嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑室內(nèi)熱環(huán)境與熱舒適研究進展

彭芃 房杰 張建新 曾路

重慶大學(xué)材料學(xué)院

0 前言

伴隨社會物質(zhì)文明和精神文明的發(fā)展，民眾對于建筑環(huán)境的要求逐漸提高，不再是簡單追求安全，隔熱和保暖等基本層次，轉(zhuǎn)而更密切地關(guān)注室內(nèi)環(huán)境是否有利于個人的健康，是否達到自身生理、心理等多方面的舒適期望[1]。但我國幅員遼闊，氣候復(fù)雜多樣，建筑類型多種多樣，熱舒適標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，不同室內(nèi)環(huán)境參數(shù)對室內(nèi)熱舒適的影響效果和程度也有不同[2]。特別是在我國嚴(yán)寒地區(qū)，夏季短促且涼爽，冬季寒冷而漫長，公共建筑作為人們進行各種活動的場所，需要將室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)維持在一個的適宜的范圍以達到人體熱舒適。

公共建筑具有使用上的公共性及開放性、功能上的多樣性、人流交通的大量性等特點，使其在適宜室內(nèi)環(huán)境的營造上具有一定難度[3]。本文針對我國嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑室內(nèi)熱環(huán)境研究現(xiàn)狀，分析了不同季節(jié)、不同類型公共建筑在室內(nèi)熱環(huán)境上的差異對其是否符合現(xiàn)行熱舒適標(biāo)準(zhǔn)進行簡單評估。總結(jié)了不同類型公共建筑在冬季各現(xiàn)場調(diào)研中的熱舒適范圍、熱中性溫度、可接受溫度范圍等，對冬季采暖不同階段及不同年齡和不同性別受試者等的差異性進行分析。闡明了夏季和過渡季通風(fēng)方式對建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響，并就合理利用自然通風(fēng)的優(yōu)化設(shè)計策略進行探究，為未來嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑室內(nèi)適宜環(huán)境營造以及相關(guān)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)的建立提供參考依據(jù)。

1 樣本統(tǒng)計

由于嚴(yán)寒地區(qū)夏季涼爽冬季寒冷的特殊氣候條件，使得冬季調(diào)研與夏季及過渡季調(diào)研的研究側(cè)重點存在一定差異，冬季調(diào)研側(cè)重于建筑室內(nèi)集中供暖條件下人體熱舒適狀況及差異性分析，而夏季及過渡季調(diào)研則側(cè)重于通風(fēng)方式對建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響及優(yōu)化設(shè)計策略研究?，F(xiàn)有的文獻調(diào)研大多在我國東北三省以及新疆等地區(qū)開展，主要涉及辦公建筑、高校教室、高校圖書館、超市或商場、火車站等幾大類型，研究樣本分布情況如圖1 所示。

圖1 公共建筑研究樣本分布

2 嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑的室內(nèi)熱環(huán)境

2.1 公共建筑熱舒適標(biāo)準(zhǔn)

公共建筑由于其功能及結(jié)構(gòu)所具有的特殊性，其室內(nèi)環(huán)境設(shè)計參數(shù)不能照搬普通民用住宅，特別是具有娛樂或交通等功能的公共建筑，其室內(nèi)環(huán)境參數(shù)在實際設(shè)計或運行中應(yīng)與普通民用住宅及辦公建筑等公建區(qū)分開[4]。目前我國內(nèi)現(xiàn)有適用于嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑熱舒適標(biāo)準(zhǔn)

由表1 可以看出，各標(biāo)準(zhǔn)對不同建筑類型或長期/短期逗留區(qū)域在冬夏兩季的室內(nèi)溫度，濕度及空氣流速作出規(guī)定，各標(biāo)準(zhǔn)在指標(biāo)的具體規(guī)定上存在一定差異，但數(shù)值均存在明顯交集。根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)對室內(nèi)熱環(huán)境各物理參數(shù)的規(guī)定，取其出現(xiàn)頻率較高、建筑類型涵括較廣的指標(biāo)值，得出一個適用于嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑室內(nèi)熱環(huán)境的各指標(biāo)的大致范圍。夏季室內(nèi)溫度宜控制在24～28℃，冬季宜控制在18～24℃。夏季室內(nèi)濕度宜控制在40%～65%，冬季宜控制在30%～ 60%。室內(nèi)空氣流速夏季宜控制在0.15～0.50 m/s，冬季宜控制在0～0.30 m/s。

