基于居民熱舒適度的亞熱帶地區(qū)節(jié)能社區(qū)設(shè)計

裘駿軍，洪田芬

（浙江東南建筑設(shè)計有限公司，浙江杭州310012）

2015年，中國加入《巴黎氣候協(xié)定》，并作出承諾：到2030年中國單位GDP的二氧化碳排放，要比2005年下降60%到65%。我國年建筑能源消費總量約占全國能源消費總量的20.6%，建筑碳排放總量約占全國能源碳排放總量的19.4%，是繼工業(yè)之后的第二大能源碳排放行業(yè)。從目前國內(nèi)外的建筑節(jié)能研究成果和推廣應(yīng)用來看，節(jié)能實踐集中于節(jié)能材料的研發(fā)應(yīng)用，忽視了 “方案不節(jié)能” 可能導(dǎo)致的 “建設(shè)不節(jié)能” 。如建筑布局僅考慮如何達成規(guī)劃設(shè)計條件指標，空間的利用率及正南北向偏角符合居民生活習(xí)慣等，但可能因為密布、缺乏架空的裙房設(shè)計遮擋了內(nèi)部風(fēng)廊；建筑內(nèi)部的空間格局，如住宅戶型以得房率為第一導(dǎo)向，通風(fēng)不足導(dǎo)致暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能的增加等。建筑設(shè)計的舊有體系缺少一條社區(qū)全過程節(jié)能設(shè)計生態(tài)鏈。

此外，在 “去房地產(chǎn)化” 的宏觀經(jīng)濟政策下，國內(nèi)一些城市如杭州提出了 “雙限” （限房價限地價）策略，無條件應(yīng)用先進而昂貴的低碳型材在現(xiàn)實中難以操作。因此，通過優(yōu)化設(shè)計來改善社區(qū)居住環(huán)境，實現(xiàn)低碳健康的目標將成為城市建設(shè)中的重要課題，以節(jié)能社區(qū)構(gòu)造方法的優(yōu)化來解決建設(shè)成本控制，和滿足人民日漸提升的美好生活需求之間的矛盾問題。

1 居民熱舒適度與社區(qū)節(jié)能設(shè)計耦合關(guān)系研究

1.1 居民熱舒適度及其評價方法

居民熱舒適度是人對周圍熱環(huán)境所做的主觀滿意度評價，它與社區(qū)節(jié)能設(shè)計的耦合關(guān)系在于：熱環(huán)境設(shè)計水平相對先進的社區(qū)，居民戶外活動時間更長，室內(nèi)熱舒適性更佳，可減少空調(diào)運行時間，降低建筑與社區(qū)運營綜合能耗。

居民熱舒適度評價方法普遍參照19世紀60年代丹麥學(xué)者Fanger提出的熱環(huán)境評價PMV－PPD評價指標，即預(yù)計平均熱感覺指數(shù)（PMV）和預(yù)計不滿意者的百分數(shù)（PPD）評價。該指標綜合了人體熱舒適的4個環(huán)境因素和2個個體變量，環(huán)境因素主要有相對濕度、溫度、空氣流速和平均輻射溫度，個體變量主要是衣服熱阻與人的新陳代謝率。

1.2 影響亞熱帶地區(qū)居民熱舒適度的核心設(shè)計要素

亞熱帶的氣候特點是冬溫夏熱，四季分明，降水豐沛，季節(jié)分配較均勻。其夏季與熱帶相似，但冬季明顯比熱帶冷。按照國家室內(nèi)空氣質(zhì)量標準，夏季室內(nèi)濕度以40% ～80%為宜，冬季應(yīng)控制在30%～60%，亞熱帶非空調(diào)環(huán)境下平均室內(nèi)濕度基本符合該標準；平均輻射溫度受到建筑圍護結(jié)構(gòu)各表面影響，有相應(yīng)的《居住建筑節(jié)能設(shè)計標準（DB21／T 2885—2011）》《居住建筑樓板設(shè)計保溫構(gòu)造》及《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準（GB 50189—2015）》等相應(yīng)規(guī)范指導(dǎo)，要求建筑設(shè)計中必須落實；風(fēng)速（空氣流速）的改變可調(diào)節(jié)環(huán)境溫度與體感，高溫環(huán)境中在人體可接受范圍內(nèi)風(fēng)速越大則體感越舒適，而國內(nèi)對社區(qū)內(nèi)風(fēng)速的設(shè)計沒有相關(guān)規(guī)范與可參考的設(shè)計準則，即建筑的自然通風(fēng)與社區(qū)通風(fēng)微環(huán)境的塑造應(yīng)當成為社區(qū)節(jié)能設(shè)計創(chuàng)新中的核心要素。

