夏熱冬冷地區(qū)被動(dòng)式建筑最佳樓層及房間研究
——以成都市某被動(dòng)房為例

徐嘉茂，霍海娥，劉中勇，吳 玥，姜 影

(四川師范大學(xué) 工學(xué)院，四川 成都 610101)

0 引言

被動(dòng)房在中國(guó)的出現(xiàn)，最早可以追溯到2010年的上海世博會(huì)[1]。德國(guó)最大的港口城市漢堡，把經(jīng)過PHI認(rèn)證的名為漢堡之家的被動(dòng)房作為世博會(huì)的禮物贈(zèng)送給上海[2]。然而，當(dāng)年在上海世博會(huì)的被動(dòng)房項(xiàng)目并沒有引起普遍的重視[3]。2013年1月，秦皇島“在水一方”中德合作被動(dòng)房示范項(xiàng)目的竣工，開始引起業(yè)界的廣泛關(guān)注，該項(xiàng)目是第一個(gè)本土化的被動(dòng)房[4]。從時(shí)間上看要比歐美國(guó)家起步晚了10～20年[5]。但是值得關(guān)注的是，黨中央、國(guó)務(wù)院《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》明確提出了要發(fā)展被動(dòng)式房屋等綠色節(jié)能建筑[6]。這是第一次從黨和國(guó)家的層面提出支持發(fā)展被動(dòng)式建筑的方向性指導(dǎo)意見[7]。

由于我國(guó)國(guó)情、地理位置特殊、各地區(qū)環(huán)境多樣化，不能直接沿用歐美國(guó)家的現(xiàn)有被動(dòng)式技術(shù)。導(dǎo)致我國(guó)各熱工分區(qū)(嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū))[8-10]被動(dòng)房的發(fā)展進(jìn)度上不一，通過現(xiàn)有研究表明嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)是被動(dòng)房應(yīng)用最多，技術(shù)最成熟的地區(qū)，而其他地區(qū)正處于發(fā)展初始階段[11-15]。本文從夏熱冬冷地區(qū)出發(fā)，以成都市某被動(dòng)房為例，通過EnergyPlus建模，以及導(dǎo)入EP-Launch進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及模擬。最后得出全年每個(gè)房間的逐時(shí)溫度變化，通過不同位置溫度差異性分析，得出夏熱冬冷地區(qū)冬季在垂直分段內(nèi)隨著建筑層高的增加，建筑的最佳舒適樓層變化規(guī)律，和水平分區(qū)內(nèi)各房間保溫性能以及舒適性能的優(yōu)劣。為夏熱冬冷地區(qū)被動(dòng)房部位、區(qū)間建設(shè)上提供參考。

1 模型建立及基本參數(shù)輸入

1.1 研究對(duì)象基本信息

該研究對(duì)象位于成都(北緯=30.66°，東經(jīng)=104.01°)；氣候分區(qū)：夏熱冬冷；建筑朝向：南偏西22度；建筑體形：點(diǎn)式；建筑結(jié)構(gòu)類型：剪力墻結(jié)構(gòu)；體形系數(shù)：0.39。該建筑平面圖如圖1所示，經(jīng)過熱工分區(qū)及其相應(yīng)房間編號(hào)后的平面圖如圖2所示。

圖1 建筑平面圖

圖2 熱工分區(qū)后的平面圖

1.2 模型的建立

本文共建立6個(gè)層高分別為5、10、15、20、25、30的模型，根據(jù)平面圖(圖1)在EnergyPlus中建立不同層高的基本模型，如層高為10的基本模型，如圖3。分別對(duì)外墻、屋頂、樓板、窗戶進(jìn)行重命名，并對(duì)每個(gè)房間以樓層加圖1的房間號(hào)命名，如101、201、301等，后兩位為房間號(hào)，以示區(qū)分。檢查模型后，對(duì)最終模型進(jìn)行match，如建筑層高為10match后模型如圖4所示。生成IDF文件，導(dǎo)入EP-Launch進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及模擬。

