夏热冬冷地区被动式建筑最佳楼层及房间研究——以成都市某被动房为例

徐嘉茂，霍海娥，刘中勇，吴 玥，姜 影

(四川师范大学 工学院，四川 成都 610101)

0 引言

被动房在中国的出现，最早可以追溯到2010年的上海世博会[1]。德国最大的港口城市汉堡，把经过PHI认证的名为汉堡之家的被动房作为世博会的礼物赠送给上海[2]。然而，当年在上海世博会的被动房项目并没有引起普遍的重视[3]。2013年1月，秦皇岛“在水一方”中德合作被动房示范项目的竣工，开始引起业界的广泛关注，该项目是第一个本土化的被动房[4]。从时间上看要比欧美国家起步晚了10～20年[5]。但是值得关注的是，党中央、国务院《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》明确提出了要发展被动式房屋等绿色节能建筑[6]。这是第一次从党和国家的层面提出支持发展被动式建筑的方向性指导意见[7]。

由于我国国情、地理位置特殊、各地区环境多样化，不能直接沿用欧美国家的现有被动式技术。导致我国各热工分区(严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区)[8-10]被动房的发展进度上不一，通过现有研究表明严寒和寒冷地区是被动房应用最多，技术最成熟的地区，而其他地区正处于发展初始阶段[11-15]。本文从夏热冬冷地区出发，以成都市某被动房为例，通过EnergyPlus建模，以及导入EP-Launch进行参数设置及模拟。最后得出全年每个房间的逐时温度变化，通过不同位置温度差异性分析，得出夏热冬冷地区冬季在垂直分段内随着建筑层高的增加，建筑的最佳舒适楼层变化规律，和水平分区内各房间保温性能以及舒适性能的优劣。为夏热冬冷地区被动房部位、区间建设上提供参考。

1 模型建立及基本参数输入

1.1 研究对象基本信息

该研究对象位于成都(北纬=30.66°，东经=104.01°)；气候分区：夏热冬冷；建筑朝向：南偏西22度；建筑体形：点式；建筑结构类型：剪力墙结构；体形系数：0.39。该建筑平面图如图1所示，经过热工分区及其相应房间编号后的平面图如图2所示。

图1 建筑平面图

图2 热工分区后的平面图

1.2 模型的建立

本文共建立6个层高分别为5、10、15、20、25、30的模型，根据平面图(图1)在EnergyPlus中建立不同层高的基本模型，如层高为10的基本模型，如图3。分别对外墙、屋顶、楼板、窗户进行重命名，并对每个房间以楼层加图1的房间号命名，如101、201、301等，后两位为房间号，以示区分。检查模型后，对最终模型进行match，如建筑层高为10match后模型如图4所示。生成IDF文件，导入EP-Launch进行参数设置及模拟。

图3 基本模型 图4 match后模型

1.3 基本参数

由于本文只研究自然室温，所以主要涉及参数包含了材料的基本属性、维护结构构造、热扰等。

1.3.1围护结构构造

该建筑围护结构所需材料及其参数如表1，构造及参数如表2所示。

表1 各种材料属性

表2 结构构造及参数

1.3.2EP-Launch其他参数设置

(1)设置Schedule，如表3。按照正常作息时间，工作日18：00到次日9：00在室，其余时间段不在室，星期六、星期天全天在室。

表3 Schedule：compact设置

(2)天气文件选择“CHN_Sichuan.Chengdu.562940_CSWD”。

(3)按小时记录房间室温并输出。

(4)设置热扰：一个标准住户按3人计算，即每层楼6人。灯光10.66W/m2控制方式选择设好的Schedule：people，其余默认。

2 最佳舒适楼层及最佳房间分析

2.1 最佳舒适楼层

为了得出不同楼高的最佳舒适温度楼层，选取了冬季1/27作为代表日，选取5、10、15、20、25、30层作为模拟建筑，按小时模拟了选择日的全天温度。然后提取每层楼每个房间非最佳人体舒适温度(18-25℃)时间，与每层房间模拟总计时间比作为评选最佳楼层的第一标准。当多楼层非舒适时间占比一样是，用该天全时间的总温度排序作为第二评选标准。

