室外微氣候對騎樓室內熱環境的影響研究

藍洪寧,張昌佳

(廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510500)

0 引言

騎樓是近代出現的底層有廊道并可行人的沿街店屋式建筑[1]，廣泛分布在嶺南地區，其連續排列而形成的街道，稱之為騎樓街[2]，兩者共同構成了騎樓獨特的室外微氣候。建筑室內熱環境是由室內外環境共同作用影響的，而對于騎樓，其外部環境、騎廊尺寸都會對建筑周邊和通風開口處的環境有所影響進而影響室內熱環境[3]，因此，騎樓街和騎樓應作為一個聯動的體系去分析。

目前，騎樓的研究主要集中在城市尺度或街區尺度的騎樓街微氣候，針對騎樓街微氣候對室內熱環境的影響分析則較少。本文采用耦合模擬的方法，分析有無騎樓街工況下騎樓室外微氣候及室內熱環境的變化情況，以便佐證室外熱環境作為聯動體系的必要性，以期更全面的了解室外微氣候對騎樓室內熱環境的影響。

1 研究方法

1.1 場地調研

通過對廣州地區騎樓建筑進行實地調研，統計得到：騎樓的平面布局以單開間及雙開間為主，開間多為4.5 m，主要空間特征為走廊、天井和生活區域組成的流線型空間。基于上述特征，選取兩棟現存騎樓建筑作為研究對象，建筑平面如圖1所示。

1.2 工況設計

為了量化分析室外微氣候對騎樓室內熱環境的影響，針對單開間和雙開間騎樓平面，分別設置無騎樓街工況和有騎樓街工況兩種工況對比分析。

1.3 模擬方法

研究采用ENVI-met,PHOENICS和DesignBuilder耦合模擬方法，選擇《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中廣州市3月～11月份的典型氣象日[4]數據作為夏季和過渡季的典型天氣氣象數據開展數值模擬研究，典型氣象日選取具體方法見文獻[5]具體流程如下:

1)采用ENVI-met V4.2.0 Summer17版本模擬有騎樓街工況下典型氣象日的室外微氣候，提取出建筑周圍平均空氣溫濕度[6]，將其替換到原氣象數據中，獲得新的氣象數據作為有騎樓街工況下的邊界條件。

2)采用PHOENICS 2015版本模擬8個風向(N，NE，E，SE，S，SW，W，NW)下無騎樓街及有騎樓街條件下騎樓建筑窗洞口處的風壓值，根據式(1)計算獲得建筑窗洞口處的風壓系數CP:

(1)

其中，ps為建筑表面風壓，Pa；ρa為空氣密度，kg/m3，(可取標準空氣密度1.225 kg/m3)；VH為建筑高度處來流風速，m/s，本文中騎樓建筑高度取14.8 m。

其中，VH可根據風剖面的指數率計算公式(2)求出[7]，即：

(2)

3)采用DesignBuilder 4.5.0.128 BETA版本將無騎樓街及有騎樓工況下的氣象數據和風壓系數分別作為輸入參數進行數值模擬，提取出主要功能房間(客廳和臥室)無騎樓街及有騎樓街條件下典型氣象日的逐時溫度、濕度及換氣次數，引入根均方差和一致性指數定量評價有無騎樓街條件下的誤差。

1.4 模型建立

對于單開間騎樓街及雙開間騎樓街，按照實際情況進行ENVI-met建模，如圖2所示。按照無騎樓街工況和有騎樓街工況分別針對單開間騎樓和雙開間騎樓進行PHOENICS建模和DesignBuilder建模，如圖3，圖4所示。

建模主要參數設置見表1。

表1 建模主要參數設置

1.5 參數設置

ENVI-met模擬工況的強迫數據取自廣州典型氣象日數據。模擬時間從0：00開始，共計算26 h。模擬參數設置如表2所示。

表2 ENVI-met模擬主要參數

PHOENICS模擬參數設置如表3所示。

表3 PHOENICS模擬主要參數

騎樓建筑圍護結構參數[9]設置見表4；室內熱擾設置見表5；室內時間表參數設置見表6；室內門窗洞口設定為24 h常開，開啟率為50%，流量系數取0.65。

表4 騎樓建筑圍護結構主要參數

表5 室內熱擾計算值

表6 時間表參數設定

2 結果分析

本研究以騎樓建筑周圍室外溫濕度以及室內客廳和臥室等主要功能房間為重點，比較有無騎樓街條件得到的室外空氣溫度、比濕、室內空氣溫度、相對濕度和換氣次數的模擬結果。

2.1 室外空氣溫度

將有騎樓街工況與無騎樓街工況室外空氣溫度進行對比，結果顯示：單開間和雙開間騎樓室內相對濕度的根均方差(RMSE)范圍分別為0.6 ℃～1.9 ℃和0.5 ℃～1.9 ℃，一致性指數(d)范圍分別為0.75～0.98和0.73～0.99。

