鄒煜凱，郭嘉良，鐘正楠

（廣州大學建筑與城市規(guī)劃學院 廣州 510006）

0 引言

根據IPCC（聯合國跨政府氣候變化委員會）發(fā)布的第三工作小組報告《2022氣候變化：減緩氣候變化》指出，我們仍有機會將全球升溫控制在1.5 ℃內［1］，因為全球升溫導致更多的極端天氣、海平面上升等負面影響，各政府越來越重視溫室氣體的排放量。由于人們留在住宅內的時間變得越久，住宅的能源消耗也將隨之變大。大量研究開始關注居住建筑的室內熱舒適與能源消耗之間平衡。

嶺南濕熱地區(qū)全年高溫高濕，夏季炎熱冬季溫暖，長時間高溫的氣候特點讓自然通風的傳統民居建筑容易面臨室內過熱的現象。有研究表明，居住在鄉(xiāng)村民居的居民由于經濟條件或熱行為習慣更愿意選擇采用開窗、減少穿衣量等自然通風的方式進行降溫，同時嶺南傳統民居有其獨特的氣候適應性設計策略［2］，能較好地提高室內居民的熱舒適度。但隨著全球氣候變暖，自然通風的傳統民居具有一定室內過熱風險。因此通過評估當前氣候條件下傳統民居的室內熱舒適情況，對未來改善傳統民居被動式設計策略，降低能耗具有重要的意義。

目前越來越多的研究通過計算模擬的方式去評估居住建筑的室內過熱情況，如GUO 等人［3］采用夏季和冬季現場測量的方法以及使用Energy Plus 軟件對位于中國夏熱冬冷地區(qū)新野村的傳統民居進行逐年熱性能模擬，實測所得數據與模擬數據較接近，證明模擬室內熱環(huán)境的可靠性，由此可見，Energy Plus 建筑性能模擬可較準確地評估居住建筑的室內過熱情況，并具有一定的參考價值。

本次研究目的主要分為3 個方面：⑴在Energy-Plus 模擬引評估嶺南傳統民居“三間兩廊”主要用房的室內過熱情況；⑵通過氣象數據輸入的對比來驗證典型氣象年數據對嶺南傳統民居性能模擬的準確性；⑶通過國內外兩種室內熱舒適評價標準對比說明國際標準與國內標準之間的差異。

1 方法

1.1 研究對象

本次研究以廣州市荔灣區(qū)聚龍村的“三間兩廊式”傳統民居為研究對象。建村之初共有民居20 幢，竣工于光緒十五年。村內民居布局基本形式為典型的三間兩廊式，磚木結構，外墻為青磚石基墻，硬山頂，碌灰筒瓦。其布局向縱深方向發(fā)展，組合成“三上三下”式的樓房。由于民居群布局相似，本研究主要選取其中一幢民居——4 號民居作為研究對象。4 號民居為靠近聚龍古村南側大門牌坊的第一排民居，面闊約12.5 m，進深約17.8 m，高約7.7 m，占地面積約為222 m2。首層由前廳、后廳以及前后廳兩側房間組成，前后廳之間有天井，第二層則是次臥與書房，如圖1所示。因此本次研究通過模擬聚龍村4號民居的主要用房——前廳與后廳，8 間臥室的室內熱舒適情況來判斷整體民居的氣候適應性情況。

圖1 聚龍村三間兩廊式4號民居實景、平面、立面、剖面Fig.1 Realistic View，Plan，Elevation and Section of the No.4 Dwellings in Julong Village

1.2 基于Grasshooper和Energy Plus的模擬模型建立

本次研究采用參數化建模平臺Grasshopper，以及性能模擬引擎Energy Plus 對傳統民居的建筑熱環(huán)境進行模擬分析。其中Energy Plus 建筑能耗模擬是在兩個舊有軟件BLAST 和DOE-2 的基礎上開發(fā)的新型建筑能耗模擬軟件，兼具兩者的優(yōu)點。所以本次研究主要通過參數化建模平臺Grasshopper 建立符合三間兩廊空間布局的模型，因為本文旨在針對前后廳以及8間臥室內熱環(huán)境進行評估，民居的開放式院落，建筑的裝飾構件對室內熱環(huán)境模擬結果并無太大影響，故在建模上作簡化處理，如圖2所示。