2.2 嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑的室內(nèi)熱環(huán)境

以哈爾濱工業(yè)大學(xué)王昭俊教授為代表，諸多學(xué)者對嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑室內(nèi)熱環(huán)境及熱舒適開展了現(xiàn)場調(diào)研，并對室內(nèi)物理環(huán)境（溫度，濕度及風(fēng)速）進行測試，筆者將各現(xiàn)場調(diào)研中實測室內(nèi)溫度，濕度及風(fēng)速與上文中依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所確立的適用于嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑室內(nèi)熱環(huán)境的相關(guān)物理指標(biāo)進行對比，結(jié)果具體如圖1 所示。

根據(jù)圖2（嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑室內(nèi)中實測溫度、濕度及風(fēng)速分布），建筑室內(nèi)的溫濕度及風(fēng)速在不同現(xiàn)場調(diào)研中存在較大的差異，且并不完全符合熱舒適標(biāo)準(zhǔn)中給出的規(guī)定或建議值。三項指標(biāo)中，室內(nèi)空氣流速基本達標(biāo)，而溫濕度與標(biāo)準(zhǔn)值差異較為明顯，其中溫度偏高，濕度偏低。熱環(huán)境物理指標(biāo)的差異性或不達標(biāo)的情況可能主要與公共建筑類型的多樣性有很大關(guān)系。與高校教室、圖書館、辦公建筑相比，地鐵、火車站及商場等處的人群具有構(gòu)成復(fù)雜、停留時間短、流動性大、聚集度高等特點，因此在營造室內(nèi)適宜環(huán)境上，二者也有較大的差異，比較明顯的表現(xiàn)在通風(fēng)方式上。在夏季，辦公建筑及高校教室等多采用自然通風(fēng)的方式，火車站及商場等則多采用機械通風(fēng)。嚴(yán)寒地區(qū)冬季均采用集中供暖，但供暖方式分為散熱器供暖和地板輻射采暖兩大類。不同采暖及通風(fēng)方式使得各現(xiàn)場調(diào)研中溫度，濕度及空氣流速出現(xiàn)一定差異。但值得注意的是，冬季供暖條件下室內(nèi)溫度過高意味著在使人體不舒適的同時產(chǎn)生的較大的建筑能耗，因此按照適用于嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)控制室內(nèi)各物理環(huán)境指標(biāo)至關(guān)重要。

圖2 嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑室內(nèi)中實測溫度，濕度及風(fēng)速分布

3 嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑室內(nèi)熱舒適

3.1 冬季室內(nèi)熱舒適及結(jié)果分析

嚴(yán)寒地區(qū)不同類型公共建筑在冬季集中供暖條件下室內(nèi)熱舒適情況如表2 所示。由表2 可以看出：不同熱舒適現(xiàn)場中，由于受試者所處物理環(huán)境（室內(nèi)溫度、濕度、空氣流速等）或所著服裝的不同，其熱中性溫度、熱期望溫度、可接受溫度范圍以及人體熱感覺與熱舒適隨室內(nèi)溫濕度的變化規(guī)律等存在一定差異。不同采暖階段受試者的可接受溫度范圍逐漸拓寬，且寬于現(xiàn)有熱舒適標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，體現(xiàn)出受試者對室內(nèi)外氣候很好的心理適應(yīng)性[16]。受試者的熱期望高于其對應(yīng)的熱中性溫度，即身處氣候寒冷地區(qū)人們已經(jīng)適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐暮錃夂?，所期望的熱環(huán)境可能偏向于稍暖的一側(cè)[17]。此外由表2 可以看出，同一熱舒適現(xiàn)場中男性與女性受試者存在一定的差異，相同情況下女性的熱中性溫度和熱期望溫度均高于男性，且女性隨著溫度其衣著的變化速率要高于男性[18-20]。

