進(jìn)深設(shè)計(jì)思路

建筑物劃分內(nèi)外區(qū)后, 夏季時(shí)外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)將比內(nèi)區(qū)承擔(dān)更多的冷負(fù)荷;冬季時(shí)內(nèi)外區(qū)的空調(diào)工況正好相反, 外區(qū)供暖而內(nèi)區(qū)需要供冷, 兩者相比較,冬季工況時(shí)內(nèi)外區(qū)在空調(diào)需求上的矛盾更為突出。在此前提下, 確定外區(qū)進(jìn)深時(shí)應(yīng)以冬季工況進(jìn)行分析。在利用冬季工況確定外區(qū)進(jìn)深后, 可以通過調(diào)整空調(diào)末端的設(shè)計(jì), 使系統(tǒng)在夏季工況時(shí)滿足供冷需求。假設(shè)外區(qū)不采取任何供暖措施, 由于室外低溫的影響, 在靠近外窗和外墻等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域會(huì)形成一個(gè)溫度低于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的地帶。在此地帶內(nèi), 距圍護(hù)結(jié)構(gòu)越近的地方室溫越低?？梢圆捎脤?dǎo)熱基本定律(傅里葉定律)按穩(wěn)態(tài)傳熱的方式計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度。遠(yuǎn)離外圍護(hù)結(jié)構(gòu), 室內(nèi)空氣溫度逐步升高, 最終在某位置達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度, 此位置即為內(nèi)外分區(qū)理論上的溫度分界點(diǎn)。

室溫受以下三個(gè)因素影響:

1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度 ;

2)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度 ;

3)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離 。

室溫與這些因素并非是單純的線性關(guān)系 , 所以很難利用簡單的方程式進(jìn)行推斷, 需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)采用半經(jīng)驗(yàn)、半理論等方式進(jìn)行推導(dǎo)。筆者查找國內(nèi)外文獻(xiàn)資料后發(fā)現(xiàn), 在外部環(huán)境對室內(nèi)溫度的影響方面有詳細(xì)的研究和總結(jié), 故本文引用下列經(jīng)驗(yàn)公式作為計(jì)算公式 :預(yù)先設(shè)定室內(nèi)外設(shè)計(jì)溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)等邊界條件,可以利用上述公式求出與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面不同距離情況下室內(nèi)各點(diǎn)的溫度和由溫差引起的空氣對流速度。

但僅以室內(nèi)溫度和空氣對流速度還很難確定供暖和不供暖的臨界溫度。設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的目的是使人員活動(dòng)區(qū)域達(dá)到良好的熱舒適性。ISO 7730 標(biāo)準(zhǔn)給出了舒適熱環(huán)境應(yīng)滿足的條件。筆者引入描述和評價(jià)環(huán)境熱舒適性的PMV 作為判斷供暖和不供暖臨界點(diǎn)的指標(biāo)。

在ISO 7730 標(biāo)準(zhǔn)中,P MV 用于表示空調(diào)區(qū)域內(nèi)人員對熱舒適性的感覺, 可用PMV預(yù)測熱環(huán)境下人體的熱反應(yīng)。P MV 代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺, 但是人與人之間存在生理差別, 因此P MV并不一定能夠代表所有人的感覺。

ISO 7730 標(biāo)準(zhǔn)對P MV 的推薦范圍為:-0 .5 ～ 0.5,即P MV在該范圍內(nèi)時(shí), 舒適性空調(diào)可視為可滿足絕大多數(shù)人的使用要求。對于冬季條件下的外區(qū)熱環(huán)境而言, 達(dá)到人體熱舒適性冷感的下限可視為空調(diào)系統(tǒng)的基本目標(biāo) , 顯然 P MV小于 -0 .5 時(shí)空調(diào)系統(tǒng)需要供暖以提高熱舒適性。故 PMV 等于 -0 .5 可以認(rèn)為是內(nèi)外區(qū)分界比較合理的指標(biāo)。

現(xiàn)代辦公商業(yè)建筑通常具有體量大、房間面積大、進(jìn)深較大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)大量采用玻璃幕墻、室內(nèi)人員密集和照明設(shè)備發(fā)熱量大等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)此類建筑的空調(diào)系統(tǒng)時(shí), 涉及到的一個(gè)問題是建筑分區(qū)。內(nèi)區(qū)由于很少受外圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的影響, 空調(diào)負(fù)荷較為穩(wěn)定, 而內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)冬季的計(jì)算熱負(fù)荷也是有限的, 因此內(nèi)區(qū)常年都有冷負(fù)荷。而外區(qū)一般有較大的外窗面積, 受外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷變化影響較大。 因此根據(jù)兩區(qū)的空調(diào)負(fù)荷差異性, 合理地確定其邊界, 才能使空調(diào)系統(tǒng)有效地跟蹤負(fù)荷變化, 改善室內(nèi)熱環(huán)境和降低空調(diào)能耗。

現(xiàn)有設(shè)計(jì)手冊和參考文獻(xiàn)中通常只是提出建筑物平面面積大、進(jìn)深較大時(shí),空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮內(nèi)外分區(qū), 并推薦外區(qū)進(jìn)深為4～6 m,但是沒有提到內(nèi)外分區(qū)的具體計(jì)算思路和方法。筆者參考國內(nèi)外一些研究資料, 提出采用P MV(predicted mean vo te)作為確定空調(diào)內(nèi)外分區(qū)邊界的依據(jù)的設(shè)計(jì)方法。

