一种基于冬季风环境模拟的严寒地区建筑中庭的优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于冬季风环境模拟的严寒地区建筑中庭的优化方法，具体包括下述步骤：步骤一、建立中庭及其周边空间的基准物理模型；步骤二、参照《中国建筑热环境分析专用气象数据集》设定边界条件；步骤三、选取模拟参变量进行模拟分析；步骤四、模拟数据分析，得出优化设计策略。本发明的优点在于：本发明将严寒地区地域特色作为研究展开的前提，避免将风场作为单一标准所带来的局限性；选定模拟软件并基于理论铺垫选定各项设计条件与模拟参数；确立了整体研究的模拟框架；为针对严寒地区城市气候条件下中庭空间形式与中庭微环境间的作用规律的探讨提出了有效的优化设计方法，为严寒地区城市特殊气候条件的相关研究提供了参考数据。
【专利说明】-种基于冬季风环境模拟的严寒地区建筑中庭的优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于严寒地区建筑设计【技术领域】，具体是涉及一种基于冬季风环境模拟的 严寒地区建筑中庭的优化方法。
【背景技术】
[0002] 中庭空间需要满足夏季通风和冬季保温以确保使用者的舒适性，这一特色因特殊 的地域条件成为制约室内环境和能耗的主导因素。对于夏热冬冷地区而言，夏季极端的气 候条件使得如何利用中庭空间改善夏季及过渡性季节室内环境，促进通风循环成为了研究 的重点，目前已有针对这一问题的相关研究。对于严寒地区而言，中庭空间在冬季的气候 适应性需求超越其它需求成为室内物理环境的首要问题。严寒地区特有的气温分布特点、 冬季主导风向和地域性的建筑形式，都不可避免地影响公共建筑中庭空间的通风及保温性 能。因而寒地城市条件下简单依靠增加供热量以维持中庭空间正常室温的做法并不可取。 然而现有研究对严寒地区气候条件下中庭空间形式与中庭微环境间的作用规律的探讨还 停留在理论阶段，缺乏量化分析和数据支持，难以为设计提供令人信服的参考。
[0003] 在建筑中引入中庭空间，在满足交通集散需求的同时也改善了室内流线关系，活 跃了室内空间。在实际使用中，中庭空间所带来的功能优势主要体现在底层开放空间及周 边活动空间中。因此在研究中将中庭空间单独作为研究对象是不全面的。
[0004] 中庭空间抵御严寒气候的措施未经过深入研究，通常由建筑师经过主观判断应用 于实践，空间形式同室内环境的作用规律还并不明确。中庭空间在建筑平面中怎样布局才 能尽可能减小寒风的影响，中庭的比例关系、断面形式和它的通风、保温性能有着怎样的联 系，目前都还没有得到明确的相关数据的支持。
[0005] 在目前的研究成果中，主要存在着以下三个问题：在针对不同地域的研究成果主 要局限于夏热冬冷地区，寒地城市特殊气候条件的相关研究比较缺乏；在针对中庭空间的 研究中，大多将中庭空间作为单独的研究对象，忽略了其与中庭连接空间之间的联系；在现 有研究中缺乏建筑设计主导下的中庭环境模拟研究。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足，提出了一种基于冬季风 环境模拟的严寒地区建筑中庭的优化方法，构建严寒地区公共建筑中庭空间形式与风环境 的交互模型，利用软件模拟的手段对室内风环境进行了模拟，实现了实验过程的可视化及 对该类问题的定量研究。
[0007] 本发明的一种基于冬季风环境模拟的严寒地区建筑中庭的优化方法，其特征在 于，包括下述步骤：
[0008] 步骤一、建立中庭及其周边空间的基准物理模型
[0009] 总结归纳对严寒地区公共建筑中庭的常规设计方法，在Airpak软件中建立中 庭及其周边空间的物理模型，以该物理模型为基准，在每个对比试验组中以单一元素为 变量进行模拟；所述的中庭及其周边空间的基准物理模型设定条件为：建筑的平面尺寸 以80X80m为基准，中庭尺寸为40X40m，模型为五层的建筑模型；参数变化以统一的模 数为基准，中庭尺寸变化及层高变化分别以8000mm和4200mm为模数；入口尺寸的设定 为3000mmX 3000mm ;基准物理模型中不设置顶部天窗及侧窗；PMV值设置修正系数设置为 1. 93 ；