表2 嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑冬季室內(nèi)熱舒適

除不同性別受試者在熱舒適現(xiàn)場中表現(xiàn)出明顯差異性以外，年齡差異對人體熱感覺也有一定影響。一些研究表明，青少年組和老年組相對其他群體（青壯年及中年組）對熱環(huán)境的敏感程度更高，對舒適溫度的要求更高[8,21]。但另一些研究表明，青少年與中老年在熱中性溫度上的差別非常小，可接受溫度區(qū)間也相差無幾，即年齡對于熱感受的評價影響比較小[9]。產(chǎn)生這一結(jié)論的原因可能是，雖然隨著年齡的增長基礎(chǔ)新陳代謝率會有所下降，但同時皮膚表面汗液蒸發(fā)量也在下降，產(chǎn)熱量與耗熱量均有所降低，兩者可以互相抵消[22]。

由此可以看出，熱舒適是一個多因素綜合影響的結(jié)果，其中包括空氣溫度，氣流速度，空氣相對濕度，平均輻射溫度，人體新陳代謝率，服裝熱阻，還涉及到心理因素，地區(qū)差別，性別因素以及年齡因素等[23]。營造符合人體熱舒適的適宜室內(nèi)環(huán)境，需要充分考慮各方面因素并使其協(xié)調(diào)統(tǒng)一，優(yōu)化采暖方式并調(diào)控適宜的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)則是最基礎(chǔ)的工作。

3.2 夏季及過渡季通風(fēng)方式及優(yōu)化策略

公共建筑由于其開放式、大空間、大進深、高人員密度和采用空調(diào)降溫與機械通風(fēng)的特點，帶來了高能耗低舒適度的問題。如何通過建筑設(shè)計的手段充分利用自然通風(fēng)以減少公共建筑在過渡季及夏季對機械通風(fēng)及空調(diào)的使用，與此同時改善公共空間的室內(nèi)熱環(huán)境及熱舒適的問題變得尤為重要。這決定了嚴(yán)寒地區(qū)在夏季及過渡季的調(diào)研主要集中在通風(fēng)方式對建筑室內(nèi)熱環(huán)境及熱舒適的影響及其優(yōu)化設(shè)計策略上，研究內(nèi)容如表3 所示。

表3 嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑夏季及過渡季通風(fēng)策略研究

由表3 可知，自然通風(fēng)及機械通風(fēng)為公共建筑營造夏季室內(nèi)熱舒適主要兩種方式，其中辦公建筑與高校建筑多采用自然通風(fēng)。商場，超市及公共交通場所等多采用機械通風(fēng)或混合式通風(fēng)。合理利用自然通風(fēng)可以在改善室內(nèi)熱舒適的同時降低建筑能耗，且嚴(yán)寒地區(qū)的通風(fēng)節(jié)能潛力優(yōu)于其他地區(qū)。以哈爾濱為例，其節(jié)能潛力最大的時間在8、9 月份，其次是5、6、7 月份[31]。在自然通風(fēng)條件下建筑朝向，開窗方式及面積，樓層高度及空間高度，出入風(fēng)口對應(yīng)關(guān)系等因素對各類型公共建筑室內(nèi)熱舒適的影響均較為顯著[25-29]。同時，通過 Airpark 軟件對不同送風(fēng)方式下室內(nèi)的溫度場、濕度場、室內(nèi)風(fēng)速分布、空氣齡分布、污染物濃度分布等進行分析，并據(jù)此對建筑室內(nèi)的氣流組織、熱舒適性和室內(nèi)空氣品質(zhì)進行評價，可以得出不同通風(fēng)方式下公共建筑空間設(shè)計在利用自然通風(fēng)方面存在的問題并提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計策略[28-29]，結(jié)果具體如表4 所示。