在風(fēng)速與熱環(huán)境關(guān)系的理論研究層面，1989年日本學(xué)者Tanabe的研究表明，風(fēng)速在一定程度上可以降低高溫環(huán)境中人體的熱感覺，從而使人覺得舒適。英國科學(xué)家MaIntyr研究發(fā)現(xiàn)人們在溫度升高時，能接受的風(fēng)速也越大，但是風(fēng)速過大時，人們則會感受到氣流帶來的壓力，造成體感的不舒適感。在國外熱舒適研究理論的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者對通風(fēng)影響環(huán)境舒適度也做了一些研究，如1999年清華大學(xué)賈慶賢教授在對自然風(fēng)與機械風(fēng)頻譜的對比研究中，發(fā)現(xiàn)在低頻區(qū)域自然風(fēng)的頻譜比機械風(fēng)更為豐富，自然風(fēng)條件下人體熱舒適性更強，熱適應(yīng)性更好。

根據(jù)端木琳等［1］對中國各地區(qū)不同類型住宅PMV－PPD調(diào)查結(jié)果，本次研究對亞熱帶地區(qū)夏季、冬季、過渡季的城市住宅熱舒適溫度范圍進行了梳理與對比（表1），可見夏季采用自然通風(fēng)時，人們的熱舒適范圍較采用空調(diào)時更廣，上限溫度更高；過渡季自然通風(fēng)住宅熱舒適溫度范圍明顯更寬；冬季城市住宅中，非集中采暖的熱舒適下限溫度更低［2］。

表1 亞熱帶地區(qū)不同季節(jié)城市住宅熱舒適度對比

2 亞熱帶地區(qū)社區(qū)熱環(huán)境優(yōu)化的節(jié)能設(shè)計生態(tài)鏈構(gòu)建

2.1 節(jié)能設(shè)計生態(tài)鏈構(gòu)建的邏輯體系

世界范圍內(nèi)最具影響力的綠色建筑評級體系LEED中包含9類評價對象，城市與社區(qū)為其中之一，即從單體建筑節(jié)能評價向更大規(guī)模的地區(qū)層面延伸，啟發(fā)了節(jié)能社區(qū)設(shè)計的新思維，即建筑設(shè)計對周邊環(huán)境的綜合影響。本次研究從 “規(guī)劃設(shè)計（布局與環(huán)境）—建筑設(shè)計（結(jié)構(gòu)與材料）—室內(nèi)設(shè)計（裝修與設(shè)備）” 三個設(shè)計環(huán)節(jié)出發(fā)，以PMV－PPD熱舒適評價作為亞熱帶地區(qū)社區(qū)熱環(huán)境優(yōu)化的研究基礎(chǔ)，搭建節(jié)能社區(qū)設(shè)計研究體系：將節(jié)能社區(qū)的設(shè)計生態(tài)鏈概括為建筑排布、架空結(jié)構(gòu)、水景植被（蒸發(fā)冷卻）、戶型優(yōu)化、圍護結(jié)構(gòu)與其他輔助設(shè)備等5個子系統(tǒng)的設(shè)計策略（圖1）。

圖1 社區(qū)熱環(huán)境優(yōu)化中的應(yīng)用示例

2.2 社區(qū)熱環(huán)境優(yōu)化的設(shè)計子系統(tǒng)

2.2.1 建筑排布

市區(qū)和建筑群內(nèi)的風(fēng)速相對郊區(qū)較低，但會在建筑群，特別是高層建筑群產(chǎn)生通風(fēng)廊道，當風(fēng)吹至高層建筑的墻面向下偏轉(zhuǎn)時，將水平方向的氣流一起在建筑物側(cè)面形成渦旋，在迎風(fēng)面上形成下行氣流，而在被風(fēng)面上氣流上升。街道常成為風(fēng)漏斗，把靠近兩邊墻面的風(fēng)匯集在一起，造成近地面處的高速風(fēng)，即 “文丘里效應(yīng)” 。以此指引城市內(nèi)社區(qū)建筑排布形式的調(diào)整，來調(diào)整優(yōu)化社區(qū)庭院的空氣流速（風(fēng)速）［3］。因此，在建筑排布方面，建議采取行列式的建筑布局，建筑朝向與相應(yīng)景觀（喬木、灌木）依照社區(qū)風(fēng)廊導(dǎo)風(fēng)方向設(shè)計，避免或減少建筑遮擋引起區(qū)域風(fēng)速衰減。

