基于太阳辐射得热的严寒地区中庭空间形态比较研究

作为建筑室内外的过渡区域，中庭空间担负着调节和改善建筑内部物理环境的重要任务，而通过塑造建筑形体来获得或屏蔽太阳辐射得热的设计手段能减少建筑物能源消耗。对适应气候的建筑空间形态的研究是为强化“自然做功”在气候管理中的效率，将建筑用能“源头减量”作为优先原则，而非仅依赖甚至过度依赖以设备为主体的能效“末端控制”。目前，对中庭空间形态与其物理环境关联性的研究主要集中在通风、采光等方面，由于严寒地区建筑物的气候适应性以适寒为主，冬季保温消耗的能源也是建筑能源消耗的主要部分，因此严寒地区建筑节能应以减少冬季供暖能耗为主要途径。中庭空间可通过透明围护界面吸收来自太阳的辐射热量，如何通过空间形态设计高效地加以利用是一个值得研究的问题。1、研究方法1.1研究对象及区域本研究的对象选取中小型公共建筑的中庭空间，在控制其他变量不变的前提下探究不同形态的中庭空间对周边房间间接辐射得热量的影响；研究区域为严寒地区，根据冬季时长和1月平均气温等指标划分为A,B,C3个子气候区，为进一步探究各子气候区研究结果的异同关系，按纬度从高到低选取IA区的呼玛、海拉尔、伊春，其冬季时长均在8~9个月，1月平均气温在–28~ –22 ℃之间；选取IB区的哈尔滨、牡丹江、二连浩特，其冬季时长在7~8个月，1月平均气温在–22~ –16 ℃间；选取IC区的沈阳、呼和浩特、大同，其冬季时长在6~7个月，1月平均气温在–16 ℃以上。1.2优化模型构建本研究利用正交试验法对试验过程进行优化。本研究由于影响试验结果的变量较多，且不同设计变量间组成的试验方案数量较多，利用“正交表”可合理筛选出具有代表性的因素组合，并能直观地分析出因素的主次关系、因素与指标的关系及各因素的最优组合与最不利组合。在方案的概念设计阶段，中庭的热环境与空间布局直接相关，也与其比例尺度及剖面形态关联，故本研究选取平面布局（A）、长宽比（B）、空间高度（C）、剖面形态（D）4个设计变量。中庭在建筑中的布局方式多样，严寒地区常见的布局主要有核心式、嵌入式以及边庭式3种。考虑到平面的长宽比大于2∶1时会影响其使用功能，故以1∶1和2∶1作为上下限值选取3个梯度；由于小型公共建筑的层数多为4层以下，因此中庭空间的高度选取6 m、9 m、12 m3个水平；公共建筑中常见的中庭空间剖面形态主要有矩形、A形及V形3种形态，本次研究中以中庭空间墙面与地面之间的夹角（以下简称墙地夹角）作为剖面形态的量化指标，故选取墙地夹角为60°、90°、120°3个水平。由于本次研究中有4个变量，且每个变量均有3个水平，不同变量与水平之间的组合方式达81种，致使试验过程繁杂。为优化试验过程，选用L9（34）型正交表，利用正交试验法中不同水平的组合原理，任一列中各因素出现的次数相等，筛选出最具有代表性的9组方案。1.3模拟方法及模型构建在中庭空间平面尺寸为16 m×16 m的基础上进行变化，将中庭面积占建筑面积的比例控制在25%左右（嵌入式与边庭式除外），周边房间的层高设置为3 m，平面尺寸为8 m×8 m（中庭平面长宽比为4∶3的方案除外）。模拟日期选择各研究地区当地的平均最冷日，气象数据选取由清华大学和中国气象台联合收集的1971—2003年实测气象数据。建筑方案设计对建筑能耗影响较大的因素包括建筑朝向、房间布局、窗墙比、围护结构主要热工参数等，由于本研究主要探讨中庭空间不同布局形式及空间形态对周边房间间接辐射得热的影响，为避免其他因素对试验结果产生干扰，故在研究中确保各方案朝向均为正南向，围护结构的构造做法全部一致，外墙均不开窗，建筑内部不设任何主动式设备。在此基础上，将中庭空间与周边房间分别设置为2个独立的计算区域，对周边房间的区域间得热（即周边房间从中庭空间获取的热量）进行模拟计算，从而确定各方案的中庭空间周边的房间在不同研究地区平均最冷日24 h内通过中庭空间间接获取的辐射热量。2、模拟与计算本研究利用L9（34）正交表筛选出中庭空间各设计变量的9个方案。在分析了9个地区计算结果的基础上，得知中庭空间的4个设计变量在各研究地区的气候条件下对周边房间得热量的影响趋势基本一致，因此选取海拉尔市（IA区）、哈尔滨（IB区）、呼和浩特（IC区）3个地区的计算与分析结果作为论述对象。3、分析与讨论通过对严寒地区3个子气候代表城市各方案的模拟与计算，对各研究地区影响试验结果的设计变量的主次进行排序，并对不同方案的优劣关系进行评价。3个地区的极差排序均为R1＞R4＞R2＞R3，即建筑中庭空间的各设计变量对周边房间影响的主次关系为：A（平面布局）＞D（墙地夹角）＞B（长宽比）＞C（空间高度），因此可知中庭空间的平面布局方式是对周边房间得热量影响最大的设计变量。在各组试验方案中，中庭空间选择核心式布局、平面长宽比为1∶1、空间高度为6 m、墙地夹角为45°的设计模型为最优方案；中庭空间选择边庭式布局、平面长宽比为2∶1、空间高度为12 m、墙地夹角为120°的设计模型为最不利方案。在上述分析的基础上，对中庭空间单一设计变量与周边房间平均得热量之间的关系做进一步分析。各研究地区周边房间得热量在中庭空间设计变量A（平面布局）影响下的变化趋势，表明随中庭空间平面布局以核心式、嵌入式、边庭式的顺序发生变化，周边房间的得热量逐渐下降。其主要是不同的布局方式与外界直接接触的围护结构表面积的大小不同，核心式中庭位于建筑的内部，只有顶部的界面与外界直接接触；嵌入式中庭位于建筑的边缘位置，有2个与外界直接接触的围护界面；边庭式中庭位于建筑外墙交接的位置，有3个与外界直接接触的围护界面。3个研究地区之间也存在一定的差异，4个中庭空间设计变量对不同地区的影响程度也不尽相同。总体而言，地区所处纬度越高周边房间得热量越低。由此可知，严寒地区中庭空间的平面布局与形态设计对周边房间得热量的影响大小与地理纬度之间存在负相关的函数关系。4、结论基于正交试验法形成了中庭空间不同设计变量不同水平的9种组合方案，借助Ecotect软件模拟的手段，对严寒地区A，B，C3个子气候区9个城市气候条件下建筑中庭空间的平面布局、长宽比、空间高度以及剖面形态4个设计变量对周边房间得热量的影响进行计算、分析及评价。本研究得出了中庭空间各变量对周边房间得热量影响的主次关系，确定了不同设计变量组合中的最优方案与最不利方案，并在此基础上对比分析了周边房间得热在不同设计变量影响下的变化特征，对严寒地区中庭空间形态的节能化设计有一定的借鉴意义。本研究借助软件模拟手段，虽利用统计学方法对研究过程进行了优化，但由于缺乏实测数据，仍有一定的局限性。建筑的气候适应性最终要在单一空间的层面得到落实。从被忽视的气候属性入手，以合理利用自然能源为目的对