張 磊,孟慶林,李 晉

(華南理工大學(xué)建筑學(xué)院亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室,廣東廣州510640)

體育館建筑自身體量和空間較大,使用中為了滿足室內(nèi)光、熱環(huán)境要求,需要投入大量的照明能耗和空調(diào)能耗,因此,如何充分利用自然采光和自然通風(fēng)是體育館建筑節(jié)能設(shè)計的重點[1-2]。

采用主動式技術(shù)或被動式技術(shù)實現(xiàn)上述目的。主動式技術(shù)是指通過高技術(shù)手段和設(shè)備實現(xiàn)對自然資源的利用,例如光導(dǎo)管技術(shù)、通風(fēng)設(shè)備等,但主動式技術(shù)往往價格昂貴或需要消耗額外的電能;被動式技術(shù)是指通過環(huán)境規(guī)劃、建筑設(shè)計和技術(shù)分析等手段實現(xiàn)對自然資源的充分利用,降低室內(nèi)光、熱環(huán)境對機械設(shè)備的依賴程度。采用被動式建筑節(jié)能設(shè)計一方面可以實現(xiàn)節(jié)能,另一方面可以節(jié)省投資[3]。

該文以廣東藥學(xué)院多功能體育館為測試對象,闡述被動式建筑節(jié)能技術(shù)實施后的實際效果。

1 建筑概況

廣東藥學(xué)院多功能體育館位于廣州大學(xué)城廣東藥學(xué)院校區(qū)內(nèi),建筑面積14 500m2,固定坐席3 000人,活動坐席1 990人。體育館于2007年6月建成,并于同年8月承辦了全國大學(xué)生運動會。多功能體育館分為主館和附館2部分,如圖1所示[4-5]。

圖1 廣東藥學(xué)院多功能體育館

2 被動式建筑節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

2.1 自然通風(fēng)

體育館主館呈北高南低逐級跌落的形態(tài),如圖1所示,如此可強化正負風(fēng)壓區(qū)的對比,加強室內(nèi)的自然通風(fēng)[4-5]。通過CFD模擬獲得體育館主館表面風(fēng)壓分布[6-7],如圖2所示,可以看出,在廣州地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向下,主館迎風(fēng)面的南面和東面與背風(fēng)面的北面可以形成約3 Pa的壓差,為室內(nèi)自然通風(fēng)創(chuàng)造充足的動力。

圖2 主館外表面風(fēng)壓分布

在進出風(fēng)口的選擇方面,根據(jù)建筑表面風(fēng)壓模擬結(jié)果,在處于正壓區(qū)的南向立面和屋頂布置可開啟通風(fēng)窗,將風(fēng)引入室內(nèi)[8-9],如圖3所示。

圖3 體育館南立面通風(fēng)窗

出風(fēng)口在北立面的檐口下,出風(fēng)口選擇在傾斜屋頂?shù)母叨艘粋?cè),使熱空氣沿傾斜屋頂上升排出室外。主館內(nèi)自然通風(fēng)CFD模擬如圖4-5所示。

圖4 主館內(nèi)南-北剖面風(fēng)速分布

圖5 主館內(nèi)1.5 m高處風(fēng)速分布

從圖4-5可以看出,南立面上下2層外窗是主要進風(fēng)通道,窗口處風(fēng)速接近0.9 m/s,通風(fēng)窗口下部的座位區(qū)也可以獲得較為理想的自然通風(fēng),平均風(fēng)速達到0.5m/s,人員可以感受到空氣流動;而在下沉式比賽場地周圍沒有明顯的進風(fēng)通道,形成“盆地效應(yīng)”,該區(qū)域風(fēng)速相對較低,平均風(fēng)速低于0.2 m/s,人員幾乎感受不到空氣流動;在主館北部區(qū)域,由于場館進深過大,空氣流動動力不足,風(fēng)速衰減較為明顯,北部座位區(qū)平均風(fēng)速也不足0.2m/s,自然通風(fēng)效果不顯著。

2.2 自然采光

體育館東西立面設(shè)置條形采光窗,并在窗口設(shè)置向南旋轉(zhuǎn)30°的垂直遮陽板,如圖6所示。直射光線照射在垂直遮陽板板上,形成漫射光進入室內(nèi),一方面,增加室內(nèi)自然光照度,防止眩光產(chǎn)生,改善室內(nèi)的光環(huán)境;另一方面,阻擋了過量的太陽輻射熱進入室內(nèi),減少場館空調(diào)能耗[10]。

