居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

現(xiàn)代人的一生大部分時(shí)間在室內(nèi)度過，出于對(duì)身心健康和工作效率的考慮，人們對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的要求越來越高，其中也伴隨追求極致室內(nèi)熱環(huán)境的現(xiàn)象，把絕對(duì)的熱中性作為舒適室內(nèi)熱環(huán)境的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制室內(nèi)環(huán)境、維持恒定無變化的熱環(huán)境既造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，又無益于人體健康。

我國(guó)城市建筑碳排放呈北高南低、東高西低分布，城鎮(zhèn)化率和GDP與建筑能耗和碳排放呈正相關(guān)。居住建筑的能耗與碳排放持續(xù)增加，節(jié)能空間較大；受冬季采暖和采暖用能結(jié)構(gòu)的影響，夏熱冬冷地區(qū)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(qū)的供暖需求日益增強(qiáng)，國(guó)際化大都市上海，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)收入水平高，上海人對(duì)舒適地暖的認(rèn)可度較高，目前是南方安裝地暖比例最高的城市，自發(fā)分散的采暖方式不利于節(jié)能減碳。從建筑設(shè)計(jì)角度，改善上海一類夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的熱工性能，優(yōu)化室內(nèi)熱環(huán)境，有助于節(jié)能減排。

一、上海地區(qū)氣候特征

以最冷月和最熱月平均溫度作為主要指標(biāo)，以日平均溫度≤5℃（d≤5）和日平均溫度≥25℃（d≥25）的天數(shù)作為輔助指標(biāo)，《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176將全國(guó)劃分嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)，五大建筑熱工設(shè)計(jì)一級(jí)區(qū)劃（圖1）。上海屬于夏熱冬冷地區(qū)，必須滿足夏季防熱要求，并兼顧冬季保溫。

根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，上海夏季最高氣溫可達(dá)40℃以上，冬季極端最低氣溫達(dá)-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(zhǎng)、全年氣候溫差較大；另一方面受海洋季風(fēng)作用，雨熱同季、降水集中、全年高濕，平均相對(duì)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(shù)據(jù)，（圖2）為上海地區(qū)全年8760小時(shí)焓濕圖，橫坐標(biāo)表示干球溫度（℃），右側(cè)縱坐標(biāo)表示比濕，左側(cè)曲線上的溫度為露點(diǎn)溫度，曲線平行線為相對(duì)濕度線，斜線平行線為等焓線，右側(cè)偏下處的圖例表示時(shí)間，中間不規(guī)則紅色四邊形代表“舒適區(qū)”。由圖可知，上海地區(qū)全年高濕，年溫差較大，全年氣候絕大部分偏離舒適狀態(tài)。（圖3）為上海地區(qū)逐時(shí)焓濕圖，整體呈現(xiàn)明顯的夏熱冬冷現(xiàn)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(qū)全年熱舒適狀況（圖4），通過軟件計(jì)算獲得的全年舒適占比14.7%，以不舒適狀態(tài)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(qiáng)對(duì)居住建筑的管理，有關(guān)部門對(duì)房屋建筑類型作出了劃分，包括對(duì)居住建筑進(jìn)行類型分類，涉及的規(guī)范主要是1990年上海市房地產(chǎn)管理局頒布的滬房（90）規(guī)字發(fā)第518號(hào)文《上海市房屋建筑類型分類表》（下稱《標(biāo)準(zhǔn)1990》）和2003年上海市房屋土地資源管理局頒發(fā)的滬房地資市〔2003〕141號(hào)文關(guān)于調(diào)整本市房屋建筑類型分類的通知（下稱《標(biāo)準(zhǔn)2003》）。

《標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)屋。在六大類基礎(chǔ)上對(duì)部分類型進(jìn)行二級(jí)劃分，公寓按照建造時(shí)間在中華人民共和國(guó)成立前后分為1（1）類和1（2）類；職工住宅（新工房）依據(jù)樓層和設(shè)備條件劃分為3（1）類（新中國(guó)成立后建造的8層及以上的成套住宅）、3（2）類（新中國(guó)成立后建造的7層及以下的住宅）、3（3）類（較低建造標(biāo)準(zhǔn)的小梁板結(jié)構(gòu)住宅）；舊式里弄分為5（1）類（連接式的廣式或石庫門磚木結(jié)構(gòu)住宅）和5（2）類（平房、樓房及結(jié)構(gòu)較好的老宅基房屋）。《標(biāo)準(zhǔn)2003》在《標(biāo)準(zhǔn)1990》的六大居住建筑分類基礎(chǔ)上新增了聯(lián)列住宅和農(nóng)村住宅兩類，其中農(nóng)村住宅分為農(nóng)村住宅（1）和農(nóng)村住宅（2），并對(duì)花園住宅重新定義。

截至2022年，上海城鎮(zhèn)化率高達(dá)89.3%，總戶數(shù)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(gòu)成情況如圖5所示。因此對(duì)占比最多的公寓式住宅展開分析。

三、上海地區(qū)居住建筑能耗及室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀

1.上海地區(qū)居住建筑能耗現(xiàn)狀

根據(jù)2023年上海統(tǒng)計(jì)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(shí)，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(nèi)面積和空調(diào)數(shù)量成正比。我國(guó)集中供暖與非集中供暖區(qū)域以“秦嶺—淮河”作為分界線，上海恰位于傳統(tǒng)定義上的集中供暖區(qū)域之外，居民室內(nèi)制冷和采暖主要依靠分體式空調(diào)，中央空調(diào)占比仍然不大，這在多層居住建筑中更加普遍，戶內(nèi)面積越大，一般空調(diào)持有數(shù)量越多，但開啟數(shù)量并不一定多，用能時(shí)間不確定、用能空間不確定，呈現(xiàn)“部分時(shí)間、部分空間”的間歇式使用特點(diǎn)，且夏季空調(diào)溫度設(shè)定較冬季節(jié)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(jìn)行通風(fēng)換氣，室外條件適宜情況下開窗可改善室內(nèi)熱舒適，若室外溫度過高不建議通過被動(dòng)式開窗進(jìn)行通風(fēng)換氣，更適合主動(dòng)式調(diào)節(jié)。

