宿舍建筑單體維度熱舒適度改善與可持續(xù)改造

楊凱中

(合肥工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

1 基于熱舒適度的初步改造理論

1.1 熱舒適度相關(guān)概念介紹

1.1.1 建筑熱舒適度的研究意義

在建造技術(shù)高速發(fā)展的今天,人們雖然產(chǎn)生了對(duì)空間體驗(yàn)的多樣化需求，但是對(duì)于建筑所營(yíng)造和提供的微氣候環(huán)境(物理環(huán)境)要求卻始終排在考慮范圍前列。人體與環(huán)境熱交換會(huì)影響人的生理活動(dòng)，而生理活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生心理活動(dòng)，形成熱感覺(jué)，最終影響熱舒適程度。通過(guò)對(duì)相關(guān)影響因素的研究，我們能夠?qū)ΜF(xiàn)存建筑進(jìn)行熱環(huán)境改造，使其能夠指導(dǎo)更新設(shè)計(jì)。

1.1.2 熱舒適度的影響因素

經(jīng)過(guò)相關(guān)資料的研究，將影響人體熱舒適的因素總結(jié)為兩大方面，即4個(gè)環(huán)境因素和2個(gè)人體因素，環(huán)境因素包括：室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、空氣流速及平均輻射溫度；人體因素即人的活動(dòng)量(新陳代謝率)和衣著情況(服飾熱阻)。

除了上述因素以外，人體還通過(guò)新陳代謝產(chǎn)生熱量，從而維持一定體溫，因而新陳代謝率是影響人體熱舒適的重要因素之一。同時(shí)，服飾熱阻也是影響人體熱感覺(jué)的重要因素，影響人體與周?chē)h(huán)境的輻射和對(duì)流換熱。由于個(gè)體之間的差異化以及地區(qū)自然氣候等既定條件，本文的研究?jī)?nèi)容主要從影響熱舒適度的環(huán)境因素入手，基于合肥工業(yè)大學(xué)翡翠湖校區(qū)宿舍樓的建筑單體維度，嘗試提出相應(yīng)的改善措施。

1.2 合肥地區(qū)氣候特征分析

1.2.1 主要?dú)夂蛱卣鞣治?/p>

合肥工業(yè)大學(xué)翡翠湖校區(qū)位于安徽省合肥市蜀山區(qū)，為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均溫15.7 ℃，降雨近1 000 mm，日照2 100 h。其氣候特征如表1所示，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是季風(fēng)明顯、梅雨顯著。

地區(qū)年氣溫變化較大，屬夏熱冬冷地區(qū)，應(yīng)進(jìn)行夏季防熱與冬季保溫措施考量。由太陽(yáng)輻射形式分析，6月～9月為合肥市的太陽(yáng)光照射最強(qiáng)月份，光照情況與其明顯的季風(fēng)性氣候相吻合。通過(guò)Ecotect軟件氣候分析，得出不同方位太陽(yáng)輻射量分布特點(diǎn)，其南向、東南向與西南向的太陽(yáng)輻射量較大，太陽(yáng)能資源也相對(duì)豐富，應(yīng)充分考慮到對(duì)太陽(yáng)輻射的隔離與利用。

表1 氣候特征統(tǒng)計(jì)表

1.2.2 風(fēng)速與風(fēng)向特征分析

合肥市季節(jié)性風(fēng)向變化較為明顯。冬季在偏北風(fēng)季風(fēng)主導(dǎo)下，由于大別山區(qū)阻擋以及皖南山區(qū)對(duì)風(fēng)導(dǎo)流，形成冬季主導(dǎo)東北風(fēng)；夏季主導(dǎo)偏南風(fēng)的季風(fēng)，合肥地區(qū)全年都較少出現(xiàn)西風(fēng)和西南風(fēng)，且靜風(fēng)比例較高。

結(jié)合風(fēng)圖可以得出，風(fēng)向相對(duì)集中且風(fēng)速也比較可觀，結(jié)合五號(hào)宿舍樓的位置，其北側(cè)的被遮擋情況相對(duì)嚴(yán)重，南側(cè)無(wú)遮擋，東側(cè)有部分遮擋。以其焓濕圖與最佳朝向(見(jiàn)圖1，圖2)，可以充分利用夏季的東風(fēng)與東南季風(fēng)來(lái)保證自然通風(fēng)。

