■ 周伊利 ZHOU Yili 李 琪 LI Qi 宋德萱 SONG Dexuan 余翔宇 YU Xiangyu
在人居環(huán)境綠色發(fā)展和實現(xiàn)“雙碳”目標的背景下,居住環(huán)境面臨著提升舒適度和節(jié)能減排等雙重任務(wù)。我國住宅建筑運行能耗達到建筑總能耗的48%[1]。工作之余人們約有70%~90%的時間在住宅室內(nèi)度過[2],室內(nèi)物理環(huán)境的優(yōu)劣將直接影響到生活舒適性。住宅物理環(huán)境主要涉及聲、光、熱、風(fēng)及空氣質(zhì)量等方面,熱環(huán)境與建筑能耗、碳排放相關(guān)程度最為密切,直接關(guān)系到建筑能耗和住宅節(jié)能效果[3]。多層住宅是我國城鎮(zhèn)中常見的住宅類型,量大面廣,總體上多層住宅占比達到43%,在上海地區(qū)則達到49%[4]。目前,上海五大新城建設(shè)中對高品質(zhì)住居存在重大需求,亟需汲取經(jīng)驗、規(guī)避教訓(xùn);廣大縣城的綠色低碳發(fā)展,將以多層住宅為主,亟需加強這類住宅環(huán)境品質(zhì)的研究,對于提升城鎮(zhèn)人居發(fā)展質(zhì)量也有較大意義。
溫濕度是室內(nèi)熱舒適性最直接的反映[5],通過室內(nèi)外溫濕度參數(shù)的評測,可以揭示多層住宅熱環(huán)境時空特征,可為優(yōu)化多層住宅設(shè)計、降低建筑能耗、提升空間環(huán)境舒適性提供依據(jù),有助于多層住宅節(jié)能潛力的挖掘。關(guān)于住宅室內(nèi)熱環(huán)境、熱舒適性等方面已有較多研究,對住宅設(shè)計起到一定的指引作用。曹彬[6]等通過實測和問卷調(diào)查,總結(jié)了北京、上海兩地住宅室內(nèi)熱環(huán)境特征與居民實際感受,提出熱環(huán)境設(shè)計需考慮不同地區(qū)居民溫度適應(yīng)性的差異;夏博[7]等通過現(xiàn)場測試,分析了上海高層住宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境特點,得出不同樓層存在一定差異、整體熱環(huán)境較為惡劣的結(jié)論;陳巖[8]對北方某多層住宅進行冬季室內(nèi)熱環(huán)境測量,分析不同功能空間的溫濕度變化,提出改善熱環(huán)境的建議;周忍[9]對夏熱冬冷地區(qū)夏季多層住宅室內(nèi)自然通風(fēng)、溫濕度變化情況進行實測,發(fā)現(xiàn)室內(nèi)總體熱濕環(huán)境不佳,住宅對室外氣候抵御能力差,戶型設(shè)計、窗口朝向?qū)κ覂?nèi)熱環(huán)境有顯著影響;尹東衡[10]對比分析了湖南地區(qū)多層住宅不同套型夏季室內(nèi)熱環(huán)境特征,對風(fēng)速、溫濕度進行測量,找出建筑進風(fēng)口與夏季主導(dǎo)風(fēng)向的最優(yōu)夾角;袁炯炯[11]通過實測,得出廈門地區(qū)混合結(jié)構(gòu)住宅室內(nèi)溫度比傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)住宅室內(nèi)溫度高、建筑材料對室內(nèi)舒適性影響較大的結(jié)論。