圖3 基本模型 圖4 match后模型

1.3 基本參數(shù)

由于本文只研究自然室溫，所以主要涉及參數(shù)包含了材料的基本屬性、維護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、熱擾等。

1.3.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需材料及其參數(shù)如表1，構(gòu)造及參數(shù)如表2所示。

表1 各種材料屬性

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造及參數(shù)

1.3.2EP-Launch其他參數(shù)設(shè)置

(1)設(shè)置Schedule，如表3。按照正常作息時(shí)間，工作日18：00到次日9：00在室，其余時(shí)間段不在室，星期六、星期天全天在室。

表3 Schedule：compact設(shè)置

(2)天氣文件選擇“CHN_Sichuan.Chengdu.562940_CSWD”。

(3)按小時(shí)記錄房間室溫并輸出。

(4)設(shè)置熱擾：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)住戶按3人計(jì)算，即每層樓6人。燈光10.66W/m2控制方式選擇設(shè)好的Schedule：people，其余默認(rèn)。

2 最佳舒適樓層及最佳房間分析

2.1 最佳舒適樓層

為了得出不同樓高的最佳舒適溫度樓層，選取了冬季1/27作為代表日，選取5、10、15、20、25、30層作為模擬建筑，按小時(shí)模擬了選擇日的全天溫度。然后提取每層樓每個(gè)房間非最佳人體舒適溫度(18-25℃)時(shí)間，與每層房間模擬總計(jì)時(shí)間比作為評(píng)選最佳樓層的第一標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)多樓層非舒適時(shí)間占比一樣是，用該天全時(shí)間的總溫度排序作為第二評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)。

TTROHCT=Tc/TaTTROHUT=1-TTROHCT

TTROHCT：the Time ratio of human comfort temperature

TTROHUT：the Time ratio of human uncomfort temperature

Tc：在人體舒適溫度范圍內(nèi)時(shí)間之和

Ta：總模擬時(shí)間：

將整理的數(shù)據(jù)處理后，得到如圖5中a、b、c、d、e、f的不同層高的樓層非人體舒適溫度時(shí)間占比柱狀圖。

(1)由圖5中a、b、c、d、e、f可以看到隨著層高的增加，該模擬不同層高建筑在b圖后，樓層非人體舒適溫度時(shí)間占比呈現(xiàn)出一定規(guī)律。由c、d、e、f圖可知，樓層非舒適時(shí)間占比從底樓向頂樓先下降，到第4樓出現(xiàn)第一個(gè)最低點(diǎn)，接著上升至9樓，然后占比維持不變(將此段樓層稱為穩(wěn)定區(qū)間)，到倒數(shù)第10樓也呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)，占比最低點(diǎn)出現(xiàn)在倒數(shù)第5樓。

a：層高為5的非人體舒適溫度時(shí)間占比 b：層高為10的非人體舒適溫度時(shí)間占比

(2)此外由c、d、e、f圖還可得出層高與最佳樓層、穩(wěn)定區(qū)間、最佳穩(wěn)定區(qū)間數(shù)的關(guān)系，如表4所示。

表4 層高與最佳樓層、穩(wěn)定區(qū)間、最佳穩(wěn)定區(qū)間數(shù)統(tǒng)計(jì)表

可以看出該模擬建筑最佳保溫樓層不會(huì)隨著建筑層高的增加而不斷變化，當(dāng)樓層在10層左右后最佳樓層穩(wěn)定在4樓；而隨著建筑層高的增加穩(wěn)定區(qū)間的起始位置區(qū)域穩(wěn)定，穩(wěn)定區(qū)間數(shù)在不斷地增加。

