基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的學(xué)生公寓共享起居空間通風(fēng)效果與策略研究＊

彭力夫 劉依明 劉念雄

學(xué)生公寓作為集課外學(xué)習(xí)、課下交流、課余生活等功能于一體的復(fù)合功能載體，已不再局限于滿足學(xué)生的基本住宿需求，共享空間、多功能空間的植入成為新的關(guān)注點(diǎn)。公共空間的出現(xiàn)也對(duì)學(xué)生公寓設(shè)計(jì)提出了更高的要求，一方面需要為學(xué)生營(yíng)造良好的建筑熱環(huán)境以促進(jìn)身心健康，另一方面也需要兼顧節(jié)能的需求。因此，以自然通風(fēng)的方式進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)是學(xué)生公寓公共空間設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的重要因素。

現(xiàn)有關(guān)于學(xué)生公寓節(jié)能研究大多集中在重慶、山東，較少關(guān)注北京。從具體研究對(duì)象上劃分，多聚焦公寓本身而非公寓中的公共空間。本研究以學(xué)生公寓公共空間節(jié)能和提高室內(nèi)熱舒適性為目標(biāo)，基于樣本公共起居空間夏季自然通風(fēng)不同工況下的室內(nèi)外溫度實(shí)測(cè)，評(píng)估實(shí)際使用過程中的通風(fēng)效果并提出優(yōu)化策略，為學(xué)生公寓公共空間的建筑設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

1 案例概況

選取清華大學(xué)紫荊學(xué)生公寓的中廳公共起居空間（后文簡(jiǎn)稱為中廳）作為研究對(duì)象。公寓位于清華大學(xué)校區(qū)北部，占地28.4萬m，總建筑面積35萬m。內(nèi)部寢室沿走廊兩側(cè)分布，可按朝向簡(jiǎn)單分為南向與北向。寢室為4人間，設(shè)置有上床下桌，相鄰兩間共用一個(gè)中廳公共起居空間。每間寢室層高3m，面積17.1m。中廳平面為對(duì)稱的五邊形，面積12.6m，內(nèi)設(shè)桌椅，為學(xué)生的會(huì)客交流、學(xué)習(xí)討論等活動(dòng)創(chuàng)造了條件（圖1）。

中廳有暖氣管，未設(shè)空調(diào)，主要依賴自然通風(fēng)，在使用過程中中廳與兩側(cè)寢室間的門通常處于關(guān)閉狀態(tài)，因此主要為單側(cè)通風(fēng)。按開窗數(shù)量可將通風(fēng)模式細(xì)分為單側(cè)單通風(fēng)口自然通風(fēng)和單側(cè)雙通風(fēng)口自然通風(fēng)（圖2）。

2 研究方法

通過采集樣本中廳不同工況條件下的熱環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合問卷調(diào)研對(duì)學(xué)生使用行為和主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行相關(guān)性研究，對(duì)比分析不同工況的實(shí)際通風(fēng)效果。選取紫荊公寓11 號(hào)樓R604（北向）和R701（南向）房間樣本中廳（圖3），連續(xù)測(cè)試不同工況條件下室內(nèi)溫濕度以及相對(duì)應(yīng)的室外溫濕度數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)及問卷結(jié)果的比較分析，識(shí)別和比較不同通風(fēng)方式下中廳的通風(fēng)效果，從而為中廳設(shè)計(jì)優(yōu)化提供策略和依據(jù)。

樣本中廳的室內(nèi)溫度受到住宅建筑因素（平面、樓層和朝向等）、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)（圍護(hù)結(jié)構(gòu)K值、窗墻比）、用戶生活習(xí)慣因素（通風(fēng)方式、日常生活節(jié)律和室內(nèi)活動(dòng)類型等）的綜合影響。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)期間保持中廳出入口密閉、無人使用、無濕源，且所選測(cè)試點(diǎn)樓層相近。通風(fēng)方式依據(jù)問卷調(diào)研結(jié)果中學(xué)生使用習(xí)慣及生活節(jié)律進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，在控制混雜因素的前提下，保證各變量組之間可進(jìn)行相互對(duì)照。