綜上所述,現(xiàn)有研究對住宅室內(nèi)熱環(huán)境的測量集中在冬夏兩季,重點關(guān)注冷熱季的性能表現(xiàn),對過渡季節(jié)的熱環(huán)境及熱舒適性研究較少。事實上,過渡季節(jié)是一年中建筑環(huán)境自然調(diào)節(jié)最集中的時段,是利用自然通風(fēng)頻率最高的季節(jié)[12]。研究過渡季節(jié)室內(nèi)空間熱環(huán)境調(diào)控,對于節(jié)能減排也具有較大意義。以往建筑空間熱環(huán)境實測研究中存在布點密度低、表達不直觀等不足,難以呈現(xiàn)熱環(huán)境時空分布特征。本研究采用了較高密度的測點布置,借助差值運算軟件,根據(jù)連續(xù)實測數(shù)據(jù),對室內(nèi)熱環(huán)境進行可視化分析,試圖揭示過渡季節(jié)多層住宅的熱環(huán)境特征及其影響要素。
安亭新鎮(zhèn)地處中心城區(qū)以西的郊區(qū),是上海市在“十五”(2001—2005)期間“一城九鎮(zhèn)”體系中九個新鎮(zhèn)之一,新鎮(zhèn)占地15 km2,建筑面積500 萬m2,水面171.6 萬m2,定位為國際汽車城的核心居住區(qū),綜合容積率僅0.59,有800 余戶(圖1~3)。安亭新鎮(zhèn)以德式風(fēng)貌小鎮(zhèn)為模板,圍合式住宅、多樣戶型等構(gòu)成安亭新鎮(zhèn)的名片,安亭新鎮(zhèn)在住區(qū)規(guī)劃、節(jié)能型住宅等方面有一定突破[13]。
圖1 安亭新鎮(zhèn)區(qū)位圖
研究選擇安亭新鎮(zhèn)興苑組團的典型居室作為實測場地,三室兩廳兩衛(wèi),南北朝向,建筑面積約為148 m2。居室平面方正,與建筑規(guī)整造型相符。南北向都有陽臺,均加裝外窗和紗窗。該居室的外窗都采用內(nèi)平開內(nèi)倒式,全部采用雙層中空玻璃。
實驗期間,居室處于空關(guān)狀態(tài),北陽臺的推拉窗打開、紗窗關(guān)閉,其余房間外窗都保持內(nèi)倒狀態(tài),角度約10°;內(nèi)門都全部敞開,空間連通成整體;南向陽臺的內(nèi)外門窗都關(guān)閉,形成相對獨立的空間。根據(jù)室內(nèi)空間及日常使用場景,實驗共布置了34 個測點(圖4~5),包括南陽臺、北陽臺窗外的2 個參照測點。儀器放置高度以住宅日常使用的高度為參考,距樓面0.5~0.8 m。實測儀器為HOBO UX100-003 溫濕度自計儀(表1),記錄間隔為5 min。實測 時 間 從2021 年4 月8 日18:00 至2021 年4 月11 日06:00,天氣分別為晴、多云、多云、陰。
表1 實測儀器HOBO UX100-003 的參數(shù)
圖2 興苑組團方位圖
圖3 興苑組團鳥瞰圖
圖4 實測居室及測點布置圖
2.3.1 數(shù)理統(tǒng)計分析——測點縱向變化
讀取儀器記錄的溫濕度數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析平均值、極值及波幅;繪制出各測點溫濕度折線圖,以分析室內(nèi)外溫濕度隨時間的縱向變化趨勢;對比室內(nèi)空間與相鄰側(cè)室外測點的溫濕度數(shù)據(jù),分析峰谷值的高低、出現(xiàn)時間及存在的時滯情況。
圖5 居室空間
2.3.2 溫濕度可視化分析——平面橫向比較
為探究室內(nèi)熱環(huán)境的空間分布情況,借助Surfer 16 軟件對溫濕度數(shù)據(jù)進行可視化處理。氣象學(xué)中常用每日4個定時(02:00、08:00、14:00、20:00)溫度的平均值作為每日平均溫度[14],研究選擇4 月9 日相應(yīng)時刻的溫濕度數(shù)據(jù)作為樣本,借助反距加權(quán)插值法對溫濕數(shù)據(jù)進行插值運算[15],生成溫濕度等值線,并繪制室內(nèi)外溫濕度圖譜。