圖2 基于Grasshooper平臺和EnergyPlus模擬引擎建模的三間兩廊空間布局Fig.2 The Spatial Layout of Sanjianlianglang Based on the Grasshopper Platform and Energy Plus Simulation Engine Modeling

除了輸入民居模型的形態(tài)信息以外，還需輸入民居外圍護結構的熱工材料參數。本次研究對象的熱工材料參數主要參考《嶺南濕熱氣候與傳統建筑》［4］，和《廣東居住建筑節(jié)能設計標準（廣東省標準）：DBJ/T 15-133—2018》［5］，需要輸入外圍護結構材料信息主要包括屋頂、外墻、玻璃及首層地板。屋頂采用覆瓦坡屋頂中的“三重瓦”的構造方式；外墻采用青磚混凝土墻構造方式；窗戶采用單層厚6 mm 的普通平板玻璃；首層與二層地板采用中式傳統地面構造方式，如表1所示。

表1 三間兩廊式傳統民居的外圍護結構熱工材料參數Tab.1 Thermal Material Parameters of the Outer Envelope of Three-Bays-and-Two-Corridors Traditional Dwelling

1.3 天氣氣象數據輸入

通過Energy Plus 模擬軟件，輸入從廣州氣象站所獲得的2010～2019年共10年的真實年份氣象數據，以及從Energy Plus 官網下載獲得的廣州地區(qū)典型年氣象數據，獲得全年逐時室外空氣溫度與相對濕度。由圖3可見，11組氣象數據中，冬季1月最低月均室外氣溫的年份為2011 年，月均室外空氣溫度為9.68 ℃，7 月最高月均室外氣溫的年份為2010 年，月均室外空氣溫度為29.69 ℃，且廣州地區(qū)高溫時間段最要集中在6～8月。本文主要探討廣州地區(qū)6～8月室外氣候對傳統民居的影響。

圖3 TMY典型氣象年和2010～2019年的月平均室外空氣溫度折線圖和月平均室外相對濕度柱狀圖Fig.3 Line Graph of Monthly Average Outdoor Air Temperature and Bar Graph of Monthly Average Outdoor Relative Humidity in Typical Meteorology Year and Year of 2010～2019

1.4 適應性熱舒適標準

1.4.1 ASHRAE Standard 55 國際熱舒適標準（以下簡稱國際標準）

1998 年，BRAGER 等人［6］在全球范圍內開展了著名的ASHRAE RP-884 項目，通過獲取四大洲160 棟自然通風建筑種的21 000 套數據，并由此建立了ASHRAE 現場研究數據庫。同時指出人不是熱環(huán)境的被動接受者，而是通過多重反饋循環(huán)以及人與環(huán)境的交互作用以此來適應新的熱環(huán)境，并基于該理論首次提出了自然通風建筑的氣候適應性模型。

在Energy Plus 模擬組件ASHRAE Standard 55 Adaptive Comfort Calculator 中需要輸入的參數包括建筑室內操作溫度、平均輻射溫度、室外空氣溫度以及室外風速，最后選擇居民熱接受度范圍80%（PPD≤20%；-0.85＜PMV＜+0.85）或90%（PPD≤10%；-0.5＜PMV＜+0.5），如表2 所示，即可計算模擬建筑室內熱環(huán)境情況，本文主要選擇80%的熱可接受范圍作為三間兩廊式傳統民居的室內過熱評價，即PMV 大于0.85 則可視為室內過熱情況。其中PMV（Predicted Mean Vote）預測平均評價是以人體熱平衡的基本方程式以及心理學主觀熱感受等級為出發(fā)點，考慮人體熱舒適諸多有關因素的全面評價指標，采用7級分度，如表3所示。而PPD（Predicted Percentage Dissatisfied）是為了補充PMV預測人體熱感覺卻缺乏考慮室內整體居民的滿意度的情況，FANGER［7］開發(fā)了另一個方程式，將PMV 與PPD（不滿意的預測百分比）聯系起來。

表2 國際標準指標范圍Tab.2 International Standard Index Range

表3 PMV熱舒適評價7級分度Tab.3 Predicted Mean Vote Thermal Comfort Evaluation 7-level Scale

