李慶紅 齊 琦

(河北工程大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056000)

1 概述

中國(guó)城市化快速發(fā)展可直接導(dǎo)致城鎮(zhèn)對(duì)人的強(qiáng)烈需求，因此推動(dòng)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略和民生工作的必然選擇。鄉(xiāng)村振興與特色小鎮(zhèn)建設(shè)都是國(guó)家的重大戰(zhàn)略，其主題可以概括為“新城鎮(zhèn)，新社區(qū)，新住宅”，其具體含義是“低碳，改善城市化布局，和諧發(fā)展，包容性增長(zhǎng)”。東北地區(qū)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)尚處于起步階段，其中一個(gè)主要要求是以可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略為基礎(chǔ)提高居住舒適度。另一方面，東北地區(qū)鄉(xiāng)村住宅形式多為由瓦匠、木匠采用傳統(tǒng)施工方法復(fù)制性的建造傳統(tǒng)構(gòu)建樣式的住宅，或者少量參照城鎮(zhèn)的住宅樣式建造[1]。由于生活水平的提高與農(nóng)村住宅的質(zhì)量及功能性模塊的缺失與每一代都要再建新住宅或推倒舊房重新翻蓋的意識(shí)根深蒂固，居民住宅需求愈加迫切，帶來(lái)新的住宅形式與建筑布局的更改。其中有些不適應(yīng)東北地區(qū)的氣候形式，并造成了巨大的能源與土地的浪費(fèi)。

東北漢族合院式民居是幾百年來(lái)東北漢族沿襲華北民居特點(diǎn)與吸收當(dāng)?shù)厣贁?shù)民居居住特色的基礎(chǔ)上，不斷與自然相抗?fàn)帍亩鴦?chuàng)造適宜的微氣候環(huán)境的結(jié)果。因此，對(duì)東北漢族傳統(tǒng)民居的風(fēng)環(huán)境研究在東北地區(qū)民居綠建改造或者為新建筑風(fēng)環(huán)境營(yíng)造方面具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2 東北漢族合院式傳統(tǒng)民居基本狀況

2.1 東北地區(qū)基本氣候條件

東北地區(qū)是我國(guó)緯度最高的區(qū)域，在建筑的氣候分區(qū)上屬于嚴(yán)寒地區(qū)。其基本特征為：四季分明，冬季寒冷而漫長(zhǎng)，夏季溫暖濕潤(rùn)而短暫。因此，東北民居多重于納陽(yáng)防寒方面，在建筑布局和構(gòu)造上多區(qū)別于其他地區(qū)民居[2]。

2.2 東北漢族合院式民居簡(jiǎn)介

東北漢族民居是我國(guó)傳統(tǒng)民居的一個(gè)類(lèi)別，既有著中原地區(qū)漢族傳統(tǒng)民居的共同特征，又有著因地域條件影響形成的地域民族特征，因此區(qū)別于北京四合院。

在立面形態(tài)方面：建筑形體十分規(guī)整，以減小體形系數(shù)[3]。有諺語(yǔ)言道“高高的，矮矮的，寬寬的，窄窄的”[4]。高指的是房屋臺(tái)基較高，放積雪保護(hù)基礎(chǔ)；矮是指房屋室內(nèi)凈高適當(dāng)較低；寬和窄分別是指南向窗較為寬大，以獲取更多日照與房屋進(jìn)深要小，有利于防寒保暖。

在院落空間布局方面，多為坐北朝南，布局松散。在朝向上，盡量讓正房垂直于冬季主導(dǎo)風(fēng)向，加強(qiáng)建筑擋風(fēng)作用；在布置上，較為松散可以獲得更多的日照，以滿(mǎn)足冬季的日照需求。

3 風(fēng)環(huán)境模擬分析

3.1 模型建立與條件設(shè)定

物理模型：該模型根據(jù)資料集自建的民居模型(如圖1所示)。正房尺寸為11 m×7 m，屋脊高度為5.6 m；四個(gè)廂房尺寸相同為7 m×5.6 m，屋脊略矮與主房為4.6 m。各單體建筑均為坡屋頂，圍墻圍繞建筑一周，高度為2 m。一般情況，模擬中大氣邊界在應(yīng)數(shù)倍于建筑尺度的距離，現(xiàn)在此以目標(biāo)建筑為中心5H為橫向與縱向模擬邊界距離，3H作為計(jì)算域高度(H為建筑物高度)。

數(shù)學(xué)模型：模擬采用在湍流模型中選擇較為常用的k-ε模型描述湍流，模擬精度較高。

邊界條件：因風(fēng)場(chǎng)受地面、低矮建筑及樹(shù)木影響，擬模擬所設(shè)風(fēng)場(chǎng)為梯度風(fēng)場(chǎng)。梯度風(fēng)計(jì)算公式表示為:V=V0(H/H0)a。其中，V為H高度處的風(fēng)速,m/s;V0為參考高度處的風(fēng)速;H為距地面的高度;H0為參考高度，取10 m;a為地面粗糙程度。場(chǎng)地周邊一般以郊區(qū)為主，經(jīng)查表設(shè)定為0.16。

