基于冬季室外風(fēng)環(huán)境模擬的東北鄉(xiāng)村住居優(yōu)化設(shè)計(jì)研究*

李世芬 董惟澈 劉代云 于璨寧 LI Shifen, DONG Weiche, LIU Daiyun, YU Canning

0 引言

從原始人搭建構(gòu)筑物抵御自然對(duì)自身的侵襲至今，建筑已經(jīng)從最初滿足“防御”和“居住”的簡(jiǎn)單功能需求，逐漸拓展到對(duì)健康、舒適、生態(tài)、美觀等更為綜合、人性的需求。東北地區(qū)位于我國(guó)的最北端，夏季相對(duì)溫暖，冬季受寒冷潮濕氣候的影響比較嚴(yán)重，民居營(yíng)建中如何防寒防風(fēng)、適應(yīng)氣候乃關(guān)鍵而緊迫的問題。對(duì)于鄉(xiāng)村的建設(shè)，早期多靠犧牲生態(tài)資源為代價(jià)，而在生態(tài)文明時(shí)代背景下，生態(tài)保護(hù)與修復(fù)成為鄉(xiāng)村發(fā)展的新使命[1]。因此，研究冬季寒風(fēng)對(duì)東北嚴(yán)寒地區(qū)院落型民居的作用機(jī)制，進(jìn)而針對(duì)性地提出設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，對(duì)于提高東北嚴(yán)寒地區(qū)的住居舒適度具有重要的意義[2]。

現(xiàn)有相關(guān)研究?jī)?nèi)容主要從以下幾個(gè)方面展開：從城市住區(qū)或住宅角度進(jìn)行風(fēng)環(huán)境定量分析與優(yōu)化[3-6]；從生態(tài)角度剖析鄉(xiāng)村住居氣候適應(yīng)性[7-9]；從宏觀視角研究村落布局的風(fēng)環(huán)境[10-12]；在院落形態(tài)與風(fēng)環(huán)境的關(guān)系上，有研究側(cè)重環(huán)境和建構(gòu)對(duì)于院落保溫隔熱的影響[13]，或是研究不同房屋構(gòu)造對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響[14]，或是對(duì)不同院落類型構(gòu)成模式下的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究[15]；但以東北嚴(yán)寒地區(qū)的鄉(xiāng)村住居院落為研究對(duì)象，進(jìn)行布局及建筑形式推導(dǎo)和分析的相關(guān)研究相對(duì)匱乏。另外，鄉(xiāng)村住居環(huán)境的背景、體量與尺度和城市住區(qū)有著非常顯著的區(qū)別，城市內(nèi)群體間的風(fēng)環(huán)境的分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)無法直接移用到鄉(xiāng)村。從風(fēng)環(huán)境視角針對(duì)東北嚴(yán)寒地區(qū)鄉(xiāng)村住居院落進(jìn)行的研究相對(duì)缺乏，這正是本文的切入點(diǎn)，而上述研究從觀念和方法層面為本文提供了重要參考。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computer fluid dynamic, CFD）是建筑風(fēng)環(huán)境模擬研究的重要方法。筆者基于東北嚴(yán)寒地區(qū)的冬季風(fēng)環(huán)境特性，以常見的東北鄉(xiāng)村圍合式院落為研究對(duì)象，提取出典型合院類型，通過實(shí)地調(diào)研、測(cè)量和軟件模擬，分析、對(duì)比了不同類型院落風(fēng)環(huán)境分布，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律性特征?；诙咀罾湓碌娘L(fēng)環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)，針對(duì)居民需求和風(fēng)環(huán)境改善的試設(shè)計(jì)，通過合理的院落布局和功能組織對(duì)院落風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，針對(duì)東北嚴(yán)寒地區(qū)的鄉(xiāng)村住居提出針對(duì)性的優(yōu)化策略。這樣通過提取氣候驅(qū)動(dòng)因子、制定優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，構(gòu)建場(chǎng)地布局與建筑體量的基本模式，以及方案深化等環(huán)節(jié)，優(yōu)化建筑的環(huán)境性能“模擬—設(shè)計(jì)”有機(jī)聯(lián)動(dòng)模式和新民居方案，可以為改善院落微氣候環(huán)境提供參考[16]。

1 東北嚴(yán)寒地區(qū)氣候特征

我國(guó)大陸的東北部，地處亞歐大陸東緣，位于北緯40～55°之間，是我國(guó)緯度位置最高的區(qū)域，地跨寒溫帶、中溫帶和暖溫帶，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。東北地區(qū)的冬季相對(duì)其他地區(qū)更加寒冷而漫長(zhǎng)，常有東西伯利亞南下的強(qiáng)大冷空氣，盛行寒冷干燥的西北風(fēng)使東北地區(qū)成為同緯度各地中最寒冷的地區(qū)，與同緯度的其它地區(qū)相比溫度一般低15℃左右[17]。夏季溫暖短暫，受低緯度海洋濕熱氣流影響，氣溫高于同緯度各地區(qū)。因此，東北地區(qū)年溫差大大高于同緯度各地。

