一種基于冬季風(fēng)環(huán)境模擬的嚴(yán)寒地區(qū)建筑中庭的優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于冬季風(fēng)環(huán)境模擬的嚴(yán)寒地區(qū)建筑中庭的優(yōu)化方法，具體包括下述步驟：步驟一、建立中庭及其周邊空間的基準(zhǔn)物理模型；步驟二、參照《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》設(shè)定邊界條件；步驟三、選取模擬參變量進(jìn)行模擬分析；步驟四、模擬數(shù)據(jù)分析，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明將嚴(yán)寒地區(qū)地域特色作為研究展開的前提，避免將風(fēng)場作為單一標(biāo)準(zhǔn)所帶來的局限性；選定模擬軟件并基于理論鋪墊選定各項(xiàng)設(shè)計(jì)條件與模擬參數(shù)；確立了整體研究的模擬框架；為針對嚴(yán)寒地區(qū)城市氣候條件下中庭空間形式與中庭微環(huán)境間的作用規(guī)律的探討提出了有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為嚴(yán)寒地區(qū)城市特殊氣候條件的相關(guān)研究提供了參考數(shù)據(jù)。
【專利說明】-種基于冬季風(fēng)環(huán)境模擬的嚴(yán)寒地區(qū)建筑中庭的優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于嚴(yán)寒地區(qū)建筑設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是涉及一種基于冬季風(fēng)環(huán)境模擬的 嚴(yán)寒地區(qū)建筑中庭的優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 中庭空間需要滿足夏季通風(fēng)和冬季保溫以確保使用者的舒適性，這一特色因特殊 的地域條件成為制約室內(nèi)環(huán)境和能耗的主導(dǎo)因素。對于夏熱冬冷地區(qū)而言，夏季極端的氣 候條件使得如何利用中庭空間改善夏季及過渡性季節(jié)室內(nèi)環(huán)境，促進(jìn)通風(fēng)循環(huán)成為了研究 的重點(diǎn)，目前已有針對這一問題的相關(guān)研究。對于嚴(yán)寒地區(qū)而言，中庭空間在冬季的氣候 適應(yīng)性需求超越其它需求成為室內(nèi)物理環(huán)境的首要問題。嚴(yán)寒地區(qū)特有的氣溫分布特點(diǎn)、 冬季主導(dǎo)風(fēng)向和地域性的建筑形式，都不可避免地影響公共建筑中庭空間的通風(fēng)及保溫性 能。因而寒地城市條件下簡單依靠增加供熱量以維持中庭空間正常室溫的做法并不可取。 然而現(xiàn)有研究對嚴(yán)寒地區(qū)氣候條件下中庭空間形式與中庭微環(huán)境間的作用規(guī)律的探討還 停留在理論階段，缺乏量化分析和數(shù)據(jù)支持，難以為設(shè)計(jì)提供令人信服的參考。
[0003] 在建筑中引入中庭空間，在滿足交通集散需求的同時(shí)也改善了室內(nèi)流線關(guān)系，活 躍了室內(nèi)空間。在實(shí)際使用中，中庭空間所帶來的功能優(yōu)勢主要體現(xiàn)在底層開放空間及周 邊活動空間中。因此在研究中將中庭空間單獨(dú)作為研究對象是不全面的。
[0004] 中庭空間抵御嚴(yán)寒氣候的措施未經(jīng)過深入研究，通常由建筑師經(jīng)過主觀判斷應(yīng)用 于實(shí)踐，空間形式同室內(nèi)環(huán)境的作用規(guī)律還并不明確。中庭空間在建筑平面中怎樣布局才 能盡可能減小寒風(fēng)的影響，中庭的比例關(guān)系、斷面形式和它的通風(fēng)、保溫性能有著怎樣的聯(lián) 系，目前都還沒有得到明確的相關(guān)數(shù)據(jù)的支持。
[0005] 在目前的研究成果中，主要存在著以下三個(gè)問題：在針對不同地域的研究成果主 要局限于夏熱冬冷地區(qū)，寒地城市特殊氣候條件的相關(guān)研究比較缺乏；在針對中庭空間的 研究中，大多將中庭空間作為單獨(dú)的研究對象，忽略了其與中庭連接空間之間的聯(lián)系；在現(xiàn) 有研究中缺乏建筑設(shè)計(jì)主導(dǎo)下的中庭環(huán)境模擬研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于冬季風(fēng) 環(huán)境模擬的嚴(yán)寒地區(qū)建筑中庭的優(yōu)化方法，構(gòu)建嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑中庭空間形式與風(fēng)環(huán)境 的交互模型，利用軟件模擬的手段對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程的可視化及 對該類問題的定量研究。
