濕熱地區(qū)冷巷空間形態(tài)尺度量化模擬

孫倩倩，郭希晞，陳 敬

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引 言

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，現(xiàn)代建筑的設(shè)計(jì)與建造滿足了人們對(duì)空間的需求，隨之帶來(lái)了建筑能耗過(guò)高的問(wèn)題，建筑全過(guò)程能耗占全國(guó)能源消費(fèi)總量比重為46.5%。在中國(guó)南方濕熱地區(qū)，由于高溫、高濕的氣候條件會(huì)加劇空調(diào)的使用，在進(jìn)行房屋建設(shè)時(shí)，應(yīng)盡量采用自然通風(fēng)等被動(dòng)式策略[1]，以調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境[2]。傳統(tǒng)民居在長(zhǎng)期試錯(cuò)過(guò)程中形成了樸素有效的氣候調(diào)節(jié)空間[3]，冷巷是民居中用于被動(dòng)式降溫的典型代表空間之一，一般指?jìng)鹘y(tǒng)民居中建筑與建筑之間形成的窄巷道或在建筑一側(cè)的狹窄通道[4]，通常沿建筑縱深方向展開，廣泛存在于中國(guó)南方濕熱地區(qū)。

陳曉揚(yáng)等以南京地區(qū)為例探究了墻體材料對(duì)冷巷的影響以及中廊的季節(jié)及晝夜優(yōu)化控制模式[5]。田春來(lái)以浙江鳳溪玫瑰研學(xué)基地建筑設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)方案為例，定性分析了冷巷的設(shè)計(jì)[6]。陳輝通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在冷巷中人體對(duì)熱舒適的感知主要來(lái)自于溫度相對(duì)低的墻體與人體之間的輻射[7]。關(guān)于濕熱地區(qū)的冷巷研究在界面材料的熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用影響、冷巷在方案中的設(shè)計(jì)過(guò)程等方面做了深入研究，但針對(duì)冷巷的寬度、方位、形態(tài)等空間設(shè)計(jì)要素變量做定量分析的研究相對(duì)較少。文中以2020年臺(tái)達(dá)杯國(guó)際太陽(yáng)能建筑設(shè)計(jì)地塊為例，基于不同冷巷空間形態(tài)下的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停磕M冷巷空間中各個(gè)設(shè)計(jì)因素對(duì)被動(dòng)式降溫效果的影響作用，傳承傳承冷巷空間原型，為現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究條件

研究對(duì)象所在地塊位于福建省南平市建陽(yáng)區(qū)，北緯27°19′58″，東經(jīng)118°05′47″，海拔168 m。屬典型濕熱地區(qū)，光熱資源豐富，冬短夏長(zhǎng)，雨季集中，年平均氣溫19.5 ℃，最熱月平均溫度28.8 ℃，最冷月平均溫度10.2 ℃，采暖度日數(shù)816 d，空調(diào)度日數(shù)241 d。地塊處于城市中心地帶，交通便利，用地東北高西南低，用地內(nèi)無(wú)既有建筑和需要保留的樹木，場(chǎng)地較為空曠。東側(cè)與綠歐璟園小區(qū)隔景龍路相鄰，南鄰書院南路，西鄰城市級(jí)干道建平大道，北側(cè)緊靠融匯山水居住小區(qū)，用地面積6 028 m2。場(chǎng)地西北側(cè)為水泵房和空地，有出入口通往場(chǎng)地(圖1)。

圖1 研究用地區(qū)位

2 模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 建筑空間類型

用地范圍內(nèi)需設(shè)計(jì)12班共360人規(guī)模的全日制幼兒園一所，層數(shù)不超過(guò)3層，總建筑面積不超過(guò)4 700 m2，設(shè)計(jì)應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣鳌①Y源條件、建筑特色以及建筑的使用特點(diǎn)，針對(duì)研究對(duì)象的建設(shè)條件和使用特點(diǎn)，解決的夏季通風(fēng)、降溫等問(wèn)題，達(dá)到降低建筑能耗的目的。將建筑單體尺度進(jìn)行定量(表1)，按照建筑單體空間尺度所能容納的建筑功能進(jìn)行群體組織，形成2種建筑空間類型(表2)，包括重要性經(jīng)常活動(dòng)空間(幼兒生活用房)、次要性輔助使用空間(服務(wù)管理、后勤供應(yīng)用房)，研究冷巷空間形態(tài)不同變量條件下的建筑熱環(huán)境影響。

