嶺南特色建筑設(shè)計手法熱環(huán)境營造效果實測研究

羅賜麟，周 荃，黃志鋒

（1、廣州市氣象局 廣州511430；2、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州510500）

0 前言

五嶺以南地區(qū)——嶺南［1］為熱帶、亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候［2］，具有“濕、熱、風(fēng)、雨”等顯著的氣候特點，建筑師們將現(xiàn)代建筑思想與嶺南地區(qū)特色相結(jié)合，運用適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻恼陉?、隔熱、通風(fēng)等技術(shù)性措施，形成了獨特的嶺南建筑設(shè)計手法［3，4］，其特色可總結(jié)為：開敞通透的平面和空間布局、輕巧的外觀造型、明朗淡雅的色彩和建筑結(jié)合自然的環(huán)境布置［5］。嶺南建筑依靠“冷巷、天井、敞廳、庭院”這一空間體系，利用風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)的原理，實現(xiàn)了文化的表達和氣候的適應(yīng)性技術(shù)［2］。

目前有許多學(xué)者針對嶺南建筑的實際熱環(huán)境質(zhì)量進行了研究，謝浩［6］從理論上解釋了規(guī)劃布局、冷巷、天井等措施如何實現(xiàn)降低室內(nèi)溫度、提高熱舒適性的目的。周孝清等人［7］、曾志輝［8］通過實測驗證了在嶺南民居中通過自然通風(fēng)和遮陽能極大改善室內(nèi)熱舒適性。黃艷山等人［9］對嶺南傳統(tǒng)建筑的冷巷進行了實測和模擬，證明了冷巷具有增強自然通風(fēng)、優(yōu)化室內(nèi)熱環(huán)境的效果。曾志輝［10］在對嶺南民居天井的實測中發(fā)現(xiàn)天井雖然會使室內(nèi)氣溫略微升高，但自然通風(fēng)得到了較大的強化，總體熱舒適性明顯提高。

上述研究大部分集中在傳統(tǒng)民居上，而嶺南特色設(shè)計手法對辦公建筑熱環(huán)境影響的研究較少，尤其在實測方面，更是少之又少。本文以采用了嶺南特色設(shè)計手法的廣州市某辦公建筑為研究對象，對建筑公共區(qū)域的溫度、濕度、風(fēng)速和室內(nèi)人員主觀評價等參數(shù)進行實測和調(diào)查，通過對熱環(huán)境質(zhì)量的分析，對嶺南特色建筑設(shè)計手法的熱環(huán)境營造效果進行評價。

1 項目介紹

本文的研究對象為廣州市某辦公建筑，項目規(guī)劃用地面積54 000 m2，建筑面積13 864 m2，綠化率達到67%。本項目運用敞廳、天井、冷巷以及庭院的嶺南特色建筑設(shè)計手法，營造出靜逸、舒適的富于文化韻味的建筑環(huán)境，以低成本的建筑處理手法達到節(jié)能、生態(tài)、環(huán)保的設(shè)計目的。

1.1 敞廳

建筑入口門廳借鑒嶺南傳統(tǒng)建筑中敞廳的做法，結(jié)合觀景魚池，蔓延而下的草坡，將自然之景觀納入建筑內(nèi)，如圖1所示。

1.2 天井

中庭借鑒嶺南傳統(tǒng)建筑的天井手法，達到拔風(fēng)、自然采光的節(jié)能目的，如圖2所示。

1.3 冷巷

圖1 敞廳設(shè)計實景Fig.1 The Real Scene of the Open Hall Design

圖2 天井設(shè)計實景Fig.2 The Real Scene of the Patio Design

冷巷空間將室外環(huán)境與內(nèi)部的敞廳聯(lián)系起來，將冷卻的空氣置換到室內(nèi)，并誘導(dǎo)通風(fēng)。并與庭院相結(jié)合，為庭院空間提供舒適的通風(fēng)感受，實現(xiàn)室內(nèi)外環(huán)境的相互交融，如圖3所示。

圖3 冷巷設(shè)計實景及與庭院空間的結(jié)合設(shè)計Fig.3 The Real Scene of the Cold Alley Design and The Combined Design of Cold Alley and Courtyard Space

1.4 地下室的自然采光通風(fēng)

利用下沉式的庭院及天井，使地下室獲得良好的采光通風(fēng)及舒適性。如圖4所示。

1.5 公共區(qū)域自然通風(fēng)

在公共區(qū)域不設(shè)置空調(diào)，采用被動式手法充分利用自然通風(fēng)，有效減少空調(diào)能耗，具有積極的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

