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《华中科技大学》 2010年 博士论文
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夏热冬冷地区基于节能的气候适应性街区城市设计方法论研究

黄媛  
【摘要】: 城市高速发展缺乏对环境的考虑,它使城市微气候(太阳辐射、风、空气温度等)不断恶化,进一步导致城市建筑能耗的增加,尤其是空调制冷能耗。1970年代的石油危机向全世界能源供应问题提出一个重要警告,而近乎一半的世界能源被用于控制室内环境——建筑能耗。 在我们的研究中,力图寻找合适的城市设计策略,通过城市形态设计减少建筑能耗。然而城市设计和城市气候学的合作无论在理论还是实践方面都令人失望。在街区尺度,考虑微气候条件的城市形态学以及城市设计理论还没有被进行系统化地整理,尤其是在夏热冬冷地区。 因此我们以夏热冬冷地区为研究对象,研究前提是:这里存在有效的城市设计策略,可以通过设计和管理城市形态,改善一些微气候条件的要素(主要针对太阳辐射和风),达到同时减少建筑能耗的目的。 首先,文献综述对三个部分进行了系统地整理,基于城市形态的城市气候学研究,基于城市气候学的城市形态研究,以及基于气候适应性的城市设计研究。尤其是基于城市气候学的城市形态研究是文献综述部分的一个亮点。它推进了课题有关城市形态学基础理论和研究方法的形成,同时指引我们寻找更好地城市设计和城市气候学的合作模式。 在研究方法上,主要选用了法国CERMA实验室研发的SOLENE和东京大学生产技术研究所所研发的Coupled simulation of convection, radiation and conduction两个数值模型。为了更好地了解模型性能,我们进行了实测验证和模拟分析的比较研究。选用的不同模型有不同的功能定位:采用SOLENE作为城市形态指标的诊断工具,coupled simulation of convection, radiation and conduction中的辐射计算模型作为建筑太阳能效和建筑采暖、制冷负荷的计算工具。同时为了了解城市形态对风环境的影响,进而导致的对建筑采暖制冷负荷的改变,我们采用通用流体解析软件star CD进行风环境的模拟,为部分案例的辐射换热计算提供各个表面的对流换热系数的有关条件。在城市街区尺度,通过数值模型的合作与计算方法的简化,整合出一套从城市形态的前期诊断到建筑能耗计算的完整分析方法。 基于城市形态学,在研究案例的构建上我们主要针对夏热冬冷地区为研究对象,采用了两种城市形态学的有关方法:城市形态类型学和城市形态指标。我们分别研究了城市形态中的不同要素对于建筑的太阳能效和建筑的采暖和制冷负荷的综合影响。这些城市形态要素主要分成三个部分:1.网格状城市形态的基本类型(条式、塔式、庭院式),2.网格状城市形态的基本指标(容积率、主要方向、方向性街道宽度比),3.城市形态的布局(城市形态的水平布局-横向错动式和纵向错动式,城市形态的垂直布置-南高北低式和南低北高式,以及有关指标-南北建筑高差/南北建筑间距)。最后利用横向错动式的有关案例再次研究了城市形态对风环境的影响,进而导致的变化的对流换热系数对建筑采暖制冷负荷的影响。 在结果分析方面,从纵向上分析,我们研究了街区城市形态类型、基本形态指标和衍生形态指标的变化对建筑的太阳能效和能耗结果的影响,并研究其影响的规律性;从横向上分析,我们分别研究了各组案例冬季和夏季的太阳能效结果和能耗结果在夏热冬冷地区的差异性和关联性。通过结果分析,我们了解了街区城市形态的基本类型、基本指标以及布局方式在夏热冬冷地区是如何影响建筑采暖和制冷负荷的,并分析建筑的采暖和制冷负荷对各项形态指标变化的敏感性。 除了分析研究结果对城市设计的创新性,我们也指出了这些研究结果的局限性。仅管结果所显示的各项趋势令人关注,但是这些结果是在案例所设置的相关条件下展开的。这些规律在一定条件下可以转化成设计策略,但是这些规律是具有相对性的。为了实现大量案例计算和研究结果的规律寻找,仿真方法也被简化,采用了非耦合计算方法,着重研究太阳辐射和风对建筑采暖制冷负荷的直接影响。 研究方法和研究结果同样值得被关注,即城市形态类型学和城市形态指标的有关方法。尤其是设计一些有针对性的,基于气候学研究的形态-气候指标将是仿真工作开始之前有效的诊断方法。在正式启动完整的仿真计算工作之前,这些基于城市形态类型学和城市形态指标的方法可以用于夏热冬冷地区初步的环境评估,以帮助城市设计师们更好地了解街区城市形态的气候性能(例如太阳能效),同时为他们的气候适应性设计策略提供了方向性的指引和参考。


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