孙睿珩
(长春工程学院建筑学院,长春 130021)
村镇民居院落的布局模式相较于城市住宅,受自然气候环境的影响更大。根据农村居民的生活习惯,院落是其主要的生产生活、种植养殖、娱乐休闲的户外场所,院落风环境的优劣直接影响到居住者的身体健康和工作效率。
延边朝鲜族自治州位于吉林省东部中朝边界地带,区内36.3%的人口为朝鲜族,是中国唯一的朝鲜族自治州和最大的朝鲜族聚居地。该区域属于严寒地区,冬季室外气温低、大风频率较高。本文选取朝鲜族村落进行调研,通过对4种典型院落布局形式下的冬季风环境进行数值模拟,分析其风环境的优缺点。
1.1 院落功能及组成要素
朝鲜族民居院落由若干构成要素组成,均由居民的日常生产生活所决定。本文调研地点综合考虑朝鲜族民居院落空间形态和建筑布局形式,通过卫星地图的观测和筛选,选取吉林省内安图县石门镇茶条村、和龙市西城镇名岩村、珲春市密江乡密江村、龙井市智新镇明东村作为对象。通过调查走访,总结院落功能主要有5类,即:生产功能、生活功能、休闲功能、绿化植被及防护功能。生产功能:包括养殖、种植、粮食、农具存放及农机用车停放等,与之相对的功能组成要素为养殖棚、菜地、仓房、农机库及车库等;生活功能:包括住宿、饮食、晾晒、洗漱、如厕等,与之相对的功能组成要素为住房、旱厕等;休闲空能:包括乘凉、打牌等,行为发生比较随机,没有固定的功能要素限定;绿化植被:除院内的农作物及经济作物外,有零星分布的用于改善自家环境的植被绿化,没有固定的功能要素限定;防护功能:即院落围墙,是分隔公共空间与私人院落的围护构件,使整个院落成为一个围合的私密空间,其高度与材质各不相同。如图1所示,根据调研数据,在生产功能中,用于菜园和仓库的比例最高,分别占31%和30%,家畜和家禽饲养分别为18%和15%;生活功能中,如厕所占比例最高达到52%,其次是晾晒,占到41%。
图1 院落生产功能与生活功能要素百分比
1.2 院落形状及规模
通过调研走访,结合数据统计,总结出朝鲜族民居院落的主要形状为:方形院落、矩形院落、条形院落3种。其中方形院落宽度区间为16～25 m,长度区间也为16～25 m;矩形院落宽度区间为16～25 m,长度区间为26～36 m;条形院落宽度区间为16～25 m,长度区间为46～55 m。所以将模拟院落模型简化为:方形院落尺度为20 m×20 m,矩形院落尺度为20 m×30 m,条形院落尺度为20 m×50 m,如图2所示。
方形院落 矩形院落 条形院落
1.3 院落布局形式
院落布局形式由院落的组成元素的位置决定。依据主房的位置可将院落分为前院、后院、前后院3种,如图3所示。根据前文各要素所占百分比及调研数据,院落布局形式主要由住房、仓房、菜园、旱厕的位置所决定。旱厕考虑到卫生及异味的影响,一般单独布置在与盛行风向垂直的下风向,即院落的东北角,而仓房作为村镇民居主要的存储空间,需与主房有较近的距离以方便使用,主房与仓房的位置关系有:主房与仓房平行布置的“一”字形、主房与仓房垂直布置的“L”型、两个仓房分别垂直布置于主房两侧的“U”字型。综合前述分析,本文所研究的院落布局形式为4种,即:①“一”字型(主房与仓房平行);②“L”字型1(仓房垂直于主房左侧);③“L”型2(仓房垂直于主房右侧);④“U”字型(仓库垂直于主房两侧),如图3所示。
图3 院落布局形式示意图
根据国内外对风环境数值模拟软件应用、验证的研究,以及对数值模拟软件的各种对比分析,本文选择Fluent软件作为风环境数值模拟软件(解算器),Gambit软件作为建模软件(预处理),Tecplot软件作为最新的数据处理软件。
2.1 模型的简化
数学模型:选择Fluent软件中的RNGk-ε模型,即改进的k-ε模型。通过将风压数值计算结果与现场实测值进行比较,该模型的RNGk-ε数值预测结果较好,基本能反映典型钝体结构绕流的复杂流动特性[1]。
几何模型:根据调查结果简化模拟中使用的几何模型,仅保留主房、仓库和围墙。主房尺寸为6 m(宽)×10 m(长)×4.5 m(高);仓房尺寸为4 m(宽)×6 m(长)×4 m(高);围墙高1.5 m,如图4所示。由于菜园植物高度<1.5 m,对行人高度处风环境影响不大,可忽略不计。室外厕所面积小,对风速影响不明显,也可省略。为了减少模拟区域边界条件对建筑物的影响,在模拟区域内建立一个靠近大气层的开放式室外空间。风场迎风向设为院落长度的5倍,下风向设为院落长度的10倍,风场高度设为建筑物高度的5倍[2]。