根據(jù)對(duì)東北地區(qū)氣象數(shù)據(jù)分析總結(jié)，模擬參數(shù)選擇夏季典型工況：西南風(fēng)(SW)，風(fēng)速5 m/s；冬季典型工況：西北風(fēng)(NW)，風(fēng)速10 m/s，按梯度風(fēng)進(jìn)行模擬[5]。

3.2 風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定

在冬季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，建筑物周?chē)诵袇^(qū)1.5 m高度風(fēng)速小于5 m/s，且室外風(fēng)速放大系數(shù)小于2；建筑物前后風(fēng)壓差不大于5 Pa。

夏季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，場(chǎng)地內(nèi)人活動(dòng)區(qū)不出現(xiàn)渦旋或無(wú)風(fēng)區(qū)；50%以上可開(kāi)啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓差大于0.5 Pa[6]。

3.3 模擬結(jié)果分析

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件PHOENICS對(duì)民居在夏季和冬季的條件下進(jìn)行了模擬和計(jì)算，綜合分析了1.5 m高的風(fēng)速和風(fēng)壓。

1)風(fēng)速分析：

冬季：分析了1.5 m高度處冬季風(fēng)速(如圖2所示)，可以看出：受梯度風(fēng)場(chǎng)的影響，西北來(lái)風(fēng)到達(dá)圍墻時(shí)已減弱為6 m/s～8 m/s。來(lái)風(fēng)進(jìn)入后院時(shí)風(fēng)速驟減至4 m/s以下，說(shuō)明2 m高度的圍墻對(duì)寒風(fēng)具有一定的阻擋作用。但由于正房較為高大，對(duì)來(lái)風(fēng)有較強(qiáng)的阻擋作用。來(lái)風(fēng)在正房與北側(cè)圍墻間被加速，在正房北側(cè)形成了5 m/s～6 m/s的風(fēng)速，對(duì)人的活動(dòng)造成不利影響。被加速的來(lái)風(fēng)遇到東側(cè)圍墻，在正房東側(cè)形成了一個(gè)較大的渦流區(qū)，容易產(chǎn)生積雪或污染物堆積。另外，在廂房西側(cè)與西側(cè)圍墻、內(nèi)院廂房與外院廂房間形成狹管效應(yīng)，風(fēng)速變化較大。并且在西側(cè)兩廂房南側(cè)，外院西廂房東側(cè)形成三個(gè)低速渦流區(qū)。而內(nèi)院生活區(qū)由于圍墻與房屋的阻擋，風(fēng)速較為平穩(wěn)，均在3 m/s以下，較為舒適。

夏季：分析了1.5 m高度處夏季風(fēng)速(如圖3所示)，可以看出：夏季模擬風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，模擬結(jié)果與冬季情況類(lèi)似。雙重圍墻與建筑對(duì)西南來(lái)風(fēng)同樣具有一定阻擋作用，外院與后院內(nèi)氣流平穩(wěn)，均在3.3 m/s以下，而內(nèi)院風(fēng)速已降低至1.8 m/s。并在后院、內(nèi)院和外院等多處產(chǎn)生較弱的渦流。由此可以看出，東北漢族傳統(tǒng)合院式民居在夏季通風(fēng)方面，并無(wú)優(yōu)勢(shì)。

2)風(fēng)壓分析：

冬季：分析了1.5 m高度處冬季風(fēng)壓(如圖4所示)，可以看出：外側(cè)圍墻風(fēng)壓較大，可見(jiàn)圍墻抵擋了一定的來(lái)風(fēng)。由于正房較為高大，風(fēng)壓最大出現(xiàn)在正房的西北側(cè)，導(dǎo)致正房迎風(fēng)面與背風(fēng)面的壓強(qiáng)差達(dá)5 Pa～30 Pa，會(huì)在正房西側(cè)房間產(chǎn)生較強(qiáng)的冷風(fēng)滲透隱患。相對(duì)于正房，其他廂房壓強(qiáng)差相對(duì)較弱，其中東側(cè)廂房的壓強(qiáng)差相對(duì)于西側(cè)廂房較小。內(nèi)院中普遍呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，外院與后院部分區(qū)域?yàn)樨?fù)壓，最低區(qū)域達(dá)-20 Pa以下。

夏季：分析了1.5 m高度處夏季風(fēng)壓(如圖5所示)。外側(cè)圍墻處為風(fēng)壓最大處，外側(cè)圍墻對(duì)風(fēng)的阻擋效果較為明顯。院落內(nèi)部風(fēng)壓均在-5 Pa～4 Pa之間，風(fēng)速梯度較為緩和，尤其為內(nèi)院，幾乎沒(méi)有風(fēng)壓變化，通風(fēng)效果不良好。

4 優(yōu)勢(shì)與改善策略

4.1 東北漢族合院式民居優(yōu)勢(shì)

