基于计算流体动力学的晋东南传统院落内部风环境数值分析

李昉芳， 石谦飞

(太原理工大学建筑学院, 太原 030024)

随着全球性环境与资源问题的出现,生态建筑越来越受到关注和重视。不适宜的建筑组群布局可能会造成室外静风区或背部涡流区等不良风环境,对夏季通风散热亦或是冬季挡风防寒造成不利影响。中外众多学者对建筑室外风环境进行了实验研究,并已取得诸多理论成果。应小宇等[1]以6幢方形截面高层建筑组成的建筑群的周围风环境为研究对象,利用计算机模拟对比分析不同布局形式建筑群的风速比和风向分布,探讨了平面布局对风环境的影响。曾穗平等[2]运用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)风环境模拟,通过选取4类组团的20种居住模块,讨论了居住模式组团冬季、夏季风环境特征,探索不同空间布局形态的通风效率。前人研究主要中在现代城市中建筑组合模式的风环境模拟,实际上,传统聚落对于自然通风的依赖性比现代城市更大,不少传统民居就是典型的生态建筑,具有明显的热舒适性及节能优势[3]。黄策等[4]通过模拟典型满族民居院落冬夏两季风环境,总结了该类型传统民居在适应北方风环境方面的优缺点。张欣宇等[5]以东北严寒地区典型村落为研究对象,通过风环境模拟的方法,从聚落发展规模和空间布局形式两方面探讨了冬季冷风对村落的影响。肖毅强等[6]在实地测量的基础上,对广府地区相关传统村落的热环境和风环境进行模拟,讨论该地区气候适应性特征,并归纳了其组织方式与尺度规律。然而总体上看,前人研究中针对传统村落室外风环境的研究较少,且主要集中在村落整体或典型建筑单体的风环境特征讨论,缺乏对村落中各民居院落的具体分类探讨,对于院落风环境与空间布局耦合规律的研究仍处于空白。

基于此,将晋东南传统院落细分为21个工况,针对夏季和冬季不同的风环境要求进行数据比对和定量分析,并将各工况的院落形态以建筑体积的形式量化,探讨其与风速比的耦合关系。

1 晋东南传统楼院式民居基本状况

1.1 晋东南地区基本气候条件

晋东南地区位于山西东南部,东依太行山,东南部分别与河北、河南两省相邻,西部与临汾地区交界,北面是晋中地区。晋东南地区为高原地形,境内地形复杂,盆地、丘陵、山地纵横交错,并有沁水、漳水、丹水等河流流经[7]。属于暖温带半湿润大陆性季风气候区,受大陆性季风气候的影响,四季分明,年平均温度9 ℃,冬季盛行西北风,夏季盛行东南风,聚落规划需同时兼顾夏季通风和冬季防寒的要求。

1.2 晋东南地区传统合院式民居类型

晋东南地区传统民居主要采用四合院形式,被称为“四大八小”院落,由正房、东西厢房和倒座围合而成,四角为耳房和夹房,平面趋近于正方形[8]。院墙一般高大厚实,有效地将院内外空间分割开来,院内安宁静谧,封闭安全。根据黄庄村各个宅院的围合形式,可分为4个类型的院落:“口”形院、“U”形院、“L”形院、“一”形院。

晋东南传统楼院为双出水硬山式两层楼房,二层较低矮,只做储藏物品、粮食之用,一层住人。由于二层相对一层较低,使得二层比一层便于通风,物品和粮食在二层不会受潮,便于保存。加之当地太阳辐射强烈,有明显的季节性,气温的年、日变化大,二层起到了有效的阻隔作用。根据晋东南传统聚落各类型民居传统二层楼院与普通单层建筑的组合形式,归纳出21种院落组合形式(图1、图2)。

图1 晋东南传统聚落民居布局Fig.1 Layout of traditional settlements in Southeast Shanxi

图2 晋东南传统院落组合形式分类Fig.2 Classification of the combination forms of traditional courtyards in Southeast Shanxi

