建筑环境学论文1

1不同朝向房间的自然室温的区别摘要本文介绍了不同朝向房间的自然室温的区别。由于从采光、集热、通风三个角度考虑，建筑物分别获得三者的最佳值时，朝向的角度各不相同，所以，房屋的最佳朝向是由三者综合决定的。针对当前建筑朝向的现状，本文在综合分析了如太阳辐射、对流换热等影响因素不同作用效果的基础上，在一系列数据上对不同朝向房间的自然室温的区别做出了科学合理的统计，并提出了自己独特的见解。关键词：朝向自然室温太阳辐射对流换热实验引言经济和社会的发展离不开能源，在全世界日益增长的能源消耗中，无论是工业发达国家还是发展中国家，建筑能耗都是一个国家总耗能的重要组成部分。在夏季炎热地区，自然通风是人们主要采用的住宅降温手段。其实，同一地区室内温度主要受屋朝向的影响，所以该课题的研究既有实际意义。研究的成果不但能为房屋内部的供暖和制冷提供可靠合理的部分参考数据，而且数据也有助于房间的建设和优化。建筑设计怎样来促进建筑物的自然通风和降低室温长期以来一直是研究讨论的话题，然而从目前的研究来看，多数考虑的是通风进入室内后的流动，而建筑外朝向角度的选择、气流的形成形式对室内热环境的影响却很少涉及；尽管有学者在20世纪50年代就发现了太阳辐射下建筑热外表面的上升热气流对自然通风的诱导作用以当阳面与背阴面空气温差的可利用性，指出了在炎热干燥地区对无风燥热天气下通风的意义，但却很少有人能从建筑热环境的角度出发，研究不同朝向的房屋的自然温度的分布，查阅大量相关资料，对不同朝向房间的自然室温的区别的研究少之又少。实际上，正是由于目前人们对人居热环境的动态特征的研究方兴未艾，许多研究分析结果尚处于试探性阶段，才使得人们尽管在不断深刻意识到人居热环境重要性的同时，却不知从何入手去真正与建筑设计相结合并付诸工程实践中。从这一点上讲，对不同朝向房间的自然室温的区别的相关动态参数进行现场观测及基础理论分析，研究其规律并在此基础上探讨如何结合房屋布局和建筑设计以改2善人居环境，不失为一项有意义的工作。一、实验前准备1.1关于课题的部分概念微气候指的是在建筑物周围地面及屋面、墙面、窗台等特定地点的风、阳光、辐射、气温与湿度条件。由于微气候形成因素复杂难以给出简单的数学描述，因而以实验研究作为工作的入手。为了解太阳辐射下建筑外热环境的规律，特选择了一座典型的具有各朝向的楼房（综合教学楼）进行现场测试。自然室温是指当建筑物没有采暖空调系统时，在室外气象条件和室内各种发热量的联合作用下所导致的室内空气温度。它全面放映了建筑本身的性能和各种被动性热扰动（室外气象参数、室内发热量）对建筑物的影响。太阳辐射是来自太阳的电磁波辐射。太阳辐射是地球上热量的基本来源，是决定气候的主要因素，也是建筑物外部最主要的微气候条件之一。房屋朝向是建造房屋时对房屋选取的房屋的走向。我国地处北半球中纬度和低纬度地区，人们习惯上认为，建筑物朝向正南方向是满足建筑日照的最佳选择。而事实却并非如此，针对当今总体规划和建筑设计的严格要求，确定建筑朝向，必须深入细致的考虑，以便根据需要和可能来选择适宜的朝向。1.2建筑描述及方向选择实验建筑为学校的综合教学楼，整体结构为长方体。建筑周围布局如图1所示。各层的层高约3m，东西外墙尺寸为12.6m×15.4m；室内有风扇和日光灯，上吊天花板。原则上，建筑朝向的选取应考虑以下几个方面：1）冬季有适量并具有良好质量的阳光照射如室内，炎热夏季尽量减少太阳直射室内；2）夏季有良好的通风，冬季避免冷风吹袭；3）充分利用地形并注意节约用地；4）考虑居住建筑组合的需要。根据房屋朝向选择的参考标准，我们东西南北各选择了一个合适的房间进行试验。3图一建筑布局二、实验方案2.1实验目的通过实验测得东南西北四个方向的房间在同一时间的一系列的温度，画出温度随时间变化的曲线图，找到不同朝向房间的室温的区别。进一步分析区别存在的原因，并提出自己对不同朝向的房屋自然温宿的分布的合理见解。