湿热地区冷巷空间形态尺度量化模拟

孙倩倩 郭希晞 陈敬

摘 要：為厘清中国南方传统民居中冷巷空间应对湿热气候蕴含的微气候调节作用，采用流体力学（CFD）模拟的方法，选择Autodesk CFD作为主要模拟实验分析工具，以热湿环境评价等级指标作为评价依据，将4类建筑空间，在冷巷不同空间形态尺度下形成的4种不同实验模型，分析工作面上的风速、空气温度、热舒适度及分布情况。结果表明，室外冷巷空间与室内空间相比，具有更高的热舒适度;湿热地区中重要的经常性使用的建筑空间，应布置在南侧，夏季最大风频的上风向，次要的辅助性建筑空间宜布置在北侧，夏季最大风频的下风向;进行建筑设计时，可以通过调整冷巷的偏转角度、宽度和形态，以达到改善建筑热环境的目的;位于最大风频的下风向的后厅空间，要改善其热工环境，可以采用增大南北对流的开窗面积、增加门窗遮阳的策略。研究结果对于湿热地区现代建筑设计中建筑空间布局方式和冷巷空间形态尺度的应用实践具有一定价值。

关键词：冷巷尺度;自然通风;空间布局;热舒适度

中图分类号：TU 24           文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2022）01-0125-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0117开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Quantitative simulation of spatial morphology and scale

of cold lanes in hot and humid regions

SUN Qianqian1，2 ，GUO Xixi1，CHEN Jing2

（1.College of Civil and Architectural  Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.College of Architecture，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

Abstract：In order to clarify the microclimate regulation effect of cold lanes in traditional houses in southern China in response to hot and humid climate，the method of fluid mechanics（CFD）simulation is adopted.Autodesk CFD is selected as the main simulation experiment analysis tool，and the evaluation index of the hot and humid environment is used as the evaluation basis.A detailed analysis has been made of the wind speed，air temperature，thermal comfort and distribution of 4 types of building spaces in 4 different experimental models formed under different spatial scales of cold lanes.The results show that the outdoor cold alley space possesses higher thermal comfort over indoor space.Important and frequently used architectural spaces in hot and humid areas should be arranged on the south side，with the upwind direction of the maximum wind frequency in summer，and secondary auxiliary building spaces should be arranged on the north side，with the downwind direction of the maximum wind frequency in summer.In the architectural design，the deflection angle，width and shape of the cold lane can be adjusted to achieve the purpose of improving the thermal environment of the building.In order to improve the thermal environment of the back hall space located in the downwind direction of the maximum wind frequency，the strategy of increasing the window area of north-south convection and increasing the shading of doors and windows can be adopted.The research results have certain value for the practical application of the architectural space layout and the spatial form and scale of cold lanes in modern architectural design in hot and humid areas.Key words：cold lane scale;natural ventilation;spatial layout;thermal comfort

0 引 言

随着中国城镇化水平的不断提高，现代建筑的设计与建造满足了人们对空间的需求，随之带来了建筑能耗过高的问题，建筑全过程能耗占全国能源消费总量比重为46.5%。在中国南方湿热地区，由于高温、高湿的气候条件会加剧空调的使用，在进行房屋建设时，应尽量采用自然通风等被动式策略[1]，以调节室内热湿环境[2]。传统民居在长期试错过程中形成了朴素有效的气候调节空间[3]，冷巷是民居中用于被动式降温的典型代表空间之一，一般指传统民居中建筑与建筑之间形成的窄巷道或在建筑一侧的狭窄通道[4]，通常沿

建筑纵深方向展开，广泛存在于中国南方湿热地区。

陈晓扬等以南京地区为例探究了墙体材料对冷巷的影响以及中廊的季节及昼夜优化控制模式[5]。田春来以浙江凤溪玫瑰研学基地建筑设计竞赛获奖方案为例，定性分析了冷巷的设计[6]。陈辉通过实测发现，在冷巷中人体对热舒适的感知主要来自于温度相对低的墙体与人体之间的辐射[7]。关于湿热地区的冷巷研究在界面材料的热环境调节作用影响、冷巷在方案中的设计过程等方面做了深入研究，但针对冷巷的宽度、方位、形态等空间设计要素变量做定量分析的研究相对较少。文中以2020年台达杯国际太阳能建筑设计地块为例，基于不同冷巷空间形态下的实验模型，定量模拟冷巷空间中各个设计因素对被动式降温效果的影响作用，传承传承冷巷空间原型，为现代建筑设计提供参考。