由于嚴(yán)寒地區(qū)的夏季平均溫度低于大部分地區(qū)，有著相對(duì)較為舒適的氣候條件。而冬季漫長(zhǎng)、寒冷，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)的鄉(xiāng)村規(guī)劃及設(shè)計(jì)存在顯著影響。隨著居民對(duì)生活、環(huán)境品質(zhì)需求的日益提升，冬季室外環(huán)境的舒適程度逐漸受到重視，但嚴(yán)寒地區(qū)大多數(shù)居民的冬季室外氣候舒適程度仍然較低。風(fēng)是影響行人熱舒適的重要因素，在冬季室外氣溫較低的情況下，風(fēng)速的提升會(huì)降低行人的體感舒適度，增加建筑的采暖負(fù)荷，因此在研究目標(biāo)選取上，選取冬季寒風(fēng)作為嚴(yán)寒地區(qū)風(fēng)環(huán)境的研究重點(diǎn)[18-19]。

2 東北典型村落調(diào)研

2.1 調(diào)研選址

考慮到避免南部海風(fēng)和北部西伯利亞寒風(fēng)過度影響模擬的客觀與普遍性，故選取位于我國(guó)東北地區(qū)中部地帶的村落進(jìn)行相關(guān)調(diào)研與研究。

研究地點(diǎn)選取為黑龍江省大慶市肇源縣古龍鎮(zhèn)的永勝村，村落占地面積約9.6 km2，人口約1.1萬人，1 800戶。古龍?jiān)谇宄瘯r(shí)為驛站，稱古魯站，后來由于語(yǔ)音流變，稱作古龍鎮(zhèn)。由于曾為驛站，因此古龍鎮(zhèn)自清代以來就是當(dāng)?shù)亟煌ㄒ冢藛T流動(dòng)密集，也帶來了滿、蒙古等少數(shù)民族的人口[20]。永勝村位于古龍鎮(zhèn)西南邊緣，毗鄰嫩江（圖1）。

圖1 永勝村區(qū)位Fig.1 location of Yongsheng Village

2.2 永勝村現(xiàn)狀調(diào)研

村落形態(tài)方面，永勝村整體呈現(xiàn)“倒三角”的規(guī)劃布局形態(tài)。村內(nèi)主要道路為一條由西—東北方向的道路和一條西北—東南方向的道路。

院落構(gòu)成方面，永勝村民居帶有院落的數(shù)量居多，大多以西北東南方向布置，成南北長(zhǎng)東西窄的院落構(gòu)成（圖2a），房屋坐北朝南，南向多布置菜園、擺放農(nóng)具或作為晾曬場(chǎng)地使用，部分院設(shè)置有東西廂房（圖2b-c）。院落入口主要有中部、東南部?jī)煞N入口設(shè)置方法，個(gè)別有北側(cè)入口形式。院落內(nèi)部方面，部分院內(nèi)設(shè)置有前后院（圖2d）。

圖2 永勝村院落類型提取Fig.2 extraction of Yongsheng Village courtyard type

建筑材料方面，永勝村房屋除了約200戶無法保證安全使用的夯土房屋以外，根據(jù)時(shí)代不同，在建造方式和用材上可大致分為磚平房和水泥平房。屋頂處理形式根據(jù)不同的建筑建造年代和材料不同，可以大致分為夯土壓頂和彩鋼板屋頂兩種處理形式。

考慮到當(dāng)?shù)鼐用窦彝ド钏?、政策限制和其他制約因素的影響，院落內(nèi)部布置和建筑形制會(huì)存在各方面的差異性。為了方便風(fēng)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)和對(duì)比處理，限于篇幅，將從正房面寬、建筑高度、院墻高度、入口位置、入口形式五個(gè)方面進(jìn)行以控制變量法為基礎(chǔ)的不同類型院落內(nèi)的風(fēng)環(huán)境討論。

3 CFD風(fēng)環(huán)境模擬及分析

3.1 理論基礎(chǔ)

3.1.1 CFD理論基礎(chǔ)

目前，基于CFD仿真功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便、模擬結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)，因此其逐漸被廣泛用于室內(nèi)與室外風(fēng)環(huán)境的模擬與研究中。正確模擬室外風(fēng)揚(yáng)的分布情況，需要根據(jù)使用情況選擇合適的湍流模型。

描述湍流的常用的數(shù)學(xué)模型有二方程k-epsilon模型和LES模型等?？諝庠诮ㄖ苓吜鲃?dòng)形成了風(fēng)，自然界的風(fēng)流動(dòng)的隨機(jī)性和無序性使其雷諾數(shù)較大，同時(shí)具有低旋、弱浮力流動(dòng)的特點(diǎn)，因此比較兩種方程而言，二方程k-epsilon模型計(jì)算成本低，在數(shù)值計(jì)算中波動(dòng)小，精度高，更適合在建筑風(fēng)場(chǎng)這類低速湍流中應(yīng)用[21]。除標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型以外，常見的還有將標(biāo)準(zhǔn)模型改進(jìn)之后Realizable k-epsilon模型和RNG k-epsilon模型，但標(biāo)準(zhǔn)k—epsilon模型，由于其本身的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及較高的計(jì)算精度，在科學(xué)硏究和工程實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)了最廣泛的檢驗(yàn)和成功應(yīng)用[22]。