據(jù)實測(表2、圖6),室外溫濕度呈現(xiàn)明顯的峰谷周期性變化。南陽臺外側(cè)的參照點1 平均溫度為15.61 ℃,溫度最大值和最小值分別為27.43 ℃和7.22 ℃,波幅達20.21℃;北陽臺外側(cè)參照點2 的平均溫度為14.72℃,溫度最大值和最小值分別為20.67℃和8.79℃,波幅為11.88℃。相比之下,參照點1 平均溫度高出參照點2 0.89℃,溫度波幅也高8.33℃。從相對濕度數(shù)據(jù)看,室外兩個參照點相對濕度平均值都在60%左右,但南側(cè)參照點1 波幅范圍更大,達到73.25%。兩個室外參照點溫度谷值同步出現(xiàn),在清晨6:00前后。參照點1 峰值出現(xiàn)于13:00 前后,而參照點2 峰值出現(xiàn)于14:00,前后相差約1.0 h。其主要原因是南側(cè)受太陽輻射影響,得熱多,升溫較快,而北側(cè)處于陰影之中,得熱少,升溫較慢。
表2 參照點溫濕度統(tǒng)計表
圖6 參照點溫濕度變化圖
客廳和餐廳是居室的公共部分,使用率較高。據(jù)實測(表3),客廳、餐廳各點平均溫度分別為18.61℃、18.51 ℃,相對濕度平均值分別為44.98%、44.55%,溫濕度波動范圍都較為接近;除個別測點之外,溫度波動幅度都在1.0℃左右。從時間分布來看(圖7~8),客廳和餐廳的溫度谷值出現(xiàn)在清晨6:15 左右,略滯后于南向室外;而溫度峰值出現(xiàn)于14:30左右,滯后約1.50 h??蛷d2 測點和餐廳3 測點由于距離外窗和封閉陽臺較近,白天輻射得熱較多,溫度出現(xiàn)極大值;在夜間,這兩測點空氣溫度下降幅度稍大,日夜溫差2.0℃左右。
表3 客餐廳溫濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
圖7 客廳溫濕度變化折線圖
圖8 餐廳溫濕度變化折線圖
臥室是居室中的主要休息空間,對溫濕度要求較高。據(jù)實測(表4),主臥平均溫度為18.58℃、兩次臥平均溫度均為18.00℃;主臥平均溫度波幅為1.80℃,東、西次臥分別為1.57℃、1.49℃;主臥相對濕度平均值44.44%,波幅為35.21%,而次臥1 和次臥2 分別為47.35%、45.98%,波幅分別為35.92%、36.51%,都略高于主臥室。主臥2 測點由于靠近南窗,白天時段出現(xiàn)溫度極大值,波幅也是最大,為3.24℃。次臥1-1 和次臥2-1 測點靠近北側(cè)內(nèi)平開內(nèi)倒窗,在清晨出現(xiàn)溫度極小值,波幅略超過2.0℃。
表4 臥室溫濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
從時間分布來(圖9~10),主臥各測點溫度的谷值出現(xiàn)在清晨6:30 左右,滯后于南側(cè)室外溫度谷值約0.5 h,室內(nèi)外最大溫差超過10.0℃;主臥各測點溫度峰值則出現(xiàn)在14:00 前后,滯后南側(cè)室外溫度峰值約1.0 h,室內(nèi)外最大溫差達7.0℃。臨近窗口的主臥2 測點溫度谷值較低,且提前0.5 h,峰值較高,出現(xiàn)時間提前1.0 h。次臥實測數(shù)據(jù)表明,次臥1-1 和次臥2-1 測點出現(xiàn)溫度谷值的時間最早,與室外谷值時間較為接近;次臥1-2 和次臥2-2測點出現(xiàn)溫度谷值的時間稍晚,時滯約0.5 h;而次臥1-3 和次臥2-3 測點的溫度谷值則明顯偏晚,出現(xiàn)在上午8:00 左右。
圖9 主臥溫濕度變化折線圖
圖10 次臥1、次臥2 溫濕度變化折線圖
陽臺是處于室內(nèi)外的過渡空間,對室內(nèi)空間具有熱緩沖作用。據(jù)實測(表5),北陽臺兩測點的溫濕度數(shù)據(jù)較為接近,而南陽臺溫度在各時刻都明顯高于北陽臺,相對濕度均低于北陽臺。南陽臺溫度平均值達到20.57℃,比北陽臺高出4.85℃,溫差在1.74~12.06℃之間,正午前后的峰值區(qū)溫差較大。南陽臺溫度波幅達到17.85℃,比北陽臺高7.47℃。南、北陽臺的相對濕度變化與室外基本同步,南陽臺相對濕度平均值為42.25%,比北陽臺低10.40%。