2 熱環(huán)境質(zhì)量客觀實測分析

2.1 測試方案

為了評價嶺南建筑特色設(shè)計手法的熱環(huán)境營造效果，選擇在夏季這個高溫時節(jié)對建筑中使用了天井、冷巷、敞廳等設(shè)計手法的公共區(qū)域進行熱環(huán)境質(zhì)量測試，主要通過測量公共區(qū)域的風(fēng)速，以及公共區(qū)域與室外的溫度和濕度，對比兩者之間的差異，體現(xiàn)上述特色設(shè)計手法在降低室內(nèi)溫度、提高熱舒適性方面的效果。根據(jù)辦公建筑的使用特點，確定每天的測試時間為9：00～17：00，測試時間持續(xù)2 個月，并從中挑選天氣炎熱、陽光普照的3 個典型日的測試數(shù)據(jù)進行詳細的熱環(huán)境質(zhì)量分析。

根據(jù)本項目的天井、冷巷、敞廳等區(qū)域的設(shè)計分布，選取4 個較有代表性的測點進行溫、濕度測試，分別為：①2 號樓大堂入口處（測點1）；②2 號樓2 樓天井處（測點2）；③3 號樓2 樓預(yù)警大廳門口（測點3）；④3號樓3樓數(shù)據(jù)中心門口（測點4）。另外，選取2號樓和3號樓之間的室外綠地作為室外溫、濕度測點，用于對比室內(nèi)外熱環(huán)境差異，如圖5所示。

室內(nèi)外溫、濕度的測試采用溫濕度自記儀（見圖6a）進行連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)間隔為10 min，監(jiān)測設(shè)備經(jīng)華南國家計量測試中心廣東省計量科學(xué)研究院校準，溫度測量精度為±0.5℃，濕度測量精度為±3%RH。

風(fēng)速的測量采用某MI6401 環(huán)境質(zhì)量綜合測試儀，測試數(shù)據(jù)時間間隔為20 min，該設(shè)備在0.1～0.9 m/s風(fēng)速量程內(nèi)的測量精度為±（0.05 m/s+5%讀數(shù)）。如圖6所示。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 溫度分析

圖7 顯示了3 個典型日的室內(nèi)外溫度監(jiān)測結(jié)果。從圖7 中可見，4 個室內(nèi)測點的溫度比較接近，均在29～33℃左右，在測試時間內(nèi)呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，且變化趨勢較為平穩(wěn)，這對于炎炎夏日下的建筑室內(nèi)非空調(diào)區(qū)來說，已經(jīng)屬于比較舒適的溫度狀況。

相對于室內(nèi)溫度，室外測點的溫度變化明顯劇烈很多，而且室內(nèi)外溫差較大，普遍在4℃以上，大部分時間溫差范圍在6～10℃。可見，天井、冷巷、敞廳等嶺南特色建筑設(shè)計手法在阻隔室外熱量、降低室內(nèi)溫度方面具有優(yōu)秀的性能，室內(nèi)外之間5℃以上的溫差也能保證夏季辦公人員從室外空間進入室內(nèi)空間的舒適性，而且由于不需要空調(diào)系統(tǒng)的介入，其節(jié)能效果十分明顯。

圖4 地下車庫采光通風(fēng)井Fig.4 Lighting and Ventilation Shaft of Underground Garage

圖5 測點示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Measuring Points

圖6 測試設(shè)備及現(xiàn)場測試示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Test Equipment and Field Test

2.2.2 空氣濕度分析

圖8為3個典型日的室內(nèi)外濕度監(jiān)測結(jié)果。由圖8可見，4 個室內(nèi)測點的濕度變化在總體上呈逐步下降的趨勢，相對于溫度的變化，濕度的波動性更為強烈，而4個室內(nèi)測點的濕度數(shù)值相差并不大。但是濕度隨天氣的變化十分明顯，3 個測試日的室內(nèi)濕度變化范圍都各不相同，測試日1 的室內(nèi)濕度變化范圍約為60%～70%，測試日2 的室內(nèi)濕度變化范圍約為30%～50%，測試日3的室內(nèi)濕度變化范圍約為40%～70%。

3個測試日的室外測點的濕度均比室內(nèi)濕度低，室內(nèi)外濕度差平均值約為6%～18%，實時濕度差最大值為30%。總體而言，室內(nèi)外濕度差并不大，若辦公人員從室外空間進入室內(nèi)空間，不會產(chǎn)生明顯的感覺，在濕度感受的層面不對舒適性產(chǎn)生明顯影響?？梢?，天井、冷巷、敞廳等嶺南特色建筑設(shè)計手法對濕度的影響不大，對于辦公建筑室內(nèi)舒適性也沒有顯著的影響。

