進深外區(qū)進深

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

下面以廣州、上海和北京 3 個辦公商業(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)的代表進行模擬計算和分析。相關(guān)的氣象參數(shù)和室內(nèi)設(shè)計參數(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, 進深為 15 m , 按照文獻[ 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)計標準》中對夏熱冬冷地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的最低要求 ,可得圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)均為 2 .05 W/(m 2 ·K)。根據(jù)式

圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)設(shè)定為2 .05 W/(m·K),PMV 達到-0 .5 時,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)也可認為是該建筑物在不同地區(qū)的外區(qū)進深, 可見在圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)相同的前提下, 建筑物的外區(qū)進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)域進深為3 .6 m ,此區(qū)域需設(shè)供暖的外區(qū),此進深也基本上和實際工程設(shè)計中選擇3 ～4 m 外區(qū)進深相近;北京地區(qū)由于冬季室外溫度最低, P MV小于- 0 .5 的區(qū)域進深達4 .9 m ,此區(qū)域也需設(shè)供暖的外區(qū)。 由于示例中圍護結(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)計標準》對北京地區(qū)相應(yīng)建筑物的最低要求, 如把圍護結(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)計標準》對北京市的最低要求 。

當圍護結(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)的風速也有所降低,風速變化范圍從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)進深從4.9 m減小為3.1 m。這正說明圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能和熱舒適性的改善具有一致性。

建筑物劃分內(nèi)外區(qū)后, 夏季時外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)將比內(nèi)區(qū)承擔更多的冷負荷;冬季時內(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)進深時應(yīng)以冬季工況進行分析。在利用冬季工況確定外區(qū)進深后, 可以通過調(diào)整空調(diào)末端的設(shè)計, 使系統(tǒng)在夏季工況時滿足供冷需求。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結(jié)構(gòu)區(qū)域會形成一個溫度低于室內(nèi)設(shè)計溫度的地帶。在此地帶內(nèi), 距圍護結(jié)構(gòu)越近的地方室溫越低?？梢圆捎脤峄径?傅里葉定律)按穩(wěn)態(tài)傳熱的方式計算圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度。遠離外圍護結(jié)構(gòu), 室內(nèi)空氣溫度逐步升高, 最終在某位置達到室內(nèi)設(shè)計溫度, 此位置即為內(nèi)外分區(qū)理論上的溫度分界點。

室溫受以下三個因素影響:

1)圍護結(jié)構(gòu)表面溫度 ;

2)室內(nèi)設(shè)計溫度 ;

3)與圍護結(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行推斷, 需要結(jié)合實驗采用半經(jīng)驗、半理論等方式進行推導。筆者查找國內(nèi)外文獻資料后發(fā)現(xiàn), 在外部環(huán)境對室內(nèi)溫度的影響方面有詳細的研究和總結(jié), 故本文引用下列經(jīng)驗公式作為計算公式 :預(yù)先設(shè)定室內(nèi)外設(shè)計溫度、圍護結(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結(jié)構(gòu)內(nèi)表面不同距離情況下室內(nèi)各點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區(qū)域達到良好的熱舒適性。ISO 7730 標準給出了舒適熱環(huán)境應(yīng)滿足的條件。筆者引入描述和評價環(huán)境熱舒適性的PMV 作為判斷供暖和不供暖臨界點的指標。

在ISO 7730 標準中,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 標準對P MV 的推薦范圍為:-0 .5 ～ 0.5,即P MV在該范圍內(nèi)時, 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 , 顯然 P MV小于 -0 .5 時空調(diào)系統(tǒng)需要供暖以提高熱舒適性。故 PMV 等于 -0 .5 可以認為是內(nèi)外區(qū)分界比較合理的指標。

現(xiàn)代辦公商業(yè)建筑通常具有體量大、房間面積大、進深較大、圍護結(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。在設(shè)計此類建筑的空調(diào)系統(tǒng)時, 涉及到的一個問題是建筑分區(qū)。內(nèi)區(qū)由于很少受外圍護結(jié)構(gòu)負荷的影響, 空調(diào)負荷較為穩(wěn)定, 而內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)冬季的計算熱負荷也是有限的, 因此內(nèi)區(qū)常年都有冷負荷。而外區(qū)一般有較大的外窗面積, 受外圍護結(jié)構(gòu)的負荷變化影響較大。 因此根據(jù)兩區(qū)的空調(diào)負荷差異性, 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)計手冊和參考文獻中通常只是提出建筑物平面面積大、進深較大時,空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計需要考慮內(nèi)外分區(qū), 并推薦外區(qū)進深為4～6 m,但是沒有提到內(nèi)外分區(qū)的具體計算思路和方法。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)計方法。

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)計大進深的住宅比設(shè)計小進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深住宅來滿足不斷對住宅數(shù)量的需求。這實際上是一個住宅面積數(shù)量與住宅使用質(zhì)量的矛盾。在今后一個很長時期，建設(shè)大進深住宅仍有必要，并有很大需求市場。至于進深過大出現(xiàn)的采光、通風不足等系列問題，則可通過優(yōu)化住宅設(shè)計和采用相關(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；進深，就是一套房子，或者一間居室南北墻之間的距離；面寬進深比就是說面寬和進深的比值。

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