3.1.2 院落內(nèi)的通風(fēng)換氣

自然界的自然通風(fēng)按動(dòng)力源分類分為熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)兩種，其中熱壓通風(fēng)利用的是大氣升力，風(fēng)壓通風(fēng)利用的是風(fēng)力。院落四面圍合，中間庭院上部開敞，屬于半室外空間，庭院上下部的空氣，由于二氧化碳濃度不同和太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的溫度不同，產(chǎn)生了不同的壓強(qiáng)，進(jìn)而產(chǎn)生了壓力差異下的空氣流動(dòng)，這種熱壓通風(fēng)的效果會(huì)帶著院落內(nèi)產(chǎn)生的二氧化碳等生活廢氣從庭院上空排出，氣體不斷地交換對(duì)院落內(nèi)的空氣產(chǎn)生了一定的凈化作用。除了風(fēng)環(huán)境形成的微氣候，風(fēng)在建筑周邊的流動(dòng)也會(huì)造成風(fēng)速的差異[23]。在大氣邊界層中的梯度風(fēng)，由于建筑鈍體的阻擋而發(fā)生空氣動(dòng)力學(xué)畸變，造成了建筑物周邊的氣流在空間和時(shí)間上都具有非常復(fù)雜的非定常流性質(zhì)。建筑物的拐角處一般具有尖銳的棱角邊，對(duì)于風(fēng)流動(dòng)表現(xiàn)為鈍體形狀，成為風(fēng)流動(dòng)過程中的障礙物，造成局部擾動(dòng)，引起速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化而發(fā)生空氣動(dòng)力學(xué)畸變，從而造成了建筑物周邊的風(fēng)場(chǎng)差異性[24]。

3.2 模擬條件

3.2.1 計(jì)算區(qū)域

計(jì)算區(qū)域是描述網(wǎng)格劃分和最后計(jì)算的范圍的，對(duì)于建筑院落的風(fēng)環(huán)境模擬需要選擇合適的XYZ三個(gè)方向的計(jì)算區(qū)域尺寸。計(jì)算區(qū)域過小會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的失真，而計(jì)算區(qū)域過大，會(huì)增大計(jì)算量導(dǎo)致無意義的耗時(shí)和計(jì)算。為同時(shí)保證模擬效果和計(jì)算效率，根據(jù)倍特克（Baetke）等人的風(fēng)流經(jīng)立方體表面的模擬結(jié)果，本次選取阻塞率較小的計(jì)算域尺度，計(jì)算區(qū)域設(shè)置為X方向?yàn)榻ㄖ锔叨菻的5倍5H，Y方向?yàn)榻ㄖ锔叨鹊?5倍15H，Z方向高度是建筑物Z軸高度的4倍4H[25-26]。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的前期劃分對(duì)于結(jié)果的順利導(dǎo)出十分重要。風(fēng)的流動(dòng)和相關(guān)參數(shù)的顯現(xiàn)都會(huì)根據(jù)網(wǎng)格的設(shè)置不同而有所區(qū)別。在此次模擬中，保證結(jié)果的可視化精細(xì)度和運(yùn)算便捷度的基礎(chǔ)上，設(shè)定X、Y，Z方向分別網(wǎng)格數(shù)為100、100、20。同時(shí)，模型所在區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的二次加密，加密倍數(shù)設(shè)定為2，網(wǎng)格漸變率各個(gè)方向設(shè)置為1.3，以使得距離模型越近的位置所顯現(xiàn)的結(jié)果更加平滑和準(zhǔn)確[27]。

3.2.3 模型簡(jiǎn)化

由于當(dāng)?shù)孛窬悠毡闉樽越ǖ囊?guī)則矩形民居，屋頂多為以彩鋼板進(jìn)行處理的燕尾頂，根據(jù)綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)模擬模型簡(jiǎn)化的要求，在分析建筑風(fēng)環(huán)境時(shí)，可以將燕尾頂近似認(rèn)為硬山頂。同時(shí)文章主要研究建筑形體周邊和院落內(nèi)的風(fēng)環(huán)境，因此，門窗對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響基本忽略不計(jì)，所以將建筑模型簡(jiǎn)化為普通長(zhǎng)方體進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)，減少不必要的計(jì)算分析，提高分析效率和直觀性[28]。

3.2.4 結(jié)果表達(dá)

分析結(jié)果以計(jì)算得出的風(fēng)速云圖進(jìn)行表達(dá)。通過設(shè)置風(fēng)速表達(dá)的閾值區(qū)間，以不同深淺和色相的顏色進(jìn)行風(fēng)速高低的表達(dá)。通過云圖中不同色域的深淺和面積，可以直觀地反應(yīng)模擬結(jié)果的院落整體或局部風(fēng)環(huán)境存在的問題，在處理大量的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)時(shí)，可以減少不必要的分析，提高分析效率和直觀性。