表1 建筑單體定量尺度

表2 建筑空間類型

2.2 空間形態(tài)對(duì)比

以冷巷組織基本建筑單元，建筑單元經(jīng)過(guò)不同的冷巷空間組織設(shè)計(jì)，形成了4個(gè)模擬方案(表3)。建筑設(shè)計(jì)中群體布局方向通常受場(chǎng)地影響，室外空間盡量減少異形等消極空間的產(chǎn)生[8]。模擬方案C02～C04中4個(gè)方向的建筑外輪廓與基地4個(gè)方向的控制線平行，均為南偏東19°，在滿足寬度和形態(tài)變量條件的同時(shí)，又能與已知基地條件形成合理的建筑外部空間。在C01中東側(cè)與南側(cè)建筑外部輪廓能與基地控制線形成合理室外活動(dòng)空間的基礎(chǔ)上，偏轉(zhuǎn)角度最大增加至35°，偏轉(zhuǎn)角度與C02相差大于15°，具備比較研究?jī)r(jià)值。冷巷寬度方面，在不超過(guò)建筑用地紅線的前提下，冷巷空間中寬度上限值為4 m，而幼兒園中單面走廊或外廊，生活用房不得小于1.8 m，服務(wù)、供應(yīng)用房不得小于1.3 m，因此采用2 m作為變量條件。

表3 方案設(shè)計(jì)冷巷空間變量對(duì)比

基于以上變量條件設(shè)定，探究不同方位、寬度、形態(tài)變量下的冷巷空間形態(tài)對(duì)于自然通風(fēng)下熱環(huán)境的影響差異。第1組方案對(duì)比為C01、C02，冷巷寬度與形態(tài)相同，方位偏轉(zhuǎn)角度不同，分別為南偏東35°和南偏東19°；第2組方案對(duì)比為C02、C03，冷巷方位和形態(tài)相同，寬度不同，分別為2 m和4 m；第3組方案對(duì)比為C03、C04，冷巷方位和寬度相同，形態(tài)不同，分別為直線型和折線型。

3 模擬條件設(shè)定與熱環(huán)境評(píng)價(jià)

3.1 模擬條件

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)能夠進(jìn)行方案設(shè)計(jì)階段中建筑熱工性能的預(yù)測(cè)，能進(jìn)行相同邊界條件、不同設(shè)計(jì)變量條件下的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬結(jié)果對(duì)比。模擬實(shí)驗(yàn)采用Autodesk CFD模擬軟件，可以通過(guò)設(shè)定室外氣象參數(shù)與熱舒適因子等邊界條件，得到建筑室內(nèi)外空氣溫度、輻射溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速分布，形成直觀的可視化圖像界面，通過(guò)布點(diǎn)的方式獲取熱環(huán)境相關(guān)參數(shù)的具體數(shù)值。模擬選取的湍流模型為不可壓縮氣體的標(biāo)準(zhǔn)K-ε方程，k方程和ε方程可分別簡(jiǎn)化為[9]

(1)

(2)

湍流黏性系數(shù)為

(3)

式(2)和(3)中ρ為流體密度；μt為流體沿t方向的分量；Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；C1ε，C2ε為常數(shù)；C1ε=1.44；C2ε=1.92；σk和σk為湍流數(shù)；σk=1.0，σk=1.3[9]。

根據(jù)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[10]中關(guān)于福建南平的熱環(huán)境分析氣象數(shù)據(jù)，選取與氣象數(shù)據(jù)集中夏季通風(fēng)室外計(jì)算參數(shù)相近的典型時(shí)間點(diǎn)，作為模擬邊界條件(表4)。

表4 邊界條件說(shuō)明

3.2 熱環(huán)境

在進(jìn)行室內(nèi)外熱環(huán)境模擬時(shí)，根據(jù)國(guó)際與國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，熱環(huán)境選取人體主要活動(dòng)高度，采用距離各層地面1.1m的截面分析。選取熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)包括風(fēng)速、溫度和人體熱舒適指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同冷巷空間形態(tài)下的熱環(huán)境作用。

