基于模擬分析的寒冷地區居住建筑布局研究

鞠曉磊 龐魯新

*通訊作者：鞠曉磊，1983年1月，男，漢族，山東泰安人，就職于中國建筑設計研究院有限公司，高級建筑師，碩士研究生。研究方向：太陽能建筑一體化。

資助信息：兵團財政科技項目“基于氣候適應性的新疆地區低成本建筑節能技術與太陽能建筑集成及應用”（2020AB007）。

摘 要：本文根據寒冷地區居住建筑常見的錯列式和行列式布局，使用日照和風環境模擬，分析兩種布局方式在冬季和夏季的使用效果，最終推薦采用錯列式布局。

關鍵詞：寒冷地區;居住建筑布局;日照分析;風環境模擬

Abstract： According to the common staggered and determinant layout of residential buildings in cold areas， using sunshine and wind environment simulation， this paper analyzes the use effects of the two layout modes in winter and summer， and finally recommends staggered layout.

Keywords： Cold areas; Residential building layout; Sunshine analysis; Wind environment simulation

一、引言

隨著節能建筑的發展，大量研究已經證明，住宅建筑應該從規劃、設計階段進行節能設計，并制定相關節能設計標準來規范建筑和熱工設計。然而，國家和地方標準對于建筑布局規定較為寬泛，規劃階段的建筑布局大多依賴建筑師的經驗判斷，仍需進一步計算來準確確定建筑布局[1]。因此，本文針對寒冷地區居住建筑常見布局，使用仿真模擬手段，進行日照分析和風環境模擬，進行優化選擇。

二、基礎算例

本文選擇寒冷地區某南北通透板式高層住宅作為基礎算例，標準層面積822.4 m2，3單元聯排，建筑面寬64.2 m，進深13 m，層高3 m，共十八層。標準層平面見圖1。

三、建筑布局

寒冷地區居住小區常見布局包括錯列式和行列式，本章對其進行日照分析和風環境模擬。

（一）日照分析

首先對兩種建筑布局的日照情況進行模擬測算，輸入濟南地區情況，通過Rhino中帶有的grasshopper中sunflower插件進行日照模擬。樓間距滿足濟南當地規范要求，日期選取大寒日。模擬日照結果如圖2所示。

根據統計計算建筑表面日照，錯列式布局接受日照情況優于行列式，在大寒日8～16時中，錯列式比行列式多獲得0.7%的日照時長。

（二）風環境分析

風環境模擬同樣選取濟南的地理信息，由于風環境的情況較為復雜，所以針對不同季節分別進行討論。

選擇濟南冬季風場進行模擬，查閱資料可知，濟南冬季盛行風向為東南向，平均風速為3.2 m/s。

模擬結果如圖3～圖5所示，從圖中可以看出，在冬季的盛行風場下，錯列式的非迎風面的建筑的前后風壓差相比行列式較小，尤其在第三排建筑尤為明顯。同時，對建筑表面風速情況進行分析，可以看出，錯列式建筑后排建筑由于前排的遮擋，風速降低至2.5 m/s左右，而行列式后排建筑的表面風速并沒有明顯減弱。建筑前后風壓和建筑表面風速都會增強建筑冬季熱散失，可以得出冬季錯列式布局的小區由于冬季風造成的熱損失會更少[2]，不同排列方式的建筑表面風壓模擬結果見圖3～圖5。

觀察小區內風速情況，取水平高度1.5 m風速進行分析，錯列式小區的樓間步行區域風影區更少，風速約在2.2～3.7 m/s之間，滿足1～5 m/s的人體舒適區間。而行列式的風影區相比更大且西北處有較大片4 m/s的風速較高區域，東南角建筑北面形成渦旋，風環境相較來說更差，不同排列方式的場地風速如圖6所示。

在夏天，濟南夏季頻率最多的風向為西南風，風速平均為2.8 m/s，從結果可以看出，在行列式的非迎風面的表面風壓差相較錯列式較大，二者均滿足夏季、過渡季建筑前后壓差大于1.5 Pa通風的要求[3]。行列式和錯列式結果區別不大。對于小區內風環境，行列式有較大風影區，而錯列式在西南處產生渦旋，二者人行區域風環境都不算優秀，但大多面積風速仍在1～5 m/s之間，基本滿足通風要求[4]，不同排列方式的建筑表面風壓模擬結果如圖7～圖8所示。

根據風環境模擬分析，冬季錯列式布局在保溫方面相對較優，夏季二者并無顯著差異。

四、結束語

本文對寒冷地區某居住小區排列式和錯列式建筑布局進行日照分析和風環境模擬，結果表明錯列式布局接受日照情況優于行列式，在大寒日8～16時中，錯列式比行列式多獲得0.7%的日照時長;冬季錯列式布局在保溫方面相對較優，夏季二者并無顯著差異。因此，本文推薦寒冷地區居住建筑采用錯列式建筑布局。

參考文獻：

[1]劉馨，吳玥，梁傳志，黃凱良，李宗翰，李畫，魯倩男.寒冷地區綠色建筑土壤源-空氣源雙源熱泵運行特性分析[J].建筑科學， 2020，36（02）：19-27+37.

[2]王德曄，王世杰.寒冷地區農村住宅建筑節能分析[J].節能， 2020，39（01）：10-13.

[3]吳虎彪.寒冷地區學校建筑空調系統設計[J].制冷與空調， 2020，20（04）：64-67.

[4]高楓，朱能.寒冷地區辦公建筑負荷敏感性差異分析及應用[J].哈爾濱工業大學學報， 2020，52（04）：180-186+194.