場的整體溫度分布水平。

3.2.3 熱舒適度根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50785—2012），進行不同變量條件下的熱濕環(huán)境評價。由于模擬建筑為非人工冷熱源熱濕環(huán)境，采用計算法評價時，應(yīng)以預(yù)計適應(yīng)平均熱感覺指標(biāo)（APMV）作為評價依據(jù)。預(yù)計熱適應(yīng)平均熱感覺指標(biāo)（APMV）應(yīng)按下式計算

APMV=PMV1+λ·PMV

式中 APMV為預(yù)計適應(yīng)性平均熱感覺指標(biāo);λ為自適應(yīng)系數(shù)，夏熱冬冷地區(qū)教育建筑PMV≥0時，λ為0.17;PMV<0時，λ為-0.28;PMV為預(yù)計平均熱感覺指標(biāo)。4 模擬實驗結(jié)果經(jīng)過模擬測試后，為在相同條件下比較冷巷方位、尺度和形態(tài)對風(fēng)速的影響進行定量比較，選取不同方案同一位置的前后活動室（A前廳、B后廳）、活動室側(cè)邊冷巷（L）以及活動室中間為何形成的庭院（T），進行不同變量條件下相同空間的風(fēng)速、溫度的量化比較，1-1為后廳-庭院-前廳的縱剖面，2-2為冷巷縱剖面（表5）。

4.1 風(fēng)速比較圖2為C01～C04一層、二層樓板高度1.1 m處和冷巷L(fēng)2、庭院T2剖面的風(fēng)速矢量圖，從平面風(fēng)速矢量圖中可以直觀地發(fā)現(xiàn)室內(nèi)風(fēng)速環(huán)境較佳的是C03，風(fēng)環(huán)境較差的是C02。在相同的南偏東19°冷巷偏轉(zhuǎn)角度下，寬度為4 m的冷巷布局，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境和室外冷巷風(fēng)環(huán)境最為有利。

圖3為單個建筑空間的平均風(fēng)速、最大風(fēng)速與最小風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖，由圖可知，不論何種冷巷布局的空間形態(tài)，A1～A4、B1～B2的平均風(fēng)速普遍較高，基本能達到0.5 m/s，其次為建筑空間B3、B4，平均風(fēng)速不足0.5 m/s，但高于

0.2 m/s，后廳中B5～B7風(fēng)速最低，平均風(fēng)速不足0.1 m/s，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境最差。說明后廳中B5-B7應(yīng)當(dāng)布置輔助用房，重要的幼兒用房應(yīng)當(dāng)布置在A1～A4，B1～B4。

根據(jù)表6中對于不同冷巷空間形態(tài)下各類建筑空間的平均風(fēng)速數(shù)值統(tǒng)計，前廳的風(fēng)環(huán)境較優(yōu)，平均風(fēng)速幾乎為后廳平均風(fēng)速的2倍，說明前廳應(yīng)當(dāng)布置重要的幼兒建筑單元;冷巷空間是4種空間中平均風(fēng)速和最大風(fēng)速數(shù)值最高的空間，說明冷巷在引導(dǎo)自然通風(fēng)時具有重要的作用，是設(shè)計中重要的氣候調(diào)節(jié)空間;庭院空間的平均風(fēng)速僅次于冷巷，最高風(fēng)速在4種空間中數(shù)值最大，說明室外庭院空間比室內(nèi)空間由更為有利的風(fēng)環(huán)境，有利于給幼兒們創(chuàng)造適宜的室外活動空間。

4種設(shè)計方案中，對于前廳室內(nèi)平均風(fēng)速，C03平均風(fēng)速和最大風(fēng)速具有最高值，分別為0.81和3.03 m/s，高出平均風(fēng)速最小的C02方案0.37 m/s;對于后廳建筑空間，C02的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速依然為4種設(shè)計方案中最優(yōu)的，其最大風(fēng)速數(shù)值高出C02方案1.53 m/s;冷巷空間進行比較，C03方案的平均風(fēng)速依然為最優(yōu)，其次為C02，說明冷巷寬度對冷巷空間的風(fēng)環(huán)境影響不大，冷巷偏轉(zhuǎn)角度增大時，冷巷空間的平均風(fēng)速會降低，因此，對于冷巷空間，冷巷的方位角度比寬度影響因素大。

4.2 空氣溫度比較圖4為C01～C04一層、二層樓板高度1.1 m處溫度分布圖，由圖可知，一層溫度明顯低于二層溫度;同層建筑單體空氣溫度相比，前廳A1～A4的空氣溫度明顯低于后廳B3～B7，位于后排下風(fēng)向的建筑單元，室內(nèi)空氣溫度最高。

