第四章--Weather-Tool.docx

第四章 Weather ToolWeather Tool的操作界面首先启动weather tools，在开始菜单里找到图 4-1启动后，其工作界面如图4-2图 4-24.1气象文件的主要来源1) 在开始菜单里打开气象文件，气象文件的主要来源有：(1) CSWD 是Chinese Standard Weather Data中国标准气象数据，是国内出版的中国建筑热环境分析专用气象数据集。(2) CTYW是Chinese Typical Year Weather ，张晴原根据美国政府数据整理的，是国内出版的中国建筑用标准气象数据库。4.2VIEW菜单栏图 4-3如图4-3是VIEW的菜单栏，分别是Zoom to Fit(缩放适配)、Copy to Clipboard(复制到剪贴板)、Passive Design Analysis(被动式设计分析)、Location Data(地理数据)、Solar Position Diagram(日轨分析)、Comfort Psychrometry(舒适度与焓湿图)、Wind Analysis(风分析)、Hourly Data(逐时数据)、Weekly Data(逐周数据)、Monthly Data(逐月数据)等命令。4.3分析面板包含LOCATION DATA(地理数据)、SOLAR POSITION(日轨分析)、PSYCHROMETRY(焓湿图)、WIND ANALYSIS(风分析)、HOURLY DATA(逐时数据)、WEEKLY DATA(逐周数据)、MONTHLY DATA(逐月数据)等七项分析工具。4.3.1 LOCATION DATA面板包含了所载入气象数据的名称、经纬度、时区、海拔高度与天空照度等信息如图4-4图 4-44.3.2 SOLAR POSITION面板如图4-5，包含了Display Type(显示类型)、Date/Time(日期/时间)、Daylight Savings(夏令时)、Orientaion(方向)、Solar Radiation(太阳辐射)、Best Orientation(最佳朝向)等命令。图 4-51) Display Type菜单下有：(1) 数据显示方式：Orthograhic Projection(竖直投影)，如图4-6；Stereographic Projection(立体投影)，如图4-7；Tabulated Data(数据表格)，如图4-8。图 4-6图 4-7图 4-8(2) 气象数据显示命令：Overlay Hourly Data(逐时数据覆盖图)将温度、湿度、风速、云量等气象数据显示在太阳轨迹图上；如图4-9，4-10所示。图 4-9图 4-10 2) Solar Radiation(太阳辐射)可以显示全年的太阳辐射情况，如图4-11图中红色与蓝色区域分别代表过热与过冷的时间（该区域与Best Orientation命令中的设置有关）；较粗的黄线表示平均曝辐射量；较细的黄线表示实际记录的全年逐时曝辐射量；左上角的文字中“180.0”表示偏北180.0，说明图4-11是这个方向上的太阳辐射情况；可通过调节Orientation，设置相应的方向。“Total Annual Collection”表示全年该方向的总曝辐射量，“Underheated Period”表示过冷时间段（蓝色区域）的总曝辐射量，“Overheated Period”表示过热时间段（红色区域）的总曝辐射量。点击按钮，会显示不同角度的太阳辐射情况的动画。再次点击该按钮或者点击键盘ESC会停止动画。通过动画我们可以发现厦门地区冬季西偏南9度（-171）左右的曝辐射量最高，而夏季南偏东7度（-83）的曝辐射量最高。图 4-11 3) Best Orientation(最佳朝向)在弹出的对话框中选择最冷与最热的月份，如图4-12，点击OK命令。