寒冷地區(qū)辦公建筑頂層房間室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化策略研究

摘要：實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，建筑物各樓層室溫差異較大，其中頂層室內(nèi)熱環(huán)境最差，基于此，文章利用Design Builder（建筑能耗模擬分析軟件）分析研究頂層房間室內(nèi)熱環(huán)境與非頂層房間的差異性，提出增設(shè)屋頂表面涂料層的策略，并模擬驗(yàn)證該措施對(duì)頂層房間熱舒適性的改善效果。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；辦公建筑；頂層房間；熱環(huán)境；熱舒適度

中圖分類號(hào)：TU111.4；TU111.195 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2022）15-0-04

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展速度的日益加快，以及城市人口的快速增長(zhǎng)，城市用地越發(fā)緊張，傳統(tǒng)的辦公空間已經(jīng)不能滿足使用者的需求，越來越多的公司逐漸放棄20世紀(jì)八九十年代的辦公空間模式，選擇進(jìn)入集中商務(wù)辦公寫字樓，這對(duì)當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)師提出了新的要求。一方面，隨著工作、生活壓力的增大，人們待在辦公室的時(shí)間日漸增多；另一方面，一個(gè)辦公建筑內(nèi)包含若干公司，人員眾多，構(gòu)建舒適的室內(nèi)辦公環(huán)境成為當(dāng)前辦公建筑設(shè)計(jì)必須考慮的問題。文章以濟(jì)南市某一辦公建筑為例，通過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)問題、模擬分析問題，探究寒冷地區(qū)辦公建筑頂層空間室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀，并提出優(yōu)化策略。

濟(jì)南地區(qū)屬于寒冷地區(qū)，冬季寒冷，夏季炎熱，該區(qū)建筑物必須充分滿足冬季防寒、保溫、防凍等要求，且夏季可不考慮防熱［1］。前期在過渡季節(jié)對(duì)濟(jì)南地區(qū)建筑頂層與非頂層房間室內(nèi)溫濕度進(jìn)行實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)濟(jì)南地區(qū)建筑頂層房間室內(nèi)溫度高于非頂層房間室內(nèi)溫度。然后使用建筑環(huán)境模擬軟件Design Builder模擬計(jì)算頂層房間與非頂層房間全年建筑制冷采暖能耗，進(jìn)一步對(duì)比分析與模擬結(jié)果，并提出具有可行性的優(yōu)化措施。

1 參數(shù)實(shí)測(cè)

1.1 測(cè)試對(duì)象

辦公空間是人們生活、娛樂、休息的主要場(chǎng)所，人們每天約45%的時(shí)間在辦公空間中度過，較差的辦公環(huán)境會(huì)影響人們的工作效率，辦公空間內(nèi)的溫度和濕度直接關(guān)系到人的身心健康。辦公建筑不同樓層室內(nèi)溫濕度在體感上存在明顯差異，本文針對(duì)這一問題進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證分析。測(cè)試對(duì)象為山東濟(jì)南某大學(xué)建筑藝術(shù)館105、405、605房間，三者朝向均為南，分別位于辦公樓的一層、四層及六層（頂層）。

1.2 測(cè)試方法

測(cè)試參數(shù)為溫度和相對(duì)濕度，測(cè)試時(shí)間為2021年10月10日—12日，連續(xù)三天測(cè)量室內(nèi)溫濕度變化，每5分鐘記錄一次。選擇儀器為迷你型溫濕度記錄儀testo174H：儀器屏幕實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫濕度測(cè)量值，可設(shè)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間間隔，自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量可達(dá)16 000組。儀器量程-20℃～70℃，精度為0.1℃，0.1%RH。記錄以下指標(biāo)：室內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況、測(cè)量日期和測(cè)量起止時(shí)間、測(cè)量時(shí)的高度和測(cè)點(diǎn)布置、室內(nèi)逐時(shí)溫度和測(cè)量結(jié)果。