2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集方法

采用四臺(tái)溫濕度自記儀（測(cè)量精度為0.1℃）測(cè)量R701南中廳、R604北中廳以及對(duì)應(yīng)室外陽(yáng)臺(tái)的溫濕度。實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)儀器放置在幾何中心，室外陽(yáng)臺(tái)儀器放于同一水平高度、無陽(yáng)光直射處。設(shè)置采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為30s，連續(xù)測(cè)量并記錄各時(shí)刻的溫度和相對(duì)濕度值，結(jié)束后導(dǎo)入電腦保存。

在工況的設(shè)置上，遵循控制變量和對(duì)照實(shí)驗(yàn)的原則，考慮到學(xué)生自主調(diào)節(jié)的生活行為習(xí)慣，實(shí)測(cè)時(shí)間內(nèi)中廳均采用全天通風(fēng)的方式，最終選定寢室朝向、開窗數(shù)量、開窗面積三個(gè)變量，以閉窗環(huán)境作為對(duì)照組設(shè)置5組工況，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 問卷調(diào)研及主觀評(píng)價(jià)

對(duì)夏季紫荊公寓生活起居共享中廳的學(xué)生使用狀況展開問卷調(diào)研，共回收有效答卷105份。綜合問卷結(jié)果可歸納出：1）對(duì)于中廳熱環(huán)境，同學(xué)普遍認(rèn)為夏季中廳熱環(huán)境的體驗(yàn)感較差，僅依賴自然通風(fēng)并未緩解室內(nèi)的炎熱感。相較于南向?qū)嬍?，北向?qū)嬍业耐瑢W(xué)更不愿意選擇在中廳學(xué)習(xí)，日照和風(fēng)向?qū)Υ私Y(jié)果有一定影響；2）關(guān)于中廳自然通風(fēng)行為，夏季中廳普遍采用全天開窗的方式進(jìn)行通風(fēng)換氣，南側(cè)寢室的同學(xué)以開窗通風(fēng)降低室內(nèi)溫度的意愿更加強(qiáng)烈。同時(shí)，同學(xué)們對(duì)開窗數(shù)量及開窗時(shí)間對(duì)通風(fēng)效果的影響尚不明確，無法最大程度發(fā)揮自然通風(fēng)的優(yōu)勢(shì)。

3 數(shù)據(jù)分析

實(shí)測(cè)所得數(shù)據(jù)（溫度T、濕度RH）按照時(shí)間和日期記錄，繪制溫濕度曲線圖進(jìn)行圖形化識(shí)別與比較（圖4,5）。利用焓濕圖衡量南北朝向中廳溫濕度時(shí)空變化差異，并結(jié)合過熱度和過熱時(shí)間的對(duì)比分析，綜合問卷調(diào)研中不同朝向居住學(xué)生對(duì)中廳熱環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)，比較南北中廳的熱舒適并初步識(shí)別不同工況下單側(cè)中廳的通風(fēng)效果差異。相似外部環(huán)境條件（氣象參數(shù)及時(shí)間）下的室內(nèi)外溫度曲線變化則用于比較不同工況下單側(cè)中廳的通風(fēng)效果差異，結(jié)合使用行為及學(xué)生生活節(jié)律的特點(diǎn)，了解不同開窗方式對(duì)中廳空間使用模式及不同時(shí)段室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)變化的影響，最終優(yōu)化現(xiàn)有條件下的通風(fēng)效果及熱舒適，為建筑師優(yōu)化設(shè)計(jì)學(xué)生公寓共享空間提供依據(jù)。

