室外下沉商業街熱舒適度研究

蔡正乾[阿特金斯顧問（深圳）有限公司上海分公司， 上海 200003]

大型城市的高速發展導致城市人口及建筑密度驟增，同時造成用地短缺。建筑的橫向發展已經不可行，取而代之的是縱向發展，大面積的地下空間開發已經成為大型城市的建筑開發典型。地下停車場從原有的 1 層，逐步增加到 2 層、3 層，甚至 4 層，商業功能區也從原有的地上層，拓展到地下層。

本項目通過建筑物理分析模擬技術，結合上海市室外氣象參數和項目本身的建筑特點，得出項目本身的微氣候工況，并在此基礎上進行各項舒適度分析，和業主、設計方、各顧問方經過一系列會議討論，最終得出一致認可的設計優化方案。

1 項目介紹

本項目所在的上海市中心城區，是市中心內最成熟繁華的區域，緊鄰新天地商圈，是上海時尚文化及高端生活的前沿。

項目占地面積 8 594 m2，總建筑面積約 45 000 m2，地下 3 層，地上 6 層，建筑高 24 m，地上 1 F 為商業，地上2～6 F 為辦公，地下 1 F（B 1）及地下 2 F（B 2）部分為商業和餐飲，地下 3 F 為車庫及人防。地上部分分為北樓和南樓，北樓在中間分開為東西兩個部分，南樓亦在中間分開為東西兩個部分，地庫部分南北樓為一個整體，B 1 和 B 2為室外下沉商業街。

本項目已獲得 LEED (Leadership for Energy and Environmental Design，能源與環境設計先鋒)認證金級、WELL（健康建筑）認證金級、綠色建筑設計標識二星級認證。

上海夏季室外溫度較高。這種情況下 B 1 和 B 2 室外下沉商業街活動區過熱，進而導致較差的舒適性，影響客流?；诖?，本文研究該區域在夏季的舒適度情況，并提出相關解決方案的分析。

上海市夏季（6～9 月）平均相對濕度為 76%，平均溫度為 19～26 ℃，最高氣溫為 35 ℃。上海各季節主導風向及風速情況如表 1 所示。由于此次主要研究夏季舒適度情況，因此只考慮夏季工況。

2 具體策略分析

2.1 噴霧風扇

噴霧風扇是一種用于戶外的制冷系統，通常使用的是高壓噴嘴式噴霧風扇。該設備配有水箱，水流通過高壓水泵的作用擁有幾兆帕的壓力，流過高壓噴嘴后產生微霧，霧滴直徑＜10 μm，使得水滴的蒸發表面積大幅提高。微霧通過強力風扇吹出的氣流，極大地提高了液體表面風速，加快了氣體分子的擴散，使水的蒸發量大幅提高，水在蒸發過程中吸收熱量，降低溫度。噴霧風扇可提高風速，并產生蒸發吸熱功效。

就噴霧降溫的效果，根據葉大法等[1]對上海世博軸高壓噴霧降溫技術的研究得出結論，即在通風且有遮陽的室外空間，廣場高壓噴霧降溫系統可以有效降溫 1～2 K，楊雪梅等[2]提出在重慶盛夏高溫晴天的情況下，1.5 m 人行活動區域的氣溫平均可降低 4.5 K，噴霧降溫效果毋庸置疑。

但是，對于商場類的人員密集區域，尤其是下沉廣場氣流組織略差的這種情況，衛生問題不容忽視，噴霧風扇的高密度微小水珠顆粒，存在一定的衛生安全隱患。根據 Frank S. Rhame[3]的研究，噴霧風扇所產生的類似于加濕器的霧氣，會產生吸入肺部的微小水滴，其中可能攜帶綠膿桿菌，會引起肺炎、哮喘等疾病。

2.2 大風扇

大風扇適用于高大空間，通過較大的葉片直徑、較低的轉速，在噪聲可控的前提下，增加空氣流動，所吹出的風酷似大自然的微風，室內的人可以感覺到溫差效果帶來的涼爽感覺。

根據美國制冷與空調工程師學會（ASHRAE） 55-2004標準，風速在 1.6 m/s 的情況下，可帶來的降溫約為 3.6 K。按照室外溫度 34.4 ℃ 計算，則可降低至 30.8 ℃ ，接近舒適區。從美觀度及凈高的角度，安裝風扇會導致美觀度欠佳。對于 B 1 和 B 2 的室外商業街區域，適合安裝常規吊扇，但會影響凈高，使凈高約下降 300 mm。

本項目室外下沉商業區域有 3 座天橋.中部天橋下方正對 B 2 活動區，凈高影響最小，為安裝大風扇首選位置。就運行能耗方面，如果僅在中部天橋下方安裝一個大風扇，按照功率 1.5 kW 計算，每年在 6～9 月份全天（10：00～22：00）運行，夏季峰時 1.115 元/kWh，可得年運行費用約 2 450 元。