TTROHCT=Tc/TaTTROHUT=1-TTROHCT

TTROHCT：the Time ratio of human comfort temperature

TTROHUT：the Time ratio of human uncomfort temperature

Tc：在人体舒适温度范围内时间之和

Ta：总模拟时间：

将整理的数据处理后，得到如图5中a、b、c、d、e、f的不同层高的楼层非人体舒适温度时间占比柱状图。

(1)由图5中a、b、c、d、e、f可以看到随着层高的增加，该模拟不同层高建筑在b图后，楼层非人体舒适温度时间占比呈现出一定规律。由c、d、e、f图可知，楼层非舒适时间占比从底楼向顶楼先下降，到第4楼出现第一个最低点，接着上升至9楼，然后占比维持不变(将此段楼层称为稳定区间)，到倒数第10楼也呈现抛物线趋势，占比最低点出现在倒数第5楼。

a：层高为5的非人体舒适温度时间占比 b：层高为10的非人体舒适温度时间占比

(2)此外由c、d、e、f图还可得出层高与最佳楼层、稳定区间、最佳稳定区间数的关系，如表4所示。

表4 层高与最佳楼层、稳定区间、最佳稳定区间数统计表

可以看出该模拟建筑最佳保温楼层不会随着建筑层高的增加而不断变化，当楼层在10层左右后最佳楼层稳定在4楼；而随着建筑层高的增加稳定区间的起始位置区域稳定，稳定区间数在不断地增加。

2.2 最佳楼层及稳定区间楼层数拟合曲线

通过上诉分析，对不同层高的建筑做一条最佳楼层拟合线如图6所示。

图6 不同层高的建筑最佳楼层拟合线 图7 3、13号房全年温度对比图

由图6和图5中c、d、e、f可以知道该模拟类型建筑在低于10层的建筑中，最舒适楼层没有出现分异，而在层高为10以后，建筑的上下部分均有最舒适楼层出现。上、下部分不受建筑层高的的影响，上部分最舒适楼层趋于建筑倒数第5层，下部分最舒适楼层趋于第4层。由此可知，不同层高的建筑最舒适楼层是有规律的。

2.3 最佳房间

首先选取任意层高的建筑中任意楼层的两个不同房间进行分析，得出同楼层不同房间的温度差异。

2.3.1 层高为25的最佳楼层中最佳房间与最差房间全年温度对比

为了表明房间温度差异化的巨大以及房间保温性的研究必要性，对比了层高为25的最佳楼层中最佳房间与最差房间全年温度。层高为25的该模拟建筑最佳楼层位4楼，最佳房间为3号房，最差房间为13号房。该层两者全年房间温度对比图如图7。

3号房全年8760个小时中处于人体舒适温度(18-25℃)时间为1996个小时，占比为22.786%，大于25℃时间为6764个小时。13号房全年8760个小时中处于人体舒适温度(18-25℃)时间为1852个小时，占比为21.142%，大于25℃时间为5709个小时，小于18℃时间为5892个小时。

经分析我们可以看出同楼层不同房间全年的舒适时间占比不同，有研究的必要。

2.3.2 最佳房间的确定

通过不同房间在不同层处于最佳人体舒适温度的占比(如图8中的a、b、c、d、e、f)来评价最佳房间。当占比均为一时，通过每层每个房间同一时间点的温度对比排序作为评选方案，最终对房间保温性能的优劣做一个排序。

a：层高为5 中不同房间在不同层处于最佳人体舒适温度的占比b：层高为10 中不同房间在不同层处于最佳人体舒适温度的占比

通过上图可知：

1、2号房随着楼层层高的增加，仅在最后一楼在全段模拟时间达到人体舒适温度范围占比为58.33%，其余楼层在全段模拟时间段均在人体舒适温度范围内。

3、6、9号房在全段模拟时间段均在人体舒适温度范围内，且不受模拟建筑层高变化的影响。

4、5号房在层高为10及以内层高的建筑在全段模拟时间段均在人体舒适温度范围内；在层高为10以上后，建筑前4楼以及后5楼在全段模拟时间段均在人体舒适温度范围内，其余楼层全段模拟时间达到人体舒适温度范围占比呈下降-稳定-上升趋势，例如层高为25的4号房垂直分段的时间占比折线图如图9。

