彭力夫 劉依明 劉念雄

學(xué)生公寓作為集課外學(xué)習(xí)、課下交流、課余生活等功能于一體的復(fù)合功能載體，已不再局限于滿足學(xué)生的基本住宿需求，共享空間、多功能空間的植入成為新的關(guān)注點。公共空間的出現(xiàn)也對學(xué)生公寓設(shè)計提出了更高的要求，一方面需要為學(xué)生營造良好的建筑熱環(huán)境以促進身心健康，另一方面也需要兼顧節(jié)能的需求。因此，以自然通風(fēng)的方式進行室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)是學(xué)生公寓公共空間設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮的重要因素。

現(xiàn)有關(guān)于學(xué)生公寓節(jié)能研究大多集中在重慶、山東，較少關(guān)注北京。從具體研究對象上劃分，多聚焦公寓本身而非公寓中的公共空間。本研究以學(xué)生公寓公共空間節(jié)能和提高室內(nèi)熱舒適性為目標(biāo)，基于樣本公共起居空間夏季自然通風(fēng)不同工況下的室內(nèi)外溫度實測，評估實際使用過程中的通風(fēng)效果并提出優(yōu)化策略，為學(xué)生公寓公共空間的建筑設(shè)計提供借鑒與參考。

1 案例概況

選取清華大學(xué)紫荊學(xué)生公寓的中廳公共起居空間（后文簡稱為中廳）作為研究對象。公寓位于清華大學(xué)校區(qū)北部，占地28.4萬m，總建筑面積35萬m。內(nèi)部寢室沿走廊兩側(cè)分布，可按朝向簡單分為南向與北向。寢室為4人間，設(shè)置有上床下桌，相鄰兩間共用一個中廳公共起居空間。每間寢室層高3m，面積17.1m。中廳平面為對稱的五邊形，面積12.6m，內(nèi)設(shè)桌椅，為學(xué)生的會客交流、學(xué)習(xí)討論等活動創(chuàng)造了條件（圖1）。

中廳有暖氣管，未設(shè)空調(diào)，主要依賴自然通風(fēng)，在使用過程中中廳與兩側(cè)寢室間的門通常處于關(guān)閉狀態(tài)，因此主要為單側(cè)通風(fēng)。按開窗數(shù)量可將通風(fēng)模式細分為單側(cè)單通風(fēng)口自然通風(fēng)和單側(cè)雙通風(fēng)口自然通風(fēng)（圖2）。

2 研究方法

通過采集樣本中廳不同工況條件下的熱環(huán)境實測數(shù)據(jù)，結(jié)合問卷調(diào)研對學(xué)生使用行為和主觀評價進行相關(guān)性研究，對比分析不同工況的實際通風(fēng)效果。選取紫荊公寓11 號樓R604（北向）和R701（南向）房間樣本中廳（圖3），連續(xù)測試不同工況條件下室內(nèi)溫濕度以及相對應(yīng)的室外溫濕度數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)及問卷結(jié)果的比較分析，識別和比較不同通風(fēng)方式下中廳的通風(fēng)效果，從而為中廳設(shè)計優(yōu)化提供策略和依據(jù)。

樣本中廳的室內(nèi)溫度受到住宅建筑因素（平面、樓層和朝向等）、圍護結(jié)構(gòu)性能參數(shù)（圍護結(jié)構(gòu)K值、窗墻比）、用戶生活習(xí)慣因素（通風(fēng)方式、日常生活節(jié)律和室內(nèi)活動類型等）的綜合影響。實測數(shù)據(jù)期間保持中廳出入口密閉、無人使用、無濕源，且所選測試點樓層相近。通風(fēng)方式依據(jù)問卷調(diào)研結(jié)果中學(xué)生使用習(xí)慣及生活節(jié)律進行個性化設(shè)置，在控制混雜因素的前提下，保證各變量組之間可進行相互對照。

2.1 實測數(shù)據(jù)采集方法

采用四臺溫濕度自記儀（測量精度為0.1℃）測量R701南中廳、R604北中廳以及對應(yīng)室外陽臺的溫濕度。實驗房間內(nèi)儀器放置在幾何中心，室外陽臺儀器放于同一水平高度、無陽光直射處。設(shè)置采集數(shù)據(jù)的時間間隔為30s，連續(xù)測量并記錄各時刻的溫度和相對濕度值，結(jié)束后導(dǎo)入電腦保存。

在工況的設(shè)置上，遵循控制變量和對照實驗的原則，考慮到學(xué)生自主調(diào)節(jié)的生活行為習(xí)慣，實測時間內(nèi)中廳均采用全天通風(fēng)的方式，最終選定寢室朝向、開窗數(shù)量、開窗面積三個變量，以閉窗環(huán)境作為對照組設(shè)置5組工況，實測數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 問卷調(diào)研及主觀評價