針對單開間騎樓和雙開間騎樓，在夏季，有騎樓街工況下騎樓室外空氣溫度均略低于無騎樓街工況；在過渡季，有騎樓工況下騎樓室外空氣溫度在日間略低于無騎樓街工況，夜間則略高或接近。總體而言，有騎樓街工況下的室外空氣溫度波動幅度要小于無騎樓街工況，見圖5，圖6。

有騎樓街工況下白天室外空氣溫度較低，主要由于周圍建筑的遮陽作用，而對于夜間室外空氣溫度略高或接近，原因可能是日間建筑蓄熱在夜間的釋放。

2.2 比濕

將有騎樓街工況與無騎樓街工況室外空氣溫度進行對比，結果顯示：單開間和雙開間騎樓比濕的根均方差(RMSE)范圍分別為0.6 g/kg～1.9 g/kg和0.5 g/kg～1.9 g/kg，一致性指數(d)范圍分別為0.40～0.90和0.34～0.92。

針對單開間騎樓和雙開間騎樓，有騎樓街工況下騎樓室外空氣溫度大部分時間低于無騎樓街工況，僅在過渡季中午時間略高于無騎樓街工況，見圖7,圖8。

造成上述結果差異可能是因為模擬中太陽輻射增強土壤表面的蒸發或蒸散過程，中午前后的平均比濕度較高。

2.3 室內空氣溫度

將有騎樓街工況與無騎樓街工況室內空氣溫度進行對比，結果顯示：單開間和雙開間騎樓室內空氣溫度的根均方差(RMSE)范圍分別為0.5 ℃～2.3 ℃和0.3 ℃～1.6 ℃，一致性指數(d)范圍分別為0.67～0.99和0.55～0.99。

針對單開間騎樓，有騎樓街工況下的室內空氣溫度在日間低于無騎樓街工況，在夜間略高于無騎樓街工況，見圖9；針對雙開間騎樓，有騎樓街工況下的室內空氣溫度除了在8月下午出現高于無騎樓街工況情況外，其余月份均與單開間騎樓下室內空氣溫度變化情況基本相同，見圖10。綜上，有騎樓街工況相比無騎樓街工況，其建筑室內空氣溫度變化幅度更小，且日間空氣溫度更低，夜間空氣溫度更高。

在日間，由于有騎樓街工況下室外空氣溫度低于無騎樓工況且考慮建筑間的遮擋，騎樓室內溫度也進而呈現低于無騎樓街條件下室內溫度的情況；在夜間，有騎樓街工況下室外空氣溫度高于無騎樓工況，進而導致模擬得到夜間有騎樓街條件下室內溫度略高于無騎樓街工況。

2.4 相對濕度

將有騎樓街工況與無騎樓街工況室內相對濕度進行對比，結果顯示：單開間和雙開間騎樓室內相對濕度的根均方差(RMSE)范圍分別為2%～14%和2%～9%，一致性指數(d)范圍分別為0.51～0.99和0.39～0.99。

針對單開間騎樓，有騎樓街工況下室內相對濕度在3月～5月、10月～12月的日間高于無騎樓街工況，其他時間較低，但在6月～9月，有騎樓街工況下二層及三層房間的室內相對濕度則總體低于無騎樓街工況，見圖11；針對雙開間騎樓，其室內相對濕度變化情況與單開間騎樓變化情況基本相近，見圖12。整體而言，有騎樓街工況相比無騎樓街工況，其建筑室內相對濕度的曲線的波動幅度要更小。

有騎樓街工況下，建筑間的遮擋使建筑首層通風條件更差，室內的相對濕度相對無騎樓街工況更難移除，進而導致室內相對濕度增大。

2.5 換氣次數

將有騎樓街工況與無騎樓街工況室內換氣次數進行對比，結果顯示：單開間和雙開間騎樓室內換氣次數的根均方差(RMSE)范圍分別為1.7 ach～21 ach和1.5 ach～52.1 ach，一致性指數(d)范圍分別為0.42～0.99和0.51～0.99。

針對單開間及雙開間騎樓，有騎樓街工況下換氣次數總體低于無騎樓街工況，但單開間騎樓室內換氣次數要整體低于雙開間騎樓，見圖13，圖14。

由于騎樓街建筑間布局緊密且存在遮擋，其室內通風相比無騎樓街情況較差，且由于單開間騎樓周邊建筑高度相比雙開間騎樓更高，導致其室內通風也更差。

3 結語

對于騎樓街室外微氣候，騎樓街的遮擋效應及下墊面的特性會降低室外平均空氣溫度及比濕。對于騎樓街室內熱環境，較低的室外平均溫度導致其日間室內空氣溫度低于無騎樓街條件下的室內空氣溫度，且建筑間的遮擋使其室內通風條件更差，尤其是在底層空間，進而導致室內相對濕度的增大。

本文的模擬結果有效的佐證了室內外環境作為聯動體系分析的必要性，提升了室外微氣候對騎樓室內熱環境影響的理解。