2.2 最佳樓層及穩(wěn)定區(qū)間樓層數(shù)擬合曲線

通過上訴分析，對(duì)不同層高的建筑做一條最佳樓層擬合線如圖6所示。

圖6 不同層高的建筑最佳樓層擬合線 圖7 3、13號(hào)房全年溫度對(duì)比圖

由圖6和圖5中c、d、e、f可以知道該模擬類型建筑在低于10層的建筑中，最舒適樓層沒有出現(xiàn)分異，而在層高為10以后，建筑的上下部分均有最舒適樓層出現(xiàn)。上、下部分不受建筑層高的的影響，上部分最舒適樓層趨于建筑倒數(shù)第5層，下部分最舒適樓層趨于第4層。由此可知，不同層高的建筑最舒適樓層是有規(guī)律的。

2.3 最佳房間

首先選取任意層高的建筑中任意樓層的兩個(gè)不同房間進(jìn)行分析，得出同樓層不同房間的溫度差異。

2.3.1 層高為25的最佳樓層中最佳房間與最差房間全年溫度對(duì)比

為了表明房間溫度差異化的巨大以及房間保溫性的研究必要性，對(duì)比了層高為25的最佳樓層中最佳房間與最差房間全年溫度。層高為25的該模擬建筑最佳樓層位4樓，最佳房間為3號(hào)房，最差房間為13號(hào)房。該層兩者全年房間溫度對(duì)比圖如圖7。

3號(hào)房全年8760個(gè)小時(shí)中處于人體舒適溫度(18-25℃)時(shí)間為1996個(gè)小時(shí)，占比為22.786%，大于25℃時(shí)間為6764個(gè)小時(shí)。13號(hào)房全年8760個(gè)小時(shí)中處于人體舒適溫度(18-25℃)時(shí)間為1852個(gè)小時(shí)，占比為21.142%，大于25℃時(shí)間為5709個(gè)小時(shí)，小于18℃時(shí)間為5892個(gè)小時(shí)。

經(jīng)分析我們可以看出同樓層不同房間全年的舒適時(shí)間占比不同，有研究的必要。

2.3.2 最佳房間的確定

通過不同房間在不同層處于最佳人體舒適溫度的占比(如圖8中的a、b、c、d、e、f)來評(píng)價(jià)最佳房間。當(dāng)占比均為一時(shí)，通過每層每個(gè)房間同一時(shí)間點(diǎn)的溫度對(duì)比排序作為評(píng)選方案，最終對(duì)房間保溫性能的優(yōu)劣做一個(gè)排序。

a：層高為5 中不同房間在不同層處于最佳人體舒適溫度的占比b：層高為10 中不同房間在不同層處于最佳人體舒適溫度的占比

通過上圖可知：

1、2號(hào)房隨著樓層層高的增加，僅在最后一樓在全段模擬時(shí)間達(dá)到人體舒適溫度范圍占比為58.33%，其余樓層在全段模擬時(shí)間段均在人體舒適溫度范圍內(nèi)。

3、6、9號(hào)房在全段模擬時(shí)間段均在人體舒適溫度范圍內(nèi)，且不受模擬建筑層高變化的影響。

4、5號(hào)房在層高為10及以內(nèi)層高的建筑在全段模擬時(shí)間段均在人體舒適溫度范圍內(nèi)；在層高為10以上后，建筑前4樓以及后5樓在全段模擬時(shí)間段均在人體舒適溫度范圍內(nèi)，其余樓層全段模擬時(shí)間達(dá)到人體舒適溫度范圍占比呈下降-穩(wěn)定-上升趨勢(shì)，例如層高為25的4號(hào)房垂直分段的時(shí)間占比折線圖如圖9。

圖9 垂直分段的時(shí)間占比折線圖 圖10 垂直分段的時(shí)間占比折線圖

可以看出在在模擬的任何層高建筑中，建筑前4-7樓占比下降迅速，建筑倒數(shù)第5-9樓占比開始迅速上升，在兩者之間趨于穩(wěn)定，上下波動(dòng)不大，且占比均大于等于50%。

7、8號(hào)房隨著樓層層高的增加，前兩樓以及后三樓在全段模擬時(shí)間段在人體舒適溫度范圍占比均為達(dá)到100%，最后一樓占比為0，其余四樓占比均大于50%。中間樓層在全段模擬時(shí)間段均在人體舒適溫度范圍內(nèi)。

