基于模擬室內光熱環境的住宅陽臺設計分析

孫鳳明,郭占軍,田 芳

（河北工程大學建筑學院,河北邯鄲 056038）

陽臺作為室內外環境的過渡空間,隨著其形式的變化而引起對室內物理環境的不同影響。在住宅建筑的概念設計階段,充分考慮不同的建筑空間形式,不同的使用功能,選擇設計合適的陽臺形式,有利于充分發揮陽臺對于室內物理環境的調節作用,對降低建筑物使用過程當中的能耗,創造良好的室內環境起到不可忽視的作用。傳統的陽臺設計,只是作為建筑基本戶型的一個附屬部分,更多地考慮了功能和造型的因素,未能充分考慮陽臺對于室內物理環境的影響[1-2]。建筑熱工學領域關于陽臺空間熱工性能的研究雖已較為成熟,但多側重于對已有建筑陽臺的熱工實驗研究[3-5],未能用于陽臺設計的指導。

ECOTECT[6]作為一款生態設計軟件,可以很好地輔助建筑的生態節能設計,實時地模擬分析方案設計階段室內物理環境。本文通過ECOTECT作為輔助進行住宅建筑陽臺的方案設計分析,采用多種陽臺的方案比較,模擬不同方案的陽臺對于室內熱環境及光環境的不同影響,為選擇設計合理的陽臺形式提供了一定的參考。

1 模擬方案

1.1 區域環境

建筑物所處地理及氣候環境的不同,直接影響建筑物的采光及能耗情況。各個地區的氣象數據,地理位置特征值,可以通過編譯并在ECOTECT軟件數據庫中接入,作為模擬計算的依據。根據建筑物所處的地理位置,可以適當選擇相關氣象數據[6-7]。

為便于觀察北方建筑物冬季采光及能耗情況,模擬區域設定為邯鄲市。東八區,東經114.5,北緯36.6;光氣候區屬III類,建筑熱工設計分區為寒冷地區。建筑物為正南北方向,位置為市區[8-9]。

1.2 構件材質

通過ECOTECT進行建模的過程中,將建筑物不同的房間按照各個獨立區域進行建模,每個區域的不同部位,不同構件在建模的過程中就指定了其材料特性,由此便可以按照各個房間不同的使用功能,針對性地進行材質的選擇。對同一房間進行不同材質的模擬計算,可以得出不同的室內物理環境數據。

為便于進行不同方案的比較,各方案對住宅同一類型主要構件選用相同的材質。

1.3 陽臺方案設計

模擬小區住宅為板式單元房,多層磚混結構,模擬部位為標準層西側單元的一個臥室,見圖2中的臥室2,房間面積為4.05 m×4.20 m;陽臺面積為4.05 m×1.8 m;陽臺開窗面積為2×1.8 m×1.3 m+4.05 m×1.3 m。圖1表示了小區住宅的透視效果,圖2為單元房標準層戶型不同方案的平面圖。

表1 建筑主要構件材質特性Tab.1 The main components of building material properties

2 陽臺對室內光熱環境影響的模擬分析

2.1 光環境模擬分析

天然采光標準臨界值照度為5 000 lx,采用全日光照明模式作為分析[9]。

通過軟件模擬臥室2的無陽臺和有陽臺時采光系數分布圖（圖3）。圖中用網格的方式將室內各點的采光系數值進行模擬計算并得出數值,顏色較亮部位為采光系數高的區域,由高到低顏色漸暗。

由圖3可以看出,有陽臺時采光系數最低點為1.51%,最高點為5.59%（近窗部位）,各點采光系數平均值為2.53%;無陽臺時采光系數最低點為2.12%,最高點為18.2%（近窗部位）,各點采光系數平均值為4.73%。由此可知,無陽臺時室內各點采光系數較高,平均值高于有陽臺時的情況,但有陽臺時室內各點采光系數仍符合采光標準要求≥1%。

調整陽臺的懸挑長度為1.5 m和2.2 m,模擬計算室內采光系數分布,見圖3（c）、圖3（d）。陽臺懸挑1.5 m時,陽臺面積為1.5m×4.05 m,室內采光系數分布最小值為1.52%,最大值為7.09%,平均值為2.63%。陽臺懸挑2.2 m時,陽臺面積為2.2 m×4.05 m,室內采光系數分布最小值為1.50%,最大值為5.39%,平均值為2.44%。

通過改變陽臺懸挑長度即改變陽臺面積可以發現,陽臺面積的適當增大,室內采光系數有所降低,但懸挑長度2.2 m以內都還能滿足天然采光標準要求。

2.2 熱環境影響模擬分析

按照建筑物所處地理位置及氣候區域,綜合分析建筑物各個構件的物理屬性,模擬臥室2的3種設計方案在冬季最冷日24 h逐時溫度變化（圖4）及逐時得失熱量情況（圖5）。

圖4中加粗曲線表示了臥室2室內24 h的逐時溫度變化曲線?？梢灾庇^地看出,3種情況下受室外氣溫影響臥室2全天氣溫均在0℃左右,3種情況下溫度的變化趨勢與室外氣溫的變化基本一致,但由于圍護結構的蓄熱作用要有所延遲[10-12]。無陽臺時,溫度的變化起伏很明顯,氣溫變化出現轉折現象;有陽臺時,溫度的變化比較平緩,無明顯的氣溫變化的轉折現象;陽臺與臥室連通時,室內的溫度變化更加明顯,溫度的上升與下降比無陽臺時的情況還要明顯,變化幅度更大,上午最低溫度下降至-3℃左右,而下午最高溫度升高至2℃左右,一天溫差將近5℃,很不利于建筑的節能保溫。

圖5顯示了3種情況下臥室2室內的得失熱情況。室內得失熱影響因素主要包括區域內部受各部分傳熱及蓄熱影響而得失熱量的變化,太陽輻射熱對室內熱量的影響,空氣流動對室內熱量的影響以及整個室內環境的圍護結構失熱等。

由于室內外溫差的影響,冬季室內環境主要以失熱為主,圍護結構的保溫性能是重要的一方面。通過圖5對比每個圖表中臥室2室內得失熱量曲線。3個圖表中最下面一條曲線分別表示了3種情況下冬季失去熱量的變化?？梢悦黠@看出,無陽臺時,對應相同時間點室內失去的熱量要多于有陽臺的情況,而第3種情況即陽臺與室內連通時各時間點室內失去的熱量為最多。以上午7 h為例,無陽臺時失去熱量功率為2.6 kW,有陽臺時失去熱量功率為2.4 kW,陽臺與室內連通時失去熱量功率為4 kW。

對比有無陽臺的室內熱環境情況可以發現,陽臺作為一個室內外的過渡空間,對于室內熱量的散失有一定的延緩作用,但由于陽臺開窗面積較大,如果陽臺與室內空間連通,失去了中間隔墻的作用,雖然增加了室內的使用面積,卻更不利于室內的保溫,冬季供暖就需要更多的能量。

3 結語

利用ECOTECT軟件可以直觀地模擬多種陽臺形式對于室內光熱環境的影響,通過對比分析不同方案之間的室內物理環境的模擬數據,為陽臺方案的選擇提供參考。

[1]李耀培.中國居住實態與小康住宅設計[M].南京:東南大學出版社,1999.

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[6]云朋.ECOTECT建筑環境設計教程[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

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