2.3 水 景

水是商業景觀設計的一個要素。為了滿足人們心理上的親水愿望，大量商業項目都會設計水景，同時水景可以改善局部的熱島效應，至少在心理上減少人們在夏季的炎熱感。但是，從夏季熱舒適方面，不推薦在中庭區域使用水景，原因如下。

（1）小面積水景的水分蒸發吸熱效果有限，對熱舒適性的改善不明顯。根據李書嚴、軒春怡于 2008 年在《城市中水體的微氣候效應研究》一文中得出的結論，單塊的＜0.25 km2的水體對環境的影響不明顯。

（2）水分蒸發產生的水蒸氣導致室外下沉商業區域濕度增加，夏季可能產生悶、濕感，所以會降低熱舒適性。

水體的蒸發將導致相對濕度增加。項目內部由于可設計的水景面積有限，降溫效果不顯著，所以會使空氣狀態點更加遠離舒適度區域，降低舒適度。

另外，根據 GB 50555—2010《民用建筑節水設計標準》的要求—“景觀用水水源不得采用市政自來水和地下井水”—應利用中水（優先利用市政中水）、雨水收集回用等措施，解決人工景觀用水水源和補水等問題。如此會需要項目加裝雨水收集系統，對項目的設計和成本影響很大

2.4 中庭遮陽

夏季太陽直射會導致較差的舒適度。基于此考慮針對 B 1 和 B 2 的中庭進行遮陽。通過 Revit（Revit 是 Autodesk公司一套系列軟件的名稱。Revit 系列軟件是為建筑信息模型構建的，可幫助建筑設計師設計、建造和維護質量更好、能效更高的建筑）遮陽模擬軟件，考慮了建筑周邊 200 m范圍內的建筑體塊，針對夏至日 09:00～17:00 時間段進行分析，得出太陽直射影響中庭 B 1 和 B 2 舒適度的時間段為11:00～15:00，此時段需中庭遮陽。中庭屋頂總體遮陽的設計，結合各個時段所需的可同時滿足 B 1 和 B 2 空間遮陽需求的面積，并結合業主、建筑設計、幕墻顧問的建議，形成最終施工圖，如圖1所示。圖 1 中最大范圍區域采用全透明玻璃，確保內街首層區域充分采光。這些區域對于 B 1/B 2不是夏至日陽光直射影響范圍。中間范圍區域采用半透明玻璃，這些區域會小部分影響 B 1/B 2 的夏至日陽光直射，但考慮到內街首層區域的采光，使用半透明材料。最小范圍區域采用不透明玻璃，這些區域對于 B 1/B 2 的夏至日陽光直射遮擋至關重要，因此采用不透明材料。

圖1 中庭屋頂遮陽施工圖

中庭增加遮陽措施后，根據舒適度模擬分析，對于 B 1舒適度均有提升，PMV（預測平均評價指數）數值從 3.0 優化到了 2.5 左右。盡管 B 2 沒有變化，但考慮到 B 2 室外商業街周邊有商店圍繞且商店經常會開門，內部冷氣會逸散出來提升室外行人舒適度。設計考慮在 B 2 中心位置設置綠化，引導顧客在貼近商鋪的外街行走，提升舒適度。

2.5 地道送風

地道送風降溫技術是指夏季利用地層對自然界的冷、熱能量的儲存作用，使室外的空氣進入地道內使地道冷卻空氣，通過機械送風或誘導式通風系統送至目標功能區域，達到降溫目的的一種技術[4]。

項目設計思路如圖 2 所示。按照地道截面風速 4 m/s 計算, 則出風口溫度約為 30 ℃（土壤溫度為 4.0 ℃），送風溫度降低，可提升舒適度。但是，該設計會降低 B 2 外走廊凈高至 2.18 m，占用機房面積約 8 m2，并造成額外開挖大量地下管井。根據結構和機電專業的意見，不推薦該措施的原因包括：① 首層增加進風口及百葉，對立面美觀影響很大，難以得到建筑方案設計師的認可；② 增加的管井面積會對商鋪面積、通勤走道面積產生負面影響；③ 無額外空間放置取風風機；④ 根據 CECS 340:2013《地道風降溫建筑技術規程》，由于該策略需要大量的場地構建地道，主要適用于農村低密度區域，城市中心的項目較少運用。

圖2 地道送風設計示意圖

2.6 圓形噴口空調系統

通過吊頂側方的圓形噴口提供冷空氣的可行性。該措施在新加坡不少案例中有所使用，提升熱舒適效果明顯，但對于建筑、設備要求較高，且能耗很高。

凈高分析方面，B 2 外走廊噴口送風的擬定設計參數為風量 20 540 m3/h、風速 10 m/s，則風管截面積約 0.6 m2，風管尺寸為 0.90 m×0.67 m （寬×高），完成截面尺寸約1.00 m×0.77 m （寬×高，包括保溫、支撐角鋼、龍骨、裝飾面板等厚度），經過分析，凈高會降低至 2.22 m，對使用功能影響很大。

