太阳辐射影响下西安城市住区峡谷组团户外场地热过程实态分析

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我国现行的住区设计规范要求每户住宅至少有一个居室的窗户在冬至日或大寒日有日照,但目前暂无住区户外场地日照条件的规定。本文在此基础上,基于太阳辐射视角,研究如何设计出使人感到小气候舒适的户外活动场地。文章从人体热舒适的角度入手,假定人体处于相同活动状态且室外无风的前提,将人体热舒适影响要素拆解为两项——太阳辐射项与气温项。就太阳辐射项而言,人体接收太阳辐射的控制参数包括太阳照射人体的时段和人体所处在直射或是阴影状态两部分。找出人需要直射或遮荫的时段范围,对应到住区里进行日照分析,得到冬夏季户外活动场地选址范围,满足人在户外活动场地对辐射或遮荫的需求。据此得出人体的太阳辐射设计控制点,包括住区户外场地几何形态和人体可接受的太阳直射辐射的时段两部分。就气温项的控制参数而言,包括到达户外场地界面的太阳辐射剂量和工作面吸收辐射的能力与热释放速率。到达户外场地界面的太阳辐射剂量,在住区环境中受住区建筑形体、建筑高度和布局方式的影响;界面吸收辐射的能力、热释放速率与界面材料的热物理参数相关。因此对气温项的设计控制点包含住区户外场地形态与工作面物理属性。故本文对如何设计出使人感到小气候舒适的户外活动场地这一问题,认为有三个设计控制点,即户外场地几何形态、人体需要太阳照射的时段和场地热过程类型与工作面材质物理属性。通过这三个设计控制点,能够在提高户外活动场地的气候适宜性。设计人员在运用时,可按以下顺序进行设计工作:首先获取住区组团户外活动场地的设计任务时,将住区组团空间按类型进行划分,其次按照能够提供有效的太阳辐射时段和有效的阴影遮挡时段,对组团进行日照分析,找出冬季和夏季户外场地布置的位置,最后依据热过程类型及材料的物理属性参数,从而形成小气候适应性的设计方法。按照上述分析,本文首先采用分层抽样调研的方法对西安城市住区进行调研,按照设计规范与经济原则,结合各个住区日照分析,建立起能够代表西安城市住区户外场地形态的组团模型;然后对调研住区进行日照分析,得到住区户外场地热过程模式类型,并对其中的板式多层峡谷组团代表——建大南院住区展开冬夏季实测,对冬夏季主要工作面进行分析与论证,将影响界面与空气热交换的速率和强度,与材质物理属性进行比较关联,形成对户外活动场地热过程的选择以及场地材质的设计指导。最后利用小气候课题组近三年体感舒适记录与太阳直射辐射进行关联,找出体感舒适的太阳直射辐射值域,对应到西安地区冬夏季,建立有效阴影与有效辐射的时段,从而辅助设计人员找到合理的户外活动场地布置位置。依据上述研究内容,本文得到以下三条结论:1)西安城市住区组团,按照户外场地形态可划分为板式多层峡谷组团、板式小高层峡谷组团、板式高层峡谷组团、点式高层东西向峰谷组团、点式高层南北向峰谷组团和点式高层等距峰谷组团。2)户外场地热过程的模式可以分为墙面加热模式、地面加热模式和阴影模式。地面加热模式在夏季起主导作用,墙面加热模式在冬季起主导作用。工作面材质的吸收率和蓄热系数对材质输入空气热量速率有很大影响,工作面加热空气的方式对1.5米高度处气温有一定程度影响。3)西安地区人体体感舒适的太阳直射辐射区间约在38.2-249W/m~2之间,换算得到夏季的有效遮荫时间开始9点-10点之间,冬季有效太阳辐射在10点之后。
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