夏熱冬冷地區(qū)被動式建筑最佳樓層及房間研究
——以成都市某被動房為例

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

被動房在中國的出現(xiàn)，最早可以追溯到2010年的上海世博會[1]。德國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房作為世博會的禮物贈送給上海[2]。然而，當(dāng)年在上海世博會的被動房項目并沒有引起普遍的重視[3]。2013年1月，秦皇島“在水一方”中德合作被動房示范項目的竣工，開始引起業(yè)界的廣泛關(guān)注，該項目是第一個本土化的被動房[4]。從時間上看要比歐美國家起步晚了10～20年[5]。但是值得關(guān)注的是，黨中央、國務(wù)院《關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》明確提出了要發(fā)展被動式房屋等綠色節(jié)能建筑[6]。這是第一次從黨和國家的層面提出支持發(fā)展被動式建筑的方向性指導(dǎo)意見[7]。

由于我國國情、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家的現(xiàn)有被動式技術(shù)。導(dǎo)致我國各熱工分區(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]被動房的發(fā)展進度上不一，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)，以成都市某被動房為例，通過EnergyPlus建模，以及導(dǎo)入EP-Launch進行參數(shù)設(shè)置及模擬。最后得出全年每個房間的逐時溫度變化，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 研究對象基本信息

該研究對象位于成都(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。分別對外墻、屋頂、樓板、窗戶進行重命名，并對每個房間以樓層加圖1的房間號命名，如101、201、301等，后兩位為房間號，以示區(qū)分。檢查模型后，對最終模型進行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、維護結(jié)構(gòu)構(gòu)造、熱擾等。

1.3.1圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造

該建筑圍護結(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。按照正常作息時間，工作日18：00到次日9：00在室，其余時間段不在室，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)按小時記錄房間室溫并輸出。

(4)設(shè)置熱擾：一個標(biāo)準(zhǔn)住戶按3人計算，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，按小時模擬了選擇日的全天溫度。然后提取每層樓每個房間非最佳人體舒適溫度(18-25℃)時間，與每層房間模擬總計時間比作為評選最佳樓層的第一標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)多樓層非舒適時間占比一樣是，用該天全時間的總溫度排序作為第二評選標(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)時間之和

Ta：總模擬時間：

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，樓層非舒適時間占比從底樓向頂樓先下降，到第4樓出現(xiàn)第一個最低點，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，占比最低點出現(xiàn)在倒數(shù)第5樓。

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

(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)計表

可以看出該模擬建筑最佳保溫樓層不會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號房全年溫度對比圖

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不同房間進行分析，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號房，最差房間為13號房。該層兩者全年房間溫度對比圖如圖7。

3號房全年8760個小時中處于人體舒適溫度(18-25℃)時間為1996個小時，占比為22.786%，大于25℃時間為6764個小時。13號房全年8760個小時中處于人體舒適溫度(18-25℃)時間為1852個小時，占比為21.142%，大于25℃時間為5709個小時，小于18℃時間為5892個小時。

經(jīng)分析我們可以看出同樓層不同房間全年的舒適時間占比不同，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)來評價最佳房間。當(dāng)占比均為一時，通過每層每個房間同一時間點的溫度對比排序作為評選方案，最終對房間保溫性能的優(yōu)劣做一個排序。

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

3、6、9號房在全段模擬時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號房在層高為10及以內(nèi)層高的建筑在全段模擬時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樓在全段模擬時間段均在人體舒適溫度范圍內(nèi)，其余樓層全段模擬時間達到人體舒適溫度范圍占比呈下降-穩(wěn)定-上升趨勢，例如層高為25的4號房垂直分段的時間占比折線圖如圖9。

圖9 垂直分段的時間占比折線圖 圖10 垂直分段的時間占比折線圖

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，上下波動不大，且占比均大于等于50%。

7、8號房隨著樓層層高的增加，前兩樓以及后三樓在全段模擬時間段在人體舒適溫度范圍占比均為達到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間段均在人體舒適溫度范圍內(nèi)。

10號房隨著樓層層高的增加，在全段模擬時間段在人體舒適溫度范圍占比趨勢分為三段。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間段均未在人體舒適溫度范圍內(nèi)，例如層高為30的10號房垂直分段的時間占比折線圖如圖10。此外，10號房處于人體舒適溫度時間占比的樓層數(shù)隨著建筑層高的增加而增多。

11、12號房，在層高為5的該模擬建筑在全段模擬時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間達到人體舒適溫度范圍占比為58.33%，其余樓層在全段模擬時間段均在人體舒適溫度范圍內(nèi)。

13號房在層高為20以前在全段模擬時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)在全段模擬時間達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動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上，約是23攝氏度。因此對于房間舒適度隨著樓層的增加排序為3≈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)隨著層高的增加會逐漸減少，最終將會穩(wěn)定在3、6、9號房。

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動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)隨著層高的增加會逐漸減少，最終將會穩(wěn)定在3、6、9號房。

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