根據某空調箱品牌進行機房面積分析，得出 20 540 m3/h 風量的空調箱尺寸長×寬×高約 2 240 m×2 126 m×1 326 m，占地面積約 5 m2，考慮周邊行走及檢修空間，需機房面積約11 m2。

由于項目凈高和面積有限，完全沒有條件實施該策略。

2.7 B 1 外廊吊頂送（冷）風

通過模擬軟件，研究在 B 1 外廊吊頂送常溫風和冷風的不同情況下對舒適度的影響。吊頂送風區域均在 B 1 外走廊區域，送風口布置在吊頂位置。

本文研究 4 種工況，B 1 外廊吊頂送（冷）風方案 1 和方案 2 如表 2 所示。兩個方案的區別在于送風口尺寸和送風設備數量的不同，方案 1 的送風口尺寸為 1 500 mm×150 mm，送風設備數量為 8 個；方案 2 的送風口尺寸為 1 000 mm×150 mm，送風設備數量為 26 個。方案 1 和方案 2 中各自有 2 個工況，一個工況送 34.4℃ 的常溫風，另一個工況送 29.4 ℃ 的冷風。

通過 PMV [ Predicted Mean Vote，預測平均評價，指數是以人體熱平衡的基本方程式以及心理生理學主觀熱感覺的等級為出發點，考慮了人體熱舒適感諸多有關因素的全面評價指標。PMV 指數表明群體對于（＋3～－3）七個等級熱感覺投票的平均指數]模擬可知，在夏季室外溫度 34.4 ℃的工況下，舒適度情況如下：① B 1 室外送常溫風時，方案1 和方案 2 對于 B 1/B 2 層熱舒適度均無提升。② B 1 室外送冷風（ΔT=5 K） 時，方案 1 和方案 2 對于 B 1/B 2 層熱舒適度均有提升，方案 2 提升更加明顯。

所以，確認“方案 2 冷風工況”對于提升舒適度有實際作用。 “B 1 室外送常溫風工況”和“B 1 室外送冷風工況”對于“自然工況”的結果匯總如圖 3 所示。

圖3 不同工況下的熱舒適度對比

運營策略方面，根據上海市氣象資料， 建議在室外溫度超過 30 ℃ 時，開啟風機盤管，開啟時間段如表 3 所示。

表3 風機盤管開啟時間

控制方式建議根據室外溫度傳感器的設置，自動開啟（超過 30 ℃ 時）風機盤管。就方案 2 冷風工況的能耗、電費進行計算，考慮末端風機及制冷系統能耗，按照滿負荷運行 534 h 計算，總耗電量約 16 870 kWh/a，夏季峰時電費按 1.115元/kWh 計算，電費約 18 810元/a。

2.8 各策略總結

本章節一共 7 個策略，根據舒適度影響、結構影響、美觀度、衛生情況、投資情況和策略的主動被動類別 6 個維度進行評價，總結如表 4 所示。

表4 策略總結

3 結 語

根據以上分析，實際項目將考慮 2 種策略的疊加效果，即“B 1 外廊吊頂送冷風（方案 2）”結合“中庭遮陽”措施。當同時工作時，PMV 模擬圖如圖 4 所示，左側為沒有任何熱舒適優化措施的模擬結果，右側為疊加優化措施后的模擬結果，可見顏色從深色優化到了淺色，即熱舒適度 PMV數值從 3.0 左右的“熱狀態”優化到了 1.5 左右的“微熱狀態”，熱舒適度提升明顯，室外熱舒適度優化措施有效。

圖4 “B 1 外廊吊頂送冷風”結合“中庭遮陽”的 PMV 模擬結果

最終執行策略可以總結為“主動＋被動”的措施：①當環境溫度≤30 ℃時，僅依靠“中庭遮陽”措施，可提升 B 2 舒適度；② 當環境溫度＞30 ℃ 時，開啟風機盤管，依靠“B 1 外廊吊頂送冷風”措施，大量提升 B 1/B 2 舒適度。另外，可結合裝修設計效果，在合適位置安裝大風扇，在夏季可優化氣流組織，緩解悶熱感。

對于上海市同類的室外商業街項目，夏季熱舒適度提升可以優先考慮使用遮陽措施，避免陽光直射。在條件允許的情況下，可以考慮室外送冷風的設計。該設計舒適度提升效果顯著，但考慮到初投資、機電結構影響及運行能耗等因素，可能推行難度較大。大風扇也可以納入考慮范圍，其對提升人行區域風速、降低人體表面的溫度有一定的作用，可以提升人體舒適度。