表5 南、北陽臺溫濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
南陽臺溫度谷值出現(xiàn)在6:00 左右,與室外氣溫谷值出現(xiàn)時間接近;溫度峰值出現(xiàn)在15:00 前后,晚于南側(cè)室外約2.0 h(圖11)。北陽臺溫度谷值出現(xiàn)時間也在6:00 左右,而溫度峰值出現(xiàn)在14:30,晚于北側(cè)室外約0.5 h。
圖11 南、北陽臺溫濕度變化折線圖
南陽臺溫度一直高于南向室外溫度,午后14:00 到次日清晨6:00 是溫差較大時段,波動范圍為4.09~8.31℃;從清晨6:00 至當天午后14:00 則是溫差較小時段,波動范圍為0.47~4.49 ℃。14:00 之后,溫度繼續(xù)攀升直至15:00 前后達到峰值,主要原因是封閉的南陽臺和室外峰值之間存在2.0 h 的時滯,在14:00 之后繼續(xù)吸收西向太陽輻射熱量。在白天,北陽臺與北側(cè)室外溫差微??;在夜間,北陽臺溫度比室外高1.03~1.80℃。
廚房和衛(wèi)生間屬于居室內(nèi)的服務(wù)空間,也是住宅環(huán)境品質(zhì)的重要組成部分。據(jù)實測(表6、圖12、13),廚房的平均溫度為17.73℃,最大波幅為1.40℃;客衛(wèi)的平均溫度為17.99℃,3 個測點最大波幅超過2.0℃。主衛(wèi)的空間位置比較特殊,溫濕度受室外影響較少,3 個測點溫濕度數(shù)據(jù)及波動幅度都是十分接近,溫度平均值為18.29℃,比廚房、客衛(wèi)平均溫度分別高0.56℃、0.30℃,平均波幅低0.49℃、0.54℃,表明主衛(wèi)具有更高的熱穩(wěn)定性。
圖12 廚房和客衛(wèi)溫濕度變化圖
表6 廚衛(wèi)溫濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
圖13 主衛(wèi)溫濕度變化圖
根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》,夏熱冬冷地區(qū)住宅室內(nèi),采用非人工冷熱源時,舒適溫度范圍為18~28℃、相對濕度舒適范圍為40%~70%[16]。南向的客廳、餐廳和主臥室基本處于舒適溫度和濕度的范圍,北向的次臥大部分時間略低于18.0℃,人體感覺稍涼。在白天時段,主臥室、次臥室空氣相對濕度日間差異較大。廚房溫度則大部分時間略低于熱舒適范圍,若是加入日常烹飪產(chǎn)熱因素,廚房的熱舒適度會有較明顯提升。主衛(wèi)基本處于熱舒適范圍內(nèi);客衛(wèi)除靠近外窗的淋浴間溫度過低外,其余盥洗、如廁空間也都基本處于舒適范圍內(nèi)。對照相鄰的室外空間參照點,室內(nèi)各空間的空氣溫度存在不同程度的時滯現(xiàn)象,反映出室內(nèi)局部空間受室外溫度影響的波動差異(表7)。
表7 居室空間溫度時滯列表
研究選取典型日代表時刻的溫濕度數(shù)據(jù),借助Surfer 軟件插值擬合生成4 個不同時刻的溫濕度圖譜(圖14~17),可以直觀呈現(xiàn)居室測試高度平面的溫濕度全貌,彌補單點數(shù)據(jù)分析的抽象性。
圖14 4 月9 日2:00 的溫濕度圖譜
4.1.1 晝夜熱環(huán)境總體差異不顯著