2.2.2 架空結(jié)構(gòu)

當風(fēng)流過建筑物架空下方，由于架空建筑底部、兩側(cè)的結(jié)構(gòu)支柱間和地面共同產(chǎn)生的 “文丘里效應(yīng)” ，使得通過該區(qū)域的風(fēng)速被局部放大，這對滿足亞熱帶城區(qū)的通風(fēng)要求有積極作用。根據(jù)香港理工大學(xué)劉建麟等［4］的研究表明，建筑物兩側(cè)的局部高風(fēng)速區(qū)隨著架空高度的增加呈現(xiàn)高速區(qū)域面積縮減趨勢，然而在一定設(shè)計高度范圍內(nèi)（h／H＝0.06～0.10），僅靠改變建筑架空設(shè)計的高度，對建筑物迎風(fēng)面及建筑物背風(fēng)面主要區(qū)域的風(fēng)速影響不大；來流風(fēng)向與建筑間角對架空設(shè)計用于改善建筑周圍風(fēng)環(huán)境影響顯著，間角0°～45°時，行人夏季在架空區(qū)域下方感覺舒適，而在90°時卻會感覺悶熱。即在架空結(jié)構(gòu)方面，建筑裙房設(shè)計與導(dǎo)風(fēng)風(fēng)向夾角宜小于45°，風(fēng)向夾角大于45°的建筑裙房建議采用架空層設(shè)計，以設(shè)計適宜的庭院風(fēng)速來保障夏季戶外人行的舒適體感。

2.2.3 水景植被（蒸發(fā)冷卻）

水景植被可通過蒸騰作用來降低周圍環(huán)境的溫度。一是綠地的表面溫度低于人工鋪地的溫度，道路的溫度明顯高于綠地的溫度，不同的綠化形式對1.5 m處空氣溫度改善程度依次是喬木、灌木、草坪；二是綠地率并不是一味地增加，對周圍熱環(huán)境的調(diào)節(jié)就越好，當綠化率達到40%的時候，是對周圍熱環(huán)境調(diào)節(jié)的一個極值范圍和區(qū)域，過該值之后增加的綠化范圍對周圍熱環(huán)境的效果大幅度減?。?］；三是透水性地面的設(shè)計（海綿社區(qū)）便于排出與蒸發(fā)部分積水，通過蒸發(fā)降溫可以改善局部區(qū)域的熱環(huán)境；四是水體對于室外人行高度處空氣溫度的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)有著明顯的作用，在夏季可以降溫增濕，并且水體和水體周圍的陸地會形成水陸風(fēng)，以降低通風(fēng)的溫度，從而達到降低建筑物在夏季空調(diào)能耗的目的，水體宜布置在夏季盛行風(fēng)上風(fēng)向處［6］。

2.2.4 戶型優(yōu)化

塑造優(yōu)越的住宅室內(nèi)通風(fēng)對流環(huán)境，地面、頂棚、內(nèi)隔墻等呈流線型的分布效果，使暖通空調(diào)的利用空氣能自然循環(huán)流通，減少暖通空調(diào)的冷熱負荷，降低能耗。此外，根據(jù)溫濕度控制標準和控制精度、房間朝向、使用時間、潔凈度等級等因素劃分為不同的空調(diào)區(qū)域，從而避免過冷過熱，減少冷熱抵消等現(xiàn)象，避免不必要的能源浪費。戶型設(shè)計中盡量減少體感不舒適的暖通損耗區(qū)域（門廳、狹長的過道空間等），利于暖通設(shè)備節(jié)能（圖2）。