[0007] 本發(fā)明的一種基于冬季風(fēng)環(huán)境模擬的嚴(yán)寒地區(qū)建筑中庭的優(yōu)化方法，其特征在 于，包括下述步驟：
[0008] 步驟一、建立中庭及其周邊空間的基準(zhǔn)物理模型
[0009] 總結(jié)歸納對嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑中庭的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，在Airpak軟件中建立中 庭及其周邊空間的物理模型，以該物理模型為基準(zhǔn)，在每個(gè)對比試驗(yàn)組中以單一元素為 變量進(jìn)行模擬；所述的中庭及其周邊空間的基準(zhǔn)物理模型設(shè)定條件為：建筑的平面尺寸 以80X80m為基準(zhǔn)，中庭尺寸為40X40m，模型為五層的建筑模型；參數(shù)變化以統(tǒng)一的模 數(shù)為基準(zhǔn)，中庭尺寸變化及層高變化分別以8000mm和4200mm為模數(shù)；入口尺寸的設(shè)定 為3000mmX 3000mm ;基準(zhǔn)物理模型中不設(shè)置頂部天窗及側(cè)窗；PMV值設(shè)置修正系數(shù)設(shè)置為 1. 93 ；
[0010] 步驟二、參照《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》設(shè)定邊界條件
[0011] 根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)冬季室內(nèi)采暖需求，假設(shè)模擬初始溫度為18°C，還原理想采暖模式， 忽略局部溫差、溫度分層問題；采暖環(huán)境中的室內(nèi)隔斷溫度設(shè)置為18°C;入口寒風(fēng)條件根據(jù) 數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)置為SSW，溫度與室外溫度相同為-24. 1°C，風(fēng)速為冬季室 外最多風(fēng)向的平均速度2. 5m/s ;另外，外界大氣壓值設(shè)為100413Pa，濕度為75% ;
[0012] 步驟三、選取模擬參變量進(jìn)行模擬分析
[0013] 在中庭形式方面選取中庭基本形式、中庭堅(jiān)向界面以及中庭與入口相對位置為模 擬參變量；在中庭體量方面選取中庭截面比例、截面面積及建筑外界面比例為模擬參變量 進(jìn)行針對室內(nèi)溫度變化、風(fēng)速分布及PMV值分布的模擬分析；
[0014] 步驟四、模擬數(shù)據(jù)分析，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)策略
[0015] 通過對不同的模擬參變量進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，得到嚴(yán)寒地區(qū)城市公共建筑中庭空間和 風(fēng)環(huán)境作用的變化規(guī)律及量化數(shù)據(jù)，并分析對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)5層模型的每一層不同判 定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)走勢變化得出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明系統(tǒng)分析了公共建筑中庭空間形式及室內(nèi)風(fēng)環(huán)境相 關(guān)原理，將嚴(yán)寒地區(qū)地域特色作為研究展開的前提，切實(shí)從氣候特點(diǎn)出發(fā)，探討主要制約因 素；綜合考慮多項(xiàng)數(shù)據(jù)來判定室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，避免將風(fēng)場作為單一標(biāo)準(zhǔn)所帶來的局限性；選 定模擬軟件并基于理論鋪墊選定各項(xiàng)設(shè)計(jì)條件與模擬參數(shù)；確立了整體研究的模擬框架。 本發(fā)明的方法為針對嚴(yán)寒地區(qū)城市氣候條件下中庭空間形式與中庭微環(huán)境間的作用規(guī)律 的探討提出了有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，得出了量化的分析和數(shù)據(jù)支持；充分考慮了中庭空間 與中庭連接空間之間的聯(lián)系；為嚴(yán)寒地區(qū)城市特殊氣候條件的相關(guān)研究提供了參考數(shù)據(jù)。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的說明。