2 风环境模型的建立

2.1 模拟边界条件与区域大小设定

相对于风速仪实测数据不稳定和测量周期较长的缺点,CFD模拟数据模拟仿真度很高,且在近年得到了广泛的发展[9-10]。在风环境模拟中,采用的是计算流体与计算传热学软件PHOENICS,基于有限容积法,使CAD软件与其有效对接[9]。由于风场受到地面、低矮树木等影响,模拟设定风场为梯度风场,湍流模型采用模拟精度较高且较常用的k-ε模型,即只引入湍流脉动动能(k)与湍流耗散率(ε)两个量的输运微分方程湍流模型[11]。

风场范围的选择对于模拟结果的可信度有很大关系。对于院落中风场范围的界定,考虑民居背风面尾流区的风环境分布情况,设定为二倍院落大小,即36.2 m×46.4 m。竖向风场范围的界定方面,风场高度定为二倍最大建筑高度,即18.2 m。

根据对晋东南地区气象数据采集和分析,模拟的风场参数条件选择晋东南夏季平均条件(风向:SE；风速:3.6 m/s)和冬季典型条件(风向:NW；风速:4.8 m/s)[12]。为了便于统一比较,所有工况按照理想的院落布局,使正房开窗一侧的长边垂直且正面正南方向。

2.2 建筑模型与测点设定

以陵川县黄庄村为例,各庭院除去个别因地形造成的特殊情况,庭院横向进深(L1)与庭院纵向进深(L2)比例在1∶0.8～1∶1.3。在风环境模拟中,为了便于相互比较,将L1与L2的比值设定为黄庄村内各庭院纵横比的平均值1∶1.1,庭院大小为6 m×6.6 m。

模拟将按照院落空间位置划分三类测点进行测算[13]。第一类是在院落空间中较为偏僻的四角安置的4个测点R1、R2、R3、R4；第二类是四角测点相互连线的中点Q1、Q2、Q3、Q4；第三类是院落内部区域的测点,包括院落中点O,以及四角测点与O点连线的中点P1、P2、P3、P4(图3)。三类测点由院落内偏僻位置至核心位置均匀分布,以反映晋东南传统楼院空间的风环境情况。

图3 测点位置示意图Fig.3 Schematic diagram of measuring point location

2.3 风环境评价标准

中外现今陆续对建筑周边风速设置了限制,但对于建筑周边环境风环境仍无一致评价标准,目前主要的评价方法主要有：相对舒适度评估法、风速概率统计评估法和风速比评估法[14]。相对舒适度评估法和风速概率统计评估法在一定程度上基于人的主观感受,易产生因人而异的差异性。研究的是民居院落空间1.5 m人行高度处的风环境状况,使用风速比评估法为评价方法,以计算机模拟得出的1.5 m高度院落中不同测点的风速与不受干扰的来流处风速比值来表示受不同院落环境影响的风环境[15]。风速比计算公式为

K=V0/v

(1)

式(1)中:K为风速比；V0为测点风速；v为来流风速。

3 模拟结果及分析

3.1 夏季院落内风环境比较分析

经过计算机模拟得出21种楼院空间在夏季东南风影响下1.5 m人行高度的风速模拟结果(图4),并依据测点测得的数据进行统计和分析[16]。

3.1.1 基于民居围合形式的夏季风环境比较分析

二层楼院是晋东南传统民居常用的建筑形式,通过分析工况A1(“口”形院)、工况B1(“U”形院)、工况C1(“L”形院)、工况D1(“一”形院)的夏季各测点风速比情况(图5),并进行比较,可得出基于不同民居建筑围合形式的风环境特点。

