趙玉芬 楊 柳 張同偉

（1 西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安710055；2 佳木斯大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007）

建筑行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱之一，它不但滿足了城市化進(jìn)程中人口急劇增長對住房的需求，同時也提供了更多的就業(yè)機(jī)會。然而，建筑產(chǎn)業(yè)由于其巨大的能耗也對人們所居住的環(huán)境產(chǎn)生了很多負(fù)面影響，成為能耗大戶并對生態(tài)環(huán)境造成了一定的破壞。因此，建筑設(shè)計不僅僅要考慮到造型、功能和審美等因素，也需要具有可持續(xù)發(fā)展性。在方案設(shè)計階段就應(yīng)將采光、采暖、遮陽和風(fēng)等相關(guān)因素考慮其中，使建筑成為當(dāng)今社會所提倡的“生態(tài)建筑”。

生態(tài)建筑的設(shè)計就是要根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)和地理特征來進(jìn)行設(shè)計，為了對生態(tài)建筑提供有力的依據(jù)，降低建筑能耗，一系列的能耗模擬軟件應(yīng)運(yùn)而生。Weather tool是英國Square One公司開發(fā)的生態(tài)建筑設(shè)計軟件Ecotect的子軟件，它可將氣象數(shù)據(jù)的數(shù)字信息用圖表的可視化方式表達(dá)出來，幫助建筑師直觀的認(rèn)識建筑所在地的氣象資料。

1 Weather tool 簡介

在建筑方案設(shè)計初期階段，當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)是建筑節(jié)能設(shè)計的一項(xiàng)重要指標(biāo)。Weather tool中包含了大部分經(jīng)常使用到的逐時氣象參數(shù)，如溫度、相對濕度、太陽輻射數(shù)據(jù)、風(fēng)速及風(fēng)向等。它可以對某地的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，可為建筑師進(jìn)行被動式設(shè)計提供有力的設(shè)計依據(jù)，從而使設(shè)計的建筑不但可以滿足人體熱舒適的需求，并且可以達(dá)到節(jié)能的目的。[1]

通過Weather tool分析氣象數(shù)據(jù)可以直觀的認(rèn)識建筑所在地的氣象資料。焓濕圖可以讓設(shè)計師了解當(dāng)?shù)氐谋粍邮教柲懿膳⒁归g通風(fēng)、直接和間接蒸發(fā)降溫、蓄熱材料等的使用時間及降溫或采暖的潛力，以及全年干、濕、冷、熱的具體情況；通過日軌分析，可以知道當(dāng)?shù)厝甑奶栞椛淞康姆植技按笮?，結(jié)合風(fēng)可以確定出建筑的最佳朝向；它也可以分析并且編輯制作逐時氣象數(shù)據(jù)。

2 工具軟件中的數(shù)據(jù)

我國四個典型氣象年的數(shù)據(jù)主要有：郎四維與美國勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室于2002年合作研究并建立了我國26個城市的典型氣象年逐時氣象資料；張晴原等人于2004年出版的《中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫》，包含了57個主要城市的標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)日氣象數(shù)據(jù)以及不保證率氣象數(shù)據(jù)；中國氣象信息中心氣象資料室與清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系于2005年研究并開發(fā)了《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，它收集了我國270個地面氣象站臺自1971年到2003年的實(shí)測氣象數(shù)據(jù)；西安建筑科技大學(xué)與香港城市大學(xué)共同合作的重大國際合作項(xiàng)目“建筑節(jié)能的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究”開發(fā)并研究了我國建筑節(jié)能用的氣象資料，它包括我國地面194個站臺自1971年到2000年共30年的氣象數(shù)據(jù)。

Weather tool可以讀取并轉(zhuǎn)換包括TMY、TMY2、TRY和DAT等在內(nèi)的一列常用氣象數(shù)據(jù)格式，使用擴(kuò)展名為“wea”的氣象數(shù)據(jù)記錄文件。其中常用的數(shù)據(jù)主要有CSWD、CTYW、SWERA和IWEC等，其具體信息如表1。

表1 常用的典型氣象年數(shù)據(jù)[7]

