吉林省典型朝鮮族村鎮(zhèn)民居不同院落布局冬季風(fēng)環(huán)境模擬分析

孫睿珩

(長(zhǎng)春工程學(xué)院建筑學(xué)院,長(zhǎng)春 130021)

0 引言

村鎮(zhèn)民居院落的布局模式相較于城市住宅,受自然氣候環(huán)境的影響更大。根據(jù)農(nóng)村居民的生活習(xí)慣,院落是其主要的生產(chǎn)生活、種植養(yǎng)殖、娛樂休閑的戶外場(chǎng)所,院落風(fēng)環(huán)境的優(yōu)劣直接影響到居住者的身體健康和工作效率。

延邊朝鮮族自治州位于吉林省東部中朝邊界地帶,區(qū)內(nèi)36.3%的人口為朝鮮族,是中國(guó)唯一的朝鮮族自治州和最大的朝鮮族聚居地。該區(qū)域?qū)儆趪?yán)寒地區(qū),冬季室外氣溫低、大風(fēng)頻率較高。本文選取朝鮮族村落進(jìn)行調(diào)研,通過對(duì)4種典型院落布局形式下的冬季風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬,分析其風(fēng)環(huán)境的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 朝鮮族民居院落概況

1.1 院落功能及組成要素

朝鮮族民居院落由若干構(gòu)成要素組成,均由居民的日常生產(chǎn)生活所決定。本文調(diào)研地點(diǎn)綜合考慮朝鮮族民居院落空間形態(tài)和建筑布局形式,通過衛(wèi)星地圖的觀測(cè)和篩選,選取吉林省內(nèi)安圖縣石門鎮(zhèn)茶條村、和龍市西城鎮(zhèn)名巖村、琿春市密江鄉(xiāng)密江村、龍井市智新鎮(zhèn)明東村作為對(duì)象。通過調(diào)查走訪,總結(jié)院落功能主要有5類,即:生產(chǎn)功能、生活功能、休閑功能、綠化植被及防護(hù)功能。生產(chǎn)功能:包括養(yǎng)殖、種植、糧食、農(nóng)具存放及農(nóng)機(jī)用車停放等,與之相對(duì)的功能組成要素為養(yǎng)殖棚、菜地、倉房、農(nóng)機(jī)庫及車庫等;生活功能:包括住宿、飲食、晾曬、洗漱、如廁等,與之相對(duì)的功能組成要素為住房、旱廁等;休閑空能:包括乘涼、打牌等,行為發(fā)生比較隨機(jī),沒有固定的功能要素限定;綠化植被:除院內(nèi)的農(nóng)作物及經(jīng)濟(jì)作物外,有零星分布的用于改善自家環(huán)境的植被綠化,沒有固定的功能要素限定;防護(hù)功能:即院落圍墻,是分隔公共空間與私人院落的圍護(hù)構(gòu)件,使整個(gè)院落成為一個(gè)圍合的私密空間,其高度與材質(zhì)各不相同。如圖1所示,根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù),在生產(chǎn)功能中,用于菜園和倉庫的比例最高,分別占31%和30%,家畜和家禽飼養(yǎng)分別為18%和15%;生活功能中,如廁所占比例最高達(dá)到52%,其次是晾曬,占到41%。

圖1 院落生產(chǎn)功能與生活功能要素百分比

1.2 院落形狀及規(guī)模

通過調(diào)研走訪,結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),總結(jié)出朝鮮族民居院落的主要形狀為:方形院落、矩形院落、條形院落3種。其中方形院落寬度區(qū)間為16～25 m,長(zhǎng)度區(qū)間也為16～25 m;矩形院落寬度區(qū)間為16～25 m,長(zhǎng)度區(qū)間為26～36 m;條形院落寬度區(qū)間為16～25 m,長(zhǎng)度區(qū)間為46～55 m。所以將模擬院落模型簡(jiǎn)化為:方形院落尺度為20 m×20 m,矩形院落尺度為20 m×30 m,條形院落尺度為20 m×50 m,如圖2所示。

