大型公共建筑門廳空間物理環(huán)境研究

何江劉紅娟

(1.華南理工大學建筑學院， 廣東廣州510641； 2.廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530003；3.廣西防災減災與工程安全重點實驗室， 廣西南寧530003；4.華藍設計(集團)有限公司， 廣西南寧530011)

0 引言

健康這個話題已經全面影響各行各業(yè)，不僅是醫(yī)療衛(wèi)生，建筑業(yè)也從綠色建筑向健康建筑邁進。2018年4月在廣東省珠海市舉辦的“國際綠色建筑與建筑節(jié)能大會暨新技術與產品博覽會”開幕式上，中國城市科學研究會理事長仇保興[1]以國內外生態(tài)城區(qū)建設案例為主要內容進行了主題演講。他提出，健康建筑是綠色建筑發(fā)展的高端方向，是生態(tài)城區(qū)建設的重要組成部分?？偨Y健康建筑的發(fā)展，可以發(fā)現綠色建筑重在保護環(huán)境，而健康建筑是在此基礎上圍繞建筑中居住、生活、工作、娛樂的人的需求，強調“以人為本”[2]。

從2000年Healthy Buildings國際會議上提出的對健康建筑的定義來看，健康建筑是一種體驗建筑室內環(huán)境的方式，不僅包括基本的健康建筑環(huán)境，即聲、光、熱、空氣品質，還要包括人的心理和社會交往等方面因素[3-4]。截止目前，我國已有20余個健康建筑項目獲得標識，大多以住宅類項目為主。但大型公共建筑一般人員密集、人流量大，對健康要求較普通居住類建筑更高，尤其是大型公共建筑的門廳入口處，受室內外環(huán)境影響最大，人群來往聚集，對環(huán)境的舒適度感知最為直接，因此其健康環(huán)境評價尤為重要[5]。有鑒于此，本研究以廣西某展覽館為例，在其室內外布置測點進行了相關測試，通過分析測試結果提出適宜的環(huán)境改善措施。

1 項目概況

廣西壯族自治區(qū)首府南寧市處于夏熱冬暖氣候區(qū)， 12月至3月的冬季日平均太陽輻射少，陰天多晴天少，月平均氣溫在5～10 ℃。5月至9月的夏季月平均氣溫高于25 ℃，最高平均氣溫達28 ℃，日平均最高氣溫為35 ℃左右[6]。本研究對象的某展館位于南寧市五象新區(qū)的核心區(qū)域，2011年底竣工，規(guī)劃用地8.13 hm2，建筑面積4 600 m2，是目前全國同類型展館中最大的一座。圖1是該館內外的實景照片。展館分為展示區(qū)、公共活動區(qū)、技術管理區(qū)、附屬設施區(qū)和主題廣場五個部分，其中展示區(qū)有三層，共26個展廳。

該展館是廣西較早通過國家綠色建筑二星級設計標識認證的大型公共建筑，采用了許多適宜廣西夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能措施：①建筑外墻面采用陶土板為材料，顏色寓意廣西紅土地之鄉(xiāng)，而陶土材料能利用內部孔隙吸收空氣中的水分，溫度升高水體膨脹，又能將多余水分蒸發(fā)板外，形成可呼吸外墻，同時呼吸作用可使外表面達到自潔的效果；②展館主入口外墻部分采用玻璃—穿孔鋁板雙層幕墻技術，銀灰色具有壯錦圖案特點的穿孔鋁板與陶土板形成視覺對比，既能避免陽光直射到建筑內部，又能起到很好的裝飾效果；③屋頂高低錯落的方盒子底部是由一塊塊有機玻璃板組成，館內門廳處光線充足正是經過有機玻璃板漫反射后得到。部分采光天窗為設有通風間層的雙層玻璃，不僅透光也可減少熱量侵入，起到降低空調能耗的作用[7-9]。

