被动式设计策略的适用性研究_夏伟

被动式设计策略的适用ห้องสมุดไป่ตู้研究
ＡＰＰＬＩＣＡＢＩＬＩＴＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＯＮ ＰＡＳＳＩＶＥ ＤＥＳＩＧＮ ＳＴＲＡＴＥＧＩＥＳ
夏伟
Xia We i
摘要 ／ 利用气候分析软件 Ｅｃｏｔｅｃｔ 分析、统计了全国２００ 个城市的气候分析结果，利用相关统计软件进行了验证分析。在此基础上利用地理信息系统ＧＩＳ （ＡＲＣＧＩＳ９．２）软件的插 值功能，在 Ｋｒｉｇｉｎｇ 插值的基础上形成了被动式设计的潜力、被动式策略的综合贡献、被动式太阳能利用、直接蒸发冷却、建筑蓄热性能＋夜间通风、自然通风的适用性分区图。 关键词／ 被动式设计策略 适用性分区 Ｅｃｏｔｅｃｔ分析软件
被动式设计（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｄｅｓｉｇｎ）是指在建筑方案设计过程中， 根 据建设地所在区域的气候特征，遵循建筑环境控制技术基本原理， 综合建筑功能、形态等需要，合理组织和处理各建筑元素，使建筑 物具有较强的气候适应和气候调节能力［１－２］。本文意在为建筑师提 供一种比较直观、 相对精确的图形化被动式设计导则，能帮助建筑 师快速直观的判断在全国范围内，何种被动式的策略适用于何区 域，以及这些策略在不同的区域的有效性如何［３］。 １ 样本城市的分析 本文以北京为例，利用 Ｅ Ｃ Ｏ Ｔ Ｅ Ｃ Ｔ 附带的气候分析工具 Ｗ Ｅ Ａ Ｔ Ｏ Ｏ Ｌ 进行分析 ，对有相关气候数据 的城市进行 ６ 项策略 的适用程度分析。在 Ｗ Ｅ Ａ Ｔ Ｏ Ｏ Ｌ 中输入北京的气候数据，利用焓 湿图及被动式策略分析工具进行分析，图 １ 显示，多项被动式设计 策略对舒适度的贡献程度在春秋两季较高，年综合有效时间为 ３７。 各项单项措施均在春秋积极能起到较强的作用，其中， 年度围护结 构的热惰性效应有效时间为 ２０，年度围护结构的热惰性加夜间通 风的有效时间为 ２１，年度被动式太阳能采暖 ／ 供热有效时间为 １８， 年度自然通风有效时间为２０， 年度直接蒸发冷却有效时间为１２， 年
ABSTRACT/ This article focus on the Applicability of Passive Design Strategy. By using Ecotect, it analysis the climatic data of 200 cities in China, inputs the data in GIS (ARCGIS9.2) and by using function interpolation (Kriging), outputs the classific maps below: Potential of passive strategies, Capacity of Combined passive strategies, Capacity of Passive Solar Heating, Capacity of Direct evaporative cooling, Capacity of Thermal mass effects with night purge ventilation, Capacity of Natural Ventilation. KEY WORDS/ Passive Design Strategy, Applicability Classification, Ecotect soft