2.2.3 風(fēng)速分析

圖7 溫濕度自記儀監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.7 Temperature and Humidity Self-recording Instrument Monitors the Results of Temperature Data

風(fēng)速或者說空氣流速也是影響人體舒適性的一個重要參數(shù)，圖9為3個典型日的室內(nèi)風(fēng)速測試結(jié)果。由圖9 可見，4 個室內(nèi)測點的風(fēng)速有一定的波動，但總體維持著平穩(wěn)的水平，絕大部分時間內(nèi)4 個測點的風(fēng)速都在0.4～1.0 m/s 之間，最大風(fēng)速不超過2.0 m/s，這是一個人體感受十分舒適的風(fēng)速狀況。3個典型日的全天風(fēng)速平均值分別為0.65 m/s、0.88 m/s 和0.74 m/s，這個風(fēng)速下人體幾乎感受不到明顯的吹風(fēng)感，但對于烈日炎炎的夏日天氣，又能提供清爽涼快的感覺，這很好地體現(xiàn)了天井、冷巷、敞廳等嶺南特色建筑設(shè)計手法在滿足人體舒適性方面的優(yōu)勢，因為相對于封閉式的公共區(qū)域，這種開敞式的設(shè)計手法能夠很好地引入自然風(fēng)，且不至于引入過渡產(chǎn)生風(fēng)冷感，從測試人員的實際感受反饋來看，即便室外局部氣溫高達40℃，測點現(xiàn)場依然十分舒適。

圖8 溫濕度自記儀監(jiān)測濕度數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.8 Temperature and Humidity Self-recordingInstrument Monitors the Results of Humidity Data

3 熱環(huán)境質(zhì)量主觀評價

除了通過對客觀環(huán)境參數(shù)的測試反映熱環(huán)境質(zhì)量外，人作為建筑的主要使用者，對建筑環(huán)境的滿意程度也是體現(xiàn)建筑環(huán)境質(zhì)量的重要方面，因此，本文對建筑辦公人員對建筑中采用了敞廳、天井、冷巷、庭院等開敞式設(shè)計的公共區(qū)域在夏、冬季的舒適性進行了問卷調(diào)查。問卷將人們對公共區(qū)域熱環(huán)境的滿意度分為7 檔，對應(yīng)1～7 分的評分，其中7 分為滿分，表示非常舒適。1分為最低分，表示非常不舒適。

舒適度調(diào)查結(jié)果如圖10 所示。從圖10a 中可見，辦公人員對這些區(qū)域的夏季舒適性評價頗高，有60%的人員給出了滿分，而且無人選擇4分及以下的評價，說明開敞式設(shè)計的公共區(qū)域通過更多地引入自然風(fēng)以及室外元素，在沒有空調(diào)降溫的前提下，仍然能達到讓人十分滿意的舒適度。

從圖10b中可見，對于公共區(qū)域在冬季的舒適度，與夏季相比，雖然給出滿分的人員比例有所下降，但仍然超過了50%，沒有人員給出3分及以下的評價，說明大部分辦公人員對于上述區(qū)域在冬季的舒適性仍然是相當(dāng)滿意的，冬季的室外氣溫相對較低，開敞式設(shè)計引入的室外冷空氣難免會影響這些區(qū)域的舒適性，但通過上述分析可知，這些區(qū)域在冬季的舒適性表現(xiàn)并不差，相比在夏季帶來的是舒適度及節(jié)能效益，是完全可以接受的。

圖9 實測風(fēng)速數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.9 The Results of Actual Wind Speed Data

4 結(jié)論

本文以采用了嶺南特色設(shè)計手法的廣州某辦公建筑為研究對象，通過對建筑的溫度、濕度、風(fēng)速的客觀實測數(shù)據(jù)分析，以及辦公人員對環(huán)境熱舒適的主觀評價，對冷巷、天井、敞廳、庭院等嶺南建筑設(shè)計手法的熱環(huán)境營造效果進行了研究。結(jié)果表明，上述嶺南特色設(shè)計能夠明顯阻隔室外高溫，為建筑的公共區(qū)域引入適度的自然風(fēng)，極大提高空間的舒適性，無論是夏季還是冬季，辦公人員對這些區(qū)域的舒適性都十分肯定。最重要的是，這種設(shè)計手法不需要任何空調(diào)系統(tǒng)的介入，是一種適應(yīng)嶺南氣候的節(jié)能技術(shù)方法，值得在辦公建筑的公共空間設(shè)計中推廣。

圖10 公共區(qū)域舒適度主觀評價調(diào)研結(jié)果Fig.10 Survey Results of Subjective Evaluation of Comfort in Public Areas