[0018] 本發(fā)明的一種基于冬季風(fēng)環(huán)境模擬的嚴(yán)寒地區(qū)建筑中庭的優(yōu)化方法，包括下述步 驟：
[0019] 步驟一、建立中庭及其周邊空間的基準(zhǔn)物理模型
[0020] 總結(jié)歸納對嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑中庭的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，在Airpak軟件中建立中 庭及其周邊空間的物理模型，以該物理模型為基準(zhǔn)，在每個(gè)對比試驗(yàn)組中以單一元素為 變量進(jìn)行模擬；所述的中庭及其周邊空間的基準(zhǔn)物理模型設(shè)定條件為：建筑的平面尺寸 以80X80m為基準(zhǔn)，中庭尺寸為40X40m，模型為五層的建筑模型；參數(shù)變化以統(tǒng)一的模 數(shù)為基準(zhǔn)，中庭尺寸變化及層高變化分別以8000mm和4200mm為模數(shù)；入口尺寸的設(shè)定 為3000mmX 3000mm ;基準(zhǔn)物理模型中不設(shè)置頂部天窗及側(cè)窗；PMV值設(shè)置修正系數(shù)設(shè)置為 1. 93 ；
[0021] 步驟二、參照《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》設(shè)定邊界條件
[0022] 根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)冬季室內(nèi)采暖需求，假設(shè)模擬初始溫度為18°C，還原理想采暖模式， 忽略局部溫差、溫度分層問題；采暖環(huán)境中的室內(nèi)隔斷溫度設(shè)置為18°C;入口寒風(fēng)條件根據(jù) 數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)置為SSW，溫度與室外溫度相同為-24. 1°C，風(fēng)速為冬季室 外最多風(fēng)向的平均速度2. 5m/s ;另外，外界大氣壓值設(shè)為100413Pa，濕度為75% ;
[0023] 步驟三、選取模擬參變量進(jìn)行模擬分析
[0024] 在中庭形式方面選取中庭基本形式、中庭堅(jiān)向界面以及中庭與入口相對位置為模 擬參變量；在中庭體量方面選取中庭截面比例、截面面積及建筑外界面比例為模擬參變量 進(jìn)行針對室內(nèi)溫度變化、風(fēng)速分布及PMV值分布的模擬分析；
[0025] 步驟四、模擬數(shù)據(jù)分析
[0026] 通過對不同的模擬參變量進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，得到嚴(yán)寒地區(qū)城市公共建筑中庭空間和 風(fēng)環(huán)境作用的變化規(guī)律及量化數(shù)據(jù)，并分析對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)5層模型的每一層不同判 定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)走勢變化得出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。
[0027] 采用本發(fā)明的一種基于冬季風(fēng)環(huán)境模擬的嚴(yán)寒地區(qū)建筑中庭的優(yōu)化方法對基于 冬季風(fēng)環(huán)境模擬的嚴(yán)寒地區(qū)建筑中庭進(jìn)行優(yōu)化分析，得出如下結(jié)論：
[0028] 在中庭形式方面：
[0029] (1)核心式中庭受來自入口的寒風(fēng)影響主要集中于一層平面，由于入口處對氣流 的壓迫，使得寒風(fēng)影響范圍擴(kuò)大，至使低溫區(qū)域增加。從二層平面開始，室內(nèi)溫度及PMV值 均大幅度提高。針對核心式中庭可采用室內(nèi)空間隔斷的形式緩沖風(fēng)速，減小其影響范圍，隔 斷設(shè)置位置根據(jù)主導(dǎo)風(fēng)向有針對性的局部加強(qiáng)。
[0030] (2)嵌入式中庭整體受寒風(fēng)影響最大。由于入口直接與開闊的中庭空間相連，冷空 氣向上擴(kuò)散的趨勢明顯。因此寒風(fēng)對舒適度影響存在于每一層平面當(dāng)中。各項(xiàng)指標(biāo)隨樓層 呈現(xiàn)趨近于一次函數(shù)的變化趨勢，同時(shí)對于中庭空間周邊區(qū)域的影響也明顯強(qiáng)于核心式及 內(nèi)廊式中庭。也正是由于這種入口直接與中庭相連的形式使得一層空間的舒適度明顯高于 另外兩種中庭形式。在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分發(fā)揮嵌入式中庭的氣候緩沖作用，合理利用首層較高 的舒適度。