對夏季紫荊公寓生活起居共享中廳的學(xué)生使用狀況展開問卷調(diào)研，共回收有效答卷105份。綜合問卷結(jié)果可歸納出：1）對于中廳熱環(huán)境，同學(xué)普遍認(rèn)為夏季中廳熱環(huán)境的體驗感較差，僅依賴自然通風(fēng)并未緩解室內(nèi)的炎熱感。相較于南向?qū)嬍?，北向?qū)嬍业耐瑢W(xué)更不愿意選擇在中廳學(xué)習(xí)，日照和風(fēng)向?qū)Υ私Y(jié)果有一定影響；2）關(guān)于中廳自然通風(fēng)行為，夏季中廳普遍采用全天開窗的方式進行通風(fēng)換氣，南側(cè)寢室的同學(xué)以開窗通風(fēng)降低室內(nèi)溫度的意愿更加強烈。同時，同學(xué)們對開窗數(shù)量及開窗時間對通風(fēng)效果的影響尚不明確，無法最大程度發(fā)揮自然通風(fēng)的優(yōu)勢。

3 數(shù)據(jù)分析

實測所得數(shù)據(jù)（溫度T、濕度RH）按照時間和日期記錄，繪制溫濕度曲線圖進行圖形化識別與比較（圖4,5）。利用焓濕圖衡量南北朝向中廳溫濕度時空變化差異，并結(jié)合過熱度和過熱時間的對比分析，綜合問卷調(diào)研中不同朝向居住學(xué)生對中廳熱環(huán)境的主觀評價，比較南北中廳的熱舒適并初步識別不同工況下單側(cè)中廳的通風(fēng)效果差異。相似外部環(huán)境條件（氣象參數(shù)及時間）下的室內(nèi)外溫度曲線變化則用于比較不同工況下單側(cè)中廳的通風(fēng)效果差異，結(jié)合使用行為及學(xué)生生活節(jié)律的特點，了解不同開窗方式對中廳空間使用模式及不同時段室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)變化的影響，最終優(yōu)化現(xiàn)有條件下的通風(fēng)效果及熱舒適，為建筑師優(yōu)化設(shè)計學(xué)生公寓共享空間提供依據(jù)。

室內(nèi)溫濕度曲線能夠反映朝向、平面特點、圍護結(jié)構(gòu)性能、實驗控制通風(fēng)方式對室內(nèi)熱濕環(huán)境調(diào)節(jié)的共同作用，本次實測結(jié)論關(guān)注朝向及通風(fēng)方式因素。通過將實測數(shù)據(jù)中南北樣本中廳室內(nèi)及室外熱濕度值三條曲線疊加分析，進而得到溫濕度值隨時間和空間變化的特征信息。此實驗主要針對夏季自然通風(fēng)模式下學(xué)生公寓共享起居空間過熱問題，探究室內(nèi)溫度時空分布特征。

1 學(xué)生公寓建筑幾何參數(shù)和中廳通風(fēng)模式

2,3 公寓及測試房間位置示意圖

表1 工況設(shè)置及溫度變化

4 溫度實測數(shù)據(jù)曲線圖5 濕度實測數(shù)據(jù)曲線圖

3.1 夏季自然通風(fēng)模式下學(xué)生公寓共享起居空間過熱問題

3.1.1 基于過熱度和過熱時間的南北向中廳室內(nèi)熱環(huán)境對比分析

綜合實測數(shù)據(jù)及學(xué)生主觀評價，過熱問題是影響學(xué)生夏季使用中廳的主要因素。為進行量化研究，引入過熱度T與過熱時間τ。我國《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50019-2003）中，夏季空調(diào)房間室內(nèi)設(shè)計溫度為24～28℃。北京屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，選擇28℃作為夏季非空調(diào)房間熱舒適溫度，并采用溫濕度自記儀每30s記錄一次溫度，計算各工況下南北向?qū)嬍业倪^熱時間與總記錄時間的比值。由表2可知，夏季中廳空間內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了較為明顯的過熱，三種工況下南向中廳基本均比北向中廳過熱時間更長、過熱度更大。

3.1.2 基于焓濕圖的南北向中廳室內(nèi)熱濕環(huán)境對比分析

依據(jù)氣候特點，將濕空氣各參數(shù)之間的關(guān)系用圖線表示，繪制焓濕圖并將所測數(shù)據(jù)按不同工況分類，以散點圖形式疊加繪制（圖6）。

通過對比，不同工況條件下的夏季中廳空間內(nèi)熱舒適性均較差，北向中廳優(yōu)于南向中廳。對比工況3、5，可發(fā)現(xiàn)單側(cè)雙通風(fēng)口自然通風(fēng)（開雙窗）能適當(dāng)提升中廳的熱舒適性。在室內(nèi)封閉條件下，南向中廳受影響較大，過熱問題較為突出，不適宜學(xué)生使用。