表4 嚴(yán)寒地區(qū)辦公建筑夏季自然通風(fēng)策略研究

研究認(rèn)為哈爾濱地區(qū)建筑適宜朝向為南至南偏東20° 和南至南偏西15°，此范圍內(nèi)的建筑朝向避開了冬季的不利風(fēng)向，且可以保證最大限度的太陽輻射量[28-29]。由表4 可以看出，采用單側(cè)通風(fēng)的開放式布局與單元式布局辦公空間的適宜朝向分別為南至南偏東15°、南至南偏西15°。比較適宜進行自然通風(fēng)的的樓層分別為3～6 層、4～6 層，而高樓層由于外界風(fēng)速的速度值及壓力值增大，需要改變其它因素來減小高空風(fēng)對室內(nèi)自然的通風(fēng)的沖擊影響，或者采用機械通風(fēng)。采用雙側(cè)通風(fēng)的開放式布局與單元式布局辦公空間的辦公空間有效高度分別為3.45～4.50 m、2.70 m。通過將墻面上平向開窗變?yōu)殇忼X形窗或利用文丘里現(xiàn)象設(shè)計八字風(fēng)引風(fēng)墻可以加強開放式辦公空間雙測通風(fēng)，適當(dāng)增加排風(fēng)口則可以使單元式辦公空間以形成穿堂風(fēng)。

充分利用自然通風(fēng)，可以使公共建筑在夏季及過渡季營造室內(nèi)適宜熱環(huán)境達到人體熱舒適的同時減小建筑能耗，而如何合理利用自然通風(fēng)，則需將規(guī)劃地區(qū)建筑朝向、控制合理開窗方式及面積、確立最佳樓層高度及空間高度、調(diào)整適宜出入風(fēng)口對應(yīng)關(guān)系落實到建筑設(shè)計的每一步。

4 結(jié)論與展望

本文系統(tǒng)的總結(jié)了國內(nèi)關(guān)于嚴(yán)寒地區(qū)建筑室內(nèi)熱環(huán)境與熱舒適調(diào)查研究的成果，研究內(nèi)容包括公共建筑室內(nèi)熱環(huán)境分析、冬季集中供暖條件下建筑室內(nèi)熱舒適分析以及夏季及過渡季通風(fēng)方式及優(yōu)化設(shè)計策略分析?？梢缘贸鲆韵轮饕Y(jié)論：

1）大部分建筑的室內(nèi)溫濕度以及風(fēng)速基本滿足人體的熱舒適要求，但也存在建筑或建筑中部分區(qū)域一些不滿足人體熱舒適的情況，這與不同建筑類型通風(fēng)和采暖方式的差異性有關(guān)。

2）嚴(yán)寒地區(qū)冬季公共建筑中，受試者熱中性溫度基本處于19～25℃之間，主要分布在20℃與21℃附近。可接受溫度范圍主要分布在17～26℃之間，比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的略寬，且熱期望高于其對應(yīng)的熱中性溫度，即嚴(yán)寒地區(qū)的人們對外界寒冷的氣候環(huán)境有一定的適應(yīng)性。

3）嚴(yán)寒地區(qū)夏季涼爽，通風(fēng)方式成為建筑室內(nèi)熱環(huán)境的重要影響因素，通過優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)即規(guī)劃適宜建筑朝向，控制開窗方式及面積，確立最佳樓層高度及空間高度，調(diào)整出入風(fēng)口對應(yīng)關(guān)系等可最大程度利用自然通風(fēng)使建筑室內(nèi)達到適宜的溫濕度以滿足人體熱舒適需求并降低建筑能耗。

4）與住宅建筑不同，公共建筑類型多種多樣，在營造適宜室內(nèi)熱環(huán)境時需要考慮較多影響因素。已有文獻多對住宅與公共建筑進行對比，而對不同公建類型尤其是辦公建筑、學(xué)校建筑同商場、火車站等在熱環(huán)境與熱舒適上的差異性研究較少，且目前針對嚴(yán)寒地區(qū)的公共建筑的研究樣本中，對商場及公共交通場所的研究較少，需要更多深入的研究。