圖5為單個建筑空間的平均空氣溫度、最高溫度和最低溫度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，平均空氣溫度最低的是冷巷，除L5外，4種設(shè)計方案的冷巷平均溫度均低于28.7 ℃，4種空間中，冷巷的平均空氣溫度最低，熱環(huán)境最優(yōu);后廳B4～B7，無論那種建筑布局模式，平均空氣溫度均高于28.7 ℃，建筑空間熱環(huán)境最差，說明位于后側(cè)的建筑，宜布置輔助用房，重要的幼兒活動單元應(yīng)當(dāng)布置在前廳A及后廳B西側(cè)的單元空間，與風(fēng)速評價指標(biāo)得出的結(jié)論一致。

根據(jù)表7中對于不同冷巷空間形態(tài)下各類建筑空間的平均空氣溫度數(shù)值統(tǒng)計可知，C01的前廳A1～A4平均溫度均低于C02，后廳除B6房間2種布局方式溫度相差不大外，其余后廳房間均為C02高于C01，因此對于建筑室內(nèi)空間，冷巷寬度和建筑布局形態(tài)相同的情況下，偏轉(zhuǎn)角度較大的方案C01優(yōu)于C02;C02與C03相比，前廳與冷巷平均空氣溫度相差不大，差值不超過0.1 ℃，后廳與庭院，C03相對較高;C03與C04相比，C04的各類空間平均溫度相對較低，其中后廳的平均空氣溫度低1.03 ℃，庭院平均空氣溫度低0.40 ℃，說明折線形布局對于改善后廳的空氣溫度有較為明顯的改善作用。

4.3 熱舒適度比較PMV（predicted mean vote）是表征人體熱反應(yīng)的評價指標(biāo)，PPD（predicted percentage dissatisfied）為預(yù)測不滿意百分?jǐn)?shù)，ASHRAE Standard 55—2017中將PMV劃分為7個等級，給出了PMM與PPD的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)美國加州大學(xué)伯克利分校建筑環(huán)境中心CBE編寫的PMV-PPD計算程序，將模擬所得數(shù)據(jù)中的空氣干球溫度、平均輻射溫度、風(fēng)速、空氣濕度、新陳代謝率和服裝熱阻數(shù)值，帶入到PMV熱舒適計算程序中，分別得到單個建筑空間的PMV-PPD值（圖6）。

PMV=[0.303×exp（-0.036M）+

0.027 5]TL

（5）

PPD=100-95×exp（-0.033 53×PMV4-

0.217 9PMV2）

（6）

將PMV值帶入到公式（4）中，得到預(yù)計適應(yīng)性平均熱感覺指標(biāo)APMV，將APMV數(shù)值進行計算分析。由圖7可知建筑空間中前廳A1～A4、后廳B1～B4的PMV數(shù)值均在0～1之間，熱感覺偏暖，B5～B7PMV值最高，PPD值也最高，熱舒適度差;冷巷空間L1-L3PMV值在-0.5～0，T1～T3PMV值在-0.5～0.5之間，與前后廳室內(nèi)空間比，冷巷、庭院室外熱舒適度較好;不同變量下的方案設(shè)計相比，C02的熱舒適度最差，APMV值最高，熱舒適度最好的為C03，其次為C01和C04;四類空間相比，C01，C03和C04中，A1～A4，B1～B2，L1～L4，T1～T3基本處于非人工冷熱源熱濕環(huán)境評價等級Ⅰ級，B3～B4，L5，T4為Ⅱ

級，B5～B7的APMV值最高，為Ⅲ級，熱舒適度最差。

5 結(jié) 論

1）四類空間相比，室外空間的冷巷與庭院熱舒適度較室內(nèi)空間好;單個建筑空間相比，重要性經(jīng)?；顒涌臻g、冷巷與室外庭院多處于非人工冷熱源熱濕環(huán)境評價等級Ⅰ級，少數(shù)空間為Ⅱ級;次要性輔助使用空間風(fēng)速最低，溫度最高，APMV值最大，室內(nèi)熱舒適度最差，為Ⅲ級。2）進行建筑功能的布置選擇時，將重要性經(jīng)?；顒涌臻g首選布置在前廳，建筑用地南側(cè)，即夏季最大風(fēng)頻的上風(fēng)向;當(dāng)南側(cè)用地受限無法全部布置時，考慮用地中部邊側(cè);次要性輔助使用空間，應(yīng)布置在用地北側(cè)，即夏季最大風(fēng)頻的下風(fēng)向。

3）不同方位、寬度、形態(tài)3種變量變化形成4種實驗?zāi)M方案，通過對變量因子模擬可知，在進行建筑設(shè)計時，可以通過調(diào)整冷巷即建筑布局的偏轉(zhuǎn)角度、冷巷寬度和形態(tài)，以達到改善建筑熱環(huán)境的目的。4）最大風(fēng)頻的下風(fēng)向的后廳空間平均風(fēng)速最小，平均空氣溫度最高，要改善其室內(nèi)熱環(huán)境，可以通過增大南北對流的開窗面積、增加門窗遮陽的方式，改善室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，又解決太陽熱輻射引起溫度過高的問題。

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