1.3 室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)存問(wèn)題與措施設(shè)想

1.3.1 區(qū)位現(xiàn)狀

研究所選建筑區(qū)位如圖3所示，宿舍樓位于建筑群中部，南面無(wú)建筑遮擋，東西向宿舍樓斜向分布，影響略小。本文研究選擇一定程度風(fēng)力受周?chē)ㄖc環(huán)境影響，主要擬采用改造措施為建筑單體維度上，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑形態(tài)和設(shè)備技術(shù)等主要切入方向。

1.3.2 基于grasshopper的熱舒適度分析

經(jīng)過(guò)日照時(shí)長(zhǎng)分析(見(jiàn)圖4，圖5)，夏季北樓屋面結(jié)構(gòu)會(huì)接受更多太陽(yáng)直射，南樓其得熱量更多，需要更多的防熱措施；冬季時(shí)相似的北樓屋面結(jié)構(gòu)會(huì)有更多得熱量，需要對(duì)南樓頂部進(jìn)行特別保溫措施考量。如圖6所示，對(duì)于南北樓房間(墻體)而言，其日照時(shí)長(zhǎng)差別不大，需要進(jìn)一步對(duì)太陽(yáng)輻射量進(jìn)行考量。

對(duì)于樓體太陽(yáng)輻射分析中(見(jiàn)圖7)，主要太陽(yáng)輻射集中在屋面結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生高樓層夏季熱舒適度較差問(wèn)題，且同為南向房間，北樓低樓層會(huì)被南樓遮擋，造成陰暗、潮濕的環(huán)境，需要應(yīng)對(duì)措施考慮。

此外，針對(duì)太陽(yáng)輻射量，北向房間的輻射量明顯不夠，同時(shí)西面太陽(yáng)輻射過(guò)強(qiáng)，所以應(yīng)對(duì)北面房間進(jìn)行光熱補(bǔ)償且對(duì)西曬問(wèn)題進(jìn)行有效防熱與防眩光相關(guān)處理。

結(jié)合grasshopperladybug日照時(shí)長(zhǎng)與太陽(yáng)輻射分析，為改善樓內(nèi)熱舒適度，夏季隔離太陽(yáng)輻射熱，減少與外界高溫環(huán)境換熱，利用通風(fēng)帶走多余濕氣而降低濕度，優(yōu)化宿舍悶熱、潮濕問(wèn)題；冬季保溫防風(fēng)為主要措施，充分利用太陽(yáng)輻射熱能，防止冷風(fēng)進(jìn)入帶走熱量，改善室內(nèi)的陰冷狀況。以圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑形體等被動(dòng)式節(jié)能措施為主。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造

2.1 屋面的熱舒適改造理論與應(yīng)用

根據(jù)宿舍樓體日照時(shí)長(zhǎng)與太陽(yáng)輻射分析，屋頂傳熱比墻體熱強(qiáng)度大，建筑屋面節(jié)能隔熱尤為重要。根據(jù)測(cè)算，溫度每降低1 ℃，空調(diào)減少能耗10%，并在多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，屋頂能耗約占總能耗的8%～10%。因此，加強(qiáng)屋頂保溫與隔熱節(jié)能對(duì)建筑造價(jià)影響不大，但節(jié)能效益明顯且人體舒適性會(huì)大幅提升。

宿舍樓采用坡屋頂，太陽(yáng)高度角最大時(shí)光線(xiàn)對(duì)坡屋面斜射，對(duì)平屋面正射。保持屋面形式，內(nèi)置保溫隔熱材料提高屋面熱工性能，提供新空間利于防水，改善屋面熱工性能、降低造價(jià)。利用通風(fēng)間層、布設(shè)太陽(yáng)能集熱板等措施，降低輻射熱對(duì)室內(nèi)影響和保護(hù)屋頂材料(見(jiàn)圖8)。利用熱壓和風(fēng)壓作用帶走大部分進(jìn)入間層的輻射熱，可有效地降低下層圍護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)傳熱，利于熱環(huán)境塑造。