[0010] 步骤二、参照《中国建筑热环境分析专用气象数据集》设定边界条件
[0011] 根据严寒地区冬季室内采暖需求，假设模拟初始温度为18°C，还原理想采暖模式， 忽略局部温差、温度分层问题；采暖环境中的室内隔断温度设置为18°C;入口寒风条件根据 数据集统计结果，按主导风向设置为SSW，温度与室外温度相同为-24. 1°C，风速为冬季室 外最多风向的平均速度2. 5m/s ;另外，外界大气压值设为100413Pa，湿度为75% ;
[0012] 步骤三、选取模拟参变量进行模拟分析
[0013] 在中庭形式方面选取中庭基本形式、中庭坚向界面以及中庭与入口相对位置为模 拟参变量；在中庭体量方面选取中庭截面比例、截面面积及建筑外界面比例为模拟参变量 进行针对室内温度变化、风速分布及PMV值分布的模拟分析；
[0014] 步骤四、模拟数据分析，得出优化设计策略
[0015] 通过对不同的模拟参变量进行对比实验，得到严寒地区城市公共建筑中庭空间和 风环境作用的变化规律及量化数据，并分析对比实验数据，根据5层模型的每一层不同判 定标准的数据走势变化得出相应的优化设计策略。
[0016] 本发明的优点在于：本发明系统分析了公共建筑中庭空间形式及室内风环境相 关原理，将严寒地区地域特色作为研究展开的前提，切实从气候特点出发，探讨主要制约因 素；综合考虑多项数据来判定室内风环境，避免将风场作为单一标准所带来的局限性；选 定模拟软件并基于理论铺垫选定各项设计条件与模拟参数；确立了整体研究的模拟框架。 本发明的方法为针对严寒地区城市气候条件下中庭空间形式与中庭微环境间的作用规律 的探讨提出了有效的优化设计方法，得出了量化的分析和数据支持；充分考虑了中庭空间 与中庭连接空间之间的联系；为严寒地区城市特殊气候条件的相关研究提供了参考数据。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合【具体实施方式】对本发明进行更加详细的说明。
[0018] 本发明的一种基于冬季风环境模拟的严寒地区建筑中庭的优化方法，包括下述步 骤：
[0019] 步骤一、建立中庭及其周边空间的基准物理模型
[0020] 总结归纳对严寒地区公共建筑中庭的常规设计方法，在Airpak软件中建立中 庭及其周边空间的物理模型，以该物理模型为基准，在每个对比试验组中以单一元素为 变量进行模拟；所述的中庭及其周边空间的基准物理模型设定条件为：建筑的平面尺寸 以80X80m为基准，中庭尺寸为40X40m，模型为五层的建筑模型；参数变化以统一的模 数为基准，中庭尺寸变化及层高变化分别以8000mm和4200mm为模数；入口尺寸的设定 为3000mmX 3000mm ;基准物理模型中不设置顶部天窗及侧窗；PMV值设置修正系数设置为 1. 93 ；
[0021] 步骤二、参照《中国建筑热环境分析专用气象数据集》设定边界条件
[0022] 根据严寒地区冬季室内采暖需求，假设模拟初始温度为18°C，还原理想采暖模式， 忽略局部温差、温度分层问题；采暖环境中的室内隔断温度设置为18°C;入口寒风条件根据 数据集统计结果，按主导风向设置为SSW，温度与室外温度相同为-24. 1°C，风速为冬季室 外最多风向的平均速度2. 5m/s ;另外，外界大气压值设为100413Pa，湿度为75% ;
[0023] 步骤三、选取模拟参变量进行模拟分析
[0024] 在中庭形式方面选取中庭基本形式、中庭坚向界面以及中庭与入口相对位置为模 拟参变量；在中庭体量方面选取中庭截面比例、截面面积及建筑外界面比例为模拟参变量 进行针对室内温度变化、风速分布及PMV值分布的模拟分析；
[0025] 步骤四、模拟数据分析