3.3 人居環(huán)境氣候舒適度評(píng)價(jià)

根據(jù)國(guó)家人居環(huán)境氣候舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 27963—2011），人對(duì)于不同環(huán)境的氣候舒適度感受如表1所示。

表1 人居環(huán)境舒適度等級(jí)評(píng)價(jià)表Tab.1 evaluation table of comfort level of living environment

根據(jù)其不同情況的適用范圍，冬半年或平均風(fēng)速＞3 m/s時(shí)，使用風(fēng)效指數(shù)進(jìn)行舒適度評(píng)價(jià)。風(fēng)效指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：

K為風(fēng)效指數(shù)，取整數(shù)；

T為某一評(píng)價(jià)時(shí)段平均溫度，單位為攝氏度/（℃）；

V 為某一評(píng)價(jià)時(shí)段平均風(fēng)速，單位為米每秒/（m/s）；

S為某一評(píng)價(jià)時(shí)段平均日照時(shí)數(shù)，單位為時(shí)每天/（h/d）；

據(jù)此公式，以東北嚴(yán)寒地區(qū)冬季風(fēng)為研究對(duì)象，取平均日照時(shí)數(shù)為8 h/d，溫度取當(dāng)?shù)仄骄鶞囟?5℃時(shí)，K隨著V的增大而不斷減小，計(jì)算得0.01＜V＜0.64 m/s 時(shí)K值落在舒適區(qū)（-299～-100）區(qū)間?？紤]嚴(yán)寒地區(qū)冬季溫度相對(duì)極端，當(dāng)溫度和日照時(shí)數(shù)為主要影響因素，無論V如何變化都會(huì)導(dǎo)致K值較小處在1級(jí)感受區(qū)間。此時(shí)參考《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2019）中所規(guī)定的依據(jù)環(huán)境中不同風(fēng)速、風(fēng)力等級(jí)下的人體舒適感，如表2所示，盡可能地減小冬季院落內(nèi)的風(fēng)速以減少人受到的寒風(fēng)侵襲程度。另外，當(dāng)風(fēng)速v＜0.5 m/s時(shí)會(huì)出現(xiàn)靜風(fēng)區(qū)導(dǎo)致垃圾堆聚，衡量二者，冬季更主要應(yīng)對(duì)寒風(fēng)侵襲，因此仍考慮盡可能降低風(fēng)速減少寒風(fēng)帶來的不適感。

表2 不同風(fēng)力等級(jí)下風(fēng)速與人體舒適感的關(guān)系Tab.2 relations between wind speed and human body comfort at different wind levels

3.4 CFD模擬驗(yàn)證

3.4.1 永勝村氣象數(shù)據(jù)

以瓢蟲（Ladybug）軟件上獲取的距離永勝村最近的肇州縣氣象站數(shù)據(jù)作為參考，導(dǎo)出并后處理得到年風(fēng)玫瑰圖和12個(gè)月的風(fēng)玫瑰圖[29]，由圖得知冬季西北寒風(fēng)更為強(qiáng)烈，故選取西北風(fēng)作為主導(dǎo)風(fēng)向作為模擬分析的風(fēng)向（圖3）。通過國(guó)家氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選取最冷月11月的累年均月平均氣溫-5℃，累年月平均風(fēng)速3.8 m/s，風(fēng)向西北風(fēng)[30]。

圖3 肇州氣象站年均風(fēng)玫瑰圖及月風(fēng)玫瑰圖Fig.3 annual wind rose and monthly wind rose of Zhaozhou meteorological station

3.4.2 永勝村實(shí)測(cè)調(diào)研及軟件驗(yàn)證

實(shí)測(cè)調(diào)研的風(fēng)環(huán)境與近似條件下的軟件模擬的風(fēng)環(huán)境擬合度的好壞決定了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的可靠性。在永勝村的實(shí)測(cè)調(diào)研中，選取了村落西南直接受風(fēng)的住戶進(jìn)行了院落及街道的風(fēng)環(huán)境實(shí)測(cè)。

測(cè)量測(cè)得的村落邊緣無遮擋地區(qū)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，風(fēng)速為5 m/s。實(shí)測(cè)院落位置處于村落西南部可以視作直接受風(fēng)。測(cè)量點(diǎn)選擇在院落內(nèi)部在院落角點(diǎn)、入口點(diǎn)、房屋與院落的角點(diǎn)、正房與偏房的拐點(diǎn)的6個(gè)測(cè)速點(diǎn)（圖4a），測(cè)量高度1.5 m處人直接感受風(fēng)的高度的風(fēng)。根據(jù)風(fēng)速平均極大值所在時(shí)段作為與軟件模擬的對(duì)照時(shí)段，以便于觀測(cè)和記錄。根據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)和模擬風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)（圖4b）進(jìn)行擬合度對(duì)比，由于院落西側(cè)有樹木對(duì)于風(fēng)力有所削弱，因此在靠近西側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)位產(chǎn)生了＜0.5 m/s的風(fēng)速差，其余4個(gè)點(diǎn)位風(fēng)速基本完全擬合，整體誤差在容許范圍之內(nèi)（圖4c）。因此通過CFD進(jìn)行院落風(fēng)環(huán)境模擬是可行和可靠的。