2.2 附架式綠化擬改造策略

本次改造策略考慮在建筑東西墻面種植攀緣植物，在夏季利用植物阻隔太陽(yáng)輻射熱，有效遮擋太陽(yáng)輻射，而在冬季，植物凋謝，墻面可直接受熱，從而使墻面起到良好的保溫隔熱作用(見(jiàn)圖9)。墻面種植降溫隔熱、美化環(huán)境、改善局部小氣候。作為補(bǔ)償建筑占用的綠化地面,提升校園宿舍綠化覆蓋率。與造價(jià)高昂的刻板印象不同，恰恰相反，種植攀緣植物墻面是經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的全生命周期隔熱措施。

3 平面布局的改造策略

3.1 底樓層改造

宿舍樓南北向布置，但大多數(shù)時(shí)候南北向各個(gè)宿舍的門(mén)都是要閉合的，雖然有副窗可以開(kāi)啟以供通風(fēng)，但是開(kāi)啟率較低。為增加南北向通風(fēng)和走廊的采光，可利用房間結(jié)構(gòu)改造方式進(jìn)行改善。

如圖10首層平面形式，將長(zhǎng)廊布局形式打破，來(lái)優(yōu)化通風(fēng)與采光。將原有宿舍房間改成走廊一部分，一定程度內(nèi)收可形成“文丘里管效應(yīng)”，增加南北貫通自然通風(fēng)量，同時(shí)可增加走廊采光量，增加冬季底層溫度；將一層倉(cāng)庫(kù)的一部分改為半開(kāi)放外廊，使得宿舍走廊能夠直接接觸到室外環(huán)境，以增加通風(fēng)量。

三層為代表的中高樓層改造現(xiàn)有樓梯間是由窗洞與室外直接連通的空間，夏天會(huì)使室外的高溫氣體進(jìn)入，冬天會(huì)使樓內(nèi)的熱量散失，是造成樓道內(nèi)部熱舒適度低的主要原因，且隨著樓層數(shù)增加西端走廊房間日曬嚴(yán)重，熱舒適度極差。主要改造策略如圖11所示，內(nèi)收房間擴(kuò)充豐富走廊形式，增加走廊采光通風(fēng)；將西邊的端頭房間改造成陽(yáng)光房，以對(duì)強(qiáng)西曬進(jìn)行緩沖作用且防止冬季墻角熱量散失；同時(shí)將樓梯間凸出形體封閉，并通至頂部，形成熱壓通風(fēng)井功能作用。

3.2 宿舍貼建擬改造策略

宿舍樓縱深較長(zhǎng)的走廊為東西向，而合肥市風(fēng)向以東向風(fēng)為主導(dǎo)，但東西向上由于走廊較大深度，其通風(fēng)程度很低，所以除自然風(fēng)壓通風(fēng)之外，還可利用圖12所示貼建煙囪來(lái)利用熱壓通風(fēng)原理。煙囪實(shí)際上起到了通風(fēng)井的作用，將原來(lái)利用率較低的室外陽(yáng)臺(tái)用煙囪取代。煙囪可以由槽型鋼板圍合而成，置于建筑西側(cè)墻體處，西向的太陽(yáng)輻射使得管腔內(nèi)氣體升溫，東西向走廊利用了煙囪垂直高差產(chǎn)生了熱氣流的上升，從而增加走廊空氣流動(dòng)并改善空氣質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

翡翠湖校區(qū)于2010年左右正式投入使用，其學(xué)生宿舍建設(shè)相對(duì)較早，本文選取五號(hào)宿舍樓進(jìn)行實(shí)例分析與擬改建策略的研究。基于建筑單體維度，結(jié)合問(wèn)卷反饋與grasshopper，Ecotect的科學(xué)軟件分析，筆者針對(duì)熱舒適度方向，經(jīng)過(guò)相關(guān)資料與3D建模推演，提出相應(yīng)擬改造策略，希望對(duì)宿舍舒適度可持續(xù)改造相關(guān)研究提供參考意義。