1 研究条件研究对象所在地块位于福建省南平市建阳区，北纬27°19′58″，东经118°05′47″，海拔168 m。属典型湿热地区，光热资源丰富，冬短夏长，雨季集中，年平均气温19.5 ℃，最热月平均温度28.8 ℃，最冷月平均温度10.2 ℃，采暖度日数816 d，空调度日数241 d。地块处于城市中心地带，交通便利，用地东北高西南低，用地内无既有建筑和需要保留的树木，场地较为空旷。东侧与绿欧璟园小区隔景龙路相邻，南邻书院南路，西邻城市级干道建平大道，北侧紧靠融汇山水居住小区，用地面积6 028 m2。场地西北侧为水泵房和空地，有出入口通往场地（图1）。

2 模拟实验

2.1 建筑空间类型用地范围内需设计12班共360人规模的全日制幼儿园一所，层数不超过3层，总建筑面积不超过4 700 m2，设计应充分结合当地的气候特征、资源条件、建筑特色以及建筑的使用特点，针对研究对象的建设条件和使用特点，解决的夏季通风、降温等问题，达到降低建筑能耗的目的。将建筑单体尺度进行定量（表

1），按照建筑单体空间尺度所能容纳的建筑功能进行群体组织，形成2种建筑空间类型（表2），包括重要性经常活动空间（幼儿生活用房）、次要性辅助使用空间（服务管理、后勤供应用房），研究冷巷空间形态不同变量条件下的建筑热环境影响。

2.2 空间形态对比以冷巷组织基本建筑单元，建筑单元经过不同的冷巷空间组织设计，形成了4个模拟方案（表3）。建筑设计中群体布局方向通常受场地影響，室外空间尽量减少异形等消极空间的产生[8]。模拟方案C02～C04中4个方向的建筑外轮廓与基地4个方向的控制线平行，均为南偏东19°，在满足宽度和形态变量条件的同时，又能与已知基地条件形成合理的建筑外部空间。在C01中东侧与南侧建筑外部轮廓能与基地控制线形成合理室外活动空间的基础上，偏转角度最大增加至35°，偏转角度与C02相差大于15°，具备比较研究价值。冷

巷宽度方面，在不超过建筑用地红线的前提下，冷巷空间中宽度上限值为4 m，而幼儿园中单面走廊或外廊，生活用房不得小于1.8 m，服务、供应用房不得小于1.3 m，因此采用2 m作为变量条件。

基于以上变量条件设定，探究不同方位、宽度、形态变量下的冷巷空间形态对于自然通风下热环境的影响差异。第1组方案对比为C01、C02，冷巷宽度与形态相同，方位偏转角度不同，分别为南偏东35°和南偏东19°;第2组方案对比为C02、C03，冷巷方位和形态相同，宽度不同，分别为2 m和4 m;第3组方案对比为C03、C04，冷巷方位和宽度相同，形态不同，分别为直线型和折线型。

3 模拟条件设定与热环境评价

3.1 模拟条件随着计算机技术的发展，采用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）能够进行方案设计阶段中建筑热工性能的预测，能进行相同边界条件、不同设计变量条件下的设计方案进行模拟结果对比。模拟实验采用Autodesk CFD模拟软件，可以通过设定室外气象参数与热舒适因子等边界条件，得到建筑室内外空气温度、辐射温度、相对湿度和风速分布，形成直观的可视化图像界面，通过布点的方式获取热环境相关参数的具体数值。模拟选取的湍流模型为不可压缩气体的标准K-ε方程，k方程和ε方程可分别简化为[9]ρDkDt=

式（2）和（3）中 ρ为流体密度;μt为流体沿t方向的分量;Gk为平均速度梯度引起的湍流动能;C1ε，C2ε为常数;C1ε=1.44;C2ε=1.92;σk和σk为湍流数;σk=1.0，σk=1.3[9]。

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[10]中关于福建南平的热环境分析气象数据，选取与气象数据集中夏季通风室外计算参数相近的典型时间点，作为模拟边界条件（表4）。

3.2 热环境在进行室内外热环境模拟时，根据国际与国内相关标准，热环境选取人体主要活动高度，采用距离各层地面1.1 m的截面分析。选取热环境评价指标包括风速、温度和人体热舒适指标，评价不同冷巷空间形态下的热环境作用。