11
代表的线状区域则形成一带相对较低的谷底区域。北方地区中，以 河南安阳为中心的区域则形成了同样类似的效果。相反，东北的鞍 山、锦州、大连则形成局部的高峰区域。西部地区的自然通风对舒 适度的贡献程度相对比较小，最低值域出现在玉树、格尔木以及西 藏局部（青藏高原），而在新疆的伊犁、喀什、和田区域，自然通风 的贡献度则回升至较高的 ２０ 以上（图 ８）。 ３．５ 直接蒸发冷却 直接蒸发冷却适用于气候较为干燥的区域， 直接蒸发冷却的有 效性在全国的分布是从西北到东南呈较为匀质的变化的。 最高值在 新疆西部的干燥地区， 而在华南， 华东等地区的有效性较低（图９）。 ３．６ 建筑的蓄热性能＋夜间通风 蓄热性能配合夜间的适用分区呈现南北东西互相对称的 ４ 个集 中区域。 其中， 南北两个峰值区域分别出现在宁夏银川、 甘肃平凉、 天水、陕西延安地区、云南保山、思茅、西双版纳、昆明地区。西 部低谷出现在玉树、格尔木地区。东部包括夏热动冷、夏热冬暖地 区在内的大片地区都处相对较低范围内， 最低值出现在海南（图１０）。 ４ 结语 本文统计的 ２００ 个城市的被动式策略带来的舒适度改善，是以 年综合为基准，这个值常接近于平均值（通常为最高值的一半），事 实上，在不同气候区，有些策略在某些季节对舒适度的贡献程度很 高，但是在另一个季节就很低，在全年的考量中，整体就较低。因 此在利用分区图判断适用性的时候，需考虑以上因素进行权衡。■
样本点 严寒地区 寒冷地区 夏热冬冷地区 夏热冬暖地区 暖和地区
１ 北京气候分析结果
作者单位：清华大学建筑学院（北京，１０００８４） 收稿时间：２００８－０９－１９
２ 样本城市分布和气候区关系
9
建筑学报
学术论文专刊 ACDEMIC
ARTICAL ISSUE
９ 直接蒸发冷却有效性分布
１０ 围护结构的热惰性＋夜间通风有效性分布
注释 １） Ｅｃｏｔｅｃｔ以舒适百分比（ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）来衡量被动式设计策略对舒 适度的提高， 以采用被动式策略后温湿度在舒适区域的时间段百分比来表示， 最 高值 １００％，最低值 ０。 ２） 气候数据下载自美国能源部网站： ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｅｒｅ．ｅｎｅｒｇｙ．ｇｏｖ／ｂｕｉｌｄ－ ｉｎｇｓ／ｅｎｅｒｇｙｐｌｕｓ／ｃｆｍ／ｗｅａｔｈｅｒ＿ｄａｔａ３．ｃｆｍ／ｒｅｇｉｏｎ＝２＿ａｓｉａ＿ｗｍｏ＿ｒｅｇｉｏｎ＿２／ ｃｏｕｎｔｒｙ＝ＣＨＮ／ｃｎａｍｅ＝Ｃｈｉｎａ 提供数据的城市包括：北京、蚌埠、百色、本溪、 保定、宝鸡、长沙、常德、长春、成都、承德、成山头、赤峰、重庆沙坪坝、大 连、丹东、定海、大同、东台、敦煌、福州、赣榆、赣州、桂林、广州、贵阳、 海口、海拉尔、哈密、杭州、汉中、合肥、哈尔滨、香港、霍山、济南、景德镇、 锦州、酒泉、鸡西、老河口、喀什、昆明、兰州、丽江、民勤、牡丹江、南昌、 南充、南京、南宁、南平、嫩江、平凉、青岛、齐齐哈尔、衢县、上海、汕头、 汕尾、韶关、沈阳、深圳、石家庄、思茅、四平、太原、唐山、滕冲、天津、天 水、通辽、图里河、坨坨河、乌鲁木齐、潍坊、温州、武都、武汉、梧州、厦门、 西安、西昌、锡林郭勒、西宁、信阳、徐州、兖州、宜宾、宜昌、伊春、营口、 永安、榆林、榆树、张家口、湛江、郑州、芷江、驻马店、遵义等城市共 ２００ 个。 ３）关于插值的方法， 作者试验了本文采取的方法为普通克立格（Ｋｒｉｇｉｎｇ）插值法、 反距离加权平均（ＩＤＷ）插值法、 样条插值法（Ｓｐｌｉｎｅ）、 自然邻接点插值法（Ｎａｔｕｒａｌ Ｎｅｉｇｈｂｏｕｒ）进行了比较， 其中主要是在普通克立格（Ｋｒｉｇｉｎｇ）插值法、 反距离加 权平均（ＩＤＷ）插值法、自然邻接点插值法（Ｎａｔｕｒａｌ Ｎｅｉｇｈｂｏｕｒ）这三种方法进行 计算， 趋势面插值法（Ｔｒｅｎｄ）用来判断整体的走势， 样条插值法（Ｓｐｌｉｎｅ）用来校验。 通过 ７ 个主题的插值计算，比较发现在数据点比较密集的东部区域， 各插值的方 法显示结果差异并不大， 能够描述的趋势也比较接近， 在数据点相对较少的西部 地区，则有差距。本文综合考虑后采用的是普通克立格（Ｋｒｉｇｉｎｇ）插值法。 参考文献 ［１］ 刘加平， 杨柳． 室内热环境设计［Ｍ］， 北京： 机械工业出版社， ２００５． ［２］ 杨柳． 建筑气候分析与设计策略研究［Ｄ］． 西安建筑科技大学， ２００３． ［３］ 夏伟． 基于被动式设计策略的气候分区研究［Ｄ］． 清华大学， ２００９． ［４］ 邬伦． 地理信息系统——原理、 方法和应用［Ｍ］． 北京： 科学出版社， ２００１． ［５］ 党安荣． ＡｒｃＧＩＳ ８ Ｄｅｓｋｔｏｐ地理信息系统应用指南［Ｍ］． 北京： 清华大学出 版社， ２００３． ［６］ 郭志华， 等． 基于ＧＩＳ的空间插值方法研究［Ｊ］． 江西师范大学学报（自然科 学版）， ２００４（３）： １８３．
建筑学报
10
２ 验证分析 本文用 ＳＰＳＳ 对上述 ２００ 个城市的气候分析结果数据进行了分 析，得图 ３。为方便理解，下文中用措施 １ 指“建筑的蓄热性能” ， 措施 ２ 指“建筑的蓄热性 ＋ 夜间通风” ，措施 ３ 指“被动式太阳能 采暖 ／ 供热” ，措施 ４ 指“自然通风” ，措施 ５ 指“直接蒸发冷却” ， 措施 ６ 指“间接蒸发冷却” 。从图 ３ 可以看出，从气候分区的角度 看，气候区Ⅰ中最有效的被动式设计手段是建筑蓄热性能 ＋ 夜间通 风（其余排序为措施 １＞６＞３＞４＞５），气候区Ⅱ中最有效的被动式设 计手段是措施 ２ 建筑蓄热性能 ＋ 夜间通风（ 其余排序为 １＞４＞６＞３＞ ５），气候区 ＩＩＩ 中是措施 ４ 自然通风（其余排序为 ２＞１＞６＞３＞５），气 候区 ＩＶ 中也是措施 ４ 自然通风（其余排序同样为 ２＞１＞６＞３＞５），但 和气候区 ＩＩＩ 不一样的是，本区中自然通风的有效性远高于其他措 施，表明该区域自然通风的适用性很强。气候区 Ｖ 中最有效的被动 式设计手段是措施 ２ 建筑蓄热性能 ＋ 夜间通风（ 其余排序为 ２ ＞ １ ＞ ６＞３＞５），气候区 ＶＩ 中是措施 ３ 被动式太阳能采暖 ／ 供热（其余排序 为 ２＞１＞５＞６＞４），气候区 ＶＩＩ 中最有效的被动式设计手段是措施 ２ 建筑蓄热性能 ＋ 夜间通风（ 其余排序为 １ ＞ ６ ＞ ５ ＞ ４ ＞ ３ ）。