下面以廣州、上海和北京 3 個(gè)辦公商業(yè)建筑較為集中的城市分別作為夏熱冬暖地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和寒冷地區(qū)的代表進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。相關(guān)的氣象參數(shù)和室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見表 1 。假定研究的對象為一平面尺寸為 45 m ×45 m的高層寫字樓 ,層高 4 m ,外窗為全透明玻璃幕墻 ,窗墻面積比為 0 .7, 體形系數(shù)為 0 .4。結(jié)構(gòu)類型為框架核心筒結(jié)構(gòu),核心筒尺寸為 15 m ×15 m ,辦公區(qū)為全開放式大開間, 進(jìn)深為 15 m , 按照文獻(xiàn)[ 1]3 .3.2.6 節(jié)要求 , 內(nèi)區(qū)和外區(qū)應(yīng)分設(shè)系統(tǒng)。根據(jù)GB 50189 —2005 《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對夏熱冬冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的最低要求 ,可得圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)均為 2 .05 W/(m 2 ·K)。根據(jù)式

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)設(shè)定為2 .05 W/(m·K),PMV 達(dá)到-0 .5 時(shí),不同城市建筑與窗戶的距離分別為:廣州0.6 m, 上海3 .6 m ,北京4 .9 m 。以上數(shù)據(jù)也可認(rèn)為是該建筑物在不同地區(qū)的外區(qū)進(jìn)深, 可見在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)相同的前提下, 建筑物的外區(qū)進(jìn)深隨室外溫度的下降而加大。從上述數(shù)據(jù)可以看出, 廣州市由于冬季室外溫度較高, P MV小于-0.5的區(qū)域進(jìn)深僅為0 .6 m ,且最不利處的P MV 為-0 .54 ,所以基本上可不設(shè)供暖的外區(qū);上海市由于冬季室外溫度較低, P MV小于-0.5的區(qū)域進(jìn)深為3 .6 m ,此區(qū)域需設(shè)供暖的外區(qū),此進(jìn)深也基本上和實(shí)際工程設(shè)計(jì)中選擇3 ～4 m 外區(qū)進(jìn)深相近;北京地區(qū)由于冬季室外溫度最低, P MV小于- 0 .5 的區(qū)域進(jìn)深達(dá)4 .9 m ,此區(qū)域也需設(shè)供暖的外區(qū)。 由于示例中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)設(shè)定為 2 .05 W/(m·K),不滿足GB 50189 —2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對北京地區(qū)相應(yīng)建筑物的最低要求, 如把圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)調(diào)整為1.41W/(m·K),則可滿足GB 50189 —2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對北京市的最低要求 。

當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)從2 .05 W/(m·K)提高到1 .41 W/(m·K)后,距窗戶距離相同處的溫度均有所提高,外區(qū)的溫度變化范圍從17 .6～19 .0℃提高為18 .4～19 .3 ℃;相應(yīng)的風(fēng)速也有所降低,風(fēng)速變化范圍從0.09～0.16 m/s降低為0 .07 ～0 .13 m/s 。隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的提高,室外氣溫對室內(nèi)溫度的影響逐漸減小, PMV得到整體提高,從而外區(qū)進(jìn)深從4.9 m減小為3.1 m。這正說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能和熱舒適性的改善具有一致性。

筆者以我國5 種典型氣候分區(qū)的代表城市為例,在圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能滿足GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》最低要求前提下, 按照上述計(jì)算方法,計(jì)算得到各代表城市建筑物空調(diào)外區(qū)的進(jìn)深 。

隨著我國城市人口在不斷增多，土地資源相對不足，而同樣面積的土地，設(shè)計(jì)大進(jìn)深的住宅比設(shè)計(jì)小進(jìn)深的住宅可造出更大使用面積的房子。本著節(jié)約用地的原則，我們不得不選擇大進(jìn)深住宅來滿足不斷對住宅數(shù)量的需求。這實(shí)際上是一個(gè)住宅面積數(shù)量與住宅使用質(zhì)量的矛盾。在今后一個(gè)很長時(shí)期，建設(shè)大進(jìn)深住宅仍有必要，并有很大需求市場。至于進(jìn)深過大出現(xiàn)的采光、通風(fēng)不足等系列問題，則可通過優(yōu)化住宅設(shè)計(jì)和采用相關(guān)的技術(shù)手冊及設(shè)備加以解決。

面寬，就是一套房子，或者一間居室，東西墻之間的寬度；進(jìn)深，就是一套房子，或者一間居室南北墻之間的距離；面寬進(jìn)深比就是說面寬和進(jìn)深的比值。

住宅的進(jìn)深，在建筑學(xué)上是指一間獨(dú)立的房室或一幢居住建筑從前墻皮到后墻皮之間的實(shí)際長度。為了保證建成的住宅具有良好的自然采光和通風(fēng)條件，住宅的進(jìn)深在設(shè)計(jì)上有一定的要求。目前我國大量城鎮(zhèn)住宅房間的進(jìn)深一般都限定在5米左右，不能任意擴(kuò)大。在住宅的高度（層高）和寬度（開間）確定的前提下，設(shè)計(jì)的住宅進(jìn)深過大，就使住房成狹長型，距離門窗較遠(yuǎn)的室內(nèi)空間自然光線不足。進(jìn)深大的住宅可以有效節(jié)約用地。