室外微氣候?qū)︱T樓室內(nèi)熱環(huán)境的影響研究

藍(lán)洪寧,張昌佳

(廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510500)

0 引言

騎樓是近代出現(xiàn)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(qū)，其連續(xù)排列而形成的街道，稱(chēng)之為騎樓街[2]，兩者共同構(gòu)成了騎樓獨(dú)特的室外微氣候。建筑室內(nèi)熱環(huán)境是由室內(nèi)外環(huán)境共同作用影響的，而對(duì)于騎樓，其外部環(huán)境、騎廊尺寸都會(huì)對(duì)建筑周邊和通風(fēng)開(kāi)口處的環(huán)境有所影響進(jìn)而影響室內(nèi)熱環(huán)境[3]，因此，騎樓街和騎樓應(yīng)作為一個(gè)聯(lián)動(dòng)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(qū)尺度的騎樓街微氣候，針對(duì)騎樓街微氣候?qū)κ覂?nèi)熱環(huán)境的影響分析則較少。本文采用耦合模擬的方法，分析有無(wú)騎樓街工況下騎樓室外微氣候及室內(nèi)熱環(huán)境的變化情況，以便佐證室外熱環(huán)境作為聯(lián)動(dòng)體系的必要性，以期更全面的了解室外微氣候?qū)︱T樓室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

1 研究方法

1.1 場(chǎng)地調(diào)研

通過(guò)對(duì)廣州地區(qū)騎樓建筑進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，統(tǒng)計(jì)得到：騎樓的平面布局以單開(kāi)間及雙開(kāi)間為主，開(kāi)間多為4.5 m，主要空間特征為走廊、天井和生活區(qū)域組成的流線(xiàn)型空間。基于上述特征，選取兩棟現(xiàn)存騎樓建筑作為研究對(duì)象，建筑平面如圖1所示。

1.2 工況設(shè)計(jì)

為了量化分析室外微氣候?qū)︱T樓室內(nèi)熱環(huán)境的影響，針對(duì)單開(kāi)間和雙開(kāi)間騎樓平面，分別設(shè)置無(wú)騎樓街工況和有騎樓街工況兩種工況對(duì)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(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》中廣州市3月～11月份的典型氣象日[4]數(shù)據(jù)作為夏季和過(guò)渡季的典型天氣氣象數(shù)據(jù)開(kāi)展數(shù)值模擬研究，典型氣象日選取具體方法見(jiàn)文獻(xiàn)[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?chē)骄諝鉁貪穸萚6]，將其替換到原氣象數(shù)據(jù)中，獲得新的氣象數(shù)據(jù)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(gè)風(fēng)向(N，NE，E，SE，S，SW，W，NW)下無(wú)騎樓街及有騎樓街條件下騎樓建筑窗洞口處的風(fēng)壓值，根據(jù)式(1)計(jì)算獲得建筑窗洞口處的風(fēng)壓系數(shù)CP:

(1)

其中，ps為建筑表面風(fēng)壓，Pa；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3，(可取標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225 kg/m3)；VH為建筑高度處來(lái)流風(fēng)速，m/s，本文中騎樓建筑高度取14.8 m。

其中，VH可根據(jù)風(fēng)剖面的指數(shù)率計(jì)算公式(2)求出[7]，即：

(2)

3)采用DesignBuilder 4.5.0.128 BETA版本將無(wú)騎樓街及有騎樓工況下的氣象數(shù)據(jù)和風(fēng)壓系數(shù)分別作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，提取出主要功能房間(客廳和臥室)無(wú)騎樓街及有騎樓街條件下典型氣象日的逐時(shí)溫度、濕度及換氣次數(shù)，引入根均方差和一致性指數(shù)定量評(píng)價(jià)有無(wú)騎樓街條件下的誤差。

1.4 模型建立

對(duì)于單開(kāi)間騎樓街及雙開(kāi)間騎樓街，按照實(shí)際情況進(jìn)行ENVI-met建模，如圖2所示。按照無(wú)騎樓街工況和有騎樓街工況分別針對(duì)單開(kāi)間騎樓和雙開(kāi)間騎樓進(jìn)行PHOENICS建模和DesignBuilder建模，如圖3，圖4所示。

建模主要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 建模主要參數(shù)設(shè)置

1.5 參數(shù)設(shè)置

ENVI-met模擬工況的強(qiáng)迫數(shù)據(jù)取自廣州典型氣象日數(shù)據(jù)。模擬時(shí)間從0：00開(kāi)始，共計(jì)算26 h。模擬參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 ENVI-met模擬主要參數(shù)

PHOENICS模擬參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 PHOENICS模擬主要參數(shù)

騎樓建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)[9]設(shè)置見(jiàn)表4；室內(nèi)熱擾設(shè)置見(jiàn)表5；室內(nèi)時(shí)間表參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表6；室內(nèi)門(mén)窗洞口設(shè)定為24 h常開(kāi)，開(kāi)啟率為50%，流量系數(shù)取0.65。

表4 騎樓建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

表5 室內(nèi)熱擾計(jì)算值

表6 時(shí)間表參數(shù)設(shè)定

2 結(jié)果分析

本研究以騎樓建筑周?chē)彝鉁貪穸纫约笆覂?nèi)客廳和臥室等主要功能房間為重點(diǎn)，比較有無(wú)騎樓街條件得到的室外空氣溫度、比濕、室內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度和換氣次數(shù)的模擬結(jié)果。

2.1 室外空氣溫度

將有騎樓街工況與無(wú)騎樓街工況室外空氣溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：?jiǎn)伍_(kāi)間和雙開(kāi)間騎樓室內(nèi)相對(duì)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(shù)(d)范圍分別為0.75～0.98和0.73～0.99。