圖4 風(fēng)環(huán)境實(shí)測(cè)、模擬結(jié)果及擬合度對(duì)比Fig.4 comparison of measured and simulated wind environment results and fitting degree

3.5 不同院落類型風(fēng)環(huán)境模擬分析

通過實(shí)地調(diào)研，永勝村各院落內(nèi)部的元素有若干方面存在著差異性。政策使然，永勝村院落面積基本控制在300 m2，主要形制表現(xiàn)為20 × 15 m的規(guī)則矩形。院落大門位置根據(jù)不同的住戶需求基本可以分為東南、中部和西南三類。大門類型可以分為透風(fēng)的柵欄門和封閉的鐵門。正房面寬根據(jù)家庭經(jīng)濟(jì)情況和政策情況有短、中、長(zhǎng)三類，建筑高度上也有高低之分，個(gè)別戶有二層的正房。圍墻高度也根據(jù)調(diào)研分為了低、中、高三種情況。為了方便實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇控制變量法以減少不必要的實(shí)驗(yàn)，提高整體實(shí)驗(yàn)的可控性和直觀性。讀圖時(shí)可以直觀地根據(jù)區(qū)域的顏色、范圍判定寒風(fēng)影響程度[31]。

3.5.1 一合院式院落

在一合院式院落的模擬中（圖5），根據(jù)面寬尺寸和開門位置得出九次模擬分析結(jié)果。

圖5 一合院式院落風(fēng)環(huán)境模擬分析結(jié)果Fig.5 simulation and analysis results of courtyard wind environment

橫向?qū)Ρ?，可以看出正房面寬較小時(shí)，正房?jī)蓚?cè)會(huì)有淺綠色的色域代表風(fēng)速相對(duì)較高，隨著正房面寬增加，正房山墻和圍墻之間有可能形成風(fēng)的回環(huán)，造成山墻角落位置產(chǎn)生更大的黃色風(fēng)速區(qū)，在面寬和院落寬相等時(shí)，建筑周邊黃色和淺綠色消失，獲得了相對(duì)更加溫和的風(fēng)環(huán)境[32]。

縱向?qū)Ρ龋梢钥闯鰱|南側(cè)開門的形式會(huì)導(dǎo)致院落內(nèi)形成較多的高風(fēng)速區(qū)域。中部和西南側(cè)開門，面寬較小時(shí)西南側(cè)開門會(huì)在正對(duì)大門的位置產(chǎn)生較高的風(fēng)速區(qū)，面寬增大后兩種開門方式院落內(nèi)部風(fēng)環(huán)境基本相同。若將院門改為封閉鐵門，則整體降低了院落內(nèi)部的高風(fēng)速區(qū)域。

在建筑高度和圍墻高度的模擬中，分為一層的3.2 m和4.7 m兩種模擬情況和兩層的6.3 m的模擬情況。隨著建筑高度的增加，抵擋北側(cè)風(fēng)的屏障增高，院落內(nèi)部寒風(fēng)減小，風(fēng)環(huán)境質(zhì)量不斷提高。在圍墻高度的模擬中，根據(jù)各家各戶不同的院墻類型大致分為1.2 m、1.6 m、2.0 m三種模擬情況。隨著院墻高度的增高，院內(nèi)風(fēng)速不斷降低，獲得了相對(duì)更加溫和的院落內(nèi)風(fēng)環(huán)境[33]。

在一合院式全部模擬結(jié)果的對(duì)比和分析中，可以得出結(jié)論：一合院式院落，內(nèi)部風(fēng)速隨面寬不斷增加呈現(xiàn)拋物線型變化，面寬最大時(shí)風(fēng)速最??；院門采用封閉模式內(nèi)部風(fēng)速小于院門采用開敞模式，且開敞模式的院門以東南側(cè)開門為最差；院內(nèi)風(fēng)速隨建筑高度和院墻高度的增加而降低。

3.5.2 西廂房二合院院落

在西廂房二合院院落的模擬中（圖6），可以直觀地看到相比單院式院落，西廂房式二合院院落風(fēng)速云圖藍(lán)色區(qū)域增加，院內(nèi)整體風(fēng)速降低。正房和廂房角落同樣產(chǎn)生了渦旋增強(qiáng)的風(fēng)，但強(qiáng)度有所減弱，廂房在一定程度上減少了正房角落的渦旋現(xiàn)象，在面寬和院落寬相等時(shí)院落風(fēng)速最低。西南側(cè)開門方式相對(duì)于其他兩種開門方式在院落內(nèi)部會(huì)形成更舒適的風(fēng)環(huán)境，封閉式的院門會(huì)進(jìn)一步削減內(nèi)部風(fēng)速。在建筑高度和圍墻高度的模擬中，院內(nèi)風(fēng)速隨建筑高度和院墻高度的增加而降低。

