基于模拟室内光热环境的住宅阳台设计分析

孙凤明,郭占军,田 芳

（河北工程大学建筑学院,河北邯郸 056038）

阳台作为室内外环境的过渡空间,随着其形式的变化而引起对室内物理环境的不同影响。在住宅建筑的概念设计阶段,充分考虑不同的建筑空间形式,不同的使用功能,选择设计合适的阳台形式,有利于充分发挥阳台对于室内物理环境的调节作用,对降低建筑物使用过程当中的能耗,创造良好的室内环境起到不可忽视的作用。传统的阳台设计,只是作为建筑基本户型的一个附属部分,更多地考虑了功能和造型的因素,未能充分考虑阳台对于室内物理环境的影响[1-2]。建筑热工学领域关于阳台空间热工性能的研究虽已较为成熟,但多侧重于对已有建筑阳台的热工实验研究[3-5],未能用于阳台设计的指导。

ECOTECT[6]作为一款生态设计软件,可以很好地辅助建筑的生态节能设计,实时地模拟分析方案设计阶段室内物理环境。本文通过ECOTECT作为辅助进行住宅建筑阳台的方案设计分析,采用多种阳台的方案比较,模拟不同方案的阳台对于室内热环境及光环境的不同影响,为选择设计合理的阳台形式提供了一定的参考。

1 模拟方案

1.1 区域环境

建筑物所处地理及气候环境的不同,直接影响建筑物的采光及能耗情况。各个地区的气象数据,地理位置特征值,可以通过编译并在ECOTECT软件数据库中接入,作为模拟计算的依据。根据建筑物所处的地理位置,可以适当选择相关气象数据[6-7]。

为便于观察北方建筑物冬季采光及能耗情况,模拟区域设定为邯郸市。东八区,东经114.5,北纬36.6;光气候区属III类,建筑热工设计分区为寒冷地区。建筑物为正南北方向,位置为市区[8-9]。

1.2 构件材质

通过ECOTECT进行建模的过程中,将建筑物不同的房间按照各个独立区域进行建模,每个区域的不同部位,不同构件在建模的过程中就指定了其材料特性,由此便可以按照各个房间不同的使用功能,针对性地进行材质的选择。对同一房间进行不同材质的模拟计算,可以得出不同的室内物理环境数据。

为便于进行不同方案的比较,各方案对住宅同一类型主要构件选用相同的材质。

1.3 阳台方案设计

模拟小区住宅为板式单元房,多层砖混结构,模拟部位为标准层西侧单元的一个卧室,见图2中的卧室2,房间面积为4.05 m×4.20 m;阳台面积为4.05 m×1.8 m;阳台开窗面积为2×1.8 m×1.3 m+4.05 m×1.3 m。图1表示了小区住宅的透视效果,图2为单元房标准层户型不同方案的平面图。

表1 建筑主要构件材质特性Tab.1 The main components of building material properties

2 阳台对室内光热环境影响的模拟分析

2.1 光环境模拟分析

天然采光标准临界值照度为5 000 lx,采用全日光照明模式作为分析[9]。

通过软件模拟卧室2的无阳台和有阳台时采光系数分布图（图3）。图中用网格的方式将室内各点的采光系数值进行模拟计算并得出数值,颜色较亮部位为采光系数高的区域,由高到低颜色渐暗。

由图3可以看出,有阳台时采光系数最低点为1.51%,最高点为5.59%（近窗部位）,各点采光系数平均值为2.53%;无阳台时采光系数最低点为2.12%,最高点为18.2%（近窗部位）,各点采光系数平均值为4.73%。由此可知,无阳台时室内各点采光系数较高,平均值高于有阳台时的情况,但有阳台时室内各点采光系数仍符合采光标准要求≥1%。