【注意】选择最冷或者最热的月份可以根据实际情况选择，但是所选择的月份必须连续。图 4-12 结果如图4-13图 4-13 图中黄色箭头与粗的红色箭头分别表示了最佳朝向与最差朝向，软件也在图中标出了最佳朝向在177.5，最差朝向在265。【注意】所谓最佳朝向就是考虑到过冷时间里得到的太阳辐射较多，过热时间里得到的太阳辐射较少，二者权衡折中（Compromise）的一个方向。图中绿色箭头、蓝色箭头与细的红色箭头分别表示全年平均曝辐射量最多的朝向（233）、过冷时间内曝辐射量最多的朝向（180）和过热时间内曝辐射量最多的朝向（86），这与Solar Radiation命令的分析结果一致。左上角的文字中Underheated Stress表示过冷时间内各个朝向的总曝辐射量，为214.2kWh/m2（图中蓝色圈所包含的总曝辐射量）；Overheated Stress表示过热时间内各个朝向的总曝辐射量，为428.6kWh/m2（图中红色圈所包含的总曝辐射量）；Compromise表示最佳朝向，为177.5。左下角的文字中Entire Year表示全年平均曝辐射量最多的朝向的曝辐射量，为0.65kWh/m2（图中绿色圈与绿色箭头相交点所表示的曝辐射量）；Underheated表示过冷时间内曝辐射量最多的朝向的曝辐射量，为1.21kWh/m2（图中蓝色圈与蓝色箭头相交点所表示的曝辐射量）；Overheated表示过热时间内曝辐射量最多的朝向的曝辐射量，为0.27kWh/m2（图中红色圈与细红色箭头相交点所表示的曝辐射量）。太阳辐射和最佳日照可以对各朝向立面上的全年太阳辐射进行分析对比，还可以根据全年过热期和过冷期内的太阳辐射量计算本地的最佳建筑朝向。这一功能特别适合于建筑平面的布局与规划设计。4.3.3 PSYCHROMETRY（焓湿图分析）如图4-14，包含一个菜单：Chart Overlay(图表显示)；两个下拉菜单：Overlay Type(显示类型)Cumulative Frequency(累计频率)、Hourly Data Points(逐时数据点)、Monthly Ranges(逐月范围)与Average Monthly Maximums(月均最高值)；Date(日期)全年、四季或者各月；一个可移动光标，以此设置人的活动剧烈程度。图 4-14Chart Overlay菜单包含了：(1) Highlight Chart Elements(高亮显示)高亮显示坐标系中的干球温度、湿球温度、绝对湿度、相对湿度、水蒸气分压力、比容与焓等。(2) Psychrometric Processes(焓湿过程)在焓湿图中显示采暖和空调、露点和冷凝、绝热过程、混合气流等命令。(3) Passive Design Analysis(被动式设计分析)Ecotect Analysis以舒适百分比(comfortable percentage)来衡量被动式设计策略对舒适度的提高，以采用被动式策略后温湿度在舒适区域的时间段百分比来表示，最高值100，最低值0%。(4) Active Cooling Strategies(主动式降温策略)点击该命令后焓湿图上会显示适合主动式降温的策略区域包括：机械通风降温、蒸发降温、空调降温等，如图4-15图 4-15 (5) Climate Classification(气候分区)点击该命令后焓湿图上会显示月均最高温度值的连线，并划分出了冷、温和、干湿暖、干湿热的区域，如图4-16图 4-16 (6) Passive Solar Heating(被动式太阳能采暖)(7) Thermal Mass Effect(高热容材料)(8) Mass + Night Ventilation(高热容+夜间通风)(9) Natural Ventilation(自然通风)(10) Direct Evaporative Cooling(直接蒸发降温)(11) Indirect Evaporative Cooling(间接蒸发降温)(12) Multiple Techniques(多重复合技术)(13) Clear All Overlays(清除所有显示)(14) Chart Settings(图表设置)可以设置大气压、坐标系等内容。