2.2实验原理室外空气综合温度考虑了太阳辐射、室外空气温度、地面反射辐射等对墙体的综合热作用，计算公式为式中，tw为室外空气温度，℃；ρ为墙体外表面吸收率；I为太阳辐射强度，W/m2；α为墙体外表面总换热系数，此处取23.3W/m2·℃，ε为墙体外表面长波辐射系数（W/m2·k）；ΔR为墙体外表面向外界发射的长波辐射和由天空及周围物体向围护结构外表面的长波辐射之差，对垂直表面，ΔR可取0.2W/m2。根据计算出的室外空气综合温度值，采用有限差分法对建筑墙体不稳定传热4进行编程求解，计算墙体内表面的温度。采暖房间外墙体为一维非稳态传热,墙体导热方程为式中,ρ为墙体的密度,kg/m3;cp为墙体的比热容,kJ/(kg.K);Cp为墙体的导热系数,W/(m.K)。最后根据墙体内表面的温度算出室内应该具有的温度，把计算的室内温度和实验测得的数据进行对比，分析出不同朝向的房间自然温度的分布和影响因素。2.3实验仪器图二实验仪器高精度水银温度计若干，热球式电风速计一台。2.4实验步骤（1）选取正确的实验地点，要求地点涵括房屋的各个方向，并且符合实验的要求。5（2）在选取的每个房间内选取相应的测点，测点越多越好，每个房间取各测点的平均值，以此来表示该房间的温度。（3）实验的时间段是8：00~18：00，在这段时间内每隔半小时记录一次各房间的温度，以及影响实验的其他的因素（房间内的人数、打开灯的盏数等）。（4）在实验的时间段内每隔三小时到室外测量一次房间各个方向的风速和室外的温度。（5）重复步骤（3）（4）直到试验完成并记录实验数据，整理好仪器。2.5实验记录及数据处理实验的原始数据记录参见附录一和附录二。经过对原始数据的整理和分析可得到不同朝向的房间的温度在同一时刻的对比图如下：图三不同朝向的房间的温度对比表通过对图的分析，我们得出试验结论如下：1）温度随日照时间走向变化很大从图中我们可以看出，南向的房间在中午的时候，温度相对来说是最高的，而北向的房间温度是最低的，所以太阳的辐射对房间温度的影响是很大的。在建筑朝向的选择中，如何让建筑获得足够的日照时间是首要因素。我们可从夏季和冬季两个代表性的季节来加以分析。在夏季，由于太阳方位角变化的范围较大，各朝向的墙面上都能获得一定的日照时间。62）避免西晒通过上图我们还可以看出，在下午的时候，西向的房间温度是比较高的，这是因为太阳在下午偏西，西向的房间得到了更多的热量。因此，我们得知，西向的建筑物，在夏季西晒会造成室内温度过高，尤其是在炎热的地区。夏季的最高气温一般出现在13:00~17：之间，而此时太阳位于建筑物西侧方位。经查阅相关资料我们知道，所有地区的建筑物难偏西朝向角度选择均在45°以内。在北方地区，为了满足日照的时间，这一角度可以上当增加。而在南方地区，则应尽量的减小。综上所述，东西向住宅尤其自身明显的缺陷，尤其在南方，夏季西晒十分严重。但从另一方面看，东西向住宅在冬季可两面受阳，而南北向住宅中北向的居室却是中年不见阳光。此外，适当增加东西住宅不但可增减建筑面积，还可以扩大南北向住宅的间距，形成庭院式的室外空间。可以采用以下方式克服西晒：（1）将次要房间放在西面，加大西向房间的进深。（2）在西面设置进深较大的阳台，不让太阳一晒到底；同时减小西窗的面积，设遮阳设施，在西窗种植枝大叶茂的落叶乔木。（3）凡是朝西户都是有东面居室，严格避免纯朝西户的出现，从而组织好穿堂风，在日落后将余热吹走，住户晚上就能更好的休息。2.6误差分析及结果讨论三、结论3.1日照和采光的影响建筑物的方位和朝向要考虑到能否在冬天采集到温暖的阳光、避免处于风口位置带走房间过多热量，以及在夏天避免骄阳炙烤，造成室内高温。良好的建筑朝向能在冬季减少室内热量流失，在夏季保证室内良好散热，从而保证房间低热负荷，减少空调能耗。一般建筑物的朝向选择根据各种建筑朝向墙面及室内可能获得的日照时间和日照面积决定。建筑物墙面上的日照时间，决定墙面接受太阳辐射热量的多少，如图四所示：7图四太阳方位的变化在建筑物无遮挡的情况下，南墙面的日照时间最长，自日出到日落都能得到日照。