室外下沉商業(yè)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(fā)展導(dǎo)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(fā)展已經(jīng)不可行，取而代之的是縱向發(fā)展，大面積的地下空間開發(fā)已經(jīng)成為大型城市的建筑開發(fā)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(yè)功能區(qū)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(shù)，結(jié)合上海市室外氣象參數(shù)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(chǔ)上進行各項舒適度分析，和業(yè)主、設(shè)計方、各顧問方經(jīng)過一系列會議討論，最終得出一致認(rèn)可的設(shè)計優(yōu)化方案。

1 項目介紹

本項目所在的上海市中心城區(qū)，是市中心內(nèi)最成熟繁華的區(qū)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(yè)，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(yè)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(yè)街。

本項目已獲得 LEED (Leadership for Energy and Environmental Design，能源與環(huán)境設(shè)計先鋒)認(rèn)證金級、WELL（健康建筑）認(rèn)證金級、綠色建筑設(shè)計標(biāo)識二星級認(rèn)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(yè)街活動區(qū)過熱，進而導(dǎo)致較差的舒適性，影響客流。基于此，本文研究該區(qū)域在夏季的舒適度情況，并提出相關(guān)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(jié)主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)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(fēng)扇

噴霧風(fēng)扇是一種用于戶外的制冷系統(tǒng)，通常使用的是高壓噴嘴式噴霧風(fēng)扇。該設(shè)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(chǎn)生微霧，霧滴直徑＜10 μm，使得水滴的蒸發(fā)表面積大幅提高。微霧通過強力風(fēng)扇吹出的氣流，極大地提高了液體表面風(fēng)速，加快了氣體分子的擴散，使水的蒸發(fā)量大幅提高，水在蒸發(fā)過程中吸收熱量，降低溫度。噴霧風(fēng)扇可提高風(fēng)速，并產(chǎn)生蒸發(fā)吸熱功效。

就噴霧降溫的效果，根據(jù)葉大法等[1]對上海世博軸高壓噴霧降溫技術(shù)的研究得出結(jié)論，即在通風(fēng)且有遮陽的室外空間，廣場高壓噴霧降溫系統(tǒng)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(qū)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(qū)域，尤其是下沉廣場氣流組織略差的這種情況，衛(wèi)生問題不容忽視，噴霧風(fēng)扇的高密度微小水珠顆粒，存在一定的衛(wèi)生安全隱患。根據(jù) Frank S. Rhame[3]的研究，噴霧風(fēng)扇所產(chǎn)生的類似于加濕器的霧氣，會產(chǎn)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(fēng)扇

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

根據(jù)美國制冷與空調(diào)工程師學(xué)會（ASHRAE） 55-2004標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)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(qū)。從美觀度及凈高的角度，安裝風(fēng)扇會導(dǎo)致美觀度欠佳。對于 B 1 和 B 2 的室外商業(yè)街區(qū)域，適合安裝常規(guī)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(yè)區(qū)域有 3 座天橋.中部天橋下方正對 B 2 活動區(qū)，凈高影響最小，為安裝大風(fēng)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(fēng)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(yè)景觀設(shè)計的一個要素。為了滿足人們心理上的親水愿望，大量商業(yè)項目都會設(shè)計水景，同時水景可以改善局部的熱島效應(yīng)，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(qū)域使用水景，原因如下。

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

（2）水分蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣導(dǎo)致室外下沉商業(yè)區(qū)域濕度增加，夏季可能產(chǎn)生悶、濕感，所以會降低熱舒適性。

水體的蒸發(fā)將導(dǎo)致相對濕度增加。項目內(nèi)部由于可設(shè)計的水景面積有限，降溫效果不顯著，所以會使空氣狀態(tài)點更加遠離舒適度區(qū)域，降低舒適度。

另外，根據(jù) GB 50555—2010《民用建筑節(jié)水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的要求—“景觀用水水源不得采用市政自來水和地下井水”—應(yīng)利用中水（優(yōu)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(tǒng)，對項目的設(shè)計和成本影響很大

2.4 中庭遮陽

夏季太陽直射會導(dǎo)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(gòu)建的，可幫助建筑設(shè)計師設(shè)計、建造和維護質(zhì)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(nèi)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(shè)計，結(jié)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(jié)合業(yè)主、建筑設(shè)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(qū)域采用全透明玻璃，確保內(nèi)街首層區(qū)域充分采光。這些區(qū)域?qū)τ?B 1/B 2不是夏至日陽光直射影響范圍。中間范圍區(qū)域采用半透明玻璃，這些區(qū)域會小部分影響 B 1/B 2 的夏至日陽光直射，但考慮到內(nèi)街首層區(qū)域的采光，使用半透明材料。最小范圍區(qū)域采用不透明玻璃，這些區(qū)域?qū)τ?B 1/B 2 的夏至日陽光直射遮擋至關(guān)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(jù)舒適度模擬分析，對于 B 1舒適度均有提升，PMV（預(yù)測平均評價指數(shù)）數(shù)值從 3.0 優(yōu)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(yè)街周邊有商店圍繞且商店經(jīng)常會開門，內(nèi)部冷氣會逸散出來提升室外行人舒適度。設(shè)計考慮在 B 2 中心位置設(shè)置綠化，引導(dǎo)顧客在貼近商鋪的外街行走，提升舒適度。

2.5 地道送風(fēng)

地道送風(fēng)降溫技術(shù)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(nèi)使地道冷卻空氣，通過機械送風(fēng)或誘導(dǎo)式通風(fēng)系統(tǒng)送至目標(biāo)功能區(qū)域，達到降溫目的的一種技術(shù)[4]。