1.4.2 《民用建筑室內熱濕環(huán)境評 價 標 準：GB/T 50785—2012》（以下簡稱國內標準）

除了國際標準，本文也采取國內標準來評價傳統三間兩廊式民居室內熱舒適環(huán)境，國內標準是參考了國際標準ISO 7730 和SHRAE Standard 55 等，國內標準的編制組對我國主要5 大氣候區(qū)進行廣泛的調查研究，結合實驗室熱舒適研究，提出了適合我國民用建筑室內熱濕環(huán)境的評價方法。根據國內標準，室內熱環(huán)境評價應在主要房間或單個建筑進行，評估單個建筑時，其90%以上的主要房間應滿足相關要求，才可視為達到相應的水平。由于本文主要探討三間兩廊式傳統民居的自然通風情況下的室內過熱風險，主要選取國內標準中的非人工冷熱源熱濕環(huán)境評價的計算法評價，應以預計適應性平均熱感覺指標（APMV）作為評價依。而APMV 是指通過優(yōu)化PMV 效應而產生的“自適應預測平均投票”，具體公式如下：

APMV=PMV/（1+λ·PMV） ⑴

式中：APMV為自適應預測均值投票；PMV為預測均值投票；λ為自適應系數。

根據國內標準，位于夏熱冬暖地區(qū)的廣州的λ自適應系數為0.21。自然通風環(huán)境分為三級，如表4 所示，本文主要選取國內標準的Ⅱ級作為三間兩廊式傳統民居的室內過熱評價，即若APMV大于1時，則視為室內過熱情況。

表4 非人工冷熱源熱濕環(huán)境評價等級Tab.4 Evaluation Level of Heat and Humidity Environment for Non-artificial Cold and Heat Sources

2 結果

從三間兩廊整體室內過熱逐年模擬結果發(fā)現，不同的室內熱舒適評價標準之間，模擬結果存在較大差異，其中國內標準評價三間兩廊的過熱程度偏高，而國際標準則偏低，兩者評價過熱小時數百分比相差的平均值為27.39%。但兩種評價標準結果皆表示，三間兩廊在近年的氣象條件下存在明顯的室內過熱現象。

如圖4 所示，在國際標準中，2010～2019 年過熱小時數百分比的10 年平均值為18.39%，TMY 典型氣象年的為20.2%，其中過熱小時數百分比最大值為19.95%，發(fā)生在TMY 典型氣象年；最低值為16.06%，發(fā)生在2010 年。但在國內標準中，2010～2019 年過熱小時數百分比的10 年平均值為45.94%，TMY 典型氣象年的為46.1%，其中過熱小時數百分比最大值為48.53%，發(fā)生在2019 年；最低值為43.26%，發(fā)生在2010 年。結果說明，無論國內標準還是國際標準下，三間兩廊均存在較明顯的室內過熱風險，其中在國內標準下，三間兩廊過熱程度甚至達到了一年中有接近50%時間存在過熱現象。

圖4 基于兩種標準的三間兩廊式傳統民居室內過熱小時數百分比的逐年模擬結果Fig.4 Yearly Simulation Results of Percentage of Indoor Overheating Hours in Three-Bays-and-Two-Corridors Traditional Dwellings Based on Two Standards

2.1 基于國際標準的模擬結果

本文主要研究三間兩廊室內的主要用房熱舒適情況，因此，分別選取了三間兩廊的前廳、后廳、首層4 間臥室（房間1，房間2，房間3，房間4）以及二層的4間臥室（房間5，房間6，房間7，房間8）為模擬對象。

如圖5 所示，結果顯示，基于國際標準下，全部主要用房都存在過熱風險，其中前廳、后廳的過熱程度最低，過熱小時數百分比范圍為12%～16%，而二層南向的兩間臥室（房間5，房間6）的過熱程度最高，過熱小時數百分比范圍為31%～38%，其次是二層北向的兩間臥室（房間7，房間8）過熱程度，過熱小時數百分比范圍為26%～34%，首層南向的兩間臥室（房間3，房間4）過熱小時數百分比范圍為17%～26%，首層北向的兩間臥室（房間1，房間2）過熱小時數百分比范圍為15%～23%。由此可見二層臥室的過熱程度比首層的更高，南向臥室的過熱程度比北向臥室的更高。