3.2.1 風(fēng)速

濕熱氣候條件下，自然通風(fēng)在建筑中發(fā)揮重要的作用。風(fēng)速指標(biāo)分為2種，第1種為每個(gè)單獨(dú)的建筑空間平均風(fēng)速，包括前廳A1-A4、后廳B1-B7、冷巷L(fēng)1-L5、庭院T1-T4(表5)，分別計(jì)算每個(gè)空間1.1 m高截面的平均風(fēng)速；第2種為計(jì)算前廳A1-A4四類建筑空間累計(jì)的風(fēng)速平均值，即得到前廳A的平均風(fēng)速，后廳B、冷巷L(fēng)、庭院T以此類推。當(dāng)風(fēng)速低于0.5 m/s時(shí)，處于靜風(fēng)狀態(tài)，幾乎感受不到風(fēng)速，這時(shí)熱環(huán)境相對(duì)較差。邊界條件設(shè)置外界風(fēng)速為3.4 m/s，風(fēng)速不會(huì)超過(guò)人體不舒適的上限值。因此，以單個(gè)空間的平均風(fēng)速大小、單類空間的平均風(fēng)速大小和0.5 m/s的標(biāo)準(zhǔn)條件作為風(fēng)速評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2.2 空氣溫度

溫度是影響人體熱舒適的重要熱環(huán)境指標(biāo)。平均溫度數(shù)值的比較方法與上述平均風(fēng)速的比較方法相同，即比較不同變量條件下單個(gè)空間和單類空間的平均溫度。根據(jù)濕熱地區(qū)的有關(guān)研究[11]，80%的人體可接受的熱環(huán)境溫度范圍為22.1～28.7℃。在進(jìn)行空氣溫度評(píng)價(jià)時(shí)，通過(guò)對(duì)平均溫度和可接受溫度上限溫度分布區(qū)間的比較，可在一定程度上反映模擬截面溫度場(chǎng)的整體溫度分布水平。

3.2.3 熱舒適度

根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)，進(jìn)行不同變量條件下的熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)。由于模擬建筑為非人工冷熱源熱濕環(huán)境，采用計(jì)算法評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)以預(yù)計(jì)適應(yīng)平均熱感覺(jué)指標(biāo)(APMV)作為評(píng)價(jià)依據(jù)。預(yù)計(jì)熱適應(yīng)平均熱感覺(jué)指標(biāo)(APMV)應(yīng)按下式計(jì)算

(4)

式中APMV為預(yù)計(jì)適應(yīng)性平均熱感覺(jué)指標(biāo)；λ為自適應(yīng)系數(shù)，夏熱冬冷地區(qū)教育建筑PMV≥0時(shí)，λ為0.17；PMV<0時(shí)，λ為-0.28；PMV為預(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)指標(biāo)。

4 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)模擬測(cè)試后，為在相同條件下比較冷巷方位、尺度和形態(tài)對(duì)風(fēng)速的影響進(jìn)行定量比較，選取不同方案同一位置的前后活動(dòng)室(A前廳、B后廳)、活動(dòng)室側(cè)邊冷巷(L)以及活動(dòng)室中間為何形成的庭院(T)，進(jìn)行不同變量條件下相同空間的風(fēng)速、溫度的量化比較，1-1為后廳-庭院-前廳的縱剖面，2-2為冷巷縱剖面(表5)。

表5 風(fēng)速量化比較空間位置

4.1 風(fēng)速比較

圖2為C01～C04一層、二層樓板高度1.1 m處和冷巷L(fēng)2、庭院T2剖面的風(fēng)速矢量圖，從平面風(fēng)速矢量圖中可以直觀地發(fā)現(xiàn)室內(nèi)風(fēng)速環(huán)境較佳的是C03，風(fēng)環(huán)境較差的是C02。在相同的南偏東19°冷巷偏轉(zhuǎn)角度下，寬度為4 m的冷巷布局，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境和室外冷巷風(fēng)環(huán)境最為有利。

圖2 實(shí)驗(yàn)方案風(fēng)速分布

圖3為單個(gè)建筑空間的平均風(fēng)速、最大風(fēng)速與最小風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖，由圖可知，不論何種冷巷布局的空間形態(tài)，A1～A4、B1～B2的平均風(fēng)速普遍較高，基本能達(dá)到0.5 m/s，其次為建筑空間B3、B4，平均風(fēng)速不足0.5 m/s，但高于0.2 m/s，后廳中B5～B7風(fēng)速最低，平均風(fēng)速不足0.1 m/s，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境最差。說(shuō)明后廳中B5-B7應(yīng)當(dāng)布置輔助用房，重要的幼兒用房應(yīng)當(dāng)布置在A1～A4，B1～B4。