(15) Point Colours(点颜色设置)可以在焓湿图中按月份、时间、太阳辐射等显示逐时数据点。(16) Display(显示)可以开闭标题与轴线刻度1) 焓湿图策略分析Weather Tool提供了功能强大的焓湿图分析功能，软件可以根据气象数据在焓湿图中对各种主动、被动式设计策略进行分析。其中被动式策略与建筑设计的关系尤为密切，建筑师恰当使用被动式策略不仅可以减少建筑对周围环境的影响，还可以减少采暖空调等的造价与运行费用。同时，主动式策略也有高能低效与低能高效之分，通过在焓湿图上分析主动式策略，也同样可以有效的节约能源。焓湿图简单地说，焓（Enthalpy）是表示物质内部具有的一种能量的物理量，也就是一个表示物质状态的参数，单位是kJ或kJ/kg。焓湿图在通风、空调工程中用来确定空气的状态，确定空气的四个基本参数，包括温度、含湿量、大气压力和水蒸气分压力与热环境的关系。在气候设计过程中可以借用它来比较直观的分析和确定建筑室内外气候的冷、热、干、湿情况，以及距离舒适区的偏离程度，如图4-17图 4-17焓湿图横坐标为空气的干球温度（DB，），纵坐标表示空气的绝对湿度（AH，g/kg），曲线表示空气的相对湿度（RH，%），倾斜的虚直线表示空气的湿球温度（EB，），倾斜的实直线表示空气的比容（Vol，m3/kg）。在焓湿图的范围内按住鼠标的左键，在软件界面的最下方便显示出该点的所有焓湿信息，如图4-18。图 4-18图4-17中的黄色多边形代表了热舒适区域。影响热舒适区域的因素有平均辐射温度、空气温度、空气流速与相对湿度。由于焓湿图仅涉及空气温度与相对湿度，其无法表达出空气流速与平均辐射温度的影响，因此Weather Tool中假定它们是恒定的，且平均辐射温度接近空气温度，空气流速为舒适的。除了上述四个环境因素外，人体的活动量与衣着量也会影响热舒适区域。热舒适区域看以看作是建筑热环境设计的具体目标，通过建筑设计的一些具体措施可改变环境中的因素来缩小室外气候偏离室内舒适的程度。于是Givoni等人于1970年代提出了“建筑气候设计分析图”（Building Bioclimatic Design Chart）。鉴于通过室外典型气候分析可以预测室内热环境状况，为了便于应用，Givoni针对不同的温度振幅和水蒸气压力组合成环境状况，把凭借通风、降低室温、蒸发散热等方式调节的使用范围均表示在一个焓湿图上。Weather Tool就采用类似的办法，将Passive SolarHeating等六种被动式策略可以扩大的舒适范围标于焓湿图上，如图。图 4-19(1) 被动式太阳能采暖太阳能利用是针对一个地区室外气候过冷时利用太阳能进行采暖的设计方法。被动式太阳能设计的气候因素关键取决于室外的温度和太阳辐射量。温度过低或辐射量太小，被动式太阳能采暖都不能够实现。除此之外，建筑设计也很大程度地影响了被动式太阳能采暖的效果，主要包括：窗墙比、围护结构保温性能与太阳能采暖效率等因素。在Weather Tool的默认条件下如图4-20。图 4-20 Activity(人体活动量)为静坐，Glazing Ratio(窗墙比)为20%，Insulation(围护结构保温)为高，Efficiency(太阳能采暖效率)为平均情况被动式太阳能采暖的效果如图。可以发现，此时采用被动式太阳能采暖可以提高厦门地区4、5、9、10月份大部分时间的室内热舒适度。如图4-21图 4-21 在其它因素不变的情况下，仅仅将窗墙比提高到40%，被动式太阳能采暖的效果如图4-22所示。