建筑腔体热环境影响因素研究

建筑腔体热环境影响因素研究

袁晨曦

沈阳建筑大学建筑与规划学院，辽宁 沈阳 110170

[摘要]为了提高严寒地区办公建筑内热舒适度，同时尽可能地节约资源，本文对严寒地区多层办公建筑腔体热环境内部影响因素进行研究，以严寒地区多层办公建筑腔体为研究对象，通过DeST软件为载体对建筑腔体内部影响因素进行定量化的数值模拟分析，并对建筑腔体建筑腔体平面布局、竖向布局和空间界面等方面问题进行研究。

[关键词]严寒地区；办公建筑；热环境；建筑腔体；防寒

1建筑腔体国内外研究现状

1.1国内研究现状

在国内，华中科技大学的李保峰教授等人结合前人理论和实践经验首次提出了建筑腔体概念。根据知网检索可以查询国内有关建筑腔体的论文总共29篇，其中期刊11篇，硕博士论文18篇。论文发展趋势主要分两个方向，一种是着手于理论方面的研究，一种是从生态技术角度来研究。

1.2国外研究现状

在二十世纪六十年代，保罗·索勒瑞最先提出生态建筑学”（Ecology）的概念来源于生态学（Ecology）和建筑学（Architecture）两个词。1969年《设计结合自然》出版使得生态建筑学快速发展。日本建筑师伊东丰雄将类似于建筑腔体的“管道”设计理念运用到建筑设计当中，美国建筑师霍尔设计异性建筑腔体为室内提供风和光来改善室内环境的舒适度，同时可以为使用者提供良好的交流活动空间。诺曼·福斯特、杨经文、柯里亚等人也将建筑腔体的生态节能效应运用到建筑设计当中。

2.建筑腔体模拟结果分析

2.1建筑腔体水平布局模拟结果分析

（1）将不同腔体样式归为6个类型：核心式、贯穿式（南北、东西）、单面环绕式（东、南、西、北）、双面环绕式（东南、西南、西北、东北）、嵌入式（东、南、西、北）、多面环绕式。把腔体样式首层室内温度、室内温度低于18℃小时数、供暖季月平均温度作为判断腔体类型合理的标准因素。模拟结果如下：

①嵌入式中四个不同朝向最冷日工作时间平均温度由高到低为南向、西向、东向、北向。各个腔体低于18℃的南向2110h，北向2702h，东西各占25%，南向低于18℃的时间最少，北向最多，排序与温度一致，得出嵌入式中南向形式最好，节能效果最佳；

②核心式和多面环绕式的最冷工作时间平均温度中，多面环绕式温度高，变化剧烈，核心式温度低于多面环绕式，温度变化稳定；多面环绕式低于18℃的时间为0h，核心式低于18℃的时间为2h，但多面环绕式出现高于27℃的情况，综合分析，在多面环绕式和核心式中，核心式较好；

③贯穿式中最冷日工作时间平均温度南北向高于东西向。东西贯穿式低于18℃的小时数为2488h，南北贯穿式低于18℃的小时数为2371，与温度的排序相反，考虑由于日间工作时常大与夜间，同时南北向和东西向小时数相差不大的情况下，取南北贯穿式为宜；

④双面环绕式最冷日工作时间平均温度由高到低为西南向、东南向、西北向、东北向。西南向腔体低于18℃的小时数为1906h，东北向2670h，东南向2120h，西北2526h，排序与温度排序相同，说明西南向双面环绕式在双面环绕式中节能效果最佳；

⑤单面环绕式中，最冷工作时间平均温度由高到低为南向、西向、东向、北向。各个腔体低于18℃的小时数与温度相同，南向单面环绕式在单面环绕式中的节能效果最好。同时单面环绕式与嵌入式的顺序相同，说明室外温度对建筑腔体的影响大。

综合各个类型最有利朝向选出做对比，得出结论，对于沈阳地区供暖季不同腔体的温度由高到低为：核心式、单面环绕式、双面环绕式、嵌入式、贯穿式。其中核心式建筑腔体供暖季平均温度可达到22.6℃，可最大减少供暖设备的使用，同时核心式建筑腔体最高月平稳温度和最低月平均温度的差值最少，为8.1℃，腔体内热稳定性能最好，适合严寒地区使用。

2）建筑腔体平面朝向模拟结果分析

结果表明南向和西向的玻璃幕墙对腔体影响较大，所以采光面越大，平均温度较高，而西向和东向的平均温度低，说明朝向是建筑腔体室内热环境的的首要影响因素，其次是腔体与室外接触的面积。多面环绕式温度最高，供暖季平均温度达到了30℃以上，不合符实际的情况。

3）建筑腔体平面尺度模拟结果分析

采用核心式作为基础类型，建筑腔体平面尺度最为唯一变量，设置建筑腔体占首层平面的百分比分为5%、10%、15%、20%、25%五个尺度方案，结果得知，1.在供暖季最冷日，随着建筑腔体占首层平面的百分比越大。腔体首层的平均温度越高，其中腔体25%占比时日平均温度比5%占比时的日平均温度高出5.3℃。其中随着建筑腔体占比增大，腔体内温度呈上升趋势但差异变化小，腔体25%占比温度比20%占比温度仅高出0.1℃。2.在3月和11月，除了面积占比5%的方案外，温度均大于27%，同样也造成了消耗能源过度的问题。综上得出结论，核心式建筑腔体的平面尺度应尽可能控制，选择中小型建筑腔体较合适。

2.2建筑腔体竖向布局模拟结果分析

不同类型腔体中的竖向位置不同会对建筑腔体的热环境造成影响。在嵌入式腔体中，竖向中部式和竖向贯通式平均温度较高，腔体低于18℃的小时数相同切教竖向底部式和竖向顶部式少，故嵌入式中，竖向中部式和竖向贯通式效节能效果较好；在核心式腔体中，竖向贯通式最冷日工作时间温度高于竖向顶部式，但竖向贯通式腔体低于18℃的小时数为0h，竖向顶部式为1686h，故核心式中竖向贯通式节能效果较好；在贯穿式腔体中，得出结果与嵌入式腔体中结果一致，故贯穿式腔体中竖向中部式与竖向贯通式节能效果较好。

建筑腔体的数值高度也是影响建筑腔体热环境的因素。以核心式为例，控制其他变量不变，将腔体的竖直高度设为唯一变量，得出结果为：建筑腔体越高，首层平均温度越高，温差越小，顶层越高，但顶层温差变化不大，同时建筑腔体越高，温度增长趋势越慢。

2.3空间界面对热环境影响的模拟分析

模拟结果表明，侧窗窗墙比越大，腔体接收到的太阳辐射越多，腔体内的温度就会越高，温差越大。天窗的透光面积大小对腔体的顶部的温度影响较大，但是对底部的温度影响较小。在11-1月份，天窗的透光比例增大，导致顶层的平均温度降低，温差增大；其他月份与11-1月份结果相反。

结论

1）针对严寒地区防寒、节能角度考虑，建筑腔体建议采用核心式，节能效果最佳，单面环绕式和嵌入式也可作为推荐类型。

2）腔体中主要可供人员使用时，推荐腔体朝向为南向和西向，同时要控制腔体平面占比在5%-20%之间。

3）建筑腔体中部或者贯穿整个建筑时相对合理，腔体热环境和节能效果好。在满足设计条件下，建议增加腔体的高度，腔体层数最好控制在5层左右。

4）核心式腔体建议减少腔体天窗的透光面积，边庭类腔体南向建议增大窗墙比，西向北向建议减少窗墙比。

参考文献

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