針對(duì)單開(kāi)間騎樓和雙開(kāi)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(wú)騎樓街工況；在過(guò)渡季，有騎樓工況下騎樓室外空氣溫度在日間略低于無(wú)騎樓街工況，夜間則略高或接近?？傮w而言，有騎樓街工況下的室外空氣溫度波動(dòng)幅度要小于無(wú)騎樓街工況，見(jiàn)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?chē)ㄖ恼陉?yáng)作用，而對(duì)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(wú)騎樓街工況室外空氣溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：?jiǎn)伍_(kāi)間和雙開(kāi)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(shù)(d)范圍分別為0.40～0.90和0.34～0.92。

針對(duì)單開(kāi)間騎樓和雙開(kāi)間騎樓，有騎樓街工況下騎樓室外空氣溫度大部分時(shí)間低于無(wú)騎樓街工況，僅在過(guò)渡季中午時(shí)間略高于無(wú)騎樓街工況，見(jiàn)圖7,圖8。

造成上述結(jié)果差異可能是因?yàn)槟M中太陽(yáng)輻射增強(qiáng)土壤表面的蒸發(fā)或蒸散過(guò)程，中午前后的平均比濕度較高。

2.3 室內(nèi)空氣溫度

將有騎樓街工況與無(wú)騎樓街工況室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：?jiǎn)伍_(kāi)間和雙開(kāi)間騎樓室內(nèi)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(shù)(d)范圍分別為0.67～0.99和0.55～0.99。

針對(duì)單開(kāi)間騎樓，有騎樓街工況下的室內(nèi)空氣溫度在日間低于無(wú)騎樓街工況，在夜間略高于無(wú)騎樓街工況，見(jiàn)圖9；針對(duì)雙開(kāi)間騎樓，有騎樓街工況下的室內(nèi)空氣溫度除了在8月下午出現(xiàn)高于無(wú)騎樓街工況情況外，其余月份均與單開(kāi)間騎樓下室內(nèi)空氣溫度變化情況基本相同，見(jiàn)圖10。綜上，有騎樓街工況相比無(wú)騎樓街工況，其建筑室內(nèi)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(wú)騎樓工況且考慮建筑間的遮擋，騎樓室內(nèi)溫度也進(jìn)而呈現(xiàn)低于無(wú)騎樓街條件下室內(nèi)溫度的情況；在夜間，有騎樓街工況下室外空氣溫度高于無(wú)騎樓工況，進(jìn)而導(dǎo)致模擬得到夜間有騎樓街條件下室內(nèi)溫度略高于無(wú)騎樓街工況。

2.4 相對(duì)濕度

將有騎樓街工況與無(wú)騎樓街工況室內(nèi)相對(duì)濕度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：?jiǎn)伍_(kāi)間和雙開(kāi)間騎樓室內(nèi)相對(duì)濕度的根均方差(RMSE)范圍分別為2%～14%和2%～9%，一致性指數(shù)(d)范圍分別為0.51～0.99和0.39～0.99。

針對(duì)單開(kāi)間騎樓，有騎樓街工況下室內(nèi)相對(duì)濕度在3月～5月、10月～12月的日間高于無(wú)騎樓街工況，其他時(shí)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(nèi)相對(duì)濕度則總體低于無(wú)騎樓街工況，見(jiàn)圖11；針對(duì)雙開(kāi)間騎樓，其室內(nèi)相對(duì)濕度變化情況與單開(kāi)間騎樓變化情況基本相近，見(jiàn)圖12。整體而言，有騎樓街工況相比無(wú)騎樓街工況，其建筑室內(nèi)相對(duì)濕度的曲線(xiàn)的波動(dòng)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(fēng)條件更差，室內(nèi)的相對(duì)濕度相對(duì)無(wú)騎樓街工況更難移除，進(jìn)而導(dǎo)致室內(nèi)相對(duì)濕度增大。

2.5 換氣次數(shù)

將有騎樓街工況與無(wú)騎樓街工況室內(nèi)換氣次數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：?jiǎn)伍_(kāi)間和雙開(kāi)間騎樓室內(nèi)換氣次數(shù)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(shù)(d)范圍分別為0.42～0.99和0.51～0.99。

針對(duì)單開(kāi)間及雙開(kāi)間騎樓，有騎樓街工況下?lián)Q氣次數(shù)總體低于無(wú)騎樓街工況，但單開(kāi)間騎樓室內(nèi)換氣次數(shù)要整體低于雙開(kāi)間騎樓，見(jiàn)圖13，圖14。

由于騎樓街建筑間布局緊密且存在遮擋，其室內(nèi)通風(fēng)相比無(wú)騎樓街情況較差，且由于單開(kāi)間騎樓周邊建筑高度相比雙開(kāi)間騎樓更高，導(dǎo)致其室內(nèi)通風(fēng)也更差。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于騎樓街室外微氣候，騎樓街的遮擋效應(yīng)及下墊面的特性會(huì)降低室外平均空氣溫度及比濕。對(duì)于騎樓街室內(nèi)熱環(huán)境，較低的室外平均溫度導(dǎo)致其日間室內(nèi)空氣溫度低于無(wú)騎樓街條件下的室內(nèi)空氣溫度，且建筑間的遮擋使其室內(nèi)通風(fēng)條件更差，尤其是在底層空間，進(jìn)而導(dǎo)致室內(nèi)相對(duì)濕度的增大。

本文的模擬結(jié)果有效的佐證了室內(nèi)外環(huán)境作為聯(lián)動(dòng)體系分析的必要性，提升了室外微氣候?qū)︱T樓室內(nèi)熱環(huán)境影響的理解。