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风水塘对客家村落热环境影响的模拟研究

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2019-08-01

华南理工大学建筑学院      吴宇超   李琼

摘   要:本文通过Envi-met软件模拟,探讨风水塘对客家传统村落室外热环境的影响。对比了无风水塘和有风水塘下的室外热环境,结果表明传统形式的风水塘主要对宅前空间具有冷却作用,最大能达到1℃,对巷道的冷却作用不明显。在夏季下午15:30~16:00左右,风水塘冷却效果达到最佳。

关键词:风水塘;水体;热环境;客家建筑

基金项目:国家自然科学基金(51778237);广东省自然科学基金(2015A030306035);广州市科技计划项目(201804020017)。

       1   研究背景

       客家建筑的基本形制深受古代礼制观念、家族观念和风水观念的影响[1]。客家人认为宅前建造水池,可以“补风水”,以求家族兴旺和福寿安康,故称之为“风水塘”,因多为半圆形,也称“半月塘”。对于“风水塘”的研究,大多聚焦于客家文化方面,也有学者指出风水塘具有储存雨水的实际用途[2]。本文希望从微气候的角度出发,探讨风水塘这一特殊形式的水体,对于客家村落热环境的影响。

       水体的比热特性使其具有调节气候的能力,许多研究表明水体可以降温、增湿,形成水陆风,降低其周边地区气温和地表温度,缓解城市热岛效应。刘娇妹[3]比较北京地区不同下垫面对局地气候的影响,发现水体对城市的气候增湿降温效应最为明显;宋晓程[4][5]采用数值模拟结合现场实测的方法,研究城市水体对局地热湿环境的调节作用,为滨水区的规划提供了建议。Hong Jin[6]通过ENVI-met研究居住区水体对周围环境的影响,各布局形式下水体对其下风向区域降温最为明显;张丛[7]研究了城市休闲广场水体尺度,水体分散度和位置对微气候的影响;王可睿[8]通过实测结合ENVI-met模拟研究景观水体对居住小区热环境的影响,并给出热环境改善的设计策略。

       与水体相关的研究集中在较大尺度,或是广场、小区等较为开阔的空间,而客家村落布局紧密,巷道狭小,风水塘对宅前空间和这些巷道热环境的影响是本文关注的重点。本文通过软件模拟,对比客家村落有/无风水塘下的室外热环境,分析迎风状态下风水塘对周围区域的冷却效果。

       2   研究方法

       本文采用基于热力学及流体力学原理的三维模拟软件EMVI-met对室外热环境进行模拟分析。它主要包含了大气、表面、土壤、植被和生物气象学五个子模块,广泛应用于建筑室外环境、城市微气候等领域。本文使用 ENVI-met4.1.0版本,支持的网格空间分辨率在0.5m~10m之间。

       2.1   街巷模型的选取

       通过查阅资料和实地调研,归纳客家建筑和风水塘的普遍组合形式:风水塘都设置在主宅前,宽度与主宅相近;主宅往往是方形祠堂,其他房屋以主宅为中心围合布置,建筑间距较小,巷道往往在1~2m。基于这些特点,建立了用于ENVI-met模拟的客家建筑街巷模型,来描述风水塘及其周边建筑区域,模型主要尺寸如图2,其中建筑高3m,街巷宽2m。

       2.2   模拟参数设置

       客家民居集中在闽、粤、台地区,简化模型主要以广州从化区的客家建筑为原型,故模拟地理位置选取广州。为探究水体在夏季的降温效果,选取广州典型气象年7月15日的逐时温度和湿度参数,模拟时间选取日间10:00~17:00。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 GB 50736–2012》[9],选取广州夏季室外平均风速1.7m/s,风向选取180°南风,使建筑群完全处于水体下风向区域。相关的模拟研究表明[10], 水深超过0.45m 之后,水体表面温度就不会随着水深改变而发生,在ENVI-met中水体深度的影响很小,故风水塘水体参数可按ENVI-met默认值设置。本文主要探究风水塘对热环境的影响,设置有/无水塘两个计算工况,计算条件如表1。

表1   ENVI-met模型信息及边界条件
 

图2   客家村落及风水塘简化模型

 

图3   测点布置图

       3   结果

       3.1   风水塘对来流空气的影响

       为评价风水塘对室外热环境的影响,选取一些典型测点(如图3所示)的计算结果进行详细分析。

       测点w5、w4、w3、w2、w1、d3位于中心轴线上,即迎风方向。通过比较同一时刻有风水塘和无风水塘情况下各测点处的空气温度,分析风水塘对来流空气的冷却作用,结果如图4所示。
无水塘时,来流空气由南至北吹向建筑,空气温度逐渐升高。图4为16:00时轴线上各测点离地1.5m高度处的空气温度模拟结果,以风水塘上风向第一个测点w5为x轴原点,沿风向与w5的距离作为各测点的x坐标,x坐标处在(10, 20)区间为风水塘区域,x≥30为建筑区域。对比有风水塘和无风水塘工况的计算结果,存在明显的温差,说明风水塘对离地1.5m高度处的空气具有冷却作用,同时削弱了建筑对空气的加热效果。16点时,在测点w2(水体区域)可以造成1.06℃的温差,在测点w1(水体下风向区域)可以造成1.18℃的温差。

 

 

 