表2 不同工況下南北房間過熱時間與過熱度對比

3.2 不同通風(fēng)模式下學(xué)生公寓共享起居空間室內(nèi)溫度時空變化特征

夏季中廳空間的使用與學(xué)生生活節(jié)律聯(lián)系緊密，通過改變通風(fēng)方式調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境。從實測數(shù)據(jù)來看，對于北向中廳來說，開窗會使白天室內(nèi)溫度產(chǎn)生明顯峰值，而不開窗時溫度較為平緩；對于南向中廳來說，開窗有利于降低室內(nèi)溫度峰值，不開窗則室內(nèi)外溫度接近。為進一步對比不同通風(fēng)方式的效果，提取具有代表性且在相似外部環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)進行對比分析（圖7）。

對比圖8、9可以看出，在日間溫度出現(xiàn)峰值時段G1內(nèi)，南中廳開單窗、北中廳開雙窗對緩解室內(nèi)過熱效率更高；在日落之后溫度下降階段G2內(nèi)，開窗面積的差異對南北中廳降溫效果的影響并不顯著，這與中廳通風(fēng)口相距較近、通風(fēng)面積差異較小有關(guān)。

4 基于樣本空間的通風(fēng)優(yōu)化解決方案

4.1 夏季共享空間分時分區(qū)的通風(fēng)調(diào)節(jié)控制

由以上實測數(shù)據(jù)可知，在單側(cè)通風(fēng)條件下，朝向和通風(fēng)時段在室內(nèi)熱濕環(huán)境的調(diào)節(jié)控制下存在關(guān)聯(lián)性，建議進行分區(qū)分時段熱環(huán)境控制（圖10）。

（1）從朝向上看，夏季北向共享空間室內(nèi)熱舒適優(yōu)于南向，可以容納更多活動；在室內(nèi)封閉條件下，南向共享空間受影響較大，建議開窗通風(fēng)。

（2）從使用時段上看，在日間溫度出現(xiàn)峰值時段內(nèi)，南向采用單側(cè)單通道口自然通風(fēng)、北向采用單側(cè)雙通道口自然通風(fēng)對緩解室內(nèi)過熱效率更高。中午之前及日落之后，共享空間過熱時間占比低，可僅依靠自然通風(fēng)調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境，該時段也更適宜學(xué)生學(xué)習(xí)和使用。

4.2 通風(fēng)自主調(diào)節(jié)模式與設(shè)計相結(jié)合

在共享空間的外立面設(shè)計上可對通風(fēng)口的數(shù)量設(shè)置加以考量。為更好地方便學(xué)生進行自主調(diào)節(jié)，采用單側(cè)通風(fēng)的共享空間可設(shè)置至少兩個通風(fēng)口以實現(xiàn)單/雙通道口自然通風(fēng)的切換，同時盡量使開窗面積可調(diào)節(jié)。對于不同朝向的共享空間，南向空間可設(shè)置更多通風(fēng)口方便調(diào)節(jié)；北向空間熱舒適性相對較好，但結(jié)合問卷調(diào)研北向日照條件較差，可設(shè)置天窗等輔助采光。

6 不同工況焓濕圖分析示意圖

7 樣本中廳溫度曲線疊加分析示意圖

8 G1 時段工況3 溫度曲線圖（上）G1 時段工況5 溫度曲線圖（下）

9 G2 時段工況3 溫度曲線圖（上）G2 時段工況4 溫度曲線圖（下）

10 夏季共享空間分時分區(qū)的通風(fēng)調(diào)節(jié)控制

5 研究結(jié)論

本研究通過對樣本學(xué)生公寓共享起居空間的使用行為、主觀評價及室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進行量化分析，發(fā)現(xiàn)夏季共享起居空間存在過熱問題，并結(jié)合室內(nèi)溫度時空分布特征分時分區(qū)匹配不同的通風(fēng)模式，提供環(huán)境控制建議及設(shè)計優(yōu)化依據(jù)。由于受實測條件及時間周期限制，本研究并未對優(yōu)化通風(fēng)方式進行驗證。后續(xù)研究如有條件可對實測分析結(jié)果進行重復(fù)實驗及對比分析，對學(xué)生公寓共享空間的設(shè)計優(yōu)化提出更加全面精確的指導(dǎo)建議。

研究受到清華大學(xué)（建筑學(xué)院）臨沂城市建設(shè)投資集團有限公司建筑全生命周期品質(zhì)管理聯(lián)合研究中心（2021-B2）支持。

＊ 本研究得到國家自然科學(xué)基金委員會重點項目“高能效智能建筑環(huán)境營造原理與性能化設(shè)計新方法”（52130803）、國家自然科學(xué)基金面上項目“基于機器學(xué)習(xí)的寒冷地區(qū)綠色住宅空間環(huán)境變量耦合機制與數(shù)據(jù)設(shè)計方法研究”（52078262）資助。

1-10作者自繪

表1,2作者自繪