2.2.5 圍護結(jié)構(gòu)與其他輔助設(shè)備

亞熱帶地區(qū)依賴自然通風(fēng)環(huán)境的塑造來降低夏季熱島效應(yīng)，降低體感溫度與濕度；同時以圍護結(jié)構(gòu)與其他輔助設(shè)備實現(xiàn)冬季保溫。理論上來說，傳熱系數(shù)較大的圍護結(jié)構(gòu)對建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響波動會比傳熱系數(shù)小的圍護結(jié)構(gòu)帶來更大影響。建筑設(shè)計中對 “窗墻面積比” 的控制，以及節(jié)能型材的推廣應(yīng)用，如采用塑鋼門窗等新型材料和技術(shù)，新型的復(fù)合墻體等都能進一步提高建筑節(jié)能水平。此外，光伏板、太陽能集熱裝置等節(jié)能輔助設(shè)備的安裝，有助于提高社區(qū)整體節(jié)能效能；沿街建筑采用防噪音設(shè)計，也可提高居民開窗頻率以增加自然通風(fēng)時間。

3 節(jié)能社區(qū)設(shè)計生態(tài)鏈應(yīng)用案例和對比

圖2 基于節(jié)能的戶型優(yōu)化示例

以本技術(shù)流程應(yīng)用項目濱江·江南之星為例，選擇與其處于相近區(qū)位、總體規(guī)模、規(guī)劃設(shè)計條件基本接近的社區(qū)豐東花苑為對比，應(yīng)用熱舒適度評價軟件 “城適” （Citycomfort＋）評測該節(jié)能設(shè)計生態(tài)鏈應(yīng)用對環(huán)境光熱舒適度的提升效應(yīng)［3］。

濱江·江南之星項目與豐東花苑均位于杭州蕭山區(qū)，杭州城市全年2月至11月主導(dǎo)風(fēng)向為東風(fēng)，風(fēng)速平均值為3 m／s（蕭山機場風(fēng)速）。周邊環(huán)境較為類似，建筑普遍為多層建筑（圖3）。采用杭州炎熱季節(jié)即5月至8月典型環(huán)境氣溫，同期平均風(fēng)速3 m／s，觀測點高度10 m進行測評。

圖3 江南之星與豐東花苑的周邊環(huán)境對比

從兩個小區(qū)的設(shè)計條件來看，江南之星的容積率2.8，大大高于豐東花苑的容積率2.1，然而在場地內(nèi)平均風(fēng)速、典型夏季日熱氣候指數(shù)（UTCI）上，江南之星表現(xiàn)均大大優(yōu)于豐東花苑。見表2。

表2 江南之星與豐東花苑指標測評對比

圖4 江南之星與豐東花苑風(fēng)環(huán)境評測對比

從兩者的小區(qū)模擬風(fēng)速對比（圖4）來看，濱江·江南之星夏季小區(qū)內(nèi)公共空間的風(fēng)速在2～3 m／s之間，較為均衡，對西側(cè)小區(qū)內(nèi)的風(fēng)道影響較?。粓龅仄骄L(fēng)速為1.28 m／s。而豐東花苑北側(cè)通風(fēng)廊到公共空間夏季風(fēng)速在1.5～2.5 m／s；且小區(qū)大部分處于被風(fēng)區(qū)，由于風(fēng)道不連貫，風(fēng)速衰減，風(fēng)速在1.25 m／s以下，場地平均風(fēng)速為0.86 m／s。

選擇氣象歷史數(shù)據(jù)中2003年7月5日為代表日進行兩個小區(qū)的夏季熱舒適度分析，該日平均氣溫為27.90℃（典型夏季周6月29日—7月5日中該日均氣溫最接近整個夏季平均氣溫26.92℃），以該日數(shù)據(jù)作為室外熱環(huán)境模擬參數(shù)。根據(jù)熱舒適度計算，江南之星場地日間平均熱氣候指數(shù)（UTCI）為34.6℃，較豐東花苑的35.7℃降低1.1℃；江南之星場地12時平均熱氣候指數(shù)（UTCI）為33.4℃，較豐東花苑的34.5℃降低1.1℃。

4 結(jié) 語

目前，我國對于綠色建筑及節(jié)能社區(qū)的研究與實踐，仍然集中于建筑單體的節(jié)能性能、節(jié)能結(jié)構(gòu)與材料的研發(fā)應(yīng)用。本文是對從規(guī)劃設(shè)計首端開始的 “源頭節(jié)能” “方案節(jié)能” 思維的初步探索，還需進一步與國際接軌。并且還要加強新型節(jié)能型材應(yīng)用與本設(shè)計系統(tǒng)的融合研究，提出適宜市場推廣的新型節(jié)能型材應(yīng)用方案與成本設(shè)計，以有助于節(jié)能社區(qū)理念的持續(xù)深化推廣。