(a) 展館主入口

(b) 入口門廳

(c) 貴賓廳

2.測試研究

2.1 測試內容

本研究的測試范圍主要在展館入口的兩個通高大廳，即入口門廳和貴賓廳。測試內容包括入口門廳風速、門廳自然采光條件下光照度、兩個通高大廳的垂直溫度分布、各層大廳周邊走道溫度、室內表面溫度以及屋頂氣象數據等。通過前期調研發(fā)現該館相對比較獨立，平時人流量不大，噪聲對其影響不大。而其兩個主要的通高門廳上方均設置有玻璃采光頂，入口門廳墻面采用了玻璃—穿孔鋁板雙層幕墻技術，貴賓廳外墻面采用陶土材料，兩處均有外廊，光照條件較好，但周邊走道往展廳部分光照條件較差，且樓層越高溫度也越高，存在局部熱環(huán)境不舒適的現象。基于此，有必要以兩個通高大廳及周邊區(qū)域作為主要研究區(qū)域，通過實際的風、光、熱環(huán)境測試，分析其室內環(huán)境存在的問題。

2.2測試方法

主要測試項目及主要使用的儀器如表1所示。

表1 主要測試項目及儀器Tab.1 Measurement parameters and instruments

將儀器固定在選定位置每隔10 min自動記錄兩個通高大廳垂直溫度、周圍走廊溫度以及室外氣象數據；人工不定時地拍攝熱像圖以采集室內表面溫度分布；指定路線人工移動測試室內水平面照度。實際測試情況如圖2所示。

(a) 屋頂氣象數據收集

(b) 二層走廊溫度測試

(c) 三層走廊溫度測試

(d) 垂直溫度測試

2.3 測試結果

2.3.1 風環(huán)境

展館出入口大門在其開放期間一直處于開放狀態(tài)，從展館主要出入口至展廳出入口依次設置了三個測點，比較其溫度和風速。從圖3可知，將在同一高度上的三個測點進行比較，臨近主要出入口位置的值明顯高于其余兩個位置的值，其溫度和風速受室內外環(huán)境的雙重影響，尤其是室外的風通過開放的大門進入室內大廳，風速基本在0.6～1.2 m/s，而其余兩處的風速由于受到外部風影響較小，基本保持在0.1～0.2 m/s上下?？拷箯d位置溫度受到展廳內空調送風的影響，展廳內的冷氣通過近展廳出入口進入到大廳，因此其溫度要明顯低于其他兩個測點。

(a) 展館一層平面圖

(b) 三個位置溫度變化圖

(c) 三個位置風速變化圖

2.3.2 光環(huán)境

展館設計借用“盒子”抽象成不同城市建筑的累加，采用屋頂“樓群”底部的有機玻璃漫反射達到室內的手法來實現自然采光的目的。圖4(a)左上為展館整體俯視圖，可看到屋頂上大小不一的采光玻璃，較大范圍主要集中在入口門廳、貴賓門廳及兩邊的開敞樓梯間。參照《建筑照明設計標準》GB 50034—2013條文5.5.1，展館門廳屬于高檔級，地面照度應在標準值200 lx以上，走廊、流動區(qū)域、樓梯間等地面照度應大于100 lx。對比陰天和晴天在入口門廳及周邊走道的測試，如圖4所示，不難發(fā)現入口的兩個通高大廳均可達到標準值，不需要開啟門廳四周的輔助照明系統。而周邊走道在晴天時基本能滿足采光要求，但在陰天時部分區(qū)域需要輔助照明。

(a) 展館頂層示意圖

(b) 測試范圍示意

(c) 晴天測試結果

(d) 陰天測試結果

圖4 展館一層大廳光照分布圖
Fig.4 The illumination distribtion in the hall on the first floor of the pavilion

2.3.3 熱環(huán)境

經測試，兩個通高大廳，即入口門廳及貴賓廳的空氣溫度相近，溫度隨高度增加而上升，并且測點越高，其溫度上升就越快。最高測點高為13 m。如圖5(a)所示，貴賓廳最高測點的氣溫在后三天的12∶00～16∶00時間段內均比入口門廳最高測點溫度高，而在其余時段溫度與入口門廳相近或低于入口門廳。

圖5(b)是兩個對比圖，即陽光直射室內的兩個采光頂——貴賓廳及入口門廳頂部的室內熱像圖對比。這兩個空間是展館內受太陽輻射影響最大的區(qū)域。分析兩個頂部采光玻璃，可知貴賓廳采光玻璃的透射率遠遠大于入口門廳采光玻璃，當室外太陽輻射量較大時，太陽輻射直接透過玻璃進入貴賓廳，使其內溫度急劇上升，在測試日中午13∶40～13∶50貴賓廳與入口門廳頂部的表面溫度差高達20.8 ℃。

