居住建筑室內熱環境優化設計研究

現代人的一生大部分時間在室內度過，出于對身心健康和工作效率的考慮，人們對室內熱環境的要求越來越高，其中也伴隨追求極致室內熱環境的現象，把絕對的熱中性作為舒適室內熱環境的評判標準，嚴格控制室內環境、維持恒定無變化的熱環境既造成嚴重的能源浪費，又無益于人體健康。

我國城市建筑碳排放呈北高南低、東高西低分布，城鎮化率和GDP與建筑能耗和碳排放呈正相關。居住建筑的能耗與碳排放持續增加，節能空間較大；受冬季采暖和采暖用能結構的影響，夏熱冬冷地區城市人均碳排放低于北方城市，但近年來受極端天氣的影響，夏熱冬冷地區的供暖需求日益增強，國際化大都市上海，經濟發達收入水平高，上海人對舒適地暖的認可度較高，目前是南方安裝地暖比例最高的城市，自發分散的采暖方式不利于節能減碳。從建筑設計角度，改善上海一類夏熱冬冷地區居住建筑的熱工性能，優化室內熱環境，有助于節能減排。

一、上海地區氣候特征

以最冷月和最熱月平均溫度作為主要指標，以日平均溫度≤5℃（d≤5）和日平均溫度≥25℃（d≥25）的天數作為輔助指標，《民用建筑熱工設計規范》GB50176將全國劃分嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區、溫和地區，五大建筑熱工設計一級區劃（圖1）。上海屬于夏熱冬冷地區，必須滿足夏季防熱要求，并兼顧冬季保溫。

根據有關部門統計，上海夏季最高氣溫可達40℃以上，冬季極端最低氣溫達-7.8℃。一方面受大陸性氣候影響，上海夏熱冬冷，春秋較短、冬夏較長、全年氣候溫差較大；另一方面受海洋季風作用，雨熱同季、降水集中、全年高濕，平均相對濕度在80%左右，整體舒適度較差。

在軟件中讀取上海的氣候數據，（圖2）為上海地區全年8760小時焓濕圖，橫坐標表示干球溫度（℃），右側縱坐標表示比濕，左側曲線上的溫度為露點溫度，曲線平行線為相對濕度線，斜線平行線為等焓線，右側偏下處的圖例表示時間，中間不規則紅色四邊形代表“舒適區”。由圖可知，上海地區全年高濕，年溫差較大，全年氣候絕大部分偏離舒適狀態。（圖3）為上海地區逐時焓濕圖，整體呈現明顯的夏熱冬冷現象，其中炎熱天氣主要集中在7～9月份，寒冷天氣主要集中在12～2月份。上海地區全年熱舒適狀況（圖4），通過軟件計算獲得的全年舒適占比14.7%，以不舒適狀態居多。

二、上海市居住建筑類型

上海市居住建筑類型較多，為加強對居住建筑的管理，有關部門對房屋建筑類型作出了劃分，包括對居住建筑進行類型分類，涉及的規范主要是1990年上海市房地產管理局頒布的滬房（90）規字發第518號文《上海市房屋建筑類型分類表》（下稱《標準1990》）和2003年上海市房屋土地資源管理局頒發的滬房地資市〔2003〕141號文關于調整本市房屋建筑類型分類的通知（下稱《標準2003》）。

《標準1990》下的上海市居住建筑分為六大類，包括公寓、花園住宅、職工住宅（新工房）、新式里弄、舊式里弄和簡屋。在六大類基礎上對部分類型進行二級劃分，公寓按照建造時間在中華人民共和國成立前后分為1（1）類和1（2）類；職工住宅（新工房）依據樓層和設備條件劃分為3（1）類（新中國成立后建造的8層及以上的成套住宅）、3（2）類（新中國成立后建造的7層及以下的住宅）、3（3）類（較低建造標準的小梁板結構住宅）；舊式里弄分為5（1）類（連接式的廣式或石庫門磚木結構住宅）和5（2）類（平房、樓房及結構較好的老宅基房屋）。《標準2003》在《標準1990》的六大居住建筑分類基礎上新增了聯列住宅和農村住宅兩類，其中農村住宅分為農村住宅（1）和農村住宅（2），并對花園住宅重新定義。

截至2022年，上海城鎮化率高達89.3%，總戶數573.05萬戶，戶籍人口平均每戶2.62人，居住房屋74，185萬平方米，其中公寓式住宅為69，409萬平方米，占比93.6%，各類房屋構成情況如圖5所示。因此對占比最多的公寓式住宅展開分析。