3.2.1 风速湿热气候条件下，自然通风在建筑中发挥重要的作用。风速指标分为2种，第1种为每个单独的建筑空间平均风速，包括前厅A1-A4、后厅B1-B7、冷巷L1-L5、庭院T1-T4（表5），分别计算每个空间1.1 m高截面的平均风速;第2种为计算前厅A1-A4四类建筑空间累计的风速平均值，即得到前厅A的平均风速，后厅B、冷巷L、庭院T以此类推。当风速低于0.5 m/s时，处于静风状态，几乎感受不到风速，这时热环境相对较差。边界条件设置外界风速为3.4 m/s，风速不会超过人体不舒适的上限值。因此，以单个空间的平均风速大小、单类空间的平均风速大小和0.5 m/s的标准条件作为风速评价指标。

3.2.2 空气温度温度是影响人体热舒适的重要热环境指标。平均温度数值的比较方法与上述平均风速的比较方法相同，即比较不同变量条件下单个空间和单类空间的平均温度。根据湿热地区的有关研究[11]，80%的人体可接受的热环境温度范围为22.1～28.7℃。在进行空气温度评价时，通过对平均温度和可接受温度上限温度分布区间的比较，可在一定程度上反映模拟截面温度场的整体温度分布水平。

3.2.3 热舒适度根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》（GB/T 50785—2012），进行不同变量条件下的热湿环境评价。由于模拟建筑为非人工冷热源热湿环境，采用计算法评价时，应以预计适应平均热感觉指标（APMV）作为评价依据。预计热适应平均热感觉指标（APMV）应按下式计算

APMV=PMV1+λ·PMV

式中 APMV为预计适应性平均热感觉指标;λ为自适应系数，夏热冬冷地区教育建筑PMV≥0时，λ为0.17;PMV<0时，λ为-0.28;PMV为预计平均热感觉指标。4 模拟实验结果经过模拟测试后，为在相同条件下比较冷巷方位、尺度和形态对风速的影响进行定量比较，选取不同方案同一位置的前后活动室（A前厅、B后厅）、活动室侧边冷巷（L）以及活动室中间为何形成的庭院（T），进行不同变量条件下相同空间的风速、温度的量化比较，1-1为后厅-庭院-前厅的纵剖面，2-2为冷巷纵剖面（表5）。

4.1 风速比较图2为C01～C04一层、二层楼板高度1.1 m处和冷巷L2、庭院T2剖面的风速矢量图，从平面风速矢量图中可以直观地发现室内风速环境较佳的是C03，风环境较差的是C02。在相同的南偏东19°冷巷偏转角度下，宽度为4 m的冷巷布局，室内风环境和室外冷巷风环境最为有利。

图3为单个建筑空间的平均风速、最大风速与最小风速数据统计图，由图可知，不论何种冷巷布局的空间形态，A1～A4、B1～B2的平均风速普遍较高，基本能达到0.5 m/s，其次为建筑空间B3、B4，平均风速不足0.5 m/s，但高于

0.2 m/s，后厅中B5～B7风速最低，平均风速不足0.1 m/s，室内风环境最差。说明后厅中B5-B7应当布置辅助用房，重要的幼儿用房应当布置在A1～A4，B1～B4。

根据表6中对于不同冷巷空间形态下各类建筑空间的平均风速数值统计，前厅的风环境较优，平均风速几乎为后厅平均风速的2倍，说明前厅应当布置重要的幼儿建筑单元;冷巷空间是4种空间中平均风速和最大风速数值最高的空间，说明冷巷在引导自然通风时具有重要的作用，是设计中重要的气候调节空间;庭院空间的平均风速仅次于冷巷，最高风速在4种空间中数值最大，说明室外庭院空间比室内空间由更为有利的风环境，有利于给幼儿们创造适宜的室外活动空间。

4种设计方案中，对于前厅室内平均风速，C03平均风速和最大风速具有最高值，分别为0.81和3.03 m/s，高出平均风速最小的C02方案0.37 m/s;对于后厅建筑空间，C02的平均风速和最大风速依然为4种设计方案中最优的，其最大风速数值高出C02方案1.53 m/s;冷巷空間进行比较，C03方案的平均风速依然为最优，其次为C02，说明冷巷宽度对冷巷空间的风环境影响不大，冷巷偏转角度增大时，冷巷空间的平均风速会降低，因此，对于冷巷空间，冷巷的方位角度比宽度影响因素大。

