改善热环境的公共建筑形态设计优化.docx

改善热环境的公共建筑形态设计优化 刘聪 单玥 朱娴摘要：本文针对夏热冬冷地区的气候特点，从形态设计手段着手，改善建筑热性能，通过Ecotect（节能技术）等软件分析设计手段对建筑热环境产生的影响，得出该建筑热工能耗趋势，反映设计参数对建筑热环境的影响。关键词：热环境;公共建筑;设计优化中图分类号：TU242 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2021）15-0-02在国民经济高速发展的过程中，建筑业与交通运输业能源消耗占比最大，在这种形势下，降低建筑耗能，推进建筑节能，有利于减少大气污染及温室气体排放，缓解我国能源压力，同时也能为资源的高效、合理利用提供有力保障。建筑节能是可持续发展概念的体现，也是世界建筑设计潮流，已成为世界建筑行业共同关注的课题。因此，本文通过设计手段达到建筑本体节能，降低建筑中采暖和制冷能耗，为建筑节能设计提供科学依据。建筑形态设计差异主要表现在建筑朝向、平面形式、围护结构等方面，建筑受日照辐射影响存在很大的差异，需要分别考虑建筑形式、围护结构参数，同时，建筑形式、围护结构也会影响建筑能耗与光热性能。为创造良好的建筑热环境，设计优化方案主要从光、热、风等方面综合考虑。1 建筑模型与气候参数1.1 建筑模型概述该建筑设计方案位于上海市长宁区广顺路，地势平坦、交通便利，是一个以养老为主的开发项目。建筑总占地面积2227.95，容积率1.16，无地下室，采用平屋顶。建筑物各单元高度为19.8 m、16.5 m和6.6 m，对应6层、5层和2层，因此该建筑的热环境模拟结果具有较高的代表性，涵盖了长江三角洲地区低层和多层住宅楼常见高度。总建筑面积9340.18，结构形式为框架结构，抗震设防烈度为7度。保温外墙采用9 mm刨花板+160 mm石墨聚苯板+9 mm刨花板+12 mm空气+10 mm石膏;屋面以及楼板保温层在墙体基础上去除空气层;外窗采用三玻两腔聚氨酯合金窗，玻璃厚度6 mm，中空玻璃空气层厚度9 mm，传热系数为0.8W/（m2.k）。1.2 热气候条件上海地处北纬3140至3153、东经12051至12112之间，亚热带季风性气候，年平均气温17.1。雨热同期，日照雨量充足，四季分明，春秋较短，冬夏较长。6月至7月有梅雨，高温一般出现在6月至9月。上海位于长江下游，夏季盛行东南风，冬季盛行偏北风。冬至日正午太阳高度角为3534，夏至日正午太阳高度角为8226。图1显示的是上海全年的太阳辐射量，横坐标为月份，纵坐标为对应辐射量。较粗的水平折线为平均辐射量，而较细的是每日相应时间的辐射变化。其中，中间浅色区域（6月至8月）为过热时间，两边浅色区域（12月至2月）为过冷时间。分别将中间浅色区域与两边浅色区域设定为最热与最冷月份后进行朝向分析，结果见图2。图2为建筑最佳朝向分析图，图中下方浅色光圈表示最佳位置，由大到小3个线圈分别表示最冷3个月、最热3个月以及全年各个方向太阳辐射量，箭头分别对应辐射量的方向1。综合考虑最冷月份和最热月份得热需求，经过系统自动计算对应的得热，得出最佳的朝向是偏北157.5（下方箭头所指方向）。建筑设计初期，按最佳朝向范围建造，建筑的采光和日照能达到最佳效果。2 热环境优化设计為使建筑的热环境达到最优效果，采暖季充分利用太阳能获得辐射得热，炎热季避免过多阳光进入室内，具体措施有三种。2.1 围护结构优化南向采用大面积高性能玻璃窗形成直接受益式太阳能采暖系统，冬季充分利用太阳能资源采暖，见图3。同时，墙体采用9 mm刨花板+160 mm石墨聚苯板+9 mm刨花板+12 mm空气+10 mm石膏的保温结构，屋面以及楼板保温层在墙体基础上去除空气层，窗户采用三玻两腔聚氨酯合金，有效阻止了室内冷热能的散失。