圖6 西廂房二合院式院落風(fēng)環(huán)境模擬分析結(jié)果Fig.6 simulation analysis results of west wing courtyard wind environment

3.5.3 東廂房二合院院落

在東廂房二合院院落的模擬中（圖7），可以直觀地看到相比西廂房二合院式院落，東廂房式二合院院落風(fēng)速云圖藍(lán)色區(qū)域減少且顏色變淺，院內(nèi)整體風(fēng)速提高，證明西側(cè)廂房在一定程度上遮擋了西北寒風(fēng)對(duì)于院落內(nèi)的影響。黃色區(qū)域增多，正房和廂房角落渦旋增加。中部開門相比其他兩種形式院內(nèi)淺綠色風(fēng)速區(qū)更少，風(fēng)速更低，封閉式的院門會(huì)進(jìn)一步削減內(nèi)部風(fēng)速。在建筑高度和圍墻高度的模擬中，院內(nèi)風(fēng)速隨建筑高度和院墻高度的增加而降低。

圖7 東廂房二合院式院落風(fēng)環(huán)境模擬分析結(jié)果Fig.7 simulation analysis results of wind environment of east wing courtyard

單廂房院落形式，東廂房相比西廂房風(fēng)環(huán)境略差，但整體比單院式院落風(fēng)環(huán)境有所改善。

3.5.4 雙廂房三合院院落

在雙廂房三合院院落的模擬中（圖8），院落內(nèi)部風(fēng)速進(jìn)一步削弱，雙廂房進(jìn)一步削弱寒風(fēng)侵襲和內(nèi)部的風(fēng)流動(dòng)，風(fēng)環(huán)境更加舒適溫和。但正房和廂房角落形成了更多的黃色渦旋高風(fēng)速區(qū)域。西南側(cè)開門相比其他兩種形式風(fēng)環(huán)境更加溫和，風(fēng)速更低，封閉式的院門會(huì)進(jìn)一步削減內(nèi)部風(fēng)速。隨建筑高度和院墻高度的增加院內(nèi)風(fēng)速降低。

圖8 雙廂房三合院式院落風(fēng)環(huán)境模擬分析結(jié)果Fig.8 simulation analysis results of courtyard wind environment of double-wing courtyard

3.5.5 內(nèi)外院式院落

在內(nèi)外院式院落風(fēng)環(huán)境模擬中（圖9），院落被正房分隔成前后兩院，在一定程度上使兩院分別形成各自的風(fēng)循環(huán)，回流的風(fēng)加劇了院落內(nèi)的風(fēng)速。當(dāng)正房面寬較小時(shí)，正房西側(cè)山墻風(fēng)速為所有試驗(yàn)內(nèi)最高，隨著正房面寬增加山墻渦旋減少，面寬達(dá)到最大值時(shí)為最小。當(dāng)大門開在西南側(cè)時(shí)藍(lán)色低風(fēng)速區(qū)最多，院落內(nèi)風(fēng)環(huán)境最溫和。大門采用封閉形式時(shí)風(fēng)環(huán)境進(jìn)一步優(yōu)化。隨建筑高度和院墻高度的增加院內(nèi)風(fēng)速降低。

圖9 內(nèi)外院式院落風(fēng)環(huán)境模擬分析結(jié)果Fig.9 compound wind environment simulation results of the inside and outside the courtyard type

3.5.6 風(fēng)環(huán)境模擬及分析結(jié)論

模擬結(jié)果中，深藍(lán)色區(qū)域風(fēng)速v＜0.5 m/s的區(qū)域產(chǎn)生靜風(fēng)區(qū)的概率會(huì)增加，靜風(fēng)區(qū)內(nèi)可能形成垃圾和灰塵堆聚[34]。但冬季風(fēng)速≥6級(jí)天數(shù)d＞30，且靜風(fēng)區(qū)有助于冬季院落積雪堆積處理和建筑保溫，權(quán)衡二者的弊端嚴(yán)重性，永勝村院落風(fēng)環(huán)境考慮的主要矛盾應(yīng)是冬季高速寒風(fēng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)果的分析中，藍(lán)色區(qū)域越多意味著在高速寒風(fēng)的侵襲下院落內(nèi)低風(fēng)速區(qū)越多，風(fēng)舒適性越高，熱交換越慢，熱損失越少[35]。

通過五種情況的1.5 m高度處風(fēng)環(huán)境的分析對(duì)比，可以得出以下結(jié)論。

一合院式院落整體院落布局簡(jiǎn)單建筑功能單一，院落內(nèi)沒有遮擋和阻攔，外界空氣吹入院落內(nèi)部造成的空氣流動(dòng)阻攔匱乏，在院落內(nèi)部形成相對(duì)自由的風(fēng)，風(fēng)速較高、熱交換較快，不利于保溫。