第一类测点R1、R2、R3、R4的风速比可以反映院落角落处的风环境情况。此类测点中,工况A1和工况B1在测点R3处出现峰值(0.86、0.93),空气流动情况较好,但工况A1在测点R1、R4形成了风速很低的风影区,对其整体角落空气流动情况评估造成不利影响。工况C1和D1的风速比在4个测点的数值皆处于0.25～0.55的平稳区,且低风速区相对较多。由此可见,“口”形院和“U”形院由于建筑物对风有更强的拦截能力,对于院落开口位置更加敏感,而在“L”形院和“一”形院中,院落角落处的涡流平缓且弱,容易造成污染物堆积在角落处。综合第一类测点各工况的平均风速比(表1),院落角落处风环境情况由好到差分别为工况B1、C1、D1、A1。

反映院落轴线风环境情况的第二类测点中,“口”形院四周皆为二层建筑,院内风速比最高值极大程度受开口位置影响。工况A1在测点Q2出现0.71的小峰值,远高于其余3个工况的风速比(0.21～0.24),但在测点Q1、Q3、Q4的风速比均处于较低位置,表现出了较强的波动性。其他类型院落则更大程度受围墙的位置影响,工况B1、C1、D1在测点Q2、Q3、Q4的风速比走势有一定的相似性,空气流动情况最好的是工况B1,最差的是工况C1。以四个测点的平均风速比为标准,院落空间轴线处风环境情况由好到差分别为工况D1、B1、A1、C1。

在院落内部的第三类核心测点的测算中,4个工况在风速比的比较上出现了断层。工况A1、B1在5个测点的风速比均明显优于工况C1、D1,其中工况A1在测点P2出现内部区域的小峰值0.49,工况B1则在测点P3出现小峰值0.64。院落内部5个测点处的风速比由高到低分别为工况B1、A1、D1、C1。

综合来看,在夏季东南风主导条件下,所有测点的平均风速比依次为B1>A1>D1>C1,可以发现“U”形院于“U口”处承接院外来流的同时形成开口处的高风速通道；“口”形院易受院落开口位置影响形成较强导风通道,但其余角落易形成静风区；“L”形院(工况C1)与“一”形院(工况D1)则院内风影区面积较大,难以营造舒适的夏季院内风环境。

3.1.2 基于民居组合高度的夏季风环境比较分析

为了进一步分析晋东南传统民居建筑单双层组合情况对院落内风环境的影响,笔者分析了更适宜营造夏季风环境的“口”形院和“U”形院的风速比变化情况如图6所示。

“口”形院各院落风速比在第一类测点的测算中,工况A1、A2、A3和A5呈现出波动性更大且高度相似的特点,具体表现为测点R3处高峰风速比更高(0.85～0.88),测点R1处低谷风速比更低(0.05～0.11)。其他5个工况也呈现相似度很高的特点,在测点R3和R4分别出现最高值(0.68～0.76)和最低值(0.09～0.22)。此类测点中工况A8由于初始来流方向建筑低矮,院落角落的风速比最高。“U”形院与“口”形院风速比的情况相比略有不同,5种工况较均匀分布,基本按照同一走势未分化为两类,风速比最高的是工况B2、B1。

第二类测点的测算中,“口”形院在测点Q1、Q2处仍然延续第一类测点中的走势,在测点Q3、Q4处逐渐分散,说明“口”形院内中轴线位置上靠近开口处比开口较远处和院落角落处更易受民居组合高度外其他因素影响。工况A5、A8、A2在院落轴心处风速比最高。“U”形院风速比在第二类测点整体较多样化,可以认为是影响此类测点风环境的因素较多,风速比最高的仍为工况B2、B1。

第三类院落内部测点的风速比显示,“口”型院中工况A1、A2、A3和A5在测点P1、P2、P3处风速比明显更有优势,但在测点P4和O有所下降。说明气流经过测点P4和O处时风环境受民居层数影响明显。与之相对,测点P1、P2、P3处工况A1、A2、A3和A5相差很小,主要受开口位置气流影响,受布局影响较小。而其他5种工况则相反,更易受民居高度组合影响。“U”形院内部测点走势与第一类角落测点相似,风速比最大的为工况B1、B2。

