室外微气候对骑楼室内热环境的影响研究

2022-12-08蓝洪宁张昌佳

山西建筑 2022年23期

蓝洪宁,张昌佳

(广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东广州 510500)

0 引言

骑楼是近代出现的底层有廊道并可行人的沿街店屋式建筑[1]，广泛分布在岭南地区，其连续排列而形成的街道，称之为骑楼街[2]，两者共同构成了骑楼独特的室外微气候。建筑室内热环境是由室内外环境共同作用影响的，而对于骑楼，其外部环境、骑廊尺寸都会对建筑周边和通风开口处的环境有所影响进而影响室内热环境[3]，因此，骑楼街和骑楼应作为一个联动的体系去分析。

目前，骑楼的研究主要集中在城市尺度或街区尺度的骑楼街微气候，针对骑楼街微气候对室内热环境的影响分析则较少。本文采用耦合模拟的方法，分析有无骑楼街工况下骑楼室外微气候及室内热环境的变化情况，以便佐证室外热环境作为联动体系的必要性，以期更全面的了解室外微气候对骑楼室内热环境的影响。

1 研究方法

1.1 场地调研

通过对广州地区骑楼建筑进行实地调研，统计得到：骑楼的平面布局以单开间及双开间为主，开间多为4.5 m，主要空间特征为走廊、天井和生活区域组成的流线型空间。基于上述特征，选取两栋现存骑楼建筑作为研究对象，建筑平面如图1所示。

1.2 工况设计

为了量化分析室外微气候对骑楼室内热环境的影响，针对单开间和双开间骑楼平面，分别设置无骑楼街工况和有骑楼街工况两种工况对比分析。

1.3 模拟方法

研究采用ENVI-met,PHOENICS和DesignBuilder耦合模拟方法，选择《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中广州市3月～11月份的典型气象日[4]数据作为夏季和过渡季的典型天气气象数据开展数值模拟研究，典型气象日选取具体方法见文献[5]具体流程如下:

1)采用ENVI-met V4.2.0 Summer17版本模拟有骑楼街工况下典型气象日的室外微气候，提取出建筑周围平均空气温湿度[6]，将其替换到原气象数据中，获得新的气象数据作为有骑楼街工况下的边界条件。

2)采用PHOENICS 2015版本模拟8个风向(N，NE，E，SE，S，SW，W，NW)下无骑楼街及有骑楼街条件下骑楼建筑窗洞口处的风压值，根据式(1)计算获得建筑窗洞口处的风压系数CP:

(1)

其中，ps为建筑表面风压，Pa；ρa为空气密度，kg/m3，(可取标准空气密度1.225 kg/m3)；VH为建筑高度处来流风速，m/s，本文中骑楼建筑高度取14.8 m。

其中，VH可根据风剖面的指数率计算公式(2)求出[7]，即：

(2)

3)采用DesignBuilder 4.5.0.128 BETA版本将无骑楼街及有骑楼工况下的气象数据和风压系数分别作为输入参数进行数值模拟，提取出主要功能房间(客厅和卧室)无骑楼街及有骑楼街条件下典型气象日的逐时温度、湿度及换气次数，引入根均方差和一致性指数定量评价有无骑楼街条件下的误差。

1.4 模型建立

对于单开间骑楼街及双开间骑楼街，按照实际情况进行ENVI-met建模，如图2所示。按照无骑楼街工况和有骑楼街工况分别针对单开间骑楼和双开间骑楼进行PHOENICS建模和DesignBuilder建模，如图3，图4所示。