4.2 空气温度比较图4为C01～C04一层、二层楼板高度1.1 m处温度分布图，由图可知，一层温度明显低于二层温度;同层建筑单体空气温度相比，前厅A1～A4的空气温度明显低于后厅B3～B7，位于后排下风向的建筑单元，室内空气温度最高。

图5为单个建筑空间的平均空气温度、最高温度和最低温度的数据统计，平均空气温度最低的是冷巷，除L5外，4种设计方案的冷巷平均温度均低于28.7 ℃，4种空间中，冷巷的平均空气温度最低，热环境最优;后厅B4～B7，无论那种建筑布局模式，平均空气温度均高于28.7 ℃，建筑空间热环境最差，说明位于后侧的建筑，宜布置辅助用房，重要的幼儿活动单元应当布置在前厅A及后厅B西侧的单元空间，与风速评价指标得出的结论一致。

根据表7中对于不同冷巷空间形态下各类建筑空间的平均空气温度数值统计可知，C01的前厅A1～A4平均温度均低于C02，后厅除B6房间2种布局方式温度相差不大外，其余后厅房间均为C02高于C01，因此对于建筑室内空间，冷巷宽度和建筑布局形态相同的情况下，偏转角度较大的方案C01优于C02;C02与C03相比，前厅与冷巷平均空气温度相差不大，差值不超过0.1 ℃，后厅与庭院，C03相对较高;C03与C04相比，C04的各类空间平均温度相对较低，其中后厅的平均空气温度低1.03 ℃，庭院平均空气温度低0.40 ℃，说明折线形布局对于改善后厅的空气温度有较为明显的改善作用。

4.3 热舒适度比较PMV（predicted mean vote）是表征人体热反应的评价指标，PPD（predicted percentage dissatisfied）为预测不满意百分数，ASHRAE Standard 55—2017中将PMV划分为7个等级，给出了PMM与PPD的函数关系。根据美国加州大学伯克利分校建筑环境中心CBE编写的PMV-PPD计算程序，将模拟所得数据中的空气干球温度、平均辐射温度、风速、空气湿度、新陈代谢率和服装热阻数值，带入到PMV热舒适计算程序中，分别得到单个建筑空间的PMV-PPD值（图6）。

PMV=[0.303×exp（-0.036M）+

0.027 5]TL

（5）

PPD=100-95×exp（-0.033 53×PMV4-

0.217 9PMV2）

（6）

将PMV值带入到公式（4）中，得到预计适应性平均热感觉指标APMV，将APMV数值进行计算分析。由图7可知建筑空间中前厅A1～A4、后厅B1～B4的PMV数值均在0～1之间，热感觉偏暖，B5～B7PMV值最高，PPD值也最高，热舒适度差;冷巷空间L1-L3PMV值在-0.5～0，T1～T3PMV值在-0.5～0.5之间，与前后厅室内空间比，冷巷、庭院室外热舒适度较好;不同变量下的方案设计相比，C02的热舒适度最差，APMV值最高，热舒适度最好的为C03，其次为C01和C04;四类空间相比，C01，C03和C04中，A1～A4，B1～B2，L1～L4，T1～T3基本处于非人工冷热源热湿环境评价等级Ⅰ级，B3～B4，L5，T4为Ⅱ

级，B5～B7的APMV值最高，为Ⅲ级，热舒适度最差。

5 结 论

1）四类空间相比，室外空间的冷巷与庭院热舒适度较室内空间好;单个建筑空间相比，重要性经常活动空间、冷巷与室外庭院多处于非人工冷热源热湿环境评价等级Ⅰ级，少数空间为Ⅱ级;次要性辅助使用空间风速最低，温度最高，APMV值最大，室内热舒适度最差，为Ⅲ级。2）进行建筑功能的布置选择时，将重要性经常活动空间首选布置在前厅，建筑用地南侧，即夏季最大风频的上风向;当南侧用地受限无法全部布置时，考虑用地中部边侧;次要性辅助使用空间，应布置在用地北侧，即夏季最大风频的下风向。

3）不同方位、宽度、形态3种变量变化形成4种实验模拟方案，通过对变量因子模拟可知，在进行建筑设计时，可以通过调整冷巷即建筑布局的偏转角度、冷巷宽度和形态，以达到改善建筑熱环境的目的。4）最大风频的下风向的后厅空间平均风速最小，平均空气温度最高，要改善其室内热环境，可以通过增大南北对流的开窗面积、增加门窗遮阳的方式，改善室内风环境，又解决太阳热辐射引起温度过高的问题。

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