室內(nèi)溫濕度曲線能夠反映朝向、平面特點(diǎn)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、實(shí)驗(yàn)控制通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境調(diào)節(jié)的共同作用，本次實(shí)測(cè)結(jié)論關(guān)注朝向及通風(fēng)方式因素。通過將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中南北樣本中廳室內(nèi)及室外熱濕度值三條曲線疊加分析，進(jìn)而得到溫濕度值隨時(shí)間和空間變化的特征信息。此實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)夏季自然通風(fēng)模式下學(xué)生公寓共享起居空間過熱問題，探究室內(nèi)溫度時(shí)空分布特征。

1 學(xué)生公寓建筑幾何參數(shù)和中廳通風(fēng)模式

2,3 公寓及測(cè)試房間位置示意圖

表1 工況設(shè)置及溫度變化

4 溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖5 濕度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

3.1 夏季自然通風(fēng)模式下學(xué)生公寓共享起居空間過熱問題

3.1.1 基于過熱度和過熱時(shí)間的南北向中廳室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)比分析

綜合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及學(xué)生主觀評(píng)價(jià)，過熱問題是影響學(xué)生夏季使用中廳的主要因素。為進(jìn)行量化研究，引入過熱度T與過熱時(shí)間τ。我國(guó)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50019-2003）中，夏季空調(diào)房間室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為24～28℃。北京屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，選擇28℃作為夏季非空調(diào)房間熱舒適溫度，并采用溫濕度自記儀每30s記錄一次溫度，計(jì)算各工況下南北向?qū)嬍业倪^熱時(shí)間與總記錄時(shí)間的比值。由表2可知，夏季中廳空間內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了較為明顯的過熱，三種工況下南向中廳基本均比北向中廳過熱時(shí)間更長(zhǎng)、過熱度更大。

3.1.2 基于焓濕圖的南北向中廳室內(nèi)熱濕環(huán)境對(duì)比分析

依據(jù)氣候特點(diǎn)，將濕空氣各參數(shù)之間的關(guān)系用圖線表示，繪制焓濕圖并將所測(cè)數(shù)據(jù)按不同工況分類，以散點(diǎn)圖形式疊加繪制（圖6）。

通過對(duì)比，不同工況條件下的夏季中廳空間內(nèi)熱舒適性均較差，北向中廳優(yōu)于南向中廳。對(duì)比工況3、5，可發(fā)現(xiàn)單側(cè)雙通風(fēng)口自然通風(fēng)（開雙窗）能適當(dāng)提升中廳的熱舒適性。在室內(nèi)封閉條件下，南向中廳受影響較大，過熱問題較為突出，不適宜學(xué)生使用。

表2 不同工況下南北房間過熱時(shí)間與過熱度對(duì)比

3.2 不同通風(fēng)模式下學(xué)生公寓共享起居空間室內(nèi)溫度時(shí)空變化特征

夏季中廳空間的使用與學(xué)生生活節(jié)律聯(lián)系緊密，通過改變通風(fēng)方式調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看，對(duì)于北向中廳來說，開窗會(huì)使白天室內(nèi)溫度產(chǎn)生明顯峰值，而不開窗時(shí)溫度較為平緩；對(duì)于南向中廳來說，開窗有利于降低室內(nèi)溫度峰值，不開窗則室內(nèi)外溫度接近。為進(jìn)一步對(duì)比不同通風(fēng)方式的效果，提取具有代表性且在相似外部環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析（圖7）。

對(duì)比圖8、9可以看出，在日間溫度出現(xiàn)峰值時(shí)段G1內(nèi)，南中廳開單窗、北中廳開雙窗對(duì)緩解室內(nèi)過熱效率更高；在日落之后溫度下降階段G2內(nèi)，開窗面積的差異對(duì)南北中廳降溫效果的影響并不顯著，這與中廳通風(fēng)口相距較近、通風(fēng)面積差異較小有關(guān)。