在過渡季節(jié),以開啟外窗形式實況模擬居室自然通風(fēng)條件,實測數(shù)據(jù)表明:居室空間在白天時段受太陽輻射獲得熱量,大部分空間的平均溫度都超過18.0℃,相對濕度也處于舒適的范圍;在夜間,居室內(nèi)溫度僅略有下降,大部分空間的平均溫度也都在17.5℃以上,相對濕度平均值在40%~60%之間??傮w來看,實測居室晝夜熱環(huán)境變化不顯著,主要原因可能有3 方面:①室外溫度谷值較高,南側(cè)室外超過15℃、北側(cè)室外超過10℃,居室夜間時段散熱有限;②內(nèi)平開內(nèi)倒窗開啟角度較小,將室外氣流引向天花板,限制了室內(nèi)外空氣對流,降低了室內(nèi)外熱量交換程度;③300 mm 厚的外墻具有較好保溫作用,在一定程度上減緩了室內(nèi)溫度的波動。
4.1.2 室內(nèi)溫度南高北低分異現(xiàn)象明顯
居室空間由南至北可分為4 個梯度:南陽臺、客餐廳與主臥、廚衛(wèi)與次臥、北陽臺,其日平均溫度分別為20.57℃、18.56℃、18.01℃、15.72℃。居室南北朝向,空間得熱主要來自于白天太陽輻射,南側(cè)房間得熱較多,表現(xiàn)為溫度較高。室內(nèi)空間以過道為界,溫度呈現(xiàn)南高北低的分異現(xiàn)象。南北區(qū)域溫差在夜間時段較小、在白天時段較大。
4.2.1 封閉南陽臺易產(chǎn)生溫室效應(yīng)
南陽臺是平均溫度最高的空間,說明透明材料圍合的陽臺空間具有良好的集熱性能,而且集聚熱量流失比較緩慢,產(chǎn)生類似溫室的熱力效應(yīng)。在白天溫度較高的時段,南陽臺集熱較多、溫度高,還對室內(nèi)形成逆向熱輻射。餐廳臨近陽臺的測點溫度較高也正驗證了這一點。封閉南陽臺盡管很大程度隔離了陽光對室內(nèi)的直接輻射,但由于其良好的集熱性能,在白天成為比較穩(wěn)定的熱源,使室內(nèi)空間間接得熱。
4.2.2 北陽臺熱緩沖作用
北側(cè)室外、北陽臺、次臥平均溫度分別為14.72 ℃、15.73 ℃、17.96℃,相對濕度分別為60.83%、52.66%、45.98%,形成明顯的溫濕度梯度。同處北側(cè)的房間,廚房缺乏北側(cè)陽臺的緩沖作用,其測點溫度比客衛(wèi)、次臥1、次臥2 分別低0.33℃、0.25℃、0.18℃,說明由于北陽臺的存在,即使在自然通風(fēng)條件下,北陽臺對室內(nèi)空間仍然具有熱緩沖的作用。
圖15 4 月9 日8:00 的溫濕度圖譜
圖16 4 月9 日14:00 的溫濕度圖譜
圖17 4 月9 日20:00 的溫濕度圖譜
根據(jù)擬合生成的圖譜,實測居室的南北朝向房間因得熱情況存在較大差異,呈現(xiàn)出空氣溫度及波幅的不同。除南北陽臺外,居室內(nèi)部大部分測點的溫差在2.50℃以下,相對濕度波幅在35%左右(圖18)。溫度數(shù)據(jù)分異表明,進深位置越淺,夜間下降幅度越大,進深位置較深的測點則受建筑內(nèi)部的逆輻射,可以部分抵消室外夜間降溫影響,溫度下降幅度較小。
圖18 各測點的溫濕度波幅(由南至北排列)
測點空間位置越接近住宅外部開口,其溫濕度波動越大;反之波動則越小,意味著熱環(huán)境越穩(wěn)定。當進深位置達到一定數(shù)值后,溫濕度漸趨穩(wěn)定,形成居室的“熱穩(wěn)定區(qū)域”。一般來說,建筑應(yīng)對外部氣候中變化要素的性能越強,熱穩(wěn)定區(qū)域占比就越大,越容易塑造舒適的熱環(huán)境。
過渡季室內(nèi)通常處于自然通風(fēng)的工況,合適的朝向能夠為室內(nèi)爭取到最大限度的自然通風(fēng)。室內(nèi)空間進深過大會導(dǎo)致背陰處難以達到合適的溫度。足夠的立面開口面積能保證室內(nèi)獲得所需的風(fēng)速與通風(fēng)量,同時,建筑內(nèi)墻布置、門洞位置等也影響通風(fēng)路徑。廊、陽臺、樓梯間等空間形成合適的緩沖縱深,可減弱室外環(huán)境變化的影響。保溫性能較好的圍護結(jié)構(gòu)也有助于保持室內(nèi)溫濕度的穩(wěn)定、減少日夜溫差。
