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基于自然通风的西安城市住宅设计与室内风环境模拟研究

【摘要】:作为一种古老的被动式降温技术,自然通风一直为被动式建筑领域的研究重点。不同于提高建筑物自身热稳定性的被动式设计策略,自然通风通过协调和充分利用自然气候产生的冷热量资源以满足人体舒适性和节能的要求。同时,建筑方案设计阶段对自然通风性能的影响最大。住宅建筑在国内城市建设中占比最大,且在民用建筑中其自然通风应用最为广泛。由于住宅建筑的设计千差万别,自然通风应用的效果也显著不同。住宅建筑的内热扰较小且易受外部气候的影响,却因城市用地导致的建筑大进深等问题在自然通风降温时段,舒适通风常无法得到有效地组织。因此,在这些建筑中合理的自然通风设计具有重要意义。系统的自然通风设计必须兼顾室内通风与场地通风,同时受气候条件、建筑周边环境、建筑物布局以及建筑物自身特性等多因素的综合影响。本文针对建筑本体展开了自然通风设计研究,具体对西安地区城市住宅的建筑迎风面平面形状设计、建筑迎风面开口设计以及建筑形体等进行了自然通风设计研究,主要研究工作如下:(1)本课题组对西安地区城市住宅展开现场测绘的实地调研、还原建模以及户型评价分析,通过对调研住宅进行建筑体型与建筑组合的聚类分析,包括了板式、板塔式单元组合住宅和塔式、板塔式独立住宅的建筑类型;通过“类型选择”构建了三类西安市住宅建筑的户间空间组合的原型并作为本文的研究范畴:ABA式住宅、环绕式住宅以及A-BC-A式住宅。(2)采用“相似性分析法”,构建了ABA式空间组合原型的典型户型。以住宅自然通风的建筑影响因素(开间、进深等)的特征值为物理参数,构建与原型相似度最高的典型户型,同时形成了系统地选取住宅典型户型的方法。(3)对西安城市住宅的典型户型展开风环境模拟,以研究城市住宅的建筑迎风面的平面形状、迎风翼墙有无开口以及建筑形体等可控制建筑设计因素对自然通风的影响。论文通过CFD数值模拟研究,发现通过住宅的建筑形体设计,可以改善房间的通风性能,主要提出以下适用于建筑方案设计阶段的自然通风设计策略:(1)对于迎风面形状,有凹凸时建筑的自然通风性能要优于平直迎风面建筑;相较于凸字形的迎风面,凹字形的迎风面为自然通风较有利的选择。同时针对凹字形和凸字形的住宅迎风面提出以下自然通风设计策略:(a)当形体迎风面为凹字形时,凸出体量东迎风面宜采用无窗设计,同时可以通过适当增大凸出体量的北迎风面开口率,或凸出体量的开间以加强户内的自然通风能力;(b)当形体迎风面为凸字形时,凸出体量侧翼墙上宜开窗,更有利于户内的气流组织。建筑平面布局中,建议将中部交通核及相邻房间外凸,使得外墙保持平齐,凸窗一边为气候边界,以形成无间断的整体迎风面凸出体量,则住宅的自然通风性能更优。(2)模拟研究发现凸出体量可以提高建筑围护结构外表面风压差,东迎风实墙作为挡风翼墙,起加强住宅自然通风效果的作用。因此,建议采用不规则的迎风面形体设计。(3)通过对环绕式、A-BC-A式空间布局的大进深住宅建筑形体的自然通风研究,发现相较于长方形、凸字形,倒工字形建筑中南向居住单元的自然通风性能较好。为了有效改善背风面住户的通风条件,建议采用倒工字形的建筑形体设计。通过城市住宅室内风环境模拟和建筑自然通风设计的研究,则可以从建筑技术上把握城市住宅设计的特点,为西安住宅类建筑的自然通风设计提供了参考,能够更好地满足居住使用者对热环境质量的要求,且对气候适应性住宅设计及建筑节能具有一定的促进作用。

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