方形院落 矩形院落 條形院落

1.3 院落布局形式

院落布局形式由院落的組成元素的位置決定。依據(jù)主房的位置可將院落分為前院、后院、前后院3種,如圖3所示。根據(jù)前文各要素所占百分比及調(diào)研數(shù)據(jù),院落布局形式主要由住房、倉房、菜園、旱廁的位置所決定。旱廁考慮到衛(wèi)生及異味的影響,一般單獨(dú)布置在與盛行風(fēng)向垂直的下風(fēng)向,即院落的東北角,而倉房作為村鎮(zhèn)民居主要的存儲(chǔ)空間,需與主房有較近的距離以方便使用,主房與倉房的位置關(guān)系有:主房與倉房平行布置的“一”字形、主房與倉房垂直布置的“L”型、兩個(gè)倉房分別垂直布置于主房?jī)蓚?cè)的“U”字型。綜合前述分析,本文所研究的院落布局形式為4種,即:①“一”字型(主房與倉房平行);②“L”字型1(倉房垂直于主房左側(cè));③“L”型2(倉房垂直于主房右側(cè));④“U”字型(倉庫垂直于主房?jī)蓚?cè)),如圖3所示。

圖3 院落布局形式示意圖

2 風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬方法

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬軟件應(yīng)用、驗(yàn)證的研究,以及對(duì)數(shù)值模擬軟件的各種對(duì)比分析,本文選擇Fluent軟件作為風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬軟件(解算器),Gambit軟件作為建模軟件(預(yù)處理),Tecplot軟件作為最新的數(shù)據(jù)處理軟件。

2.1 模型的簡(jiǎn)化

數(shù)學(xué)模型:選擇Fluent軟件中的RNGk-ε模型,即改進(jìn)的k-ε模型。通過將風(fēng)壓數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,該模型的RNGk-ε數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果較好,基本能反映典型鈍體結(jié)構(gòu)繞流的復(fù)雜流動(dòng)特性[1]。

幾何模型:根據(jù)調(diào)查結(jié)果簡(jiǎn)化模擬中使用的幾何模型,僅保留主房、倉庫和圍墻。主房尺寸為6 m(寬)×10 m(長(zhǎng))×4.5 m(高);倉房尺寸為4 m(寬)×6 m(長(zhǎng))×4 m(高);圍墻高1.5 m,如圖4所示。由于菜園植物高度<1.5 m,對(duì)行人高度處風(fēng)環(huán)境影響不大,可忽略不計(jì)。室外廁所面積小,對(duì)風(fēng)速影響不明顯,也可省略。為了減少模擬區(qū)域邊界條件對(duì)建筑物的影響,在模擬區(qū)域內(nèi)建立一個(gè)靠近大氣層的開放式室外空間。風(fēng)場(chǎng)迎風(fēng)向設(shè)為院落長(zhǎng)度的5倍,下風(fēng)向設(shè)為院落長(zhǎng)度的10倍,風(fēng)場(chǎng)高度設(shè)為建筑物高度的5倍[2]。

圖4 數(shù)值模擬模型簡(jiǎn)化示意圖

2.2 邊界條件設(shè)定

Fluent軟件對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬需要定義3種邊界類型,即:速度入口、壓力出口、壁面。

速度入口:本文主要針對(duì)冬季風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬,所以風(fēng)向選用西北風(fēng),風(fēng)速為3.57 m/s,設(shè)置X軸方向?yàn)?,Y軸方向?yàn)?1正交分解;壓力出口:這種邊界條件能夠很好地解決回流出口收斂困難的問題,設(shè)定氣流強(qiáng)度為2%,黏性比為5[3];壁面條件:建筑表面、地面選用無滑移條件,法線方向風(fēng)速值設(shè)為0[4]。

3 不同院落布局形式風(fēng)環(huán)境模擬

通過比較不同布局的庭院風(fēng)速、風(fēng)壓圖可知院落外風(fēng)速高于院落內(nèi)風(fēng)速,不同布局形式的院落風(fēng)速分布差異明顯。

如圖5～6所示,分別為“一”字型布局形式風(fēng)速和風(fēng)壓分布圖。風(fēng)速比為1.04,風(fēng)速高值區(qū)域?yàn)橹鞣颗c圍墻之間的迎風(fēng)面,風(fēng)影區(qū)主要在主房的背風(fēng)面,風(fēng)影區(qū)內(nèi)風(fēng)速比0.17,面積約為總建筑面積的3/4,主房西南角形成角隅風(fēng),風(fēng)速值高,風(fēng)速比為1.15。風(fēng)壓高值分布于建筑的迎風(fēng)面,容易造成冷風(fēng)的滲透,應(yīng)對(duì)主房迎風(fēng)面門窗進(jìn)行氣密性及保溫設(shè)計(jì)。