[0026] 通过对不同的模拟参变量进行对比实验，得到严寒地区城市公共建筑中庭空间和 风环境作用的变化规律及量化数据，并分析对比实验数据，根据5层模型的每一层不同判 定标准的数据走势变化得出相应的优化设计策略。
[0027] 采用本发明的一种基于冬季风环境模拟的严寒地区建筑中庭的优化方法对基于 冬季风环境模拟的严寒地区建筑中庭进行优化分析，得出如下结论：
[0028] 在中庭形式方面：
[0029] (1)核心式中庭受来自入口的寒风影响主要集中于一层平面，由于入口处对气流 的压迫，使得寒风影响范围扩大，至使低温区域增加。从二层平面开始，室内温度及PMV值 均大幅度提高。针对核心式中庭可采用室内空间隔断的形式缓冲风速，减小其影响范围，隔 断设置位置根据主导风向有针对性的局部加强。
[0030] (2)嵌入式中庭整体受寒风影响最大。由于入口直接与开阔的中庭空间相连，冷空 气向上扩散的趋势明显。因此寒风对舒适度影响存在于每一层平面当中。各项指标随楼层 呈现趋近于一次函数的变化趋势，同时对于中庭空间周边区域的影响也明显强于核心式及 内廊式中庭。也正是由于这种入口直接与中庭相连的形式使得一层空间的舒适度明显高于 另外两种中庭形式。在设计中应充分发挥嵌入式中庭的气候缓冲作用，合理利用首层较高 的舒适度。
[0031] (3)内廊式中庭由于前后贯通无阻挡的特殊形式，加强了寒风的横向穿行速度，弱 化了其上升趋势，使得模拟结果与核心式中庭有一定的相似性。寒风对底层影响最大，在二 层即产生了明显的好转，之后缓慢上升。在设计中内廊式中庭可采用局部阻隔、折线引导的 设计手法。
[0032] 在中庭坚向界面方面：PMV值变化中，"H"型更加舒适；同时该中庭形式在风速上 也更加不易受到冬季寒风影响。"H"型及"A"型中庭在温度及风速上都表现出了各自的缺 陷。
[0033] 在中庭与入口相对位置方面：
[0034] (1)随着距离的增加，室内环境并没有呈现明显的递进式变化。中庭与入口直接接 触时，室内环境随楼层按比例循序变佳。当中庭与入口间接相连时，室内寒风走势均受到一 层顶棚压迫作用，室内环境随距离变化呈现统一趋势，递进关系不明显。
[0035] (2)中庭与入口间接接触时，室内环境特点相近。随距离的增加，一层及顶层平面 温度趋同，其余楼层室内环境随距离递增。
[0036] (3)虽然中庭与入口距离增大，室内环境波动仍然是由中庭空间引起的。从四种工 况下各层平面的三项指标分布彩图中均可以看出，不舒适区域主要是围绕中庭分布的。
[0037] (4)除距离为0m的工况外，其余三种工况下的不舒适区域出现位置规律并不明 显。一楼不舒适区域受冷风风向影响位置相对明确。但中庭与入口间接接触时，其余楼层 非主导风向区域也出现了较大面积的不舒适区域。
[0038] 在中庭截面面积方面：
[0039] (1)随着中庭面积的增加，室内环境变化并没有逐层按照一定的规律递进变化。当 面积较小时，由于中庭无法提供足够的空间缓冲外界进入的冷空气，导致首层温度低于面 积较大的中庭。随着面积的增加，首层舒适度逐渐升高，其余楼层舒适度逐渐降低。变化幅 度平缓，与面积变化无绝对比例关系。
[0040] (2)中庭面积增加，三四层舒适度降低。面积较大的中庭冷空气上升趋势明显，对 于上部楼层产生的影响相对较大。
[0041] ⑶中庭剖面温度分层情况随中庭面积减小而增强，但横向影响随之减弱。由于中 庭对冷空气的缓冲作用，进入较小中庭的冷空气在首层向横向及纵向扩散，但上层空间横 向运动减弱。
[0042] (4)不同面积作用下，一至二层不舒适区域与风向密切相关，其后该区域围绕中庭 不规则展开。
[0043] 在中庭截面长宽比方面：
[0044] (1)比例为1 : 1的中庭形式受寒风影响最大。从二层以上各平面的舒适度来看， 中庭比例为1:1的模拟条件下各值处于相对较低的水平。