从所有测点的平均风速比(表2)可知,“口”形院风速比由高至低,即夏季风环境由好至差分别为A5、A8、A2、A3、A6、A1、A7、A4,“U”形院由好至差分别为工况B2、B1、B3、B5、B4。“口”形院中风速比最高的工况A5并不是晋东南传统楼院中常用的典型形式,但在晋东南传统聚落的典型集中式居住群组布局中,居住单元相互咬合形成整体,工况A5形成的院落内风环境类似于此种院落组合,可以营造出良好的夏季通风环境。由工况A2优于工况A3,工况A6优于工况A7,工况B2优于工况B3,以及未具体累述的工况C1优于工况C2,工况C3优于工况C4等几项模拟结果,可以看出当东西厢房为不同高度或层数时,西厢房高东厢房低可使院落内形成更大面积的高风速区,改善通风条件。此外,工况A8、B4的风速比情况显示,南向高北向低的晋东南传统簸箕院也有利于营造好的空气流通环境。

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

3.2 冬季院落内风环境比较分析

晋东南冬季天气寒冷,院落内各测点的风速比越低,越能营造理想的室外风环境。冬季的人行高度风速比情况(图7)与夏季较类似,仅方向相反。

图7 冬季院落内风环境模拟结果Fig.7 Simulation results of wind environment in courtyards in winter

3.2.1 基于民居围合形式的冬季风环境比较分析

选取所有建筑均为二层建筑的工况A1(“口”形院)、工况B1(“U”形院)、工况C1(“L”形院)、工况D1(“一”形院)进行冬季各测点风速比的比较(图8),分析冬季不同围合形式院落的风环境特点。

图8 工况A1、B1、C1、D1各测点冬季风速比Fig.8 Wind speed ratio of each measuring point under working condition A1, B1, C1, D1 in winter

工况A1在角落测点和中轴线测点的风环境特点有相似之处,对于院落开口位置敏感,在测点R3、R4、Q3处风速比峰值很高(1.0～1.4),在其余不正对院落开口的测点处则风速比很低(0.1～0.4)。但在院落内部的五个测点,工况A1的风速比基本稳定处于较低水平,寒冷条件下院落内风环境较舒适。工况B1的风速比走势整体与夏季相似,相邻测点风速比相差大,在第三类测点的平均风速比很高,来流在正房与厢房之间被加速,形成狭管效应。工况C1由于在西北方向高大,抵挡了冬季主导风,因此在三类测点处均获得了较为稳定的低风速比值,仅在测点Q4有小峰值(0.8)。工况D1则同工况B1具有相同缺点,即相邻测点风速比相差大,在各类测点的比较中均不占优势。

在冬季西北风主导条件下,所有测点的平均风速比(表3)由低至高,即冬季风环境由好至差分别为工况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 工况A1,B1,C1,D1冬季平均风速比Table 3 Table of average wind speed ratio under working condition A1, B1, C1, D1 in winter

3.2.2 基于民居组合高度的冬季风环境比较分析

为了便于统一比较,同样选取“口”形院和“U”形院的风速比变化情况(图9)分析冬季晋东南传统民居建筑单双层组合情况对院落内风环境的影响。

图9 “口”形院、“U”形院冬季各测点风速比Fig.9 Wind speed ratio of each measuring point of “mouth” courtyard and “U”courtyard in winter

“口”形院各工况在内部5个测点的风速比相差不大,风速比差异情况基本体现在前两类测点处。

工况A1、A2、A3、A5倒座与厢房建筑外墙之间自西向东形成了狭管效应,因此在测点R4、Q3、R3处风速变的较大,风速比均大于1。工况A8也形成了此效应,但由于倒座和东西厢房均较为低矮,狭管效应有所减弱。工况A4、A6、A7院落内的风速比稳定在0.67以内,基本不会对院内活动造成不利影响。

“U”形院的比较中,工况B1、B2正房与厢房之间形成的高风速区与因院落开口形成的高风速区相互融合叠加,使得测点R1、R2、R3、Q1、Q2处的风速比比其他工况更高,第一类和第二类的平均风速比也更高。工况B3、B4则由于西厢房仅一层,对来流阻挡能力较弱,使得院落内部测点的风速比有所提高(0.72、0.61)。工况B5由于所有建筑均为单层,正房与厢房之间狭管效应弱,院内低风速区面积大,风速比低。