單側(cè)廂房式的院落，在前院的基礎(chǔ)上多加蓋廂房，西側(cè)廂房形式在一定程度上遮擋了西北風(fēng)，院內(nèi)風(fēng)速相較于單前院形式的院落有所減弱。東側(cè)廂房形式院落，對(duì)院落內(nèi)風(fēng)環(huán)境有所改善，但相比于西側(cè)廂房形式的改善水平偏弱[36]。

雙側(cè)廂房式院落兩側(cè)廂房對(duì)稱分部，進(jìn)一步減弱院落內(nèi)的連續(xù)風(fēng)流動(dòng)，減少院落內(nèi)的熱量交換和損失，但形成了更多的建筑拐角，進(jìn)而形成相對(duì)高速的風(fēng)場(chǎng)。

內(nèi)外院形式院落相較于其他院落來說，形成兩個(gè)獨(dú)立的空間，兩個(gè)院落內(nèi)均產(chǎn)生高風(fēng)速區(qū)，建筑主體南北兩側(cè)均有風(fēng)流帶動(dòng)熱量的交換，更不利于保溫隔熱。

院落大門位置對(duì)于風(fēng)環(huán)境的影響較小，門的形式選擇封閉性更好的大門會(huì)提高院內(nèi)風(fēng)舒適度。院墻高度和建筑高度的提升對(duì)削弱院落內(nèi)部風(fēng)速有一定的效果。

整體優(yōu)化結(jié)果量化考量上，在模擬條件的前提下，雙廂房三合院式院落內(nèi)的0～0.64 m/s風(fēng)速區(qū)增多，達(dá)到人居環(huán)境氣候舒適度標(biāo)準(zhǔn)的舒適區(qū)（-299＜K＜-100）面積增加了約20%，其他區(qū)域也在一定程度上降低了風(fēng)速，整體院落均處在風(fēng)速V＜5 m/s的風(fēng)速范圍區(qū)，減小了風(fēng)對(duì)院落內(nèi)人的侵襲。

綜上，可以認(rèn)為五種類型中，雙側(cè)廂房三合院式的院落布置形式最有利于冬季的院落保溫隔熱，建筑高度和院墻高度在保證使用功能的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高，可以進(jìn)一步降低院內(nèi)風(fēng)速，減少熱損失。另外，雙側(cè)廂房在平面功能上也相對(duì)于其他種類更加完善和靈活，更適用于進(jìn)一步的住居空間優(yōu)化的要求?？紤]到民居本身的特異性和功能的豐富性，兩側(cè)廂房位置的建構(gòu)功能不僅僅局限于居住，還可根據(jù)不同住戶使用需求形成儲(chǔ)藏、養(yǎng)殖、種植、陽(yáng)光房與灰空間院落等各具特色的形式。

4 基于CFD分析的東北鄉(xiāng)村住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)永勝村調(diào)查和實(shí)地考察，筆者基于上文中進(jìn)行的CFD風(fēng)環(huán)境模擬進(jìn)行了建筑試設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)選取當(dāng)?shù)刈罹叩湫托缘臐M族民居作為試設(shè)計(jì)對(duì)象，在建筑的民族特色、建筑形態(tài)、院落布置、功能布局等方面綜合考慮，并以當(dāng)?shù)爻Ｒ姷脑郝涑叽缱鳛樵O(shè)計(jì)參考，模擬當(dāng)?shù)丶彝?gòu)成進(jìn)行了嘗試。

設(shè)計(jì)擬滿足核心家庭兩代居家庭使用。基于調(diào)研，同時(shí)考慮當(dāng)?shù)赜邪l(fā)展特色民宿的需求，因此試設(shè)計(jì)鎖定為多功能民宿，兼顧對(duì)內(nèi)居住和對(duì)外營(yíng)業(yè)，要求有家庭成員的基本使用空間，同時(shí)考慮營(yíng)業(yè)性，要求有大堂、餐廳、休閑空間等，功能上滿足晾曬、聚餐、乘涼等要求。試設(shè)計(jì)宅基地尺寸為20 × 15 m，基地范圍內(nèi)無明顯高差。

4.1 功能分區(qū)與平面布局

考慮對(duì)內(nèi)和對(duì)外的使用性質(zhì)，將主要對(duì)外空間放置在一層，內(nèi)部使用房間布置在二層的正房。

一層布置上，正房中心布置大堂，兩側(cè)布置為大套間客房。考慮滿族以西為貴的傳統(tǒng)，在東西廂房中選擇西側(cè)作為小戶型的客房使用了，東側(cè)用于布置廚房和餐廳（圖10a）。

二層布置上，將家庭內(nèi)部使用房間布置在正房二層，二層正房南側(cè)出挑的平臺(tái)作為一層的檐廊。同時(shí)連接一層兩側(cè)廂房的屋頂空間，形成二層開敞的空間組織形式。