測(cè)點(diǎn)布置主要依據(jù)：辦公房間室內(nèi)選擇的測(cè)量點(diǎn)是距離地面600 mm的工作平面，由于辦公樓房間小于16㎡，布置1個(gè)測(cè)量點(diǎn)，另外設(shè)置的室外測(cè)試點(diǎn)位于濟(jì)南某高校被動(dòng)實(shí)驗(yàn)樓樓頂［2］。

1.3 測(cè)試結(jié)果

1.3.1 室內(nèi)溫度分析

從圖1的曲線變化情況來看，由于六樓房間人員個(gè)人行為因素（在2021年10月12日開啟空調(diào)），因此數(shù)據(jù)不可用，所以選擇2021年10月10日—10月11日連續(xù)兩天的室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象。辦公樓底層房間的平均室內(nèi)溫度為19.49℃，四層房間平均溫度為21.369℃，頂層房間平均溫度為23.465℃［3］。辦公樓中間層室內(nèi)溫度與底層室內(nèi)溫度相差1.879℃左右，辦公樓中間層房間比頂層房間低2.096℃左右，而且辦公樓頂層房間室溫波動(dòng)范圍大，主要為19℃～24℃，底層室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍在17℃～20℃。

1.3.2 室內(nèi)濕度分析

濕度數(shù)據(jù)選用2021年10月10日—10月11日連續(xù)兩天室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象（見圖2）。辦公樓底層房間平均濕度為65.927%rH，中間層房間平均濕度為63.073%rH，頂層房間平均濕度為58.689%rH。辦公樓底層房間室內(nèi)平均濕度比四層房間高2.854%rH左右，辦公樓中間層房間比頂層房間高4.384%rH左右。同時(shí)，辦公樓底層房間室內(nèi)濕度波動(dòng)范圍大，主要為50%～78%rH，頂層房間波動(dòng)范圍在50%～63%rH。分析原因可能是辦公樓底層房間室外風(fēng)速較小，空氣流動(dòng)緩慢。

2 模型建立與模擬計(jì)算

2.1 建模與參數(shù)設(shè)置

2.1.1 建筑模型

本文采用Design Builder模擬建筑頂層房間與非頂層房間全年建筑能耗的影響，構(gòu)建15 m×30 m的四層辦公樓作為模擬對(duì)象（見圖3）。根據(jù)GBT51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)定其圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性、熱工性能參數(shù)、機(jī)組制冷制熱效率、制冷制熱溫度設(shè)定值以及人員在室率等［4］。

2.1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)設(shè)置

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料包括地面/樓板、屋頂、隔墻、外墻、外窗，選用GBT51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》附錄內(nèi)的材料［5］，具體參數(shù)如表1所示。

2.2 計(jì)算模擬

氣象參數(shù)采用濟(jì)南典型氣象年數(shù)據(jù)［6］。室內(nèi)熱擾參數(shù)設(shè)置如下：室內(nèi)其他得熱設(shè)定為3.8W/㎡；制冷設(shè)置溫度為26℃，空調(diào)起始溫度為37℃，采暖設(shè)置溫度為20℃，采暖起始溫度為5℃；建筑換氣次數(shù)取取0.6 次/h。照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、其他設(shè)備啟停時(shí)間如下：工作日7：00—19：00開啟，周末全關(guān)。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 頂層房間模擬結(jié)果分析

統(tǒng)計(jì)比較1月與8月頂層房間室內(nèi)溫度模擬情況，即最冷月和最熱月的模擬結(jié)果。最冷月1月的室內(nèi)溫度為11℃，最熱月8月的室內(nèi)溫度為37℃。全年制冷能耗為24.8 kw·h/㎡。