2.上海地區(qū)居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀

上海住宅室內(nèi)熱環(huán)境在夏季較差，夏季房間的熱穩(wěn)定性相對(duì)較差，受居民開窗通風(fēng)換氣的影響，室內(nèi)的溫度隨外界環(huán)境影響較大；不同樓層的室內(nèi)熱環(huán)境也存在一定差異，頂層的熱環(huán)境和熱穩(wěn)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(jìn)入室內(nèi)，傳熱量遠(yuǎn)大于通過墻體傳入室內(nèi)，導(dǎo)致夏季頂層平均溫度更高，此現(xiàn)象在中午時(shí)刻得到充分顯現(xiàn)。由于受室外環(huán)境影響較小、自然通風(fēng)組織能力不足，夜晚中間層室內(nèi)無法迅速散熱，導(dǎo)致中間層在晚間的舒適度較差。

上海地區(qū)2015年～2020年冬季室外溫度日平均≤5℃的天數(shù)不到60天，呈現(xiàn)實(shí)際溫度高于規(guī)范值的現(xiàn)象，然而體感溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離舒適狀態(tài)，主要原因在于過高的相對(duì)濕度，約80%。非采暖條件下，住宅室內(nèi)溫度處于較低水平，平均輻射溫度甚至更低，比室內(nèi)空氣溫度低2℃。不同朝向的房間熱環(huán)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(nèi)不舒適問題。

四、上海地區(qū)居住建筑熱工性能影響因素

1.外墻

外墻是居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shù)值根據(jù)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(jié)能的重要一環(huán)。外墻節(jié)能保溫技術(shù)主要分為單一墻體和復(fù)合墻體，目前我國(guó)主要采用多種材料組合的復(fù)合墻體，根據(jù)保溫材料在墻體中所處位置的不同，主要分為外保溫系統(tǒng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)、自保溫系統(tǒng)和組合保溫系統(tǒng)。

內(nèi)保溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱橋使局部溫差過大導(dǎo)致結(jié)露，使墻面發(fā)霉、開裂，不適合高濕度的上海地區(qū)。自保溫系統(tǒng)墻體相對(duì)較厚，會(huì)減少有效使用面積，不適合用地緊張的上海。組合保溫系統(tǒng)經(jīng)長(zhǎng)期使用，墻體多部位易發(fā)生變形、出現(xiàn)裂縫，同樣不適宜。外保溫系統(tǒng)要求保溫材料有較高耐候性和耐久性，但墻體內(nèi)表面不易結(jié)露和冷凝，熱惰性和蓄熱能力較大，可以緩解室內(nèi)溫度波動(dòng)，比較適合上海地區(qū)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(fēng)等限制要求，窗戶的保溫性能比外墻差且容易出現(xiàn)熱橋問題，合理設(shè)計(jì)窗戶構(gòu)造并控制有效的窗墻比是降低能耗、提高室內(nèi)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(guān)。《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB55015-2021規(guī)定，夏熱冬冷地區(qū)東西向窗墻比應(yīng)控制在0.35以內(nèi)，北向應(yīng)控制在0.40，南向稍寬松，控制在0.45以內(nèi)。上海地區(qū)東、西向的窗戶相較于南向和北向?qū)δ芎挠绊懜螅诒ＷC必要的采光條件下，應(yīng)該適當(dāng)降低東西向窗墻比，減少西曬的同時(shí)降低能耗。

3.體形系數(shù)

建筑體形系數(shù)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(shù)較大，不利于節(jié)能，體形系數(shù)較小，不利于節(jié)能。《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB55015-2021規(guī)定夏熱冬冷A區(qū)居住建筑在3層及以下時(shí)，體形系數(shù)不應(yīng)超過0.60；大于3層時(shí)，居住建筑的體形系數(shù)不應(yīng)超過0.40。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能影響體形系數(shù)與建筑能耗之間的關(guān)系，當(dāng)居住建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能良好的情況下，能耗受體形系數(shù)的影響不大，當(dāng)居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能較差時(shí)，降低體形系數(shù)可以有效提高節(jié)能效果。因此，針對(duì)上海地區(qū)現(xiàn)存圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能較差的居住建筑，可以通過改變立面的凹凸、增設(shè)遮陽設(shè)施等措施來改善室內(nèi)熱環(huán)境與建筑耗能；針對(duì)新建建筑，應(yīng)合理控制建筑面積，采用恰當(dāng)?shù)慕ㄖ壤m當(dāng)增加建筑層數(shù)，控制立面變化等方式達(dá)到最佳效果。

五、結(jié)語

文章以上海居住建筑為例，分析了上海地區(qū)居住建筑的能耗與室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀，從外墻、窗墻比以及體形系數(shù)三方面著手，改善居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境、降低居住建筑能耗。建筑耗能的降低和室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)化，需要建筑師在建筑設(shè)計(jì)初始階段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也離不開居住者良好的用能習(xí)慣，多方合力、多措并行，方可達(dá)到能耗與熱舒適的平衡。

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