其中IWEC的部分輻射和云量數(shù)據(jù)是通過計算得到的，太陽輻射的直散分離模型使用Perez模型[2]-[3]；SWERA更偏重于太陽能和風(fēng)的數(shù)據(jù)，對做太陽輻射量的計算比較適用，其太陽輻射模型采用METSTAT模型來進(jìn)行間隔補(bǔ)充[4]-[5]。

3 工具軟件的氣候分析方法

Weather tool的氣候分析方法主要有焓濕圖分析、日軌分析、風(fēng)分析及逐時、逐周和逐月的數(shù)據(jù)（溫度、濕度、風(fēng)速、太陽輻射及云量等）分析。

3.1 焓濕圖分析

焓濕圖（Psychrometric Chart）是氣象數(shù)據(jù)分析的重要依據(jù)。如圖1所示。

圖1 北京地區(qū)焓濕圖中熱舒適性區(qū)域示意圖

上圖為累積頻率顯示，假設(shè)人的活動程度為靜坐。其中的橫坐標(biāo)代表干球溫度（℃），縱坐標(biāo)代表絕對濕度（g/kg），同時縱坐標(biāo)也可以根據(jù)需要變換成水蒸氣分壓力（Pa），向左側(cè)傾斜的實(shí)線代表空氣容重（m3/kg），向左側(cè)傾斜且斜率不一樣的虛線代表濕球溫度（℃），弧線代表相對濕度（%），圖中的封閉區(qū)域代表舒適區(qū)間，深色區(qū)域代表逐日空氣狀態(tài)點(diǎn)的頻率。室內(nèi)的空氣溫度、空氣濕度、氣流速度以及環(huán)境輻射溫度是構(gòu)成室內(nèi)熱濕環(huán)境的重要因素[6]，影響著人的健康和身體的舒適度。Weather tool是假定平均輻射溫度接近空氣溫度，并且氣流速度在舒適范圍內(nèi)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，進(jìn)而在焓濕圖上確定出舒適區(qū)。

焓濕圖還可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)確定出建筑被動式設(shè)計的采暖或降溫潛力（如圖2）。

圖2 焓濕圖中的被動式設(shè)計分析

圖中的深色區(qū)域代表使用被動式策略之后的采暖或降溫潛力，淺色區(qū)域代表使用被動式設(shè)計策略之前的采暖或降溫潛力，這些設(shè)計策略包括使用高熱容材料、夜間通風(fēng)、被動式太陽能采暖、自然通風(fēng)、直接蒸發(fā)降溫和間接蒸發(fā)降溫。

通過模擬分析可以得出北京地區(qū)利用高熱容材料效果比較明顯的月份在4、5、6、8、9、10月份，其中5月和9月效果最為明顯。4、5、6、8、9、10月份利用夜間通風(fēng)進(jìn)行降溫效果顯著。在被動式太陽能采暖方面，與利用太陽能之前相比，3、4月份和10、11月份的被動式太陽能采暖發(fā)揮的作用最大，效果很明顯。利用自然通風(fēng)最好的月份為5、6、7、8、9月份。直接蒸發(fā)降溫雖然不如其他被動式策略那么顯著，但也有一定的降溫效果，其中4、5、6、8、9月份的使用效果相對較明顯。間接蒸發(fā)降溫在4、5、6、7、8、9月份的降溫效果顯著，其中6月份的利用價值最大。

通過利用焓濕圖來分析當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，建筑師可以很直觀的了解到在具體月份應(yīng)該用什么樣的被動式策略，讓建筑在少用甚至不用機(jī)械手段的情況下，使建筑滿足室內(nèi)人體的生理和心理需求，從而為建筑的被動式設(shè)計提供了有利的幫助。

3.2 日軌分析

Weather tool中的太陽輻射是通過尺標(biāo)來調(diào)節(jié)各個朝向的，從而得出不同朝向上的輻射量。圖3中的輻射時間選擇的是4月1日中午12點(diǎn)。左上角的89.0°代表北偏東89°。深色區(qū)域（原圖為紅色）為過熱時間段，淺色區(qū)域（原圖為藍(lán)色）為過冷時間段，深色曲線為在該方向上的太陽直射輻射平均值。通過Weather tool的分析可以了解到，北京地區(qū)的最熱月份為6、7、8月，最冷月份為12、1、2月份，太陽輻射量在700-2100kw·h/㎡之間波動，據(jù)此可提出在不同季節(jié)和不同朝向上應(yīng)利用或者控制太陽輻射的措施。