圖3 單體建筑空間的風(fēng)速特征值

根據(jù)表6中對(duì)于不同冷巷空間形態(tài)下各類建筑空間的平均風(fēng)速數(shù)值統(tǒng)計(jì)，前廳的風(fēng)環(huán)境較優(yōu)，平均風(fēng)速幾乎為后廳平均風(fēng)速的2倍，說(shuō)明前廳應(yīng)當(dāng)布置重要的幼兒建筑單元；冷巷空間是4種空間中平均風(fēng)速和最大風(fēng)速數(shù)值最高的空間，說(shuō)明冷巷在引導(dǎo)自然通風(fēng)時(shí)具有重要的作用，是設(shè)計(jì)中重要的氣候調(diào)節(jié)空間；庭院空間的平均風(fēng)速僅次于冷巷，最高風(fēng)速在4種空間中數(shù)值最大，說(shuō)明室外庭院空間比室內(nèi)空間由更為有利的風(fēng)環(huán)境，有利于給幼兒們創(chuàng)造適宜的室外活動(dòng)空間。

表6 實(shí)驗(yàn)方案各單類空間風(fēng)速

4種設(shè)計(jì)方案中，對(duì)于前廳室內(nèi)平均風(fēng)速，C03平均風(fēng)速和最大風(fēng)速具有最高值，分別為0.81和3.03 m/s，高出平均風(fēng)速最小的C02方案0.37 m/s；對(duì)于后廳建筑空間，C02的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速依然為4種設(shè)計(jì)方案中最優(yōu)的，其最大風(fēng)速數(shù)值高出C02方案1.53 m/s；冷巷空間進(jìn)行比較，C03方案的平均風(fēng)速依然為最優(yōu)，其次為C02，說(shuō)明冷巷寬度對(duì)冷巷空間的風(fēng)環(huán)境影響不大，冷巷偏轉(zhuǎn)角度增大時(shí)，冷巷空間的平均風(fēng)速會(huì)降低，因此，對(duì)于冷巷空間，冷巷的方位角度比寬度影響因素大。

4.2 空氣溫度比較

圖4為C01～C04一層、二層樓板高度1.1 m處溫度分布圖，由圖可知，一層溫度明顯低于二層溫度；同層建筑單體空氣溫度相比，前廳A1～A4的空氣溫度明顯低于后廳B3～B7，位于后排下風(fēng)向的建筑單元，室內(nèi)空氣溫度最高。

圖4 實(shí)驗(yàn)方案溫度分布

圖5為單個(gè)建筑空間的平均空氣溫度、最高溫度和最低溫度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均空氣溫度最低的是冷巷，除L5外，4種設(shè)計(jì)方案的冷巷平均溫度均低于28.7 ℃，4種空間中，冷巷的平均空氣溫度最低，熱環(huán)境最優(yōu)；后廳B4～B7，無(wú)論那種建筑布局模式，平均空氣溫度均高于28.7 ℃，建筑空間熱環(huán)境最差，說(shuō)明位于后側(cè)的建筑，宜布置輔助用房，重要的幼兒活動(dòng)單元應(yīng)當(dāng)布置在前廳A及后廳B西側(cè)的單元空間，與風(fēng)速評(píng)價(jià)指標(biāo)得出的結(jié)論一致。

圖5 單體建筑空間空氣溫度特征值

根據(jù)表7中對(duì)于不同冷巷空間形態(tài)下各類建筑空間的平均空氣溫度數(shù)值統(tǒng)計(jì)可知，C01的前廳A1～A4平均溫度均低于C02，后廳除B6房間2種布局方式溫度相差不大外，其余后廳房間均為C02高于C01，因此對(duì)于建筑室內(nèi)空間，冷巷寬度和建筑布局形態(tài)相同的情況下，偏轉(zhuǎn)角度較大的方案C01優(yōu)于C02；C02與C03相比，前廳與冷巷平均空氣溫度相差不大，差值不超過(guò)0.1 ℃，后廳與庭院，C03相對(duì)較高；C03與C04相比，C04的各類空間平均溫度相對(duì)較低，其中后廳的平均空氣溫度低1.03 ℃，庭院平均空氣溫度低0.40 ℃，說(shuō)明折線形布局對(duì)于改善后廳的空氣溫度有較為明顯的改善作用。