调整阳台的悬挑长度为1.5 m和2.2 m,模拟计算室内采光系数分布,见图3（c）、图3（d）。阳台悬挑1.5 m时,阳台面积为1.5m×4.05 m,室内采光系数分布最小值为1.52%,最大值为7.09%,平均值为2.63%。阳台悬挑2.2 m时,阳台面积为2.2 m×4.05 m,室内采光系数分布最小值为1.50%,最大值为5.39%,平均值为2.44%。

通过改变阳台悬挑长度即改变阳台面积可以发现,阳台面积的适当增大,室内采光系数有所降低,但悬挑长度2.2 m以内都还能满足天然采光标准要求。

2.2 热环境影响模拟分析

按照建筑物所处地理位置及气候区域,综合分析建筑物各个构件的物理属性,模拟卧室2的3种设计方案在冬季最冷日24 h逐时温度变化（图4）及逐时得失热量情况（图5）。

图4中加粗曲线表示了卧室2室内24 h的逐时温度变化曲线。可以直观地看出,3种情况下受室外气温影响卧室2全天气温均在0℃左右,3种情况下温度的变化趋势与室外气温的变化基本一致,但由于围护结构的蓄热作用要有所延迟[10-12]。无阳台时,温度的变化起伏很明显,气温变化出现转折现象;有阳台时,温度的变化比较平缓,无明显的气温变化的转折现象;阳台与卧室连通时,室内的温度变化更加明显,温度的上升与下降比无阳台时的情况还要明显,变化幅度更大,上午最低温度下降至-3℃左右,而下午最高温度升高至2℃左右,一天温差将近5℃,很不利于建筑的节能保温。

图5显示了3种情况下卧室2室内的得失热情况。室内得失热影响因素主要包括区域内部受各部分传热及蓄热影响而得失热量的变化,太阳辐射热对室内热量的影响,空气流动对室内热量的影响以及整个室内环境的围护结构失热等。

由于室内外温差的影响,冬季室内环境主要以失热为主,围护结构的保温性能是重要的一方面。通过图5对比每个图表中卧室2室内得失热量曲线。3个图表中最下面一条曲线分别表示了3种情况下冬季失去热量的变化。可以明显看出,无阳台时,对应相同时间点室内失去的热量要多于有阳台的情况,而第3种情况即阳台与室内连通时各时间点室内失去的热量为最多。以上午7 h为例,无阳台时失去热量功率为2.6 kW,有阳台时失去热量功率为2.4 kW,阳台与室内连通时失去热量功率为4 kW。

对比有无阳台的室内热环境情况可以发现,阳台作为一个室内外的过渡空间,对于室内热量的散失有一定的延缓作用,但由于阳台开窗面积较大,如果阳台与室内空间连通,失去了中间隔墙的作用,虽然增加了室内的使用面积,却更不利于室内的保温,冬季供暖就需要更多的能量。

3 结语

利用ECOTECT软件可以直观地模拟多种阳台形式对于室内光热环境的影响,通过对比分析不同方案之间的室内物理环境的模拟数据,为阳台方案的选择提供参考。

[1]李耀培.中国居住实态与小康住宅设计[M].南京:东南大学出版社,1999.

[2]于毅夫.阳台的形态研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2001.

[3]刘辉,杜峰.鲁北乡村住宅节能设计初探[J].河北工程大学学报:自然科学版,2007,24（4）:50-52.

[4]刘伟,刘斌.建筑外部空间之过渡的调和空间解析[J].河北工程大学学报:自然科学版,2009,26（4）:20-23.

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[6]云朋.ECOTECT建筑环境设计教程[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[7]中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[8]朱颖心.建筑环境学[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2005.

[9]中华人发共和国建设部.建筑采光设计标准[S].

[10]陈仲林,唐鸣放.建筑物理[M].图解版.北京:中国建筑工业出版社,2009.

[11]晋文,齐静,张伟捷.基于建筑热环境数值模拟的优化设计[J].河北工程大学学报:自然科学版,2008,25（4）:61-64.

[12]张允,李淑兰.窗户热屏系统对室内热环境影响的实验研究[J].河北工程大学学报:自然科学版,2009,26（4）:52-55.