圖5 基于國際標準三間兩廊主要用房過熱情況逐年模擬分析Fig.5 Year-by-year Simulation Analysis of the Overheating Situation of the Main Rooms in Three-Baysand-Two-Corridors Based on International Standards

但基于TMY 的氣象數據輸入的室內過熱情況發(fā)現，房間3 與房間4 過熱更嚴重，房間6 比房間5 過熱更嚴重的結果，與基于10年真實氣象數據輸入的室內過熱情況有明顯差異，即東南向與西南向的房間過熱程度趨勢有差異，說明TMY典型氣象年氣象數據的模擬結果，與真實年份氣象數據下的模擬結果具有明顯差異。因此需要進一步使用真實年份的氣象數據來模擬三間兩廊的室內過熱情況，并為改善策略提供一定的依據。

2.2 基于國內標準的模擬結果

在國內標準，模擬結果顯示三間兩廊主要用房均存在較高的過熱風險，逐年過熱小時數百分比全部超過40%，如圖6 所示，前廳、后廳的過熱小時數百分比范圍為40%～47%，首層臥室的過熱小時數百分比范圍為45%～55%，二層臥室的過熱小時數百分比范圍為47%～57%。其中二層南向臥室（房間5，房間6）過熱程度最高，二層北向臥室（房間7，房間8）與首層南向臥室（房間3，房間4）的過熱程度相似。

圖6 基于國內標準三間兩廊主要用房過熱情況逐年模擬分析Fig.6 Year-by-year Simulation Analysis of the Overheating Situation of the Main Rooms in Three-Baysand-Two-Corridors Based on Domestic Standards

由此可見，與國際標準結果相同，二層的臥室均比首層的臥室過熱程度更為嚴重，位于南向的臥室比北向的臥室過熱程度更為嚴重，但國內標準顯示，首層南向的臥室（房間3，房間4）過熱程度高于或持平于二層北向的臥室（房間7，房間8），這與國際標準中的二層北向臥室（房間7，房間8）過熱程度遠高于首層南向臥室（房間3，房間4）的結果有明顯差異。因此國內標準與國際標準相比，除了整體過熱程度有明顯差異，南北向的臥室的過熱程度也存在一定的差異。

而且在國內標準下，TMY 典型氣象年氣象數據的模擬結果與真實年份氣象數據下的模擬結果也具有明顯差異，即TMY氣象數據對位于西南和東南向的臥室（房間3 房間6，房間2 房間5）過熱程度的模擬情況與真實年份氣象數據相反。

3 結語

綜合國際室內熱舒適標準和國內室內熱舒適標準兩種室內過熱標準的模擬結果顯示：⑴ASHRAE Standard 55 國際熱舒適標準與GB/T 50785—2012 國內熱舒適標準來評估嶺南三間兩廊式傳統民居室內過熱程度具有明顯差異，逐年過熱小時數百分平均值比相差27.39%；⑵TMY 典型年氣象數據與2010～2019年真實年份氣象數據模擬三間兩廊式傳統民居的室內過熱情況具有明顯差異，即TMY氣象數據對位于西南和東南向的臥室過熱程度的模擬情況與真實年份氣象數據相反；⑶嶺南三間兩廊式傳統民居僅考慮自然通風的情況下，室內主要房間均存在過熱情況，在國內室內過熱評價標準下，全部主要用房的每年過熱小時數百分比甚至達到了40%以上；⑷嶺南三間兩廊傳統民居的主要用房中，二層南向臥室的過熱程度最高，首層的前廳和后廳過熱程度最低。

根據模擬結果分析，提出以下建議：⑴在進行室內熱環(huán)境模擬時，應參考多種室內熱舒適評價標準來評估嶺南傳統民居室內的過熱風險，避免使用單一評價標準導致評估結果具有較大誤差；⑵在模擬評估嶺南傳統民居室內過熱風險時，不僅考慮典型年氣象數據的輸入，也更應該考慮真實年份氣象數據或者極端氣象數據的輸入，從而對比傳統民居在極端氣象條件下的室內過熱情況；⑶目前嶺南三間兩廊式傳統民居僅考慮自然通風的模式下，仍存在較為嚴重的室內過熱情況，應該進一步探討提出改善室內熱環(huán)境的被動式策略。