表7 不同實(shí)驗(yàn)方案各單類空間空氣溫度

4.3 熱舒適度比較

PMV(predicted mean vote)是表征人體熱反應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，PPD(predicted percentage dissatisfied)為預(yù)測(cè)不滿意百分?jǐn)?shù)，ASHRAE Standard 55—2017中將PMV劃分為7個(gè)等級(jí)，給出了PMM與PPD的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校建筑環(huán)境中心CBE編寫的PMV-PPD計(jì)算程序，將模擬所得數(shù)據(jù)中的空氣干球溫度、平均輻射溫度、風(fēng)速、空氣濕度、新陳代謝率和服裝熱阻數(shù)值，帶入到PMV熱舒適計(jì)算程序中，分別得到單個(gè)建筑空間的PMV-PPD值(圖6)。

圖6 模擬方案熱舒適評(píng)價(jià)

PMV=[0.303×exp(-0.036M)+0.027 5]TL

(5)

PPD=100-95×exp(-0.033 53×PMV4-

0.217 9PMV2)

(6)

將PMV值帶入到公式(4)中，得到預(yù)計(jì)適應(yīng)性平均熱感覺(jué)指標(biāo)APMV，將APMV數(shù)值進(jìn)行計(jì)算分析。由圖7可知建筑空間中前廳A1～A4、后廳B1～B4的PMV數(shù)值均在0～1之間，熱感覺(jué)偏暖，B5～B7PMV值最高，PPD值也最高，熱舒適度差；冷巷空間L1-L3PMV值在-0.5～0，T1～T3PMV值在-0.5～0.5之間，與前后廳室內(nèi)空間比，冷巷、庭院室外熱舒適度較好；不同變量下的方案設(shè)計(jì)相比，C02的熱舒適度最差，APMV值最高，熱舒適度最好的為C03，其次為C01和C04；四類空間相比，C01，C03和C04中，A1～A4，B1～B2，L1～L4，T1～T3基本處于非人工冷熱源熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)Ⅰ級(jí)，B3～B4，L5，T4為Ⅱ級(jí)，B5～B7的APMV值最高，為Ⅲ級(jí)，熱舒適度最差。

圖7 模擬方案適應(yīng)性熱感覺(jué)指標(biāo)

5 結(jié) 論

1)四類空間相比，室外空間的冷巷與庭院熱舒適度較室內(nèi)空間好；單個(gè)建筑空間相比，重要性經(jīng)常活動(dòng)空間、冷巷與室外庭院多處于非人工冷熱源熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)Ⅰ級(jí)，少數(shù)空間為Ⅱ級(jí)；次要性輔助使用空間風(fēng)速最低，溫度最高，APMV值最大，室內(nèi)熱舒適度最差，為Ⅲ級(jí)。

2)進(jìn)行建筑功能的布置選擇時(shí)，將重要性經(jīng)常活動(dòng)空間首選布置在前廳，建筑用地南側(cè)，即夏季最大風(fēng)頻的上風(fēng)向；當(dāng)南側(cè)用地受限無(wú)法全部布置時(shí)，考慮用地中部邊側(cè)；次要性輔助使用空間，應(yīng)布置在用地北側(cè)，即夏季最大風(fēng)頻的下風(fēng)向。

3)不同方位、寬度、形態(tài)3種變量變化形成4種實(shí)驗(yàn)?zāi)M方案，通過(guò)對(duì)變量因子模擬可知，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整冷巷即建筑布局的偏轉(zhuǎn)角度、冷巷寬度和形態(tài)，以達(dá)到改善建筑熱環(huán)境的目的。

4)最大風(fēng)頻的下風(fēng)向的后廳空間平均風(fēng)速最小，平均空氣溫度最高，要改善其室內(nèi)熱環(huán)境，可以通過(guò)增大南北對(duì)流的開窗面積、增加門窗遮陽(yáng)的方式，改善室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，又解決太陽(yáng)熱輻射引起溫度過(guò)高的問(wèn)題。