可以发现，此时采用被动式太阳能采暖可以提高北京地区3、4、5、9、10、11月份大部分时间的室内热舒适度和2、12月部分时间的室内热舒适度。这一变化是十分明显的，也为建筑师的设计提供了有效的信息。如图4-22图 4-22 (2) 自然通风空气流动增加了人体与周围空气的对流换热量以及人体的汗液蒸发量，从而使人体在热环境下感觉舒适。前者的有效性取决于空气的温度，只有在空气温度低于皮肤表面温度范围（32-34）内，提高空气流动的速度才能达到增加人体与周围空气对流的换热量。人体蒸发散热率取决于气流速度与空气的水蒸气压力大小。而提高空气流速总能够增加蒸发散热量，只是在高的水蒸气压下散热率相对减少。同时，通过自然通风获得舒适的程度取决于在通风情况下人们能够接受的最高温度和最大空气流速，比如，对于办公建筑，人们不希望风速超过1.5m/s，因为这个风速能够吹动办公桌上的纸张而使人不快。而对于居住建筑内的人们，空气流速的上限可以高一些。在Weather Tool的默认条件下图4-23。图 4-23 Activity(人体活动量)为静坐，Air Speed(空气流速)为1m/s自然通风的效果如图。从图中可以发现，此时在北京地区应用了自然通风的策略可以提高6-9月份大部分时间的室内热舒适度。如图4-24 图 4-24 当其他条件不变，仅将风速调至最大（annoying，2m/s），从图可以看出，虽然在6、9月份的室内热舒适度提高了很多，但7、8月份依然有很多时间的室内无法达到舒适。在温度较高（32-34以上）同时相对湿度也较高的情况下，自然通风很难提高室内热舒适度。如图4-25图 4-25 同时需要指出的是，空气流动通常令人捉摸不定，因此建筑的风环境设计高度复杂，我们很难通过建筑设计的手段令室内风速持续很强，但是适当提高室内的风速是可以通过设计达到的。(3) 高热容的围护结构与夜间通风夏季白天，建筑关闭门窗（室内为静风情况下），利用墙体、屋面、地面等实体结构的隔热性和蓄热性，阻止热量进入室内并降低室外温度波动对室内温度的影响，使建筑围护结构内表面接近室外平均温度；夜间利用长波辐射散热和自然通风降（夜间通风）白天围护结构吸收的热量散发出去，降低其温度，使它在第二天日间又可以作为吸热体吸收室外的热量。这种利用围护结构的蓄热性的被动式降温方式适合夏季室外温差大的气候区。利用高热容的围护结构维持室内舒适时，必须注意建筑外表面的做法和建筑的遮阳措施。建筑外表面最好使用太阳辐射高的浅色材料，建筑开口必须有足够的遮阳设施，以减少室外强烈的太阳辐射的影响。图4-26是厦门地区采用高热容围护结构与夜间通风的被动式策略提高的室内热舒适度。图中红色虚线以左的部分是单纯使用高热容围护结构提高的舒适度，虚线以右是同时又采用了夜间通风都提高的舒适度。图 4-26 通常情况下，采用夜间通风策略的前提就是要有高蓄热性的围护结构或者附加构件（比如室内的水墙等），否则单独使用这一被动式策略效果非常有限。(4) 蒸发降温蒸发降温利用了水的汽化潜热降温作用，分为直接蒸发降温与间接蒸发降温两种。直接蒸发降温是指室外干燥高温的空气流经水体构件后，由于水的蒸发吸热过程，使空气温度降低后流入室内。这种方法主要用于干热地区。间接蒸发降温是指在建筑的表面利用太阳辐射使水蒸发而获得自然冷却的方法，如淋水屋面、蓄水屋面等。建筑表面间接蒸发降温过程由于不会增加室内的湿度，所以适合湿热地区。图4-27是厦门地区采用蒸发降温策略而提高的室内热舒适度。图中红色虚线与黄线所包围的区域是采用直接蒸发策略而提高的舒适度，红色实线与黄线所包围的区域是采用间接蒸发策略所提高的舒适度。由于厦门地区夏季湿度较高，因此直接蒸发降温作用不大，而间接蒸发有一定作用。图 4-27 (5) 被动式策略组合分析上面我们分析的都是采用单独的某种策略的效果，在Weather Tool中，还可以自由组合各种被动式策略，并对其实时效果进行考察。组合式策略在设计中是非常常见的，通过这一分析，建筑师可以在多种被动式策略中找出最适当的组合。