[0031] (3)內(nèi)廊式中庭由于前后貫通無阻擋的特殊形式，加強(qiáng)了寒風(fēng)的橫向穿行速度，弱 化了其上升趨勢，使得模擬結(jié)果與核心式中庭有一定的相似性。寒風(fēng)對底層影響最大，在二 層即產(chǎn)生了明顯的好轉(zhuǎn)，之后緩慢上升。在設(shè)計(jì)中內(nèi)廊式中庭可采用局部阻隔、折線引導(dǎo)的 設(shè)計(jì)手法。
[0032] 在中庭堅(jiān)向界面方面：PMV值變化中，"H"型更加舒適；同時(shí)該中庭形式在風(fēng)速上 也更加不易受到冬季寒風(fēng)影響。"H"型及"A"型中庭在溫度及風(fēng)速上都表現(xiàn)出了各自的缺 陷。
[0033] 在中庭與入口相對位置方面：
[0034] (1)隨著距離的增加，室內(nèi)環(huán)境并沒有呈現(xiàn)明顯的遞進(jìn)式變化。中庭與入口直接接 觸時(shí)，室內(nèi)環(huán)境隨樓層按比例循序變佳。當(dāng)中庭與入口間接相連時(shí)，室內(nèi)寒風(fēng)走勢均受到一 層頂棚壓迫作用，室內(nèi)環(huán)境隨距離變化呈現(xiàn)統(tǒng)一趨勢，遞進(jìn)關(guān)系不明顯。
[0035] (2)中庭與入口間接接觸時(shí)，室內(nèi)環(huán)境特點(diǎn)相近。隨距離的增加，一層及頂層平面 溫度趨同，其余樓層室內(nèi)環(huán)境隨距離遞增。
[0036] (3)雖然中庭與入口距離增大，室內(nèi)環(huán)境波動仍然是由中庭空間引起的。從四種工 況下各層平面的三項(xiàng)指標(biāo)分布彩圖中均可以看出，不舒適區(qū)域主要是圍繞中庭分布的。
[0037] (4)除距離為0m的工況外，其余三種工況下的不舒適區(qū)域出現(xiàn)位置規(guī)律并不明 顯。一樓不舒適區(qū)域受冷風(fēng)風(fēng)向影響位置相對明確。但中庭與入口間接接觸時(shí)，其余樓層 非主導(dǎo)風(fēng)向區(qū)域也出現(xiàn)了較大面積的不舒適區(qū)域。
[0038] 在中庭截面面積方面：
[0039] (1)隨著中庭面積的增加，室內(nèi)環(huán)境變化并沒有逐層按照一定的規(guī)律遞進(jìn)變化。當(dāng) 面積較小時(shí)，由于中庭無法提供足夠的空間緩沖外界進(jìn)入的冷空氣，導(dǎo)致首層溫度低于面 積較大的中庭。隨著面積的增加，首層舒適度逐漸升高，其余樓層舒適度逐漸降低。變化幅 度平緩，與面積變化無絕對比例關(guān)系。
[0040] (2)中庭面積增加，三四層舒適度降低。面積較大的中庭冷空氣上升趨勢明顯，對 于上部樓層產(chǎn)生的影響相對較大。
[0041] ⑶中庭剖面溫度分層情況隨中庭面積減小而增強(qiáng)，但橫向影響隨之減弱。由于中 庭對冷空氣的緩沖作用，進(jìn)入較小中庭的冷空氣在首層向橫向及縱向擴(kuò)散，但上層空間橫 向運(yùn)動減弱。
[0042] (4)不同面積作用下，一至二層不舒適區(qū)域與風(fēng)向密切相關(guān)，其后該區(qū)域圍繞中庭 不規(guī)則展開。
[0043] 在中庭截面長寬比方面：
[0044] (1)比例為1 : 1的中庭形式受寒風(fēng)影響最大。從二層以上各平面的舒適度來看， 中庭比例為1:1的模擬條件下各值處于相對較低的水平。
[0045] (2)主要變化集中于二層平面。比例變化對冷風(fēng)作用下室內(nèi)舒適度的影響主要集 中于二層平面中，隨著中庭與外界面接觸長度變小，二層與一層之間舒適度差異增大，與三 層平面舒適度差異減小，三層以上空間仍呈現(xiàn)較均勻的遞增趨勢?？傮w來說，中庭與建筑外 界面接觸面越大，二層平面舒適度越低，其他平面變化不顯著。
[0046] (3)中庭形式引導(dǎo)氣流走勢。跟隨中庭形式的變化，冷空氣造成的室內(nèi)氣流波動主 要集中于中庭部分。中庭走勢帶動氣流對室內(nèi)特定區(qū)域產(chǎn)生舒適度的影響。
[0047] 在建筑外界面比例方面：
[0048] (1)對稱式發(fā)展。綜合分析不同中庭比例影響下的室內(nèi)各層平均溫度、PMV值及平 均風(fēng)速變化，可以看出室內(nèi)舒適度呈現(xiàn)近似"對稱式"的發(fā)展趨勢。即以比例1 : 1為基準(zhǔn) 判斷，將比例增大或縮小相同額度，相對應(yīng)的室內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)平均值相近。