圖3 北京地區(qū)4月1日正午的太陽輻射分析

圖4為該地區(qū)的最佳朝向分析圖，通過分析可以知道最佳朝向?yàn)楸逼珫|162.5°，最差的朝向?yàn)楸逼珫|72.5°。在建筑方案初期階段，可將建筑的朝向設(shè)計在北偏東162.5°左右，這樣可使建筑的采光及日照能達(dá)到最佳的效果，在采暖季可充分利用太陽能，并且在炎熱季節(jié)可避免過多的太陽輻射通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)。

圖4 北京地區(qū)最佳朝向分析

3.3 風(fēng)分析

Weather tool中的風(fēng)分析可以根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)確定出全年及逐月的風(fēng)玫瑰圖。年風(fēng)玫瑰圖可幫助建筑師確定當(dāng)?shù)厝甑闹鲗?dǎo)風(fēng)向、風(fēng)速及主導(dǎo)風(fēng)向的頻率。逐月玫瑰圖有助于建筑師了解到每個月的主導(dǎo)風(fēng)向、風(fēng)速及頻率。如圖5、圖6所示。

圖5 北京地區(qū)全年風(fēng)玫瑰圖

圖6 北京地區(qū)全年逐月風(fēng)玫瑰圖

圖5中的圓內(nèi)顏色的深淺代表了風(fēng)的頻率，顏色越深，說明風(fēng)的頻率越高（在圖片經(jīng)過處理前顏色所代表的頻率剛好相反），圓坐標(biāo)代表風(fēng)向，縱坐標(biāo)代表風(fēng)速。從圖中可以看出北京地區(qū)全年風(fēng)的頻率及各朝向上的風(fēng)速相對較均勻。只是縱觀12個月份來看，夏季的風(fēng)速相對較小，春、秋、冬季的風(fēng)速較大。

4 結(jié)語

本文利用Weather tool軟件，結(jié)合北京地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，確定出北京地區(qū)的焓濕圖、太陽輻射狀況及風(fēng)頻率情況，可以為建筑的被動式設(shè)計策略的選擇提供依據(jù)。

通過幾種氣象數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)在北京地區(qū)墻體使用蓄熱材料、夜間通風(fēng)、被動式太陽能采暖、自然通風(fēng)和間接蒸發(fā)降溫的被動式設(shè)計策略比較有效。綜合考慮全年的太陽輻射和風(fēng)可發(fā)現(xiàn)南向冬季的太陽輻射量比夏季太陽輻射量大，最佳朝向?yàn)楸逼珫|162.5°（即南偏東17.5°），同時建筑的布局也應(yīng)注意夏季導(dǎo)風(fēng)入室，避免冬季寒風(fēng)侵襲。

[1] 中國氣象局，清華大學(xué).中國建筑熱工環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005

[2]Kasten F，Golchert H J，Stolley M.Parameterization of radiation fluxes as function of solar elevation，cloudiness and turbidity[C]//Solar Radiation Data，Brussels，1983:108-114

[3]Kasten F，Czeplak G.Solar and terrestrial radiation dependent on the amount and type of cloud [J].Solar Energy，1980,24（2）：177-189

[4]Maxwell E L.METSTAT—the solar radiation model used in the production of the national solar radiation data base（NSRDB） [J]. Solar Energy，12998,62（4）：263-279

[5]Rigollier C，Bauer O，Wald L.On the clear sky model of the 4th European Solar Radiation Atlas with respect to the Heliosat method[J].Solar Energy，2000,68（1）：33-48

[6]劉加平.建筑物理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009:2

[7]沈紹華，譚洪衛(wèi).上海地區(qū)建筑能耗計算用典型氣象數(shù)據(jù)的研究[J].暖通空調(diào)，2010,40（1）：89-94