[0045] (2)主要变化集中于二层平面。比例变化对冷风作用下室内舒适度的影响主要集 中于二层平面中，随着中庭与外界面接触长度变小，二层与一层之间舒适度差异增大，与三 层平面舒适度差异减小，三层以上空间仍呈现较均匀的递增趋势。总体来说，中庭与建筑外 界面接触面越大，二层平面舒适度越低，其他平面变化不显著。
[0046] (3)中庭形式引导气流走势。跟随中庭形式的变化，冷空气造成的室内气流波动主 要集中于中庭部分。中庭走势带动气流对室内特定区域产生舒适度的影响。
[0047] 在建筑外界面比例方面：
[0048] (1)对称式发展。综合分析不同中庭比例影响下的室内各层平均温度、PMV值及平 均风速变化，可以看出室内舒适度呈现近似"对称式"的发展趋势。即以比例1 : 1为基准 判断，将比例增大或缩小相同额度，相对应的室内各项指标平均值相近。
[0049] (2)随主立面长度减小，最不利区域舒适度呈现降低趋势。从室内最不舒适区域来 判断，随着主立面长度的减小，即当模型比例从2 : 1向1 : 2转化时，最不利区域舒适度 降低。在该变化条件下各层最大风速增加，最低温度减小。不舒适区域内风速均大于0. 3m/ So
[0050] (3)底层平面和顶层平面舒适度、平均风速呈现相反变化趋势。通过对PMV值的综 合判断可以看出：室内舒适度随比例变化，出现了首层平面舒适度递增，顶层舒适度递减的 变化趋势。
[0051] (4)比例变化加剧时，顶层不舒适风速区增大。当比例为2 : 1及1 : 2时，顶层 风速出现高于四层平面风速的情况，而最大风速折线图所示最大风速并无此现象。由此可 以看出，当比例变化加剧时，顶层不舒适风速区增大。
[0052] (5)二层舒适度波动显著。通过对二层平面的舒适度解析中可以看出，随着建筑外 界面长宽比的变化，PMV值先上升后下降，数据显示无统一变化趋向。
【权利要求】
1. 一种基于冬季风环境模拟的严寒地区建筑中庭的优化方法，其特征在于，包括下述 步骤： 步骤一、建立中庭及其周边空间的基准物理模型 总结归纳对严寒地区公共建筑中庭的常规设计方法，在Airpak软件中建立中庭及 其周边空间的物理模型，以该物理模型为基准，在每个对比试验组中以单一元素为变量 进行模拟；所述的中庭及其周边空间的基准物理模型设定条件为：建筑的平面尺寸以 80X80m为基准，中庭尺寸为40X40m，模型为五层的建筑模型；参数变化以统一的模数 为基准，中庭尺寸变化及层高变化分别以8000mm和4200mm为模数；入口尺寸的设定为 3000mmX3000mm ;基准物理模型中不设置顶部天窗及侧窗；PMV值设置修正系数设置为 1. 93 ； 步骤二、参照《中国建筑热环境分析专用气象数据集》设定边界条件 根据严寒地区冬季室内采暖需求，假设模拟初始温度为18°C，还原理想采暖模式，忽略 局部温差、温度分层问题；采暖环境中的室内隔断温度设置为18°C;入口寒风条件根据数据 集统计结果，按主导风向设置为SSW，温度与室外温度相同为-24. 1°C，风速为冬季室外最 多风向的平均速度2. 5m/s ;另外，外界大气压值设为100413Pa，湿度为75% ; 步骤三、选取模拟参变量进行模拟分析 在中庭形式方面选取中庭基本形式、中庭坚向界面以及中庭与入口相对位置为模拟参 变量；在中庭体量方面选取中庭截面比例、截面面积及建筑外界面比例为模拟参变量进行 针对室内温度变化、风速分布及PMV值分布的模拟分析； 步骤四、模拟数据分析 通过对不同的模拟参变量进行对比实验，得到严寒地区城市公共建筑中庭空间和风环 境作用的变化规律及量化数据，并分析对比实验数据，根据5层模型的每一层不同判定标 准的数据走势变化得出相应的优化设计策略。
【文档编号】G06F17/50GK104143016SQ201410309475
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】孙澄, 王燕语, 梅洪元, 夏楠, 甄蒙 申请人:哈尔滨工业大学