在過渡季節(jié),室外氣候比較適宜,室內(nèi)熱環(huán)境宜采用自然調(diào)節(jié)的方式,在溫濕度動態(tài)變化中保證一定的熱舒適范圍,可減少熱環(huán)境調(diào)控用能的時間和總量,具有節(jié)能潛力。常見策略是,通過改變圍護結(jié)構(gòu)開口狀態(tài)來調(diào)節(jié)室內(nèi)通風(fēng)、得熱等情況,獲得適宜的熱環(huán)境,這就需要開口具有較強的應(yīng)變性能。為應(yīng)對過渡季天氣多變的特點并適應(yīng)冬夏兩季氣候,住宅南立面設(shè)計應(yīng)考慮適當?shù)幕顒诱陉?、?dǎo)風(fēng)板、太陽能利用等構(gòu)件,加強對住宅南側(cè)室內(nèi)空間熱環(huán)境的調(diào)控作用。
夏熱冬冷地區(qū),過渡季室外溫濕度日變化較大,晝夜溫差較大,外廊或陽臺等氣候緩沖空間對維持室內(nèi)物理環(huán)境穩(wěn)定性起到積極作用。陽臺的緩沖作用及范圍取決于面寬、進深及圍合狀況。南向空間溫濕度波動較大,設(shè)置陽臺應(yīng)方便通風(fēng)與遮陽的調(diào)節(jié),以滿足冬季作為陽光間、夏季遮陽散熱、過渡季引導(dǎo)通風(fēng)等多重應(yīng)變需求;北陽臺有助于北側(cè)房間抵御冬季寒冷氣候的不利影響。
進入21 世紀以來,上海市積極探索新型的住區(qū)形態(tài),以適應(yīng)多樣的居住需求,“十五”期間,在郊區(qū)規(guī)劃建設(shè)的九個新鎮(zhèn)就是典型代表。通過國外優(yōu)秀案例的借鑒,這些郊區(qū)新鎮(zhèn)各具特色,然而,缺乏建成后居住空間品質(zhì)的實證評估,主觀闡述方式難以科學(xué)呈現(xiàn)這類新型居住類型的適應(yīng)性。本文以上海安亭新鎮(zhèn)多層住宅為例,采用較高密度的布點,收集過渡季節(jié)的熱環(huán)境數(shù)據(jù),進行數(shù)理統(tǒng)計分析和可視化分析,科學(xué)呈現(xiàn)多層住宅室內(nèi)熱環(huán)境特征。在過渡季節(jié),郊區(qū)室外日夜氣溫變化幅度較大。在自然通風(fēng)條件下,除南北陽臺外,居室內(nèi)部主要空間的溫濕度平均值和波幅總體處于人體相對舒適狀態(tài)。這也就意味著過渡季節(jié)具有較大的節(jié)能潛力。室內(nèi)空間溫濕度呈現(xiàn)明顯的南北分區(qū),主要是由太陽輻射不均、內(nèi)部空氣對流不足、內(nèi)部墻體阻礙等原因?qū)е?。室?nèi)各空間溫濕度波幅存在較大差異,居室南側(cè)空間相對來說更容易受到外部環(huán)境變化的影響。在室外熱環(huán)境發(fā)生變化并向室內(nèi)傳遞過程中,陽臺起到減緩波動幅度、遲滯峰谷值、維持室內(nèi)熱穩(wěn)定等作用。內(nèi)倒式門窗將室外來風(fēng)斜上引導(dǎo),室內(nèi)空氣也難以順暢流到室外,對室內(nèi)自然通風(fēng)有一定的抑制作用。本文關(guān)于過渡季節(jié)的實測與分析,為后續(xù)冬夏兩季的深入研究奠定基礎(chǔ),也驗證了可視化方法的可行性,可科學(xué)呈現(xiàn)建筑空間在不同季節(jié)的環(huán)境性能,為后續(xù)的住宅設(shè)計提供理論依據(jù)。
(致謝:感謝上海境冶建筑設(shè)計事務(wù)所的施旭艷女士為實驗提供交通支持、場地便利及戶型圖等資料。)