對(duì)冬夏兩季節(jié)漢族傳統(tǒng)民居的風(fēng)環(huán)境模擬可以看出，該民居具有適應(yīng)寒冷氣候的諸多優(yōu)點(diǎn)，在冬季可以有效緩解寒風(fēng)對(duì)建筑的侵襲。在冬季標(biāo)準(zhǔn)參考高度風(fēng)速為10 m/s時(shí)，外院和后院可以保證大部分區(qū)域5 m/s以下的風(fēng)環(huán)境，并且在內(nèi)院營(yíng)造出3 m/s左右的舒適風(fēng)環(huán)境。漢族傳統(tǒng)民居利用自己松散的院落布局、外墻與建筑分離、多重圍墻特有院落形式，既可以接受充足的日照，又有效的阻擋西北寒風(fēng)侵襲，創(chuàng)造良好的院落風(fēng)環(huán)境。

4.2 東北漢族合院式民居改善策略

通過(guò)對(duì)模擬數(shù)據(jù)的分析，提出如下改善策略：

1)建筑保溫。

在冬季主房前后會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)壓差，產(chǎn)生冷風(fēng)滲透，因此，加強(qiáng)墻體保溫是十分重要的。一般來(lái)說(shuō)，加強(qiáng)建筑保溫可以分為四種方式：第一，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度；此方法是東北地區(qū)常用的方式，一般為了抵御冬季寒冷的西北風(fēng)，北墻最厚，南墻其次，山墻再次[2]。但是此方法很大程度上，減少室內(nèi)活動(dòng)面積或增加建筑面積，并造成土地和建筑資源的浪費(fèi)，不建議此方式。第二，使用空心砌塊等圍護(hù)材料或者外掛聚苯板等隔熱板，有效地提高墻體的保溫性能。第三，在主房北側(cè)構(gòu)建陽(yáng)光房，主動(dòng)設(shè)立一氣候緩沖區(qū)域，使建筑減少熱損失。第四，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，種植常綠樹(shù)木。常綠樹(shù)木如松柏等不僅可以抵御寒冷空氣，緩解風(fēng)壓，還可以調(diào)節(jié)微氣候和美化夏季環(huán)境。

2)風(fēng)渦。

根據(jù)風(fēng)速分布圖可以看出，來(lái)風(fēng)遇到較為封閉區(qū)域或建筑附近，造成該區(qū)域呈負(fù)壓狀態(tài)，促進(jìn)渦旋形成，因此夏季和冬季都會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的渦流。雖然風(fēng)渦造成空氣不流通，造成污染物堆積，但冬季有利于積雪堆積，有利于建筑保溫。因此民居布局較為封閉，不可以完全避免渦流形成，只能通過(guò)在圍墻上設(shè)置通風(fēng)口可以降低風(fēng)渦效應(yīng)。

3)自然通風(fēng)。

冬季：雖然該民居具有適應(yīng)寒冷氣候的諸多優(yōu)點(diǎn)，在模擬中可以看出在外院、后院區(qū)域有高速風(fēng)通道的存在，如正房與北側(cè)圍墻之間、內(nèi)院廂房與外院廂房之間。由于狹管效應(yīng)，對(duì)庭院內(nèi)風(fēng)環(huán)境造成一定的不利影響。因此，可以在庭院適當(dāng)位置設(shè)置隔斷墻，既可以打斷高速風(fēng)通道，防止冷風(fēng)侵襲；又可以達(dá)到引導(dǎo)風(fēng)向的效果，帶動(dòng)庭院空氣流通。或者種植常綠綠植，以達(dá)到減弱及阻擋寒風(fēng)的效果。

夏季：民居布局較為封閉，夏季風(fēng)度梯度較為平緩，自然通風(fēng)不佳。雖然開(kāi)啟外門(mén)的方式，可以增加庭院內(nèi)空氣流通；但對(duì)隱私與安全造成了一定的影響?？梢栽跂|側(cè)與西側(cè)圍墻上設(shè)置通風(fēng)孔，夏季開(kāi)啟，冬季關(guān)閉，以增加庭院內(nèi)空氣流通。也可以在庭院內(nèi)種植落葉喬木，夏季起到遮陰納涼，加強(qiáng)空氣流通的作用；又不會(huì)影響冬季庭院對(duì)日照的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)文獻(xiàn)分析，建立合乎尺寸的東北漢族合院式民居模型，以Phoenics軟件為工具，對(duì)其進(jìn)行冬夏兩季節(jié)的風(fēng)環(huán)境模擬。結(jié)果表明，東北漢族合院式民居對(duì)具有適應(yīng)寒冷氣候的諸多優(yōu)點(diǎn)，在冬季可以有效緩解寒風(fēng)對(duì)建筑的侵襲；但在夏季由于該民居布局較為封閉，自然通風(fēng)表現(xiàn)不佳，并給予了相應(yīng)的改善建議。另一方面，傳統(tǒng)民居的被動(dòng)節(jié)能技術(shù)對(duì)建筑設(shè)計(jì)及改造具有一定的現(xiàn)實(shí)作用，并且為東北合院式傳統(tǒng)民居的改良設(shè)計(jì)提供相應(yīng)參考。