2013.6  South Architecture / 南方建筑 / Government Founded Researches  纵向基金资助研究课题
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摘要　以较低的能耗获得良好的室内热舒适环境是建筑设计的目的之一。本文结合武汉建设大厦综合改造的设计实践，根据武汉市气候特征，提出基于建筑气候适应性的被动式设计策略，进而利用CFD、PKPM模拟等方法评定建筑气候适应性设计策略的效果，探索一套基于计算机分析模拟技术的实践性较强的气候适应性设计方法及结合气候的建筑设计策略，为建筑师在今后方案设计阶段提供一些经验支持。
关键词　结合气候的建筑设计；计算机模拟；自然通风；隔热表皮
ABSTRACT  Lower energy consumption with better interior thermal comfort is an 夏热冬冷地区既有建筑改造的气候适应性设计策略*
——以武汉建设大厦综合改建设计项目为例
The Strategy of  Climate Adapt Design of  the Existing Building: a Case Study of  the WUHAN JIANSHE DASHA Comprehensive Reconstruction
甘月朗1　彭 波2　李保峰3　陈 宏4　
Gan Yuelang  Peng Bo  Li Baofeng  Chen Hong
important goal of design. The paper takes the practical of WUHAN JIANSHE DASHE comprehensive reconstruction project as example, to raise a climate adapt design methodology according to the local climate characters. It also suggests a CFD and PKPM simulation to evaluate the effects of the design to explore a practical strategy for future design projects.
KEY WORDS  Climate adapt design; computer simulation; natural ventilation;  isolate skin
*教育部博士点基金资助项目：长江中下游大中城市的中心区微气候调节机理及设计策略研究，项目编号：20100142110040；“十二五”国家支撑计划项目：低成本、低能耗建筑节能关键技术集成研究与示范，项目编号：2011BAJ03B03。中图分类号　TU111.4+9文献标识码　Ａ
DOI ：10.3969/j.issn.1000-0232.2013.06.043文章编号　1000-0232(2013)06-0043-03
作者简介　1硕士研究生；3&4教授；1&3&4华中科技大学建筑与城市规划学院（武汉，430074）；2武汉市建筑节能办公室，教授级高级工程师（武汉，430023）
1 引言
环境设计随着时代的进步，科技的发展，大量的既有建筑已经无法适应新的使用要求，其中一部分可以作为既有建筑直接进行绿改造。武汉建设大厦是中南地区第一个经过既有建筑改造获得“绿建筑三星”标识的办公建筑，为既有建筑的绿改造提供了一个有益的范例。
与新建建筑有所不同的是，既有建筑的绿改造，在选用绿技术方面会受到一定的限制，这在另一个层面，对选用绿技术的适宜性提出了较高的要求。本文依据夏热冬冷地区特有的气候状况，探索基于计算机模拟与分析技术，结合当地气候特征的建筑设计方法，有效分析建筑与室内外气候环境之间的关系，经过反复比较和甄选，提出了一套有别于新建绿建筑的技术措施。实践了以被动优先、主动优化为原则的绿建筑理念，为低成本、常规技术的绿建筑创作做出了有益的尝试。
2 研究方法
2.1结合气候的建筑设计过程