4 基于樣本空間的通風(fēng)優(yōu)化解決方案

4.1 夏季共享空間分時(shí)分區(qū)的通風(fēng)調(diào)節(jié)控制

由以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在單側(cè)通風(fēng)條件下，朝向和通風(fēng)時(shí)段在室內(nèi)熱濕環(huán)境的調(diào)節(jié)控制下存在關(guān)聯(lián)性，建議進(jìn)行分區(qū)分時(shí)段熱環(huán)境控制（圖10）。

（1）從朝向上看，夏季北向共享空間室內(nèi)熱舒適優(yōu)于南向，可以容納更多活動(dòng)；在室內(nèi)封閉條件下，南向共享空間受影響較大，建議開窗通風(fēng)。

（2）從使用時(shí)段上看，在日間溫度出現(xiàn)峰值時(shí)段內(nèi)，南向采用單側(cè)單通道口自然通風(fēng)、北向采用單側(cè)雙通道口自然通風(fēng)對(duì)緩解室內(nèi)過熱效率更高。中午之前及日落之后，共享空間過熱時(shí)間占比低，可僅依靠自然通風(fēng)調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境，該時(shí)段也更適宜學(xué)生學(xué)習(xí)和使用。

4.2 通風(fēng)自主調(diào)節(jié)模式與設(shè)計(jì)相結(jié)合

在共享空間的外立面設(shè)計(jì)上可對(duì)通風(fēng)口的數(shù)量設(shè)置加以考量。為更好地方便學(xué)生進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，采用單側(cè)通風(fēng)的共享空間可設(shè)置至少兩個(gè)通風(fēng)口以實(shí)現(xiàn)單/雙通道口自然通風(fēng)的切換，同時(shí)盡量使開窗面積可調(diào)節(jié)。對(duì)于不同朝向的共享空間，南向空間可設(shè)置更多通風(fēng)口方便調(diào)節(jié)；北向空間熱舒適性相對(duì)較好，但結(jié)合問卷調(diào)研北向日照條件較差，可設(shè)置天窗等輔助采光。

6 不同工況焓濕圖分析示意圖

7 樣本中廳溫度曲線疊加分析示意圖

8 G1 時(shí)段工況3 溫度曲線圖（上）G1 時(shí)段工況5 溫度曲線圖（下）

9 G2 時(shí)段工況3 溫度曲線圖（上）G2 時(shí)段工況4 溫度曲線圖（下）

10 夏季共享空間分時(shí)分區(qū)的通風(fēng)調(diào)節(jié)控制

5 研究結(jié)論

本研究通過對(duì)樣本學(xué)生公寓共享起居空間的使用行為、主觀評(píng)價(jià)及室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行量化分析，發(fā)現(xiàn)夏季共享起居空間存在過熱問題，并結(jié)合室內(nèi)溫度時(shí)空分布特征分時(shí)分區(qū)匹配不同的通風(fēng)模式，提供環(huán)境控制建議及設(shè)計(jì)優(yōu)化依據(jù)。由于受實(shí)測(cè)條件及時(shí)間周期限制，本研究并未對(duì)優(yōu)化通風(fēng)方式進(jìn)行驗(yàn)證。后續(xù)研究如有條件可對(duì)實(shí)測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)及對(duì)比分析，對(duì)學(xué)生公寓共享空間的設(shè)計(jì)優(yōu)化提出更加全面精確的指導(dǎo)建議。

研究受到清華大學(xué)（建筑學(xué)院）臨沂城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司建筑全生命周期品質(zhì)管理聯(lián)合研究中心（2021-B2）支持。

＊ 本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目“高能效智能建筑環(huán)境營(yíng)造原理與性能化設(shè)計(jì)新方法”（52130803）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于機(jī)器學(xué)習(xí)的寒冷地區(qū)綠色住宅空間環(huán)境變量耦合機(jī)制與數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方法研究”（52078262）資助。

1-10作者自繪

表1,2作者自繪