从所有测点的平均风速比(表4)可知,“口”形院风速比由低至高,即冬季风环境由好至差分别为工况A6、A4、A8、A7、A1、A2、A5、A3,“U”形院由低至高分别为工况B5、B4、B2、B3、B1。不同于低层建筑对风的阻挡作用较弱的一般认知,工况B5由于难形成高风速区,风速比最低,可见单层民居院落在冬季抗风方面比较有优势。由工况A2优于A3,工况A6优于工况A7,工况B2优于工况B3的模拟结果(表4)可以看出,当东西厢房为不同高度或层数时,冬季西厢房高东厢房低的形式仍能营造更优质的风环境和更舒适的活动条件。由工况A3、B3的风速比排名可以得知,在来流方向形成高度的凹口会对冬季院落内风环境造成不利影响。

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

4 院落平均风速比与建筑体积的耦合分析

通过计算所有工况的建筑体积,将每一种工况的院落形态量化,分析各工况院落内平均风速比与建筑体积的耦合关系。当建筑体积相同,东西厢房层数相互交换时,选取能营造更好风环境的情况,即东厢房高西厢房低的工况A2、A6、B2、C1、C3、C5。通过罗列15组数据的风速比散点情况,利用MATLAB数据分析软件进行曲线拟合,得到建筑体积(x)与院落平均风速比(y)的曲线(图10)。

图10 院落平均风速比与建筑体积Fig.10 Curve analysis of average wind speed ratio and building volume of courtyard

夏季院落平均风速比(y)与建筑体积(x)的曲线公式为

y=-4.43×10-10x3+1.27×10-6x2-

1×10-3x+4.94×10-1

(2)

从式(2)可以发现,随着院落内建筑体积的增大,院落内平均风速比呈现多项式的回归关系。风速比曲线的单调区间主要由民居围合形式决定,在“一”形院的区间y先随着x的增大而减小,到了“L”形院的区间,y开始随x的增大而增大,随后在“U”形院的区间,y继续增大达到最大值,继而在“口”形院的区间,y开始随x增大而重新减小。

冬季院落平均风速比(y)与建筑体积(x)的曲线公式为

y=1.15×10-12x4-4.92×10-9x3+

7.09×10-6x2+4×10-3x+9.36×10-1

(3)

式(3)中：风速比曲线的单调区间仍然由民居围合形式决定,前两个单调区间与夏季模拟曲线具有相似性,但在后两个单调区间,“口”形院各点y先随x增大而减小,随后又迅速增大。在冬季和夏季的拟合曲线中,“口”形院各散点的拟合度均不高,说明在围合性好的院落中平均风速比更易受除建筑体积外其他因素的影响。

5 晋东南院落布局模式选择与优化

晋东南地区冬冷夏热,院落布局除了需要考虑夏季导风疏热的问题,还需要考虑冬季阻风防寒的问题。为达到导风疏热的目的,可选择“口”形院、“U”形院中的工况A5、A8、A2、A6、A1、B2、B1、B3；为达到冬季阻风防寒的目的,可选择“口”形院、“L”形院中的工况A6、A4、A8、A1、C1、C3。综合考虑,建筑物全围合的“口”形院中的工况A1、A2、A6、A8方案兼顾夏季散热与冬季抗寒的功能,且工况A6营造了最舒适的院落内风环境。

6 结论

(1)建筑物全围合的“口”形院最能兼顾夏季散热与冬季抗寒的功能,且“口”形院中正房西厢房双层、倒座东厢房单层的院落布局形式,营造了最舒适的院落内风环境。

(2)当东西厢房为不同高度或层数时,西厢房高东厢房低能营造更优质的风环境和更舒适的活动条件。

(3)风速比曲线的单调区间主要由民居围合形式决定,单调性则由主要由民居组合高度决定。