宿舍建筑單體維度熱舒適度改善與可持續改造

楊凱中

(合肥工業大學建筑與藝術學院，安徽 合肥 230601)

1 基于熱舒適度的初步改造理論

1.1 熱舒適度相關概念介紹

1.1.1 建筑熱舒適度的研究意義

在建造技術高速發展的今天,人們雖然產生了對空間體驗的多樣化需求，但是對于建筑所營造和提供的微氣候環境(物理環境)要求卻始終排在考慮范圍前列。人體與環境熱交換會影響人的生理活動，而生理活動會產生心理活動，形成熱感覺，最終影響熱舒適程度。通過對相關影響因素的研究，我們能夠對現存建筑進行熱環境改造，使其能夠指導更新設計。

1.1.2 熱舒適度的影響因素

經過相關資料的研究，將影響人體熱舒適的因素總結為兩大方面，即4個環境因素和2個人體因素，環境因素包括：室內空氣溫度、空氣濕度、空氣流速及平均輻射溫度；人體因素即人的活動量(新陳代謝率)和衣著情況(服飾熱阻)。

除了上述因素以外，人體還通過新陳代謝產生熱量，從而維持一定體溫，因而新陳代謝率是影響人體熱舒適的重要因素之一。同時，服飾熱阻也是影響人體熱感覺的重要因素，影響人體與周圍環境的輻射和對流換熱。由于個體之間的差異化以及地區自然氣候等既定條件，本文的研究內容主要從影響熱舒適度的環境因素入手，基于合肥工業大學翡翠湖校區宿舍樓的建筑單體維度，嘗試提出相應的改善措施。

1.2 合肥地區氣候特征分析

1.2.1 主要氣候特征分析

合肥工業大學翡翠湖校區位于安徽省合肥市蜀山區，為亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫15.7 ℃，降雨近1 000 mm，日照2 100 h。其氣候特征如表1所示，主要氣候特點是季風明顯、梅雨顯著。

地區年氣溫變化較大，屬夏熱冬冷地區，應進行夏季防熱與冬季保溫措施考量。由太陽輻射形式分析，6月～9月為合肥市的太陽光照射最強月份，光照情況與其明顯的季風性氣候相吻合。通過Ecotect軟件氣候分析，得出不同方位太陽輻射量分布特點，其南向、東南向與西南向的太陽輻射量較大，太陽能資源也相對豐富，應充分考慮到對太陽輻射的隔離與利用。

表1 氣候特征統計表

1.2.2 風速與風向特征分析

合肥市季節性風向變化較為明顯。冬季在偏北風季風主導下，由于大別山區阻擋以及皖南山區對風導流，形成冬季主導東北風；夏季主導偏南風的季風，合肥地區全年都較少出現西風和西南風，且靜風比例較高。

結合風圖可以得出，風向相對集中且風速也比較可觀，結合五號宿舍樓的位置，其北側的被遮擋情況相對嚴重，南側無遮擋，東側有部分遮擋。以其焓濕圖與最佳朝向(見圖1，圖2)，可以充分利用夏季的東風與東南季風來保證自然通風。

1.3 室內熱環境現存問題與措施設想

1.3.1 區位現狀

研究所選建筑區位如圖3所示，宿舍樓位于建筑群中部，南面無建筑遮擋，東西向宿舍樓斜向分布，影響略小。本文研究選擇一定程度風力受周圍建筑與環境影響，主要擬采用改造措施為建筑單體維度上，包括圍護結構、建筑形態和設備技術等主要切入方向。

1.3.2 基于grasshopper的熱舒適度分析

經過日照時長分析(見圖4，圖5)，夏季北樓屋面結構會接受更多太陽直射，南樓其得熱量更多，需要更多的防熱措施；冬季時相似的北樓屋面結構會有更多得熱量，需要對南樓頂部進行特別保溫措施考量。如圖6所示，對于南北樓房間(墻體)而言，其日照時長差別不大，需要進一步對太陽輻射量進行考量。

對于樓體太陽輻射分析中(見圖7)，主要太陽輻射集中在屋面結構，會產生高樓層夏季熱舒適度較差問題，且同為南向房間，北樓低樓層會被南樓遮擋，造成陰暗、潮濕的環境，需要應對措施考慮。