图4   16:00中心轴线上各测点空气温度(Z =1.5m)

       将无风水塘工况下测点的温度与有风水塘情况下同一测点的温度的差值,定义为风水塘的冷却效果。

       图5为风水塘在不同高度处对空气的冷却效果,即造成的温差。不同高度处的冷却效果呈现一定的规律:风水塘的冷却效果受风向影响,沿x正轴(来流风向)先增加后减少;风水塘的冷却效果随高度的增加逐渐减弱,但在3.5m高度处仍然能对来流空气产生一定的冷却效果;高度在1.5m以下时,在    x =18m处冷却效果达到最大,且峰值都在1.5℃以上,冷却效果明显;对于1.5m以上高度,冷却效果最大值出现的位置向后推移,峰值出现的位置在风水塘下风向区域,呈现空间上的滞后性。


图5   16:00中心轴线上各测点不同高度处冷却效果(Z值表示高度/m)

       3.2   风水塘对宅前空地的冷却效果

       如图3,测点d1~d5,l1、l2、r1、r2、w1位于建筑与风水塘之间的宅前空地上,通过这些测点模拟得到的两种工况下的空气温度,可以反映风水塘对宅前空地的冷却效果。表2为各时刻宅前测点离地1.5m高处的冷却效果。图6为研究区域离地1.5m高度处冷却效果的空间分布图。

表2   各时刻宅前空地冷却效果(离地1.5m高处)


 

       由于风水塘宽度有限,在正南风向下,对主宅左侧和右侧的区域几乎没有冷却效果,两种工况下宅前空地最左侧和最右侧的两列测点温度没有差别,此时风水塘主要对主宅正前方的区域有冷却效果,各时刻冷却效果平均值为0.49℃。
10:30~17:00期间,随着日间热量的积聚,冷却效果逐渐增大,在下午15:30达到最大的冷却效果,随后温差开始减小。正南风向下,位于轴线上的d3,w1测点冷却效果最明显,左右两侧冷却效果呈现对称性(l2-r1,d2-d4),同时,在风水塘下风向区域,与风水塘距离越近,冷却效果越明显。

       3.3   风水塘对巷道的冷却效果

       如图6,风水塘对部分巷道也存在冷却效果。位于最左侧和最右侧的巷道(包含测点a1、b1、c1、a5、b5、c4)受制于水塘宽度,在南风下几乎没有冷却效果。表3为其余巷道测点冷却效果在各时刻的平均值和最大值。

       只有位于中心区域的巷道存在冷却效果,且这些巷道的冷却效果整体不如宅前空地。同样地,距离风水塘越近,巷道冷却效果越明显,第一排巷道两种工况下温差最大,冷却效果最好,平均值约为0.27℃。模拟结果显示,风水塘对巷道冷却效果最大值出现在下午16:00左右,15:30至17:00期间冷却效果都保持在最大值附近。

表3   中心区域巷道测点冷却效果(1.5m高处)

  第一排巷道 第二排巷道 第三排巷道
 c2 c3 b2 b3 b4 a2 a3 a4
平均值 0.27  0.26  0.16  0.17  0.16  0.11  0.13  0.12
最大值 0.42 0.41 0.26 0.26 0.25 0.18 0.21 0.18

       4   结论

       综合以上,风水塘对来流空气存在冷却效果,随高度增加冷却效果减弱,村落建筑高度较低,通过水体来改善建筑周围的微气候是合适的。在离地1.5m高度处(人行高度),风水塘最大可以对其下风向区域产生1.18℃的冷却效果。

       风水塘对下风向区域存在一定的冷却作用,正面迎风条件下,传统形式的半圆形风水塘主要调节的是宅前空地中心区域的温度,对两侧区域几乎没有冷却作用,这也可以从某个角度反映出主宅(通常是祠堂)在客家文化中的中心地位。风水塘对中心区域的巷道也存在一定的冷却效果,冷却效果和距离相关,距离较近的巷口最大可以出现0.4℃的降温,后方的巷道冷却作用不明显,最大约为0.2℃。在下午15:30~16:00左右,风水塘冷却效果达到最大值。

参考文献

       [1] 余英. 客家建筑文化研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 1997(1):14–24.

       [2] 韩业震, 李博, 朱文玉. 围龙屋半月塘的形制研究[J]. 家具与室内装饰, 2018, 234(08):115–116.

       [3] 刘娇妹, 杨志峰. 北京市冬季不同景观下垫面温湿度变化特征[J]. 生态学报, 2008, 29(6).

       [4] 宋晓程. 城市水体对周边局地热湿环境影响的研究[D]. 2016.

       [5] 宋晓程. 城市河流对局地热湿气候影响的数值模拟和现场实测研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2011.

       [6] Jin H, Shao T, Zhang R. Effect of water body forms on microclimate of residential district[J]. Energy Procedia, 2017, 134:256–265.

       [7] 张丛. 城市休闲广场水体布局的微气候效应研究[D]. 2017.

       [8] 王可睿. 景观水体对居住小区室外热环境影响研究[D].

       [9] 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB 50736–2012[J]. 建设科技, 2015(10):31–32.

       [10] 陈卓伦. 绿化体系对湿热地区建筑组团室外热环境影响研究[D]. 华南理工大学, 2010.

备注:本文收录于《建筑环境与能源》2019年5月刊总第21期。
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