項目設(shè)計思路如圖 2 所示。按照地道截面風(fēng)速 4 m/s 計算, 則出風(fēng)口溫度約為 30 ℃（土壤溫度為 4.0 ℃），送風(fēng)溫度降低，可提升舒適度。但是，該設(shè)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(jù)結(jié)構(gòu)和機電專業(yè)的意見，不推薦該措施的原因包括：① 首層增加進風(fēng)口及百葉，對立面美觀影響很大，難以得到建筑方案設(shè)計師的認(rèn)可；② 增加的管井面積會對商鋪面積、通勤走道面積產(chǎn)生負(fù)面影響；③ 無額外空間放置取風(fēng)風(fēng)機；④ 根據(jù) CECS 340:2013《地道風(fēng)降溫建筑技術(shù)規(guī)程》，由于該策略需要大量的場地構(gòu)建地道，主要適用于農(nóng)村低密度區(qū)域，城市中心的項目較少運用。

圖2 地道送風(fēng)設(shè)計示意圖

2.6 圓形噴口空調(diào)系統(tǒng)

通過吊頂側(cè)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(shè)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(fēng)的擬定設(shè)計參數(shù)為風(fēng)量 20 540 m3/h、風(fēng)速 10 m/s，則風(fēng)管截面積約 0.6 m2，風(fēng)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(jīng)過分析，凈高會降低至 2.22 m，對使用功能影響很大。

根據(jù)某空調(diào)箱品牌進行機房面積分析，得出 20 540 m3/h 風(fēng)量的空調(diào)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(fēng)

通過模擬軟件，研究在 B 1 外廊吊頂送常溫風(fēng)和冷風(fēng)的不同情況下對舒適度的影響。吊頂送風(fēng)區(qū)域均在 B 1 外走廊區(qū)域，送風(fēng)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(fēng)方案 1 和方案 2 如表 2 所示。兩個方案的區(qū)別在于送風(fēng)口尺寸和送風(fēng)設(shè)備數(shù)量的不同，方案 1 的送風(fēng)口尺寸為 1 500 mm×150 mm，送風(fēng)設(shè)備數(shù)量為 8 個；方案 2 的送風(fēng)口尺寸為 1 000 mm×150 mm，送風(fēng)設(shè)備數(shù)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(fēng)，另一個工況送 29.4 ℃ 的冷風(fēng)。

通過 PMV [ Predicted Mean Vote，預(yù)測平均評價，指數(shù)是以人體熱平衡的基本方程式以及心理生理學(xué)主觀熱感覺的等級為出發(fā)點，考慮了人體熱舒適感諸多有關(guān)因素的全面評價指標(biāo)。PMV 指數(shù)表明群體對于（＋3～－3）七個等級熱感覺投票的平均指數(shù)]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(fēng)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(fēng)（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(rèn)“方案 2 冷風(fēng)工況”對于提升舒適度有實際作用。 “B 1 室外送常溫風(fēng)工況”和“B 1 室外送冷風(fēng)工況”對于“自然工況”的結(jié)果匯總?cè)鐖D 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(jù)上海市氣象資料， 建議在室外溫度超過 30 ℃ 時，開啟風(fēng)機盤管，開啟時間段如表 3 所示。

表3 風(fēng)機盤管開啟時間

控制方式建議根據(jù)室外溫度傳感器的設(shè)置，自動開啟（超過 30 ℃ 時）風(fēng)機盤管。就方案 2 冷風(fēng)工況的能耗、電費進行計算，考慮末端風(fēng)機及制冷系統(tǒng)能耗，按照滿負(fù)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(jié)

本章節(jié)一共 7 個策略，根據(jù)舒適度影響、結(jié)構(gòu)影響、美觀度、衛(wèi)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(jié)如表 4 所示。

表4 策略總結(jié)

3 結(jié) 語

根據(jù)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(fēng)（方案 2）”結(jié)合“中庭遮陽”措施。當(dāng)同時工作時，PMV 模擬圖如圖 4 所示，左側(cè)為沒有任何熱舒適優(yōu)化措施的模擬結(jié)果，右側(cè)為疊加優(yōu)化措施后的模擬結(jié)果，可見顏色從深色優(yōu)化到了淺色，即熱舒適度 PMV數(shù)值從 3.0 左右的“熱狀態(tài)”優(yōu)化到了 1.5 左右的“微熱狀態(tài)”，熱舒適度提升明顯，室外熱舒適度優(yōu)化措施有效。

圖4 “B 1 外廊吊頂送冷風(fēng)”結(jié)合“中庭遮陽”的 PMV 模擬結(jié)果

最終執(zhí)行策略可以總結(jié)為“主動＋被動”的措施：①當(dāng)環(huán)境溫度≤30 ℃時，僅依靠“中庭遮陽”措施，可提升 B 2 舒適度；② 當(dāng)環(huán)境溫度＞30 ℃ 時，開啟風(fēng)機盤管，依靠“B 1 外廊吊頂送冷風(fēng)”措施，大量提升 B 1/B 2 舒適度。另外，可結(jié)合裝修設(shè)計效果，在合適位置安裝大風(fēng)扇，在夏季可優(yōu)化氣流組織，緩解悶熱感。

對于上海市同類的室外商業(yè)街項目，夏季熱舒適度提升可以優(yōu)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(fēng)的設(shè)計。該設(shè)計舒適度提升效果顯著，但考慮到初投資、機電結(jié)構(gòu)影響及運行能耗等因素，可能推行難度較大。大風(fēng)扇也可以納入考慮范圍，其對提升人行區(qū)域風(fēng)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。