此外，針對太陽輻射量，北向房間的輻射量明顯不夠，同時西面太陽輻射過強，所以應對北面房間進行光熱補償且對西曬問題進行有效防熱與防眩光相關處理。

結合grasshopperladybug日照時長與太陽輻射分析，為改善樓內熱舒適度，夏季隔離太陽輻射熱，減少與外界高溫環境換熱，利用通風帶走多余濕氣而降低濕度，優化宿舍悶熱、潮濕問題；冬季保溫防風為主要措施，充分利用太陽輻射熱能，防止冷風進入帶走熱量，改善室內的陰冷狀況。以圍護結構、建筑形體等被動式節能措施為主。

2 圍護結構改造

2.1 屋面的熱舒適改造理論與應用

根據宿舍樓體日照時長與太陽輻射分析，屋頂傳熱比墻體熱強度大，建筑屋面節能隔熱尤為重要。根據測算，溫度每降低1 ℃，空調減少能耗10%，并在多層圍護結構中，屋頂能耗約占總能耗的8%～10%。因此，加強屋頂保溫與隔熱節能對建筑造價影響不大，但節能效益明顯且人體舒適性會大幅提升。

宿舍樓采用坡屋頂，太陽高度角最大時光線對坡屋面斜射，對平屋面正射。保持屋面形式，內置保溫隔熱材料提高屋面熱工性能，提供新空間利于防水，改善屋面熱工性能、降低造價。利用通風間層、布設太陽能集熱板等措施，降低輻射熱對室內影響和保護屋頂材料(見圖8)。利用熱壓和風壓作用帶走大部分進入間層的輻射熱，可有效地降低下層圍護結構室內傳熱，利于熱環境塑造。

2.2 附架式綠化擬改造策略

本次改造策略考慮在建筑東西墻面種植攀緣植物，在夏季利用植物阻隔太陽輻射熱，有效遮擋太陽輻射，而在冬季，植物凋謝，墻面可直接受熱，從而使墻面起到良好的保溫隔熱作用(見圖9)。墻面種植降溫隔熱、美化環境、改善局部小氣候。作為補償建筑占用的綠化地面,提升校園宿舍綠化覆蓋率。與造價高昂的刻板印象不同，恰恰相反，種植攀緣植物墻面是經濟且環保的全生命周期隔熱措施。

3 平面布局的改造策略

3.1 底樓層改造

宿舍樓南北向布置，但大多數時候南北向各個宿舍的門都是要閉合的，雖然有副窗可以開啟以供通風，但是開啟率較低。為增加南北向通風和走廊的采光，可利用房間結構改造方式進行改善。

如圖10首層平面形式，將長廊布局形式打破，來優化通風與采光。將原有宿舍房間改成走廊一部分，一定程度內收可形成“文丘里管效應”，增加南北貫通自然通風量，同時可增加走廊采光量，增加冬季底層溫度；將一層倉庫的一部分改為半開放外廊，使得宿舍走廊能夠直接接觸到室外環境，以增加通風量。

三層為代表的中高樓層改造現有樓梯間是由窗洞與室外直接連通的空間，夏天會使室外的高溫氣體進入，冬天會使樓內的熱量散失，是造成樓道內部熱舒適度低的主要原因，且隨著樓層數增加西端走廊房間日曬嚴重，熱舒適度極差。主要改造策略如圖11所示，內收房間擴充豐富走廊形式，增加走廊采光通風；將西邊的端頭房間改造成陽光房，以對強西曬進行緩沖作用且防止冬季墻角熱量散失；同時將樓梯間凸出形體封閉，并通至頂部，形成熱壓通風井功能作用。

3.2 宿舍貼建擬改造策略

宿舍樓縱深較長的走廊為東西向，而合肥市風向以東向風為主導，但東西向上由于走廊較大深度，其通風程度很低，所以除自然風壓通風之外，還可利用圖12所示貼建煙囪來利用熱壓通風原理。煙囪實際上起到了通風井的作用，將原來利用率較低的室外陽臺用煙囪取代。煙囪可以由槽型鋼板圍合而成，置于建筑西側墻體處，西向的太陽輻射使得管腔內氣體升溫，東西向走廊利用了煙囪垂直高差產生了熱氣流的上升，從而增加走廊空氣流動并改善空氣質量。

4 結語

翡翠湖校區于2010年左右正式投入使用，其學生宿舍建設相對較早，本文選取五號宿舍樓進行實例分析與擬改建策略的研究。基于建筑單體維度，結合問卷反饋與grasshopper，Ecotect的科學軟件分析，筆者針對熱舒適度方向，經過相關資料與3D建模推演，提出相應擬改造策略，希望對宿舍舒適度可持續改造相關研究提供參考意義。