考慮三合院廂房與正房之間的縫隙易形成風(fēng)井，而二層的檐廊能夠遮擋一層廂房和正房的空隙，這樣可以減少雙廂房式三合院內(nèi)部的風(fēng)旋現(xiàn)象。二層西側(cè)作為晾曬，東側(cè)形成二層夏季露天餐飲區(qū)，與一層形成上下完整的室內(nèi)室外休閑場(chǎng)所體系（圖10b）。

4.2 整體設(shè)計(jì)

院落整體呈現(xiàn)自南向北逐漸升高的趨勢(shì)，貼合滿族傳統(tǒng)民居院落北高南低的形式，同時(shí)北側(cè)增高又可以削減西北寒風(fēng)的侵襲。大門放置東南側(cè)，院落圍墻開有滿族紋飾的花窗。大門入口設(shè)有影壁，院落南部設(shè)花池作為正房對(duì)景。西南側(cè)設(shè)菜園，山墻盡端有凹龕。

院落內(nèi)部設(shè)樹池，東南側(cè)擺放滿族傳統(tǒng)祭祀物品“索倫桿”，中心位置擺放滿族圖騰的石雕。門窗紋路采用滿族傳統(tǒng)花紋，南向開大窗北向開小窗，貼合滿族傳統(tǒng)做法，爭(zhēng)取日照又減少能耗。屋頂設(shè)置有太陽(yáng)能板充分利用陽(yáng)光，提高能源利用效率減少資源浪費(fèi)。整體效果符合現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)要求和理念，留存了滿族傳統(tǒng)的文化精髓，達(dá)到了相對(duì)的平衡與和諧[37]（圖10c）。

4.3 風(fēng)環(huán)境復(fù)核

將試設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模型簡(jiǎn)化?？紤]作為上文提及的其他類型的對(duì)照組，和本身冬季高速寒風(fēng)下的對(duì)照組，進(jìn)行兩次風(fēng)環(huán)境模擬。帶入同等風(fēng)速v=3.8 m/s的條件下，得到的風(fēng)速云圖（圖10d）；帶入冬季6級(jí)寒風(fēng)風(fēng)速v＞10.8 m/s的條件下，得到的風(fēng)速云圖（圖10e）。

圖10 試設(shè)計(jì)平面效果及風(fēng)環(huán)境復(fù)核Fig.10 check the plane effect and wind environment of the trial design

通過v=3.8 m/s的風(fēng)環(huán)境模擬測(cè)試，可以明顯看到相對(duì)于普通三合院院落藍(lán)色區(qū)域增多，且?guī)抗战秋L(fēng)速加劇現(xiàn)象消失，院內(nèi)風(fēng)環(huán)境得進(jìn)一步得到改善。通過v=10.8 m/s的風(fēng)環(huán)境模擬測(cè)試，可以看出院落內(nèi)未出現(xiàn)人體感受不適的風(fēng)速v＞5 m/s的黃色區(qū)域，形成了相對(duì)穩(wěn)定舒適的院落內(nèi)風(fēng)環(huán)境。

通過風(fēng)環(huán)境模擬測(cè)試，證明所進(jìn)行的試設(shè)計(jì)針對(duì)永勝村冬季院落內(nèi)營(yíng)造了相對(duì)舒適的風(fēng)環(huán)境，阻擋寒風(fēng)并在一定程度上減少建筑的對(duì)外熱耗散。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)永勝村不同院落類型和影響因素下院落內(nèi)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬，研究表明可以通過院落內(nèi)的不同組織形式改善內(nèi)部的風(fēng)環(huán)境，進(jìn)而提升人對(duì)于居住空間風(fēng)感受的舒適度。作為驗(yàn)證和應(yīng)用，基于居民需求和風(fēng)環(huán)境改善的試設(shè)計(jì)，通過合理的院落布局和功能組織對(duì)院落風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，提供了一種東北鄉(xiāng)村住居優(yōu)化的思路和方法。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的普及和成熟，人們可以更加便捷和精準(zhǔn)地模擬自然環(huán)境。我國(guó)鄉(xiāng)村建設(shè)不斷加快的進(jìn)程中，結(jié)合CFD的風(fēng)環(huán)境模擬，可以針對(duì)不同地域的特定問題，利用控制變量法進(jìn)行模擬和測(cè)試，發(fā)現(xiàn)規(guī)律并提出最佳設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而通過布局和形式改善舒適性?！澳M—設(shè)計(jì)”的有機(jī)聯(lián)動(dòng)，可以在一定程度上改善鄉(xiāng)村院落通風(fēng)質(zhì)量，創(chuàng)造更加宜人的微環(huán)境[38]。

圖表來源：

圖1：肇源縣古龍鎮(zhèn)整體規(guī)劃圖

圖2-10：作者繪制

表1：全國(guó)氣候與變化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 27963-2011 人居環(huán)境氣候舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)[S].中國(guó)氣象局, 2011.

表2：中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T 50378-2019 綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].中華人民共和國(guó)建設(shè)部, 2019.