圖6 體育館東西采光窗和遮陽

東、西向采光窗上的垂直遮陽板傾斜角度根據(jù)廣州地區(qū)太陽運行軌跡而確定,廣州地區(qū)夏季的上午和下午時刻,太陽光線從偏北方向入射東、西立面,而在冬季相同時刻,太陽光線一般垂直或從偏南方向入射東、西立面,因此,將垂直遮陽板偏轉(zhuǎn)角度設(shè)計為向南傾斜30°有利于遮擋夏季過量太陽輻射,透過冬季適量太陽輻射。采用采光分析軟件模擬了有無垂直遮陽板室內(nèi)直射光分布情況,如圖7所示,可以看出夏季直射輻射幾乎全部被遮擋[11-13]。

圖7 東、西向采光窗有(上圖)無(下圖)遮陽板情況下6月21日下午17：00主館內(nèi)太陽陰影

2.3 種植屋面

在附館屋頂設(shè)計了覆土種植屋面,改善屋頂隔熱能力,降低屋面內(nèi)表面溫度[14-15],如圖8所示。

圖8 附館屋頂覆土種植屋面

3 實測結(jié)果

為了評價該體育館被動式節(jié)能設(shè)計的實際效果,在2008年7月24日-26日對體育館主館和附館進行了自然通風(fēng)、自然采光、室內(nèi)熱環(huán)境、室外熱環(huán)境以及附館屋頂隔熱測試。

3.1 自然通風(fēng)測試結(jié)果

在主館內(nèi)東、南、西和北4個區(qū)域進行風(fēng)速測量,測試結(jié)果如圖9所示。可以看出,主館內(nèi)東區(qū)、西區(qū)和南區(qū)風(fēng)速相對較高,而北區(qū)和比賽場地則基本處于靜風(fēng)狀態(tài)。測試期間,多為南風(fēng)或偏南風(fēng),南向外窗是主要的進風(fēng)口,而東、西向外窗可以作為主要的出風(fēng)口,偶爾也有空氣流入,而在場館北側(cè)區(qū)域盡管也有外窗開口但由于空氣流動路程太長,衰減較為嚴重,因此北側(cè)區(qū)域的空氣流速相對較低。而在比賽場地,空氣在場地內(nèi)較難流動,形成“盆地效應(yīng)”,造成這種下沉式的比賽場地幾乎無法有效利用自然通風(fēng)。

主館自然通風(fēng)測試結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致,表明傳統(tǒng)下沉式的體育館容易在比賽場地形成“盆地效應(yīng)”,造成場地通風(fēng)不暢,無法有效利用自然通風(fēng)改善此處熱舒適水平。

圖9 測試時間段主館內(nèi)不同區(qū)域風(fēng)速分布

3.2 自然采光測試結(jié)果

在主館比賽場地布置了7個照度測點,如圖10所示,選擇7月26日測試結(jié)果進行重點分析,如圖11所示。可以看出,7個測點自然光照度分布規(guī)律性明顯,上午時間段內(nèi),太陽位于東側(cè),造成東側(cè)測點1和6在上午時間段內(nèi)自然光照度明顯高于其他測點,而在下午時間段內(nèi),情況正好相反,西側(cè)測點3、4的自然光照度相對較高,中間測點 2、5和7則變化較為穩(wěn)定。

在自然光可利用時間段內(nèi)(9：00-17：00),7個測點的自然光照度均大于150 Lux,可以滿足體育館基本使用需要,此外,比賽場地的采光均勻度除在9：00為0.58,其他時刻均大于0.7,光線均勻性較好,可以避免在比賽場地產(chǎn)生眩光。

圖10 比賽場地自然光照度測點布置

圖11 比賽場地自然光照度測試結(jié)果

3.3 室內(nèi)熱環(huán)境測試結(jié)果

采用濕球黑球溫度(簡稱：WBGT)作為室內(nèi)熱環(huán)境測試對象,受儀器限制,重點測量了南側(cè)座位區(qū)的 WBGT指標(biāo),如圖12所示。