夏季在南偏东（西）30°朝向的范围内，日照时间不多，而且日照面积很小，夏至日室内日照为4~5.5h之间，日照面积只有冬至日的4%~7.3%。在东、西朝向上，夏季室内日照时间较多，而且日照面积很大。在夏至日室内日照时间只有6h，日照面积为冬至日的2.7倍。在北偏东（西）45°朝向的范围内，夏至日室内日照时数有3~5h，日照面积比东、西朝向也少。则有实验研究及参考资料可知：建筑总体环境布置时，应注意外围护墙体的太阳辐射及日照时数，尽量将建筑布置成南北向或偏东、偏西不超过30°的角度，忌东西向布置。南侧应尽量留出开阔的在空间和尺度上许可的室外空间，以便争取较多的冬季日照和夏季通风。3.2通风的影响当建筑垂直于主导风向时，风压最大（风压是引起穿堂风的原因）。然而，8这样的朝向并不一定产生最佳的室内平均风速及气流分布。对于人体降温而言，目的是获得最大的房间平均风速，在房间内所有使用区域都有气流运动。如图五所示，相对的墙面上有窗户。如果建筑垂直于主导风向，则气流由进风口笔直流向出风口，除在出风口引起局部紊流外，对室内其他区域影响减小。风向入射角偏斜45°，产生的平均室内风速最大，室内气流分布也更好。平行于墙面的风产生的效果完全依赖于风的波动，因此很难确定。如图五所示，相邻边上有窗户。建筑长轴垂直于风向可以带来理想的通风，但是从垂直方向偏离20°~30°也不会严重影响建筑室内通风。45°入射角进入建筑的风比垂直于墙面的风在室内速度降低15%~20%。这就允许建筑的朝向处在一个范围中们可以解决根据日照最佳朝向于通风的最佳朝向可能存在的矛盾。图五窗与风的关系图9四、实验心得通过此次实验，我了解到建筑朝向对房间室温的影响主要有通风、集热、采光三个方面。从采光方面分析，房间应尽量布置为南北朝向，能保证房间冬季的光源充足并避免夏季的西晒，或者将次要的房间布置在西面，将客厅、餐厅等重要房间布置于房屋内，从而减少太阳直射；从通风反面分析，房间应在南面多开窗户，保证良好的通风，避免夏季下午西面太阳暴晒，并且房间门及窗户相对布置时能形成“穿堂风”，提高夏季房间的散热。在房屋的位置选择上，从我国季风的风向分析，应尽量避免购买小区最北向的房屋，将会造成冬季被风带走过多的房间热量，增加房屋热负荷。除此之外，从此次实验中，我了解到了风速仪等一起的操作方法及原理，增强了自身动手操作能力，从实验的方法探讨、具体步骤的实施及现场操作与数据采集和分析中提高了我自身的独立分析研究能力，是一次很好的锻炼机会，并且感谢傅老师实验后对实验指导及实验不足的更正。参考文献：［1］赵荣义.太阳辐射对建筑物自然通风的影响[A].南方建筑降温论文集[C].北京：中国建筑工业出版社，1959.23-25。［2］赵荣义.太阳辐射对建筑物自然通风的影响[A].南方建筑降温论文集[C].北京：中国建筑工业出版社，1959.23-25。［3］江亿，《建筑环境系统模拟分析方法——DeST》，中国建筑工业出版社。2006,7［4］刘加平、谭良斌、何泉，《建筑创作中的节能设计》，中国建筑工业出版社。2009,36—42。［5］赵荣义等.《空气调节》[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.10附录一：各朝向房间温度房屋朝向东房屋朝向南测量时刻房间人数开灯数开风扇数室内温度房间人数开灯数开风扇数室内温度8:0080024.188024.498:3080024.35118024.859:00100024.88158025.059:30130025.39168026.0110:00130025.8168026.110:30130025.8188026.1511:0080026.78158026.1811:3020026.3738026.3912:0040026.0938126.5712:3040026.448126.8813:0030026.4858226.7213:3030026.5178126.6814:0080026.412812