2.2 遮阳优化夏季采用百叶式可调节外遮阳，同时加强外围护结构的保温隔热，选用三玻两腔隔热窗、保温隔热屋顶等。上海地区夏季时间长，炎热期设计时需要注意夏季温度和湿度都较高。遮阳设计不但能阻止过多阳光进入室内，降低太阳辐射得热和室内温度，还能调节进入室内的光线分布，避免眩光产生，提高人体舒适度2。所以，夏季热环境改善方案设计的重点在被动式遮阳设计（见图3）。2.3 自然通风优化作为建筑内部的“室外空间”，中庭的设计除了分享外部自然环境外，还可以有效利用热压和风压进行自然通风。当风吹向建筑物正面时，迎风面产生正压，同时侧面和背面产生负压。开敞的建筑外窗及顶部，可充分利用这个压力差进行自然通风。炎热的夏季将室内的热空气排出室外，直接降低空气温度。在上海，梅雨季节可有效改善空气的湿度，提高人体的蒸发换热和对流换热，改善热舒适通风。南向大面积玻璃幕墙的设计可以在冬季充分利用太阳辐射得热，但也存在夏季得热过多的问题3，而边庭的引入可有效解决上述问题。除了作为热缓冲区保温隔热，边庭还可促进通风，且季节不同，边庭采用的控制策略也不同4。夏季边庭立面窗户开启，经太阳辐射加热后，内部空气由高侧窗排出，在带走室内余热的同时，新鲜空气经绿化冷却后从边庭下方进入室内，见图5（a）;冬季边庭窗户封闭，经太阳辐射加热后，内部空气通过自然对流的方式进入室内，见图5（b）。3 热环境改善效果分析3.1 遮阳分析图6（a）（b）分别是采用水平遮阳和无遮阳措施下的太阳日均辐射。图6中，水平遮阳南向窗户日均太阳辐射量为97.65Wh，而无遮阳南向窗户日均太阳辐射量为86.24Wh。可以看出，夏季水平遮阳措施可以有效阻挡夏季太阳光进入室内，降低空调制冷能耗。3.2 围护结构得热分析分别对（a）方案外保温体系围护结构和（b）方案一般围护结构得热进行分析（见图7）。横坐标代表月份，纵坐标代表得热所占小时数。（a）方案采用结构上文已有涉及，（b）选取的一般围护结构采用墙体220 mm实心砖+10 mm水泥砂浆层，屋面采用6 mm沥青层+150 mm水泥+10 mm石膏面层，窗户采用单层玻璃铝合金窗框，传热系数为6W/（m2.k）。对比（b）方案的一般建筑围护结构，（a）方案的高性能围护结构夏季得热始终维持在更低的小时数，说明夏季遮阳和围护结构保温优化很明显地降低了空调的冷负荷。对比冬季围护结构得热发现，（a）方案在2月、3月寒冷季节有较好的围护结构得热，冬季热量损失主要是围护结构传热损失，因此围护结构的性能对其整体的节能效果起到了至关重要的作用。3.3 热舒适度分析图8中的深色区域代表热环境改善之后的降温潜力，浅色区域代表热环境改善之前的降温潜力，从左到右分别代表了围护结构蓄热能力、夜间通风、被动太阳得热、自然通风、直接蒸发降温和间接蒸发降温5。从图中可以看出，围护结构蓄热能力、夜间通风、被动太阳得热以及自然通风在设计优化之后热舒适度都有大幅提高，上海地处沿海，气候炎热潮湿，高楼林立，热量难以散失形成热岛，热环境的改善有利于改善人居环境。4 结语本文从本区域气候条件入手，通过南向大面积玻璃窗、保温隔热围護、中庭和边庭通风开展建筑方案优化设计，利用太阳辐射、围护结构得热和热舒适度模拟优化设计结果，反映设计参数对建筑热环境的影响，为建筑节能设计提供依据。参考文献：1 陈婕，高虎. Weather Tool在绿色建筑设计中的应用J.福建建筑，2010（8）：31-33.2 严钧，赵能，梁智尧. Ecotect在建筑方案设计中的应用研究J.高等建筑教育，2009，18（3）：140-144.3 韩培，梅洪元.寒地建筑缓冲腔体的生态设计研究J.建筑师，2015（4）：56-65.4 宋宇辉，曲冠华，原野，等.高层办公建筑风环境性能优化设计研究与实践J.建筑节能，2020，48（10）：39-45.5 赵玉芬，杨柳，张同伟.基于Weather tool的气候分析方法J.中国建材科技，2013（1）：54-57. -全文完-