[0049] (2)隨主立面長度減小，最不利區(qū)域舒適度呈現(xiàn)降低趨勢。從室內(nèi)最不舒適區(qū)域來 判斷，隨著主立面長度的減小，即當(dāng)模型比例從2 : 1向1 : 2轉(zhuǎn)化時(shí)，最不利區(qū)域舒適度 降低。在該變化條件下各層最大風(fēng)速增加，最低溫度減小。不舒適區(qū)域內(nèi)風(fēng)速均大于0. 3m/ So
[0050] (3)底層平面和頂層平面舒適度、平均風(fēng)速呈現(xiàn)相反變化趨勢。通過對PMV值的綜 合判斷可以看出：室內(nèi)舒適度隨比例變化，出現(xiàn)了首層平面舒適度遞增，頂層舒適度遞減的 變化趨勢。
[0051] (4)比例變化加劇時(shí)，頂層不舒適風(fēng)速區(qū)增大。當(dāng)比例為2 : 1及1 : 2時(shí)，頂層 風(fēng)速出現(xiàn)高于四層平面風(fēng)速的情況，而最大風(fēng)速折線圖所示最大風(fēng)速并無此現(xiàn)象。由此可 以看出，當(dāng)比例變化加劇時(shí)，頂層不舒適風(fēng)速區(qū)增大。
[0052] (5)二層舒適度波動顯著。通過對二層平面的舒適度解析中可以看出，隨著建筑外 界面長寬比的變化，PMV值先上升后下降，數(shù)據(jù)顯示無統(tǒng)一變化趨向。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于冬季風(fēng)環(huán)境模擬的嚴(yán)寒地區(qū)建筑中庭的優(yōu)化方法，其特征在于，包括下述 步驟： 步驟一、建立中庭及其周邊空間的基準(zhǔn)物理模型 總結(jié)歸納對嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑中庭的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，在Airpak軟件中建立中庭及 其周邊空間的物理模型，以該物理模型為基準(zhǔn)，在每個(gè)對比試驗(yàn)組中以單一元素為變量 進(jìn)行模擬；所述的中庭及其周邊空間的基準(zhǔn)物理模型設(shè)定條件為：建筑的平面尺寸以 80X80m為基準(zhǔn)，中庭尺寸為40X40m，模型為五層的建筑模型；參數(shù)變化以統(tǒng)一的模數(shù) 為基準(zhǔn)，中庭尺寸變化及層高變化分別以8000mm和4200mm為模數(shù)；入口尺寸的設(shè)定為 3000mmX3000mm ;基準(zhǔn)物理模型中不設(shè)置頂部天窗及側(cè)窗；PMV值設(shè)置修正系數(shù)設(shè)置為 1. 93 ； 步驟二、參照《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》設(shè)定邊界條件 根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)冬季室內(nèi)采暖需求，假設(shè)模擬初始溫度為18°C，還原理想采暖模式，忽略 局部溫差、溫度分層問題；采暖環(huán)境中的室內(nèi)隔斷溫度設(shè)置為18°C;入口寒風(fēng)條件根據(jù)數(shù)據(jù) 集統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)置為SSW，溫度與室外溫度相同為-24. 1°C，風(fēng)速為冬季室外最 多風(fēng)向的平均速度2. 5m/s ;另外，外界大氣壓值設(shè)為100413Pa，濕度為75% ; 步驟三、選取模擬參變量進(jìn)行模擬分析 在中庭形式方面選取中庭基本形式、中庭堅(jiān)向界面以及中庭與入口相對位置為模擬參 變量；在中庭體量方面選取中庭截面比例、截面面積及建筑外界面比例為模擬參變量進(jìn)行 針對室內(nèi)溫度變化、風(fēng)速分布及PMV值分布的模擬分析； 步驟四、模擬數(shù)據(jù)分析 通過對不同的模擬參變量進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，得到嚴(yán)寒地區(qū)城市公共建筑中庭空間和風(fēng)環(huán) 境作用的變化規(guī)律及量化數(shù)據(jù)，并分析對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)5層模型的每一層不同判定標(biāo) 準(zhǔn)的數(shù)據(jù)走勢變化得出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。
【文檔編號】G06F17/50GK104143016SQ201410309475
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】孫澄, 王燕語, 梅洪元, 夏楠, 甄蒙 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)