图9 垂直分段的时间占比折线图 图10 垂直分段的时间占比折线图

可以看出在在模拟的任何层高建筑中，建筑前4-7楼占比下降迅速，建筑倒数第5-9楼占比开始迅速上升，在两者之间趋于稳定，上下波动不大，且占比均大于等于50%。

7、8号房随着楼层层高的增加，前两楼以及后三楼在全段模拟时间段在人体舒适温度范围占比均为达到100%，最后一楼占比为0，其余四楼占比均大于50%。中间楼层在全段模拟时间段均在人体舒适温度范围内。

10号房随着楼层层高的增加，在全段模拟时间段在人体舒适温度范围占比趋势分为三段。前4楼逐渐上升，中间段趋于稳定，占比均为58.33%。末段占比逐渐下降至层高倒数第三层，后三楼在全段模拟时间段均未在人体舒适温度范围内，例如层高为30的10号房垂直分段的时间占比折线图如图10。此外，10号房处于人体舒适温度时间占比的楼层数随着建筑层高的增加而增多。

11、12号房，在层高为5的该模拟建筑在全段模拟时间段均未在人体舒适温度范围内。在层高在10及以上的该模拟建仅在最后一楼在全段模拟时间达到人体舒适温度范围占比为58.33%，其余楼层在全段模拟时间段均在人体舒适温度范围内。

13号房在层高为20以前在全段模拟时间段均在人体舒适温度范围内，在以后中间段楼层开始出现在全段模拟时间达到人体舒适温度范围占比，但占比都小于等于12.5%。

研究表征：

(1)房间保温性能的优劣为：5≈4>9>6≈3>2≈1>11≈12>7≈8>10>13。

(2)处于南面的房间由于受到成都地区太阳方位角和高度角(如表)的影响，比处于北面对立的房间保温效果较优。

(3)处于中间位置的房间由于两边的房间的多重保温，保温效果是最佳的。

(4)从中间最优保温房间向东西两侧房间保温效果逐渐降低。

(5)再者，东西位置相同的房间由于太阳的运动轨迹及其建筑自身遮阳的作用，东侧房间保温效果略优于西侧房间。

(6)但是保温性能太好或太差的房间室温容易在人体舒适温度范围外，而标准温度是人体体温和0摄氏度的黄金分割点上，约是23摄氏度。因此对于房间舒适度随着楼层的增加排序为3≈6>9>11≈12>1≈2>7≈8>4≈5>10>13。

(7)该模拟建筑最佳舒适房间数随着层高的增加会逐渐减少，最终将会稳定在3、6、9号房。

3 结论

该模拟建筑的房间保温性能的优劣不同：处于南面的房间比处于北面对立的房间保温效果较优；处于中间位置的房间保温效果是最佳的；从中间最优保温房间向东西两侧房间保温效果逐渐降低；东西位置相同的房间由于太阳的运动轨迹及其建筑自身遮阳的作用，东侧房间保温效果略优于西侧房间。

不同层高的建筑最佳保温楼层不会随着建筑层高的增加而不断变化，当楼层在10层左右后最佳楼层稳定在4楼，而随着建筑层高的增加稳定区间在不断地增加。该模拟建筑最佳舒适房间数随着层高的增加会逐渐减少，最终将会稳定在3、6、9号房。

此外该建筑户型设计上单从房间温度较为不合理，卧室4、5、10、13号房在同层房间中舒适度最不理想，在晚上人体8小时睡眠中会产生大量能耗。相反作为厨房的11、12号房，舒适度却很好，因此建议将4、5号房和11、12号房的功能对换。