2.3.2 頂層房間和非頂層房間比較

統(tǒng)計(jì)比較1月和8月各樓層房間室溫的逐天變化情況，得出如下結(jié)論：夏季，室內(nèi)溫度隨樓層的升高逐漸提升為人體較為不舒適的溫度，頂層與底層房間溫度差約8℃，最熱月底層房間最高溫度可以達(dá)到35℃，頂層房間最高室內(nèi)溫度接近37℃。冬季，室內(nèi)溫度與樓層數(shù)呈負(fù)相關(guān)，溫度逐層降低，底層房間室溫最高，最低溫度達(dá)12.8℃，頂層房間室內(nèi)溫度最低，最冷月頂層房間最低溫度11.2℃［7］。此外，每層房間的全年制冷能耗隨著樓層的增加而增加，頂層房間全年制冷能耗為24.8 kw·h/㎡，一層全年制冷能耗最低為22.4 kw·h/㎡。因此，頂層房間的保溫隔熱均須引起重視，從而解決頂層房間室內(nèi)熱舒適差于底層及中間層這一問題。對(duì)比頂層房間全年室內(nèi)溫度與非頂層房間全年室內(nèi)溫度發(fā)現(xiàn)，二者冬夏兩季溫度差異明顯，尤其是夏季，頂層房間室溫高于非頂層室溫8℃，已超過人體可感知的溫度差。

以上數(shù)據(jù)佐證了頂層空間室內(nèi)熱舒適與非頂層空間的差別比較明顯，而如何解決這一問題是之后屋頂設(shè)計(jì)及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮的重點(diǎn)問題。在冬夏兩季，寒冷地區(qū)的辦公建筑頂層房間室內(nèi)溫度過低或過高，都會(huì)引起空間使用者生理上的不適感，還會(huì)對(duì)人們的身心健康造成難以估量的影響。在夏季，頂層房間具有與其他樓層空間相同的特性，內(nèi)部溫度高，室內(nèi)空間形成較強(qiáng)的不對(duì)稱熱輻射場(chǎng)，作為相對(duì)熱輻射表面的屋頂內(nèi)表面更容易使人體產(chǎn)生熱感不對(duì)稱［8］。

3 優(yōu)化策略與模擬驗(yàn)證

3.1 屋頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能措施

屋頂負(fù)責(zé)搭起建筑內(nèi)部空間與室外熱交換的連通橋梁，相比于地板和外墻，屋頂與外界的換熱量最大。當(dāng)夏季太陽輻射高時(shí)，頂層屋頂外表面溫度最高約70℃。頂層房間屋頂外表面溫度與室溫的差值大時(shí)，室外向房間內(nèi)傳遞的熱量也會(huì)相應(yīng)變高。一般來看，頂層的房間室溫比非頂層房間室溫高4℃左右。由此可以看出，屋頂熱工性能的改善可以在一定程度上增強(qiáng)建筑散熱的能力，從而減少夏季頂層房間熱負(fù)荷，進(jìn)一步為降低建筑能耗作出貢獻(xiàn)［9-13］。

太陽能是房間冷熱負(fù)荷的主要來源，得熱量最大的建筑外圍護(hù)構(gòu)件非屋頂莫屬。夏季白天，屋頂吸收太陽輻射，外表面溫度會(huì)隨著接收太陽輻射量的增大而升高，使得屋頂外表面與屋頂內(nèi)側(cè)呈現(xiàn)溫差，進(jìn)而導(dǎo)致建筑頂層空間熱量增大，同時(shí)通過建筑外表面與房間內(nèi)周圍空氣之間的對(duì)流換熱提高室內(nèi)溫度。發(fā)生這個(gè)過程時(shí)，屋面仍然繼續(xù)上述傳遞熱量步驟。除了改變屋頂構(gòu)造結(jié)構(gòu)之外，在屋頂表面采取節(jié)能措施還有很多方式，絕大部分屋面采用冷屋面的處理措施，如種植屋頂、屋頂增設(shè)空氣間層等［14］。

3.2 優(yōu)化模擬分析

3.2.1 屋頂表面材料性能對(duì)建筑能耗的影響

夏天，由于屋頂會(huì)將大量太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱量傳到室內(nèi)，頂層房間建筑能耗過大。在頂層房間屋頂外表面增設(shè)高反射涂料層，可以減少頂層房間屋頂外表面對(duì)太陽輻射的接收，進(jìn)而起到降低室溫的效果?；谝陨戏治觯鲈O(shè)的涂料層所用材料只有擁有高反射率，同時(shí)具備高發(fā)射率，才能起到盡快散熱的效果，降低頂層房間屋頂外表面溫度。