可以看出， 在不同的气候区，各种措施的有效性均不同（图 ３）。 即使各被动式的策略组合起来对舒适度的贡献程度一致的话， 在不同的气候区，这些单项策略之间也会表现出明显的差异（图 ４， Ａ 、Ｂ 、Ｃ 、Ｄ 指所属二级气候区） 。 ３ 形成结果 本文在地理信息系统 ＧＩＳ（ＡＲＣＧＩＳ９．２）中录入上文分析统计所 得的数据［４－６］ ，通过 ＫＲＩＧＩＮＧ 插值 ３） 计算形成结果如下： ３．１ 被动式设计的潜力 文中的潜力是指采用被动式综合策略之后， 相比原来气候条件 舒适时间段的提升。从分析结果来说， 被动式设计的有效性在全国 的总体分布趋势：南北高、 中间低。 最大值区域出现在云南、 内蒙、 新疆、东北地区。峰值出现在敦煌、三亚、西昌、澜沧。分布规律 可以概括为：北方从东北到内蒙西北一线整体比较高， 云南地区比 较高， 两个较为明显的谷底分别出现在青海、 以及夏热冬冷地区的 安徽、湖北等地。最低值区域在福建、广东、以及湖南一部（图 ５）。 ３．２ 综合措施的贡献程度 各个措施组合后的综合有效性分布整体情况与被动式设计的潜 力情况分布是一致的。最高值出现在银川、 哈密、 玉溪地区。 内蒙、 山西、河北、陕西、甘肃、新疆、贵州、四川部分地区的综合贡献 程度属于较高层次。以格尔木、常德、长沙、武汉为代表的这类地 区较低。最低值出现在青海的玛多，西藏的帕里（图 ６）。 ３．３ 被动式太阳能的利用 被动式太阳能利用的有效程度可以概括为：南北高、中间低， 东部低、西部高。从西北的新疆、甘肃、内蒙一直到陕西、山西、 河北均有高值出现，南部集中在两个区域，一是以拉萨为中心的高 原地带，二是云南大部。在东部，由南向北被动式太阳能利用效率 逐步降低，等值线和纬度平行（图 ７）。 ３．４ 自然通风 自然通风设计分区在东部地区呈现和纬度基本一致的局面， 福 建、广东、广西、云南属于自然通风贡献最大的区域，最高值出现 在海南三亚、云南澜沧、香港等地。以武汉、恩施、长沙、南京为
１） ２）
度间接蒸发冷却有效时间为 １７。 年度多项综合措施有效时间为 ３７， 未采取措施之前为 ８，因此可以推算年度被动式设计对舒适度的提 高度即被动式设计的潜力为 ３７－８＝２７。属于我国气候区Ⅱ的二级气 候区 Ａ。本文以此方法分析记录得到数据的全国范围内其余 １９９ 个 城市，样本城市分布和所属气候区的关系（图 ２）。 根据我国气候区划标准《建筑气候区划标准》 （ＧＢ５０１７８－９３）， 气候区Ⅰ主要是东北严寒地区，包括内蒙东部、黑龙江、吉林、辽 宁等部分。 气候区Ⅱ主要是华北寒冷地区， 包括北京、 天津、 山东、 陕西、山西等部。气候区 ＩＩＩ 主要是华中的夏热冬冷区，包括四川 一部，湖南、江西、湖北、江苏、浙江等部分。气候区 ＩＶ 是华南 的夏热冬暖区，主要包括两广、福建、台湾等部。气候区 Ｖ 为云贵 高原上的温和气候区，包括云南、贵州以及藏南部分地区。气候区 ＶＩ 中间可以分为两个部分，ＶＩ Ａ 区、ＶＩ Ｂ 区，为青藏高原上的 高海拔严寒气候区，ＶＩ Ｃ 区为高海拔寒冷气候区，这一区域主要 是因为高海拔而导的常年寒冷， 而太阳辐射资源却十分丰富。气候 区 ＶＩＩ 主要是西北干寒区，ＶＩＩ Ａ、ＶＩＩ Ｂ、ＶＩＩ Ｃ、为严寒地区， ＶＩＩ Ｄ 为寒冷区，这一气候区深处内陆，大陆性气候明显。气候特 点年较差大，日较差也大，太阳辐射资源丰富。