结合气候的建筑设计过程是一个动态的设计过程，主要包括当地气候数据的分析、选择适宜技术形成设计方案和方案的热舒适性及能耗评估等三个主要的部分：（1）气候数据分析指对建筑项目所在地气候数据进行统计分析，以一些直观方式，定性化地说明该地气候特征，有针对性地提出被动式设计策略，例如被动式太阳能采暖、自然通风、隔热表皮与夜间通风等；（2）选择适宜技术是指通过焓湿图或者其他方式，对上述策略进行定量化分析并选择适宜的技术方向；（3）方案的热舒适性及能耗评估
是指在建筑方案和具体的细部做法确定以后，通过模拟方法进行热舒适性及建筑能耗评估。最后，将评价结果欠佳的方案再次回到建筑技术措施设计阶段，调整设计方案，直到获得满意方案。2.2分析方法与工具
2.2.1气象数据分析方法与工具
本文利用Autodesk Analysis Ecotect 生态建筑大师中的Weather Tool 工具，对武汉地区的气象数据进行准确分析，在焓湿图上绘制出热舒适区域。可以将这个区域看做建筑热环境设计的具体目标，通过建筑设计中一些具体措施可以改变环境因素来缩小室外气候偏离室内热舒适的程度。Weather Tool 采用与Givoni 法类似的方法，通过自动判定把被动式太阳能采暖、自然通风、隔热表皮与夜间通风、蒸发降温等6种被动式的策略可以扩大的舒适范围标于焓湿图上。
随后运用Weather Tool 将不同建筑气候设计策略所得到的热舒适区域面积与全年逐时温湿度状态点所在区域面积全年进行统计，得出不同策略下的舒适区域面积百分比。具体计算方法如下：
舒适区域面积百分比=（舒适区面积/全年逐时温度状态点所在区域面积）×100%（1）
不同策略下的舒适区域面积百分比则将作为建筑气候设计策略选择的一个重要指标。
纵向基金资助研究课题 Government Founded Researches  / 南方建筑 / South Architecture  2013.6
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2.2.2 结合气候的建筑设计策略定量化评价方法
在实际应用中，针对结合气候的建筑设计策略的定量化评价方法较多，可以大致归结为建筑能耗模拟
、自然光环境模拟、风环境模拟、热辐射耦合模拟等等。本文则根据案例项目的实际情况，选择PKPM 能耗模拟软件对不同工况进行能耗模拟，并选择最合适的被动式策略作为实施方案。
3 案例研究3.1案例概况
武汉建设大厦于武汉市江汉区常青路与振兴路交汇处，占地面积6360m 2，总建筑面积25318m 2，地上五层，地下一层，一二楼之间局部含有夹层。该建筑始建于上世纪90年代中期，原设计为大型商场，项目建成后闲
置了一段时间即改造为军事博物馆，此后三江航天集团购买该楼用于办公，2008年后再次闲置。2011年武汉市城乡建设委员会决定租赁该楼，实施综合改造工程成为建委机关的办公用房。通过对既有建筑的绿改造，武汉建设大厦获得绿建筑三星设计标识。3.2案例项目建筑气候设计过程3.2.1气象数据分析结果
根据上述方法，运用Weather Tool 工具将武汉地区的气象焓湿图与舒适区域面积百
分比统计如下：
从图中我们可以看出：
（1）在冬季（12 月、1 月、2 月），几种被动式策略舒适性区域百分比几乎为零。由此推断在武汉地区在冬季仅仅采用被动式策略是无法保证室内的热舒适性，而需要借助于采暖设备等主动式设计策略来满足室内
1 建筑气候设计过程简图
（1）被动式太阳能采暖
（2）隔热表皮
（3）隔热表皮+夜间通风
（4）自然通风
（5）间接蒸发降温
（6）直接蒸发降温
4 被动式策略舒适性区域百分比的比较分析
2 武汉地区自然状态下舒适区域示意图
3 被动式策略对于舒适区域范围影响示意图
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热舒适性的要求。
（2）在夏季（6月、7 月、8 月），自然通风的热舒适性百分比夏季三个月的平均值在20％左右，无自然通风时热舒适性百分比基本为零，其余方案热舒适百分比较小可忽略不计。由此推断武汉地区在此期间需要借助空调制冷等主动式策略，以保证室内的热舒适性。
（3）在过渡季节，自然通风与隔热表皮是比较有效的被动式设计策略。当采用自然通风的设计策略时，在5 月份，室内热舒适性百分比增加了33%；在9 月份，室内热舒适性百分比增加了32.5%。当采用隔热表皮的设计策略时，在4月份，室内热舒适性百分比增加了25%，在5月份，室内热舒适性百分比增加了25%，在9月份，室内热舒适