本文屋頂表面材料的選取立足于從源頭上減少室內(nèi)外熱量的傳遞，提高屋頂對(duì)太陽輻射的反射能力，進(jìn)而通過材料所具有的高反射率減少頂層空間對(duì)熱量的獲取。同時(shí)，材料的高發(fā)射率可以減緩熱量的吸收，輔助減少了傳熱。較低的屋頂溫度導(dǎo)致房屋環(huán)境空氣溫度之間的熱交換減少，從而使屋頂周圍的空氣溫度降低，這有助于改善建筑物周圍的小氣候。較低的屋頂溫度還可以延緩屋頂?shù)睦匣?，延長(zhǎng)屋頂?shù)氖褂脡勖４送?，這一措施的廣泛采用可以緩解單一建筑的室內(nèi)熱舒適問題，大規(guī)模采用該措施的建筑片區(qū)，周邊的微氣候會(huì)得到明顯改善。

3.2.2 屋頂表面不同性能材料頂層房間能耗分析

基本參數(shù)維持不變，只改變屋頂表面材料的熱輻射吸收率。為了更直觀地體現(xiàn)單一變量對(duì)全年建筑能耗的影響，模型中屋頂構(gòu)造的參數(shù)只改變了屋頂表面材料的熱輻射吸收率。改變屋頂表面材料前，8月頂層房間室內(nèi)最高溫度達(dá)到37.2℃，1月頂層房間室內(nèi)最低溫度達(dá)到11℃；改變屋頂表面材料后，8月頂層房間室內(nèi)溫度最高達(dá)到36.5℃，1月頂層房間最低溫度達(dá)到10.76℃。此外，屋面材料改變后的全年制冷能耗24.4 kw·h/㎡，比改變前降低0.4 kw·h/㎡。屋頂表面材料改變前后對(duì)比頂層房間室內(nèi)溫度發(fā)現(xiàn)，最熱月室內(nèi)溫度降低1℃～2℃，最冷月室內(nèi)溫度提高1℃，存在較為明顯的改善作用。

4 結(jié)語

軟件模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相符：頂層房間室內(nèi)熱環(huán)境比非頂層房間室內(nèi)熱環(huán)境差，頂層和非頂層房間溫度和濕度差異明顯。這是因?yàn)轫攲臃块g相比非頂層房間外界熱交換比較多，白天屋頂受到更多的太陽輻射。所以，在寒冷地區(qū)的綠色建筑設(shè)計(jì)中，有必要針對(duì)屋頂保溫隔熱問題單獨(dú)提出一套措施，以減小頂層房間冬夏兩季室內(nèi)熱舒適性差的問題。文中也提到了相應(yīng)的節(jié)能措施，如打造冷屋面包括蓄水屋面、種植屋面及淺色屋面等。

除此之外，針對(duì)頂層房間室內(nèi)熱環(huán)境差這一問題，本文還從屋面表面材料的改變角度提出了新措施，即改變屋頂表面材料對(duì)熱輻射的吸收率，從而改變頂層房間室內(nèi)熱環(huán)境。文章針對(duì)這一優(yōu)化措施進(jìn)行了模擬運(yùn)算分析，在模擬過程中控制屋面其他結(jié)構(gòu)不變，改變屋頂表面材料并進(jìn)行對(duì)比分析，得出屋頂表面材料對(duì)頂層房間室內(nèi)熱環(huán)境起到了改善作用，其中夏季改善效果較冬季改善效果明顯的結(jié)論。這為今后進(jìn)行綠色、低碳、節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)提供了參考，屋頂外表面增設(shè)涂料層既可以減少夏季屋頂向室內(nèi)傳遞過多的熱量，起到節(jié)能減排的作用，又可以與建筑外表面設(shè)計(jì)在材質(zhì)、色彩、形態(tài)等方面結(jié)合，形成更具特色的建筑第五立面形式。

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作者簡(jiǎn)介：楊雪嫻（1996—），女，山東濟(jì)寧人，碩士在讀，研究方向：生態(tài)城鎮(zhèn)與綠色建筑發(fā)展。