(a)貴賓廳與入口門廳最高測點氣溫變化及室外水平面太陽輻射瞬時變化

(b) 貴賓廳與入口門廳頂部的中午熱像圖對比

圖6為中午時分展館各樓層空氣溫度分布圖。將展廳與兩個通高大廳進行對比，從圖上可明顯發(fā)現展廳部分整體溫度較走廊及大廳低；兩個通高大廳的溫度隨樓層上升而升高；一、二樓走道部分受展廳冷氣影響，熱環(huán)境較為舒適；三樓室內氣溫均值在29 ℃左右，接近采光玻璃頂的兩個通高大廳周圍的熱環(huán)境都較差，尤其是貴賓廳旁為會議室和多功能廳，大門基本關閉，走道區(qū)域空氣溫度均在30 ℃以上。

圖6 各樓層空氣溫度分布Fig.6 Air temperature distribution for each floor

2.4 小結

通過對兩個通高大廳風、光、熱環(huán)境測試，可得到以下結論：

① 入口門廳立面為玻璃—穿孔鋁板、屋頂為采光玻璃頂，而且玻璃大門需長期開啟，因此受室外環(huán)境及室內展廳的影響較大，對外出入口的風速較大，溫度也比大廳周邊走廊要高很多。貴賓廳主要受到透過采光玻璃頂的太陽輻射影響，造成其室內熱環(huán)境惡化，加之通風不佳，即使光照條件較好，但是室內氣溫隨高度上升而逐層增加，熱環(huán)境總體相對較差。

② 一層兩個大廳的自然采光都良好，晴天均可通過自然采光達到照明標準值，無需人工照明，陰天入口門廳周邊的過道部分需要人工輔助照明才可達到照明標準。二層、三層入口門廳周邊靠近展廳的走道空間需人工照明方可達到要求，而貴賓廳周邊走道可直接利用采光玻璃頂獲得自然采光的效果。

③ 由設置在兩個通高大廳的垂直氣溫測點結果可知，距地面3 m和13 m間溫差均在1 ℃左右，其中入口門廳溫差變化較貴賓廳的小，平均值差為0.1 ℃；貴賓廳小，但其最高測點氣溫高于入口門廳，最大溫差達到3.1 ℃；根據測試，受太陽直射影響，貴賓廳采光玻璃頂內表面溫度遠大于入口門廳的，最大表面溫度差甚至可達到20.8 ℃。

綜上所述，展館重點區(qū)域環(huán)境問題矛盾不統一，入口門廳應主要考慮降低展館主出入口對室內熱環(huán)境的影響，當進出人群達到一定峰值時可加設門斗，增加過渡的空間，減少室外環(huán)境的直接影響；貴賓廳主要問題在于采光玻璃頂滿足光照條件的同時室內氣溫也大幅提升，因此應考慮設置遮陽設施，以減緩太陽輻射對其室內空間的影響。同時兩個通高大廳及開敞樓梯間頂部均可考慮設置可開啟的出風口，利用熱壓通風原理進行自然通風，達到節(jié)能降溫的效果[10-12]。

3 室內環(huán)境改善建議

通過上述的測試分析發(fā)現該展館由于在兩個通高大廳屋頂和臨近的開敞樓梯間均設置了采光玻璃頂，使大廳空間的光照條件都能較好滿足采光需求，但因為玻璃的透射率過高，晴天時大量太陽輻射可直接透過采光玻璃進入室內，使大廳周圍尤其是三樓上部區(qū)域的氣溫快速上升，從而大大提高了整個場館的空調制冷能耗。入口門廳的大門由于開館的需要必須長時間處于開啟狀態(tài)，在南寧這種夏季高溫持續(xù)較長的地區(qū)室外熱空氣與室內大廳的冷空氣在大門處進行熱交換，也大幅度增加了室內空調的能耗。因此有必要針對上述區(qū)域進行簡單易行的改善。

3.1 入口門廳設緩沖

入口門廳上半部分是玻璃—穿孔鋁板雙層結構，下半部分僅為玻璃結構，受室外氣候影響大，因此可在大門處設置溫度緩沖空間。一種措施是展館人流量大、大門必須長時間保持開啟的情況下可在展廳內側加設一層玻璃門，雙層玻璃門形成緩沖空間。同時還可在靠大門外側的門廳上方裝配風幕機，通過其產生的高速氣流形成室內和室外兩個相對獨立的溫度區(qū)域，減少室內冷空氣與室外熱空氣的對流，讓室內能保持良好的熱舒適性及空氣凈化的效果，節(jié)約用電。