图4 数值模拟模型简化示意图
2.2 边界条件设定
Fluent软件对风环境进行数值模拟需要定义3种边界类型,即:速度入口、压力出口、壁面。
速度入口:本文主要针对冬季风环境进行模拟,所以风向选用西北风,风速为3.57 m/s,设置X轴方向为1,Y轴方向为-1正交分解;压力出口:这种边界条件能够很好地解决回流出口收敛困难的问题,设定气流强度为2%,黏性比为5[3];壁面条件:建筑表面、地面选用无滑移条件,法线方向风速值设为0[4]。
通过比较不同布局的庭院风速、风压图可知院落外风速高于院落内风速,不同布局形式的院落风速分布差异明显。
如图5～6所示,分别为“一”字型布局形式风速和风压分布图。风速比为1.04,风速高值区域为主房与围墙之间的迎风面,风影区主要在主房的背风面,风影区内风速比0.17,面积约为总建筑面积的3/4,主房西南角形成角隅风,风速值高,风速比为1.15。风压高值分布于建筑的迎风面,容易造成冷风的渗透,应对主房迎风面门窗进行气密性及保温设计。
图5 “一”字型布局风速分布图
图6 “一”字型布局风压分布图
如图7～8所示,分别为“L”型1布局形式(仓房垂直于主房左侧)风速和风压分布图。风速比为0.98,风速高值区域为主房与围墙之间的迎风面,风影区主要在主房、仓房的背风面,风影区内风速比0.12,面积约为总建筑面积的1.5倍,主房西南角形成角隅风,风速值高,风速比为1.02并伴有低速涡流。风压高值分布于主房的西北角,容易造成冷风的渗透,应加强对主房西北角墙体的保温及两侧门窗气密性设计。
图7 “L”型1(仓房垂直于主房左侧)布局风速分布图
如图9～10所示,分别为“L”型2布局形式(仓房垂直于主房右侧)风速和风压分布图。主房的位置削弱了其对风的阻挡作用,在主房的东北角形成了角隅风,风速较大,风速比为1.06,风速高值区域为主房与围墙之间的迎风面,风影区主要在主房的背风面,风影区内风速比0.08,面积约为总建筑面积的1.25倍。主房与右侧仓房间的走道空间距离较近,形成了风的狭管效应,风速值高,风速比为0.97并伴有低速涡流。风压高值分布于主房的迎风面,容易造成冷风的渗透,应对主房迎风面门窗进行气密性及保温设计,并需要在院落中主房与仓房中间走道位置设置绿植等防风措施。
图8 “L”型1(仓房垂直于主房左侧)布局风压分布图
图9 “L”型2(仓房垂直于主房右侧)布局风速分布图
图10 “L”型2(仓房垂直于主房右侧)布局风压分布图
如图11～12所示,分别为“U”型布局形式风速和风压分布图。主房的东北角形成了角隅风,风速较大,风速比为1.11,由于布局形式的围合程度增加,风影区位于建筑背风面与两侧仓房之间区域,面积相当于建筑面积的2倍,风速比为0.09,并伴有低速涡流。风压高值分布于主房的迎风面,容易造成冷风的渗透,应对主房迎风面门窗进行气密性及保温设计。
图11 “U”型布局风速分布图
图12 “U”型布局风压分布图
如图13所示,根据最大风速比和风影区面积,风环境排序:“L”型1布局>“L”型2布局>“U”型布局>“一”字型布局。
图13 不同院落布局形式风环境比较
通过风环境数值模拟和统计结果可知,不同的院落布局形式对其内部的风速大小、风影区面积有着直接的影响,采用“U”型和“L”型布局形式的院落风环境优于“一”字型布局形式的院落。
1)迎风面建筑围合程度越高,院落内风速值越低;
2)迎风面建筑数量越多,院落内风影区面积越大。
由于吉林省朝鲜族村镇院落处于严寒地区,冬季寒风温度低且持续时间长,对居民院落内空间的使用影响最大,其院落风环境设计应遵循冬季防风为主,夏季通风为辅。综合考虑风速、风影区面积、涡流数量因素,“L”型1院落风环境最佳,可供既有吉林省朝鲜族村镇院落风环境改善和新建院落设计参考。
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