10號(hào)房隨著樓層層高的增加，在全段模擬時(shí)間段在人體舒適溫度范圍占比趨勢(shì)分為三段。前4樓逐漸上升，中間段趨于穩(wěn)定，占比均為58.33%。末段占比逐漸下降至層高倒數(shù)第三層，后三樓在全段模擬時(shí)間段均未在人體舒適溫度范圍內(nèi)，例如層高為30的10號(hào)房垂直分段的時(shí)間占比折線圖如圖10。此外，10號(hào)房處于人體舒適溫度時(shí)間占比的樓層數(shù)隨著建筑層高的增加而增多。

11、12號(hào)房，在層高為5的該模擬建筑在全段模擬時(shí)間段均未在人體舒適溫度范圍內(nèi)。在層高在10及以上的該模擬建僅在最后一樓在全段模擬時(shí)間達(dá)到人體舒適溫度范圍占比為58.33%，其余樓層在全段模擬時(shí)間段均在人體舒適溫度范圍內(nèi)。

13號(hào)房在層高為20以前在全段模擬時(shí)間段均在人體舒適溫度范圍內(nèi)，在以后中間段樓層開始出現(xiàn)在全段模擬時(shí)間達(dá)到人體舒適溫度范圍占比，但占比都小于等于12.5%。

研究表征：

(1)房間保溫性能的優(yōu)劣為：5≈4>9>6≈3>2≈1>11≈12>7≈8>10>13。

(2)處于南面的房間由于受到成都地區(qū)太陽方位角和高度角(如表)的影響，比處于北面對(duì)立的房間保溫效果較優(yōu)。

(3)處于中間位置的房間由于兩邊的房間的多重保溫，保溫效果是最佳的。

(4)從中間最優(yōu)保溫房間向東西兩側(cè)房間保溫效果逐漸降低。

(5)再者，東西位置相同的房間由于太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡及其建筑自身遮陽的作用，東側(cè)房間保溫效果略優(yōu)于西側(cè)房間。

(6)但是保溫性能太好或太差的房間室溫容易在人體舒適溫度范圍外，而標(biāo)準(zhǔn)溫度是人體體溫和0攝氏度的黃金分割點(diǎn)上，約是23攝氏度。因此對(duì)于房間舒適度隨著樓層的增加排序?yàn)?≈6>9>11≈12>1≈2>7≈8>4≈5>10>13。

(7)該模擬建筑最佳舒適房間數(shù)隨著層高的增加會(huì)逐漸減少，最終將會(huì)穩(wěn)定在3、6、9號(hào)房。

3 結(jié)論

該模擬建筑的房間保溫性能的優(yōu)劣不同：處于南面的房間比處于北面對(duì)立的房間保溫效果較優(yōu)；處于中間位置的房間保溫效果是最佳的；從中間最優(yōu)保溫房間向東西兩側(cè)房間保溫效果逐漸降低；東西位置相同的房間由于太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡及其建筑自身遮陽的作用，東側(cè)房間保溫效果略優(yōu)于西側(cè)房間。

不同層高的建筑最佳保溫樓層不會(huì)隨著建筑層高的增加而不斷變化，當(dāng)樓層在10層左右后最佳樓層穩(wěn)定在4樓，而隨著建筑層高的增加穩(wěn)定區(qū)間在不斷地增加。該模擬建筑最佳舒適房間數(shù)隨著層高的增加會(huì)逐漸減少，最終將會(huì)穩(wěn)定在3、6、9號(hào)房。

此外該建筑戶型設(shè)計(jì)上單從房間溫度較為不合理，臥室4、5、10、13號(hào)房在同層房間中舒適度最不理想，在晚上人體8小時(shí)睡眠中會(huì)產(chǎn)生大量能耗。相反作為廚房的11、12號(hào)房，舒適度卻很好，因此建議將4、5號(hào)房和11、12號(hào)房的功能對(duì)換。