三、上海地區居住建筑能耗及室內熱環境現狀

1.上海地區居住建筑能耗現狀

根據2023年上海統計年鑒，截至2022年底，上海市居住建筑保有量為7.4185億平方米，用電量為320.93億千瓦時，單位面積耗電量43.26kwh/m2，居住建筑能耗以家用電器和照明為主，夏季和冬季用電量與住戶內面積和空調數量成正比。我國集中供暖與非集中供暖區域以“秦嶺—淮河”作為分界線，上海恰位于傳統定義上的集中供暖區域之外，居民室內制冷和采暖主要依靠分體式空調，中央空調占比仍然不大，這在多層居住建筑中更加普遍，戶內面積越大，一般空調持有數量越多，但開啟數量并不一定多，用能時間不確定、用能空間不確定，呈現“部分時間、部分空間”的間歇式使用特點，且夏季空調溫度設定較冬季節能，由此可見墻體保溫性能整體不佳；其次上海居民喜愛開窗進行通風換氣，室外條件適宜情況下開窗可改善室內熱舒適，若室外溫度過高不建議通過被動式開窗進行通風換氣，更適合主動式調節。

2.上海地區居住建筑室內熱環境現狀

上海住宅室內熱環境在夏季較差，夏季房間的熱穩定性相對較差，受居民開窗通風換氣的影響，室內的溫度隨外界環境影響較大；不同樓層的室內熱環境也存在一定差異，頂層的熱環境和熱穩定性比中間層和底層差，主要原因在于夏季大量太陽輻射通過屋面進入室內，傳熱量遠大于通過墻體傳入室內，導致夏季頂層平均溫度更高，此現象在中午時刻得到充分顯現。由于受室外環境影響較小、自然通風組織能力不足，夜晚中間層室內無法迅速散熱，導致中間層在晚間的舒適度較差。

上海地區2015年～2020年冬季室外溫度日平均≤5℃的天數不到60天，呈現實際溫度高于規范值的現象，然而體感溫度遠遠偏離舒適狀態，主要原因在于過高的相對濕度，約80%。非采暖條件下，住宅室內溫度處于較低水平，平均輻射溫度甚至更低，比室內空氣溫度低2℃。不同朝向的房間熱環境有所差異，南向的熱工狀況較北向略佳，但仍然無法解決室內不舒適問題。

四、上海地區居住建筑熱工性能影響因素

1.外墻

外墻是居住建筑圍護結構中面積占比最大的，外墻的傳熱耗熱量占建筑物總耗熱量的23%～34%，此數值根據不同氣候條件和不同用能方式存在一定偏差，整體而言外墻熱工性能的好壞是建筑節能的重要一環。外墻節能保溫技術主要分為單一墻體和復合墻體，目前我國主要采用多種材料組合的復合墻體，根據保溫材料在墻體中所處位置的不同，主要分為外保溫系統、內保溫系統、自保溫系統和組合保溫系統。

內保溫系統結構熱橋使局部溫差過大導致結露，使墻面發霉、開裂，不適合高濕度的上海地區。自保溫系統墻體相對較厚，會減少有效使用面積，不適合用地緊張的上海。組合保溫系統經長期使用，墻體多部位易發生變形、出現裂縫，同樣不適宜。外保溫系統要求保溫材料有較高耐候性和耐久性，但墻體內表面不易結露和冷凝，熱惰性和蓄熱能力較大，可以緩解室內溫度波動，比較適合上海地區居住建筑。

2.窗墻比

窗墻面積比是影響建筑能耗的重要因素，受日照、采光、自然通風等限制要求，窗戶的保溫性能比外墻差且容易出現熱橋問題，合理設計窗戶構造并控制有效的窗墻比是降低能耗、提高室內熱舒適的必然要求，一味地增加窗墻比與改善熱舒適、降低建筑能耗不呈正相關。《建筑節能與可再生能源利用通用規范》GB55015-2021規定，夏熱冬冷地區東西向窗墻比應控制在0.35以內，北向應控制在0.40，南向稍寬松，控制在0.45以內。上海地區東、西向的窗戶相較于南向和北向對能耗影響更大，在保證必要的采光條件下，應該適當降低東西向窗墻比，減少西曬的同時降低能耗。

3.體形系數

建筑體形系數是建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積的比值。一般來說，體形系數較大，不利于節能，體形系數較小，不利于節能?！督ㄖ澞芘c可再生能源利用通用規范》GB55015-2021規定夏熱冬冷A區居住建筑在3層及以下時，體形系數不應超過0.60；大于3層時，居住建筑的體形系數不應超過0.40。圍護結構的性能影響體形系數與建筑能耗之間的關系，當居住建筑的圍護結構性能良好的情況下，能耗受體形系數的影響不大，當居住建筑圍護結構性能較差時，降低體形系數可以有效提高節能效果。因此，針對上海地區現存圍護結構熱工性能較差的居住建筑，可以通過改變立面的凹凸、增設遮陽設施等措施來改善室內熱環境與建筑耗能；針對新建建筑，應合理控制建筑面積，采用恰當的建筑比例，適當增加建筑層數，控制立面變化等方式達到最佳效果。

五、結語

文章以上海居住建筑為例，分析了上海地區居住建筑的能耗與室內熱環境現狀，從外墻、窗墻比以及體形系數三方面著手，改善居住建筑室內熱環境、降低居住建筑能耗。建筑耗能的降低和室內熱環境的優化，需要建筑師在建筑設計初始階段進行優化設計，同時也離不開居住者良好的用能習慣，多方合力、多措并行，方可達到能耗與熱舒適的平衡。

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