圖12 室內(nèi)熱環(huán)境WBGT測試結(jié)果

在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7243中對不同新陳代謝率的人員所處環(huán)境的WBGT限值進行了規(guī)定,觀眾在靜坐時新陳代謝率為58.2 W/m2,則WBGT上限值為32℃[16-17],而現(xiàn)場WBGT測試結(jié)果表明：測試時間段內(nèi),觀眾區(qū)WBGT指標(biāo)均小于32℃,處于熱安全范圍。

3.4 室外熱環(huán)境測試結(jié)果

體育館主館的屋頂挑出部分可以在地面形成陰影,對改善此處空間熱環(huán)境效果顯著,通過測試該局部遮陽空間與相鄰日照空間熱環(huán)境指標(biāo)WBGT,如圖13所示,遮陽空間的WBGT指標(biāo)相比日照空間WBGT指標(biāo)較低,測試時間段內(nèi)兩者最大相差6.2℃,平均相差2.9℃。說明建筑被動式節(jié)能設(shè)計除了可以改善室內(nèi)熱環(huán)境也可以改善建筑室外的空間熱環(huán)境。

圖13 室外熱環(huán)境WBGT指標(biāo)測試結(jié)果

3.5 種植屋面測試結(jié)果

采用熱紅外溫槍測試了主館和附館屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度,如圖14所示。

圖14 主館和附館屋頂內(nèi)表面溫度測試結(jié)果

主館屋頂為金屬屋頂,熱惰性較低,陽光照射下升溫較快,而附館屋頂為種植屋面,熱惰性較高,屋頂內(nèi)表面溫度變化較為平滑。主館屋頂內(nèi)表面溫度在14：00左右出現(xiàn)最高溫度,并且變化較為劇烈,而附館屋頂內(nèi)表面溫度相對較低,并且變化較為平滑,與主館相比最大溫差為7.3℃,種植屋面對降低屋頂內(nèi)表面溫度效果顯著。

針對主館金屬屋面溫度過高的問題,可以考慮在屋頂外表面噴涂熱反射隔熱涂料,該涂料具有較低的太陽輻射吸收率,有效減少屋面吸收的太陽輻射熱,有報道表明,噴涂熱反射隔熱涂料的屋面與普通屋面相比,外表面溫度最大相差19℃,內(nèi)表面溫度最大相差10℃,降溫效果明顯[18]。

4 結(jié) 論

對體育館的實測結(jié)果表明：

1)作為主要進、出風(fēng)口的東、南和西窗附近區(qū)域風(fēng)速較大,平均風(fēng)速分別為0.31 m/s、0.40 m/s和0.60 m/s,而北窗附近平均風(fēng)速為0.06 m/s,比賽區(qū)域由于“盆地效應(yīng)”,平均風(fēng)速只有0.07 m/s。

2)在自然光可利用時間段內(nèi)(9：00-17：00),主館內(nèi)7個測點的自然光照度均大于150 Lux,可以滿足體育館基本使用需要,此外,比賽場地的采光均勻度除在9：00為0.58,其他時刻均大于 0.7,光線均勻性較好,可以避免在比賽場地產(chǎn)生眩光。

3)室內(nèi)熱環(huán)境評價指標(biāo)WBGT在測試期間均低于人員熱安全限值32℃,處于熱安全范圍。

4)南向屋頂挑檐設(shè)計形成局部遮陽空間,遮陽空間的WBGT指標(biāo)相比日照空間WBGT指標(biāo)較低,測試時間段內(nèi)兩者最大相差6.2℃,平均相差2.9℃,屋頂挑檐改善室外空間熱環(huán)境效果顯著。

5)覆土屋面對降低屋頂內(nèi)表面溫度效果顯著,附館覆土屋面內(nèi)表面溫度與主館金屬屋頂內(nèi)表面溫度最大相差7.3℃。

在體育館建筑的設(shè)計過程中,考慮多種形式的被動式節(jié)能技術(shù),例如,在建筑的主要迎風(fēng)面和背風(fēng)面設(shè)置開口,以充分利用自然通風(fēng),減少空調(diào)設(shè)備的開啟時間;在建筑外立面上合理開窗并科學(xué)設(shè)計遮陽構(gòu)件,以充分利用自然采光,同時遮擋直射光,防止眩光產(chǎn)生;圍護結(jié)構(gòu)材料選擇過程中,除需考慮傳熱系數(shù)外,還應(yīng)考慮材料熱惰性指標(biāo),以減少內(nèi)表面溫度波動,降低屋面冷熱輻射對人員熱舒適的不利影響。

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