点击Chart Overlay菜单中的Multiple Techniques命令，在弹出的对话框中勾选全部被动式策略，结果如图4-28，所有被动式策略效果都呈现在了焓湿图图 4-28点击Chart Overlay菜单中的Passive Design Analysis命令，在弹出的对话框中不勾选Combine Multiple Passive Design，结果如图4-29所示，各种被动式策略的逐月效果呈现在图表中。图 4-29点击Chart Overlay菜单中的Passive Design Analysis命令，在弹出的对话框中勾选Combine Multiple Passive Design以及全部被动式策略，结果如图4-30所示，各种被动式策略总的效果呈现在逐月图表中。图 4-30 从图中可以发现，在厦门地区将被动式太阳能采暖与自然通风策略应用得当，就可以大幅调高室内的热舒适度。从图中可以发现，被动式太阳能采暖策略在冬季与过渡季节效果显著，高热容围护结构、夜间通风与自然通风在夏季作用明显。从图中可以看到，综合应用各种被动式设计策略可以提高全年舒适度5倍时间以上，效果显著。4.3.4 WIND ANALYSIS面板图 4-31包含风频、平均温度、最高温度、最低温度、平均相对湿度、最高相对湿度、最低相对湿度、平均降雨量与最大降雨量等命令；Date(日期)，包含全年、四季与各月份；Time(时间)：包含全天、早晨、中午、下午、傍晚、夜晚与24个小时。两个勾选项：Show Percentage(显示百分比)，勾选该项会在平率图中显示各色块的百分比；Show Legend(显示图例)，勾选该项会显示比例尺。两个命令：Show Comparison(显示对比)，点击该命令会显示出风频、平均温度、平均相对湿度与平均降雨量等四个频率图；Show Months(显示月份)，点击该命令会显示12个月的气象参数的频率图如图4-32。图 4-32 4.3.5 HOURLY DATA面板图 4-33是逐时数据图中是全年逐日气象数据如图4-34，点击日期右下方会显示当日的逐时数据如图4-35，图中绿色部分是热舒适区域；红色部分是逐时温度其中包含了最高温度、最低温度与平均温度；黄色实线是直射辐射量，表示的是某月内各天某一时刻的平均值，即将一个月内的太阳直射辐射用求逐时平均值的方法虚拟成一天24小时的太阳直射辐射量；灰色虚线是散射辐射量，也是每个月虚拟成一天24小时的太阳散射辐射量。横坐标表示了日期（对于温度来说是日期，对于辐射量来说是时间）；左边的纵坐标表示了温度（）；右边的纵坐标表示了太阳辐射量（W/m2）。图 4-34图 4-35图 4-364.3.6 WEEKLY DATA面板图 4-37这个是逐周数据我们以平均温度为例来说明逐周数据的含义。图是一般情况显示的图形，我们可以从中发现一些规律：厦门地区冬季的温度较低，夏季温度比较高；下午15时分的相对温度最高，夜间的相对温度很少低于10度。为了更仔细的分析图中的信息，我们可以点击键盘“F5”、“F6”、“F7”切换到俯视图、前视图与侧视图，如图4-38，4-39,4-40。如图4-41表示的是某周内各天某一时刻的平均值，即将一周内的温度用求逐时平均值的方法虚拟成一天24小时的相对湿度，图中颜色越深表示相对湿度越低，可以发现厦门地区1月中的夜晚时刻是一年中温度最低的，而9月份的下午是一年中温度最高的时间。图 4-38 图 4-39 图 4-40 图 4-41 4.3.7 MONTHLY DATA逐月数据菜单包含了降雨量如图4-42,4-43、相对湿度（上午9点）、相对湿度（下午3点）、平均温度、最高温度、最低温度、温度标准差、日均实际日照时数、太阳辐射、采暖度日数、空调度日数、太阳度日数、风速（上午9点）与风速（下午3点）等命令。菜单下面是逐月的数据。逐月数据的图像信息。图 4-42图 4-43