性百分比增加了27%，在10月份，室内热舒适性百分比增加了28%。
3.2.2绿设计策略、评价及确定过程
通过对比分析，确定在武汉地区，采用隔热表皮和自然通风为有效的技术手段，可有效提高室内热舒适性，降低空调能耗。本项目中结合自然通风与隔热表皮等2种被动式设计策略设定五个能耗模拟方案，根据计算结果决定是否需要继续调整设计方案。
（1）从工况2与工况1的对比中可以看出，由于空调使用面积大幅减少及自然通风作用，与工况1相比，节能12％；自然通风作用使得单位面积空调能耗降低2.83kWh，但是中庭改造后，体型系数增加，使得单位采暖能耗上升1.71kWh。
（2）从工况3与工况2的对比中可以看
出，隔热表皮的使用对于建筑能耗的影响十分显著，与工况2相比，节能14.3％；其对于空调能耗的降
低贡献较大，为15.25kWh。
（3）从工况4与工况2的对比中可以看出，深窗遮阳系数的使用对于建筑能耗也有一定影响，与工况2相比，节能5.0％；其对于空调能耗的降低贡献较大，为6.68kWh，
但是由于房间接受的太阳辐射减少，使得采
暖能耗略微上升0.4kWh。
（4）从工况5与工况1的对比中可以看出，为达到更好的节能效果，将所有被动式策略综合使用，与工况1相比，节能28.7％，且有较高的实践性，可以作为最终实施方案。
4 总结
本文以一个获得绿建筑3星标识的建筑为例，探索计算机时代结合气候的设计方法。首先，运用Weather Tool 等气象数据分析软件，对适宜的被动式技术进行选择。其次，将适宜技术与建筑设计相融合，最后运用PKPM 等定量模拟软件，对适宜技术的可能效果进行准确预测，根据定量分析结果进行动态调整以取得最佳设计方案。这种基于计算机分析与模拟的设计流程，实践性较强，为建筑师今后的设计提供了一种新的思路。
图表来源
本文图表均为甘月朗绘制。参考文献：
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质量监督检验检疫总局编．《绿建筑评价标准》GB/T50378-2006.中国建筑工业出版社，2006．[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部编．《中华人民共和国行业标准（JGJ/T 229-2010・备案号J 1125-2010）：民用建筑绿设计规范》.中国建筑工业出版社， 2011．
[3] 马京涛，袁朵．绿办公建筑创作研究——以南京某绿建大厦为例[J]．生态城市与绿建筑，2011（01）．
[4] 赵凤山，聂梅生，张雪舟，钟静．绿低碳住区的节能优化[J]．生态城市与绿建筑，2011（01）．
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[6] 林波荣，李紫微．气候适应型绿公共建筑环境性能优化设计策略研究 [J]．南方建筑，2013（03）．
工况基本情况工况1
基本工况
工况2
中庭自然通风方案通
过将玻璃穹顶下部开敞，将室内空间变为室外空间，减少空调区域的容积，促进了室内自然通风，减少空调能耗
工况3
中庭自然通风方案+隔热表皮
在工况2的基础上，增加隔热表皮，降低太阳辐射对室内热环境的影响，减少空调能耗工况4
中庭自然通风方案+深窗遮阳
在工况2的基础上，进行外窗遮阳设计，降低太阳辐射对室内热环境的影响，减少空调能耗
工况5
中庭自然通风方案+深窗遮阳+隔热表皮综合工况2、3、4
单位（kWh）
工况1
工况2
工况3
工况4
工况5
空调耗电量18568461584903124211814347521145014采暖耗电量13702281254930119176812639211154904总计
32270742839833243388526986732299918
单位（kWh/m 2
）
工况1工况2工况3工况4工况5空调耗电量73.3470.5155.2664.8350.94采暖耗电量54.1255.8353.0256.2351.38总计
127.46
126.34
108.28
120.06
102.32
表 1 工况设定
表 2 建筑物总能耗统计
表 3 单位建筑面积能耗统计
5 建筑物总能耗统计
6 单位建筑面积能耗统计