圖5 “一”字型布局風(fēng)速分布圖

圖6 “一”字型布局風(fēng)壓分布圖

如圖7～8所示,分別為“L”型1布局形式(倉房垂直于主房左側(cè))風(fēng)速和風(fēng)壓分布圖。風(fēng)速比為0.98,風(fēng)速高值區(qū)域?yàn)橹鞣颗c圍墻之間的迎風(fēng)面,風(fēng)影區(qū)主要在主房、倉房的背風(fēng)面,風(fēng)影區(qū)內(nèi)風(fēng)速比0.12,面積約為總建筑面積的1.5倍,主房西南角形成角隅風(fēng),風(fēng)速值高,風(fēng)速比為1.02并伴有低速渦流。風(fēng)壓高值分布于主房的西北角,容易造成冷風(fēng)的滲透,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)主房西北角墻體的保溫及兩側(cè)門窗氣密性設(shè)計(jì)。

圖7 “L”型1(倉房垂直于主房左側(cè))布局風(fēng)速分布圖

如圖9～10所示,分別為“L”型2布局形式(倉房垂直于主房右側(cè))風(fēng)速和風(fēng)壓分布圖。主房的位置削弱了其對(duì)風(fēng)的阻擋作用,在主房的東北角形成了角隅風(fēng),風(fēng)速較大,風(fēng)速比為1.06,風(fēng)速高值區(qū)域?yàn)橹鞣颗c圍墻之間的迎風(fēng)面,風(fēng)影區(qū)主要在主房的背風(fēng)面,風(fēng)影區(qū)內(nèi)風(fēng)速比0.08,面積約為總建筑面積的1.25倍。主房與右側(cè)倉房間的走道空間距離較近,形成了風(fēng)的狹管效應(yīng),風(fēng)速值高,風(fēng)速比為0.97并伴有低速渦流。風(fēng)壓高值分布于主房的迎風(fēng)面,容易造成冷風(fēng)的滲透,應(yīng)對(duì)主房迎風(fēng)面門窗進(jìn)行氣密性及保溫設(shè)計(jì),并需要在院落中主房與倉房中間走道位置設(shè)置綠植等防風(fēng)措施。

圖8 “L”型1(倉房垂直于主房左側(cè))布局風(fēng)壓分布圖

圖9 “L”型2(倉房垂直于主房右側(cè))布局風(fēng)速分布圖

圖10 “L”型2(倉房垂直于主房右側(cè))布局風(fēng)壓分布圖

如圖11～12所示,分別為“U”型布局形式風(fēng)速和風(fēng)壓分布圖。主房的東北角形成了角隅風(fēng),風(fēng)速較大,風(fēng)速比為1.11,由于布局形式的圍合程度增加,風(fēng)影區(qū)位于建筑背風(fēng)面與兩側(cè)倉房之間區(qū)域,面積相當(dāng)于建筑面積的2倍,風(fēng)速比為0.09,并伴有低速渦流。風(fēng)壓高值分布于主房的迎風(fēng)面,容易造成冷風(fēng)的滲透,應(yīng)對(duì)主房迎風(fēng)面門窗進(jìn)行氣密性及保溫設(shè)計(jì)。

圖11 “U”型布局風(fēng)速分布圖

圖12 “U”型布局風(fēng)壓分布圖

如圖13所示,根據(jù)最大風(fēng)速比和風(fēng)影區(qū)面積,風(fēng)環(huán)境排序:“L”型1布局>“L”型2布局>“U”型布局>“一”字型布局。

圖13 不同院落布局形式風(fēng)環(huán)境比較

4 結(jié)論

通過風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬和統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,不同的院落布局形式對(duì)其內(nèi)部的風(fēng)速大小、風(fēng)影區(qū)面積有著直接的影響,采用“U”型和“L”型布局形式的院落風(fēng)環(huán)境優(yōu)于“一”字型布局形式的院落。

1)迎風(fēng)面建筑圍合程度越高,院落內(nèi)風(fēng)速值越低;

2)迎風(fēng)面建筑數(shù)量越多,院落內(nèi)風(fēng)影區(qū)面積越大。

由于吉林省朝鮮族村鎮(zhèn)院落處于嚴(yán)寒地區(qū),冬季寒風(fēng)溫度低且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)居民院落內(nèi)空間的使用影響最大,其院落風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)應(yīng)遵循冬季防風(fēng)為主,夏季通風(fēng)為輔。綜合考慮風(fēng)速、風(fēng)影區(qū)面積、渦流數(shù)量因素,“L”型1院落風(fēng)環(huán)境最佳,可供既有吉林省朝鮮族村鎮(zhèn)院落風(fēng)環(huán)境改善和新建院落設(shè)計(jì)參考。