李慶紅 齊 琦

(河北工程大學建筑與藝術(shù)學院，河北 邯鄲 056000)

1 概述

中國城市化快速發(fā)展可直接導致城鎮(zhèn)對人的強烈需求，因此推動新型城鎮(zhèn)化建設(shè)是經(jīng)濟發(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”。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根深蒂固，居民住宅需求愈加迫切，帶來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。

東北漢族合院式民居是幾百年來東北漢族沿襲華北民居特點與吸收當?shù)厣贁?shù)民居居住特色的基礎(chǔ)上，不斷與自然相抗爭從而創(chuàng)造適宜的微氣候環(huán)境的結(jié)果。因此，對東北漢族傳統(tǒng)民居的風環(huán)境研究在東北地區(qū)民居綠建改造或者為新建筑風環(huán)境營造方面具有十分重要的理論意義和實用價值。

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)是我國緯度最高的區(qū)域，在建筑的氣候分區(qū)上屬于嚴寒地區(qū)。其基本特征為：四季分明，冬季寒冷而漫長，夏季溫暖濕潤而短暫。因此，東北民居多重于納陽防寒方面，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介

東北漢族民居是我國傳統(tǒng)民居的一個類別，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]。有諺語言道“高高的，矮矮的，寬寬的，窄窄的”[4]。高指的是房屋臺基較高，放積雪保護基礎(chǔ)；矮是指房屋室內(nèi)凈高適當較低；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風向，加強建筑擋風作用；在布置上，較為松散可以獲得更多的日照，以滿足冬季的日照需求。

3 風環(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)在此以目標建筑為中心5H為橫向與縱向模擬邊界距離，3H作為計算域高度(H為建筑物高度)。

數(shù)學模型：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：因風場受地面、低矮建筑及樹木影響，擬模擬所設(shè)風場為梯度風場。梯度風計算公式表示為:V=V0(H/H0)a。其中，V為H高度處的風速,m/s;V0為參考高度處的風速;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(SW)，風速5 m/s；冬季典型工況：西北風(NW)，風速10 m/s，按梯度風進行模擬[5]。

3.2 風環(huán)境評價標準確定

在冬季典型風速和風向條件下，建筑物周圍人行區(qū)1.5 m高度風速小于5 m/s，且室外風速放大系數(shù)小于2；建筑物前后風壓差不大于5 Pa。

夏季典型風速和風向條件下，場地內(nèi)人活動區(qū)不出現(xiàn)渦旋或無風區(qū)；50%以上可開啟外窗室內(nèi)外表面的風壓差大于0.5 Pa[6]。

3.3 模擬結(jié)果分析

運用數(shù)值模擬軟件PHOENICS對民居在夏季和冬季的條件下進行了模擬和計算，綜合分析了1.5 m高的風速和風壓。

1)風速分析：

冬季：分析了1.5 m高度處冬季風速(如圖2所示)，可以看出：受梯度風場的影響，西北來風到達圍墻時已減弱為6 m/s～8 m/s。來風進入后院時風速驟減至4 m/s以下，說明2 m高度的圍墻對寒風具有一定的阻擋作用。但由于正房較為高大，對來風有較強的阻擋作用。來風在正房與北側(cè)圍墻間被加速，在正房北側(cè)形成了5 m/s～6 m/s的風速，對人的活動造成不利影響。被加速的來風遇到東側(cè)圍墻，在正房東側(cè)形成了一個較大的渦流區(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高度處夏季風速(如圖3所示)，可以看出：夏季模擬風向為西南風，模擬結(jié)果與冬季情況類似。雙重圍墻與建筑對西南來風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方面，并無優(yōu)勢。

2)風壓分析：

冬季：分析了1.5 m高度處冬季風壓(如圖4所示)，可以看出：外側(cè)圍墻風壓較大，可見圍墻抵擋了一定的來風。由于正房較為高大，風壓最大出現(xiàn)在正房的西北側(cè)，導致正房迎風面與背風面的壓強差達5 Pa～30 Pa，會在正房西側(cè)房間產(chǎn)生較強的冷風滲透隱患。相對于正房，其他廂房壓強差相對較弱，其中東側(cè)廂房的壓強差相對于西側(cè)廂房較小。內(nèi)院中普遍呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，外院與后院部分區(qū)域為負壓，最低區(qū)域達-20 Pa以下。

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

4 優(yōu)勢與改善策略

4.1 東北漢族合院式民居優(yōu)勢

對冬夏兩季節(jié)漢族傳統(tǒng)民居的風環(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，在冬季可以有效緩解寒風對建筑的侵襲。在冬季標準參考高度風速為10 m/s時，外院和后院可以保證大部分區(qū)域5 m/s以下的風環(huán)境，并且在內(nèi)院營造出3 m/s左右的舒適風環(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侵襲，創(chuàng)造良好的院落風環(huán)境。

4.2 東北漢族合院式民居改善策略

通過對模擬數(shù)據(jù)的分析，提出如下改善策略：

1)建筑保溫。

在冬季主房前后會產(chǎn)生較大的風壓差，產(chǎn)生冷風滲透，因此，加強墻體保溫是十分重要的。一般來說，加強建筑保溫可以分為四種方式：第一，增加圍護結(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，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)活動面積或增加建筑面積，并造成土地和建筑資源的浪費，不建議此方式。第二，使用空心砌塊等圍護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)建陽光房，主動設(shè)立一氣候緩沖區(qū)域，使建筑減少熱損失。第四，根據(jù)當?shù)貧夂蛱攸c，種植常綠樹木。常綠樹木如松柏等不僅可以抵御寒冷空氣，緩解風壓，還可以調(diào)節(jié)微氣候和美化夏季環(huán)境。

2)風渦。

根據(jù)風速分布圖可以看出，來風遇到較為封閉區(qū)域或建筑附近，造成該區(qū)域呈負壓狀態(tài)，促進渦旋形成，因此夏季和冬季都會產(chǎn)生不同強度的渦流。雖然風渦造成空氣不流通，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，只能通過在圍墻上設(shè)置通風口可以降低風渦效應(yīng)。

3)自然通風。

冬季：雖然該民居具有適應(yīng)寒冷氣候的諸多優(yōu)點，在模擬中可以看出在外院、后院區(qū)域有高速風通道的存在，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)，對庭院內(nèi)風環(huán)境造成一定的不利影響。因此，可以在庭院適當位置設(shè)置隔斷墻，既可以打斷高速風通道，防止冷風侵襲；又可以達到引導風向的效果，帶動庭院空氣流通。或者種植常綠綠植，以達到減弱及阻擋寒風的效果。

夏季：民居布局較為封閉，夏季風度梯度較為平緩，自然通風不佳。雖然開啟外門的方式，可以增加庭院內(nèi)空氣流通；但對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)置通風孔，夏季開啟，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，加強空氣流通的作用；又不會影響冬季庭院對日照的需求。

5 結(jié)語

本文通過文獻分析，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，對其進行冬夏兩季節(jié)的風環(huán)境模擬。結(jié)果表明，東北漢族合院式民居對具有適應(yīng)寒冷氣候的諸多優(yōu)點，在冬季可以有效緩解寒風對建筑的侵襲；但在夏季由于該民居布局較為封閉，自然通風表現(xiàn)不佳，并給予了相應(yīng)的改善建議。另一方面，傳統(tǒng)民居的被動節(jié)能技術(shù)對建筑設(shè)計及改造具有一定的現(xiàn)實作用，并且為東北合院式傳統(tǒng)民居的改良設(shè)計提供相應(yīng)參考。