建模主要参数设置见表1。

表1 建模主要参数设置

1.5 参数设置

ENVI-met模拟工况的强迫数据取自广州典型气象日数据。模拟时间从0：00开始，共计算26 h。模拟参数设置如表2所示。

表2 ENVI-met模拟主要参数

PHOENICS模拟参数设置如表3所示。

表3 PHOENICS模拟主要参数

骑楼建筑围护结构参数[9]设置见表4；室内热扰设置见表5；室内时间表参数设置见表6；室内门窗洞口设定为24 h常开，开启率为50%，流量系数取0.65。

表4 骑楼建筑围护结构主要参数

表5 室内热扰计算值

表6 时间表参数设定

2 结果分析

本研究以骑楼建筑周围室外温湿度以及室内客厅和卧室等主要功能房间为重点，比较有无骑楼街条件得到的室外空气温度、比湿、室内空气温度、相对湿度和换气次数的模拟结果。

2.1 室外空气温度

将有骑楼街工况与无骑楼街工况室外空气温度进行对比，结果显示：单开间和双开间骑楼室内相对湿度的根均方差(RMSE)范围分别为0.6 ℃～1.9 ℃和0.5 ℃～1.9 ℃，一致性指数(d)范围分别为0.75～0.98和0.73～0.99。

针对单开间骑楼和双开间骑楼，在夏季，有骑楼街工况下骑楼室外空气温度均略低于无骑楼街工况；在过渡季，有骑楼工况下骑楼室外空气温度在日间略低于无骑楼街工况，夜间则略高或接近。总体而言，有骑楼街工况下的室外空气温度波动幅度要小于无骑楼街工况，见图5，图6。

有骑楼街工况下白天室外空气温度较低，主要由于周围建筑的遮阳作用，而对于夜间室外空气温度略高或接近，原因可能是日间建筑蓄热在夜间的释放。

2.2 比湿

将有骑楼街工况与无骑楼街工况室外空气温度进行对比，结果显示：单开间和双开间骑楼比湿的根均方差(RMSE)范围分别为0.6 g/kg～1.9 g/kg和0.5 g/kg～1.9 g/kg，一致性指数(d)范围分别为0.40～0.90和0.34～0.92。

针对单开间骑楼和双开间骑楼，有骑楼街工况下骑楼室外空气温度大部分时间低于无骑楼街工况，仅在过渡季中午时间略高于无骑楼街工况，见图7,图8。

造成上述结果差异可能是因为模拟中太阳辐射增强土壤表面的蒸发或蒸散过程，中午前后的平均比湿度较高。

2.3 室内空气温度

将有骑楼街工况与无骑楼街工况室内空气温度进行对比，结果显示：单开间和双开间骑楼室内空气温度的根均方差(RMSE)范围分别为0.5 ℃～2.3 ℃和0.3 ℃～1.6 ℃，一致性指数(d)范围分别为0.67～0.99和0.55～0.99。

针对单开间骑楼，有骑楼街工况下的室内空气温度在日间低于无骑楼街工况，在夜间略高于无骑楼街工况，见图9；针对双开间骑楼，有骑楼街工况下的室内空气温度除了在8月下午出现高于无骑楼街工况情况外，其余月份均与单开间骑楼下室内空气温度变化情况基本相同，见图10。综上，有骑楼街工况相比无骑楼街工况，其建筑室内空气温度变化幅度更小，且日间空气温度更低，夜间空气温度更高。

在日间，由于有骑楼街工况下室外空气温度低于无骑楼工况且考虑建筑间的遮挡，骑楼室内温度也进而呈现低于无骑楼街条件下室内温度的情况；在夜间，有骑楼街工况下室外空气温度高于无骑楼工况，进而导致模拟得到夜间有骑楼街条件下室内温度略高于无骑楼街工况。

2.4 相对湿度

将有骑楼街工况与无骑楼街工况室内相对湿度进行对比，结果显示：单开间和双开间骑楼室内相对湿度的根均方差(RMSE)范围分别为2%～14%和2%～9%，一致性指数(d)范围分别为0.51～0.99和0.39～0.99。

针对单开间骑楼，有骑楼街工况下室内相对湿度在3月～5月、10月～12月的日间高于无骑楼街工况，其他时间较低，但在6月～9月，有骑楼街工况下二层及三层房间的室内相对湿度则总体低于无骑楼街工况，见图11；针对双开间骑楼，其室内相对湿度变化情况与单开间骑楼变化情况基本相近，见图12。整体而言，有骑楼街工况相比无骑楼街工况，其建筑室内相对湿度的曲线的波动幅度要更小。