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湘北农村住宅自然通风设计研究

解明镜  
【摘要】: 随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高,住宅节能已成为可持续发展的重要组成部分。农村住宅由于其庞大的面积基数,未来的能耗增长不容小觑。农村经济不发达,农村住宅节能的工作重点应是尽量利用被动式技术,减少能源消耗和能源需求的增加。被动式技术的运用决定于良好的设计,而大部分农村住宅的设计粗糙,缺乏对被动式技术的科学理解和利用,是值得提升的重要环节。 文章首先从可持续建筑实现途径和障碍入手,认为最重要的一个障碍在于建筑技术研究成果难以为设计人员(主要是建筑师)所用。分析了中国可持续建筑发展的现状,提出中国可持续建筑发展重点在设备材料技术、设计和教育三方面,其中设计是实施的技术保障。认为需要采用设计师理解的方式促进技术成果的应用,并将此融入教育体系中,三者相辅相成不可分割。在此基础上,结合建筑符号学观点,提出在中国可持续建筑设计方法上需要将传统的“图形化思维”与可持续建筑技术的定量化方法融合,首次提出“定量化符号”的设计方法,分析了该方法在农村住宅设计中应用的可能性。 文章对湘北3个县共128栋农村住宅的能耗进行了普查,并以岳阳县张谷英村为重点,在传统民居和现代住宅中各选取1栋为样本对室内环境进行了详细测试。能耗普查的结果表明,湘北农村经济不发达,住宅能耗仅为城市住宅的2/3,电耗仅为城市住宅的2/5。通过室内环境分析可看出,传统民居综合利用遮阳、良好保温隔热的围护结构、选址等多种被动式技术获得相对较好的夏季室内热环境与风环境,而现代住宅较少采用被动式技术,冬夏热环境均较差。但遮阳设计造成传统民居室内采光远落后于现代农村住宅。因此,湘北农村住宅的研究应着重于无运行能耗、成本低廉的被动式技术。被动式技术的运用还需考虑不同季节的需求。在难以兼顾时,应首要考虑夏季需求,在可能的情况下兼顾冬季需求。自然通风是湘北农村住宅夏季降温主要被动式技术之一,具有很强的研究价值。 在明确了研究对象后,文章先从选址对住宅自然通风的影响入手,采用CFD方法模拟了住宅结合丘陵地形的选址模式、平原地形下住宅结合绿化的选址模式、联排住宅结合道路的选址模式下不同工况的自然通风效果,获得了最有利于自然通风的选址模式,以及相应的“定量化符号”。模拟结果表明:在丘陵地形下,不管丘陵高度是50m还是150m,当建筑和丘陵间距为12m时,建筑冬夏季自然通风最符合要求;在平原地形下,当绿化乔木在北侧与建筑相隔12m,绿化种植范围超过建筑东西侧边墙各4m时,冬夏季自然通风最符合要求;在联排住宅结合道路的选址模式中,当南北侧建筑间距为12m时,北侧建筑夏季自然通风效果最佳。此时,南侧建筑可以采用北向种植绿化或其他技术措施来遮蔽北风。 文章进一步从建筑平面设计的角度出发,对农村住宅平面设计中,内门设计、附属空间设计和天井设计三种情况下不同工况的自然通风效果进行了模拟,并获得利于夏季自然通风的最佳模式,以及相应的“定量化符号”。在内门设计方面,相对开门的模式能够有效的改善建筑北侧房间的自然通风。在附属空间设计方面,附属空间东西向布置、向内挤压的模式既能促进室内自然通风,又能节约土地。在天井设置上,当天井南北向距离为2m时,建筑室内各个房间在夏季均能获得较好的自然通风效果。 文章通过对住宅结合丘陵地形选址模式的风洞实验,测试了不同间距和不同来流角度共10中工况下建筑表面风压系数,并与模拟结果进行比较。结果表明,实验与模拟吻合程度较好,平均误差基本在15%以内,单个测点误差大部分在20%以内,极少数在20-25%之间。从工程实际应用与设计运用的角度出发,这样的模拟精度满足应用要求,模拟结果可以运用在湘北地区农村住宅自然通风设计中。 为了在设计中应用上文提出的最佳模式,文章在调研的基础上总结了湘北农村住宅的特点,提出了包括选址——周边环境——朝向——平面布置——细部调整等5个步骤在内的迭代设计流程,并采用层次分析法和专家小组法,确定了农村住宅自然通风设计评价标准和权重系数,提出了农村住宅自然通风设计评价等级的划分,以此作为决策的基础。 本文的主要创新点在于: (1)针对可持续建筑相关研究成果难以为设计所用的现状,结合西方建筑符号学理论,首次提出了在可持续建筑设计上可采用“定量化符号”的设计方法。 (2)首次对湘北农村住宅(含现代住宅和传统民居)的能耗与室内环境进行了测试。在测试结果的基础上,分析了农村住宅能耗特点,对比了传统民居和现代农村住宅室内热、光、风环境,分析了其在被动式技术运用方面的优劣势。 (3)采用模拟分析自然通风效果的方法,研究了住宅结合丘陵选址模式、住宅结合绿化选址模式、联排住宅沿道路布置选址模式下自然通风效果,获得了3种对建筑自然通风最为有利的最佳选址模式和相应的“定量化符号”。 (4)采用模拟方法,研究了湘北农村住宅内门设计、附属空间设计、天井设计3种模式对自然通风的影响,获得相应的最利于自然通风的平面设计最佳模式和“定量化符号”。 (5)根据湘北农村住宅和设计的特点,在现有建筑设计流程和评价方法的基础上,提出了湘北农村住宅自然通风设计相应的细化迭代流程和评价体系。


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