3.2 大廳自然通風

測試發(fā)現，入口門廳采用的是下沉式玻璃箱采光頂，下半部分一次成型固定，可改造的余地不大，但其上部和貴賓廳、開敞樓梯間上部的采光玻璃頂均可考慮利用熱壓通風原理進行被動式降溫。貴賓廳上方可直接設置活動式通風口，開敞樓梯間則在其頂層玻璃頂上增設百葉式通風口自然通風。改造手法示意如圖7所示，大廳的自然通風可帶走夏季室內上層空間的熱量，直接改善室內的熱環(huán)境，降低室內空調能耗。適當提高了室內氣流速度，也有利于增加人體舒適感[13-14]。

圖7 入口門廳、貴賓廳與開敞樓梯間通風示意圖Fig.7 Schematic description for ventilating the entrance hall, VIP hall and open stairwell

3.3 采光玻璃頂降溫隔熱

展館兩個通高大廳均使用了采光玻璃頂，因為玻璃的透射率過高、隔熱性能差，從而影響了室內熱環(huán)境的舒適性，加大了建筑能耗，因此改造的主要目標是降低玻璃透射率及表面溫度。最簡單有效的方法是在兩個玻璃頂上部加裝可調節(jié)的遮陽透光拉膜，阻隔陽光直射，從而防止直射陽光透過玻璃導致室內過熱。

由于采光玻璃頂位于建筑屋頂上，維護和更換不易，因此考慮采用自潔防污透光隔熱玻璃涂料，一是節(jié)能降溫，二是保證其采光性能，三是提高改造實施的可行性，四是保障后期維修管理與清潔。這種涂料以透明樹脂為基礎原料，加入了具有隔斷熱輻射的納米材料、光觸媒及各種助劑。將其涂覆于玻璃頂外表面，能使可見光透過率保證較高，也降低透光材料的熱輻射穿透系數。這樣就可選擇性地透過陽光，最大限度地獲得室內采光同時讓有用的可見光透過，防止產生熱效應的近紅外線透過。采用這類涂料可方便用于既有建筑玻璃的改造，還可以利用光催化作用分解附著在物體表面的塵埃等，使其具有自潔防污的功能[15-16]。

通過測試發(fā)現，在陽光直射下玻璃采光頂表面溫度可快速升高達到60 ℃以上，隔熱降溫是其改造的主要目的。光伏噴淋降溫系統，是在玻璃采光頂的頂部設噴淋水管，噴水在玻璃面層形成水幕，利用水流蒸發(fā)降低玻璃頂外表面溫度，減少太陽輻射熱量進入室內。南寧夏季炎熱時長，水本身氣化潛熱能力也很大，所以只需少量噴淋水就可達到較好的隔熱降溫效果。展館屋頂本身已覆蓋大面積太陽能光伏板，可同時進行雨水收集，將其作為降溫用水，達到節(jié)能節(jié)水的目的。經測算，如在玻璃采光頂的位置采用這種系統，其表面溫度可維持在40 ℃以下，同時其室內空氣溫度也可降低2～3 ℃，持續(xù)降溫效果顯著[17-20]。

(a) 展館屋頂太陽能板

(b) 大廳玻璃采光頂

(c) 玻璃屋頂實施淋水降溫原理示意

4 結語

本研究主要從大型展館建筑入口通高大廳空間的物理風環(huán)境、光環(huán)境以及熱環(huán)境幾方面進行測試和分析。從測試情況看，該建筑兩個通高大廳的風、光環(huán)境較好，熱環(huán)境問題較為突出，因此提出的改善措施主要針對其熱環(huán)境。大型公共建筑入口空間受內外環(huán)境影響，一般物理環(huán)境情況較為復雜，但作為建筑主要出入通道，既要兼顧建筑形象也要營造良好舒適的第一感受空間。健康建筑不僅是綠色建筑，同時還要在此基礎上關注人的感受和交流。由于時間原因，本研究還不夠全面，今后研究還需從該建筑的人文、社會等方面進行，完善研究結果，并將成果逐步應用于其他大型公共建筑設計和運營中，希望能對公共健康建筑研究有所助力。

致謝：本研究獲得廣西規(guī)劃館大力支持，特此致謝。