基于居民热舒适度的亚热带地区节能社区设计

裘骏军，洪田芬

（浙江东南建筑设计有限公司，浙江杭州310012）

2015年，中国加入《巴黎气候协定》，并作出承诺：到2030年中国单位GDP的二氧化碳排放，要比2005年下降60%到65%。我国年建筑能源消费总量约占全国能源消费总量的20.6%，建筑碳排放总量约占全国能源碳排放总量的19.4%，是继工业之后的第二大能源碳排放行业。从目前国内外的建筑节能研究成果和推广应用来看，节能实践集中于节能材料的研发应用，忽视了 “方案不节能” 可能导致的 “建设不节能” 。如建筑布局仅考虑如何达成规划设计条件指标，空间的利用率及正南北向偏角符合居民生活习惯等，但可能因为密布、缺乏架空的裙房设计遮挡了内部风廊；建筑内部的空间格局，如住宅户型以得房率为第一导向，通风不足导致暖通空调系统耗能的增加等。建筑设计的旧有体系缺少一条社区全过程节能设计生态链。

此外，在 “去房地产化” 的宏观经济政策下，国内一些城市如杭州提出了 “双限” （限房价限地价）策略，无条件应用先进而昂贵的低碳型材在现实中难以操作。因此，通过优化设计来改善社区居住环境，实现低碳健康的目标将成为城市建设中的重要课题，以节能社区构造方法的优化来解决建设成本控制，和满足人民日渐提升的美好生活需求之间的矛盾问题。

1 居民热舒适度与社区节能设计耦合关系研究

1.1 居民热舒适度及其评价方法

居民热舒适度是人对周围热环境所做的主观满意度评价，它与社区节能设计的耦合关系在于：热环境设计水平相对先进的社区，居民户外活动时间更长，室内热舒适性更佳，可减少空调运行时间，降低建筑与社区运营综合能耗。

居民热舒适度评价方法普遍参照19世纪60年代丹麦学者Fanger提出的热环境评价PMV－PPD评价指标，即预计平均热感觉指数（PMV）和预计不满意者的百分数（PPD）评价。该指标综合了人体热舒适的4个环境因素和2个个体变量，环境因素主要有相对湿度、温度、空气流速和平均辐射温度，个体变量主要是衣服热阻与人的新陈代谢率。

1.2 影响亚热带地区居民热舒适度的核心设计要素

亚热带的气候特点是冬温夏热，四季分明，降水丰沛，季节分配较均匀。其夏季与热带相似，但冬季明显比热带冷。按照国家室内空气质量标准，夏季室内湿度以40% ～80%为宜，冬季应控制在30%～60%，亚热带非空调环境下平均室内湿度基本符合该标准；平均辐射温度受到建筑围护结构各表面影响，有相应的《居住建筑节能设计标准（DB21／T 2885—2011）》《居住建筑楼板设计保温构造》及《公共建筑节能设计标准（GB 50189—2015）》等相应规范指导，要求建筑设计中必须落实；风速（空气流速）的改变可调节环境温度与体感，高温环境中在人体可接受范围内风速越大则体感越舒适，而国内对社区内风速的设计没有相关规范与可参考的设计准则，即建筑的自然通风与社区通风微环境的塑造应当成为社区节能设计创新中的核心要素。

在风速与热环境关系的理论研究层面，1989年日本学者Tanabe的研究表明，风速在一定程度上可以降低高温环境中人体的热感觉，从而使人觉得舒适。英国科学家MaIntyr研究发现人们在温度升高时，能接受的风速也越大，但是风速过大时，人们则会感受到气流带来的压力，造成体感的不舒适感。在国外热舒适研究理论的基础上，国内学者对通风影响环境舒适度也做了一些研究，如1999年清华大学贾庆贤教授在对自然风与机械风频谱的对比研究中，发现在低频区域自然风的频谱比机械风更为丰富，自然风条件下人体热舒适性更强，热适应性更好。

根据端木琳等［1］对中国各地区不同类型住宅PMV－PPD调查结果，本次研究对亚热带地区夏季、冬季、过渡季的城市住宅热舒适温度范围进行了梳理与对比（表1），可见夏季采用自然通风时，人们的热舒适范围较采用空调时更广，上限温度更高；过渡季自然通风住宅热舒适温度范围明显更宽；冬季城市住宅中，非集中采暖的热舒适下限温度更低［2］。

表1 亚热带地区不同季节城市住宅热舒适度对比

2 亚热带地区社区热环境优化的节能设计生态链构建

2.1 节能设计生态链构建的逻辑体系

世界范围内最具影响力的绿色建筑评级体系LEED中包含9类评价对象，城市与社区为其中之一，即从单体建筑节能评价向更大规模的地区层面延伸，启发了节能社区设计的新思维，即建筑设计对周边环境的综合影响。本次研究从 “规划设计（布局与环境）—建筑设计（结构与材料）—室内设计（装修与设备）” 三个设计环节出发，以PMV－PPD热舒适评价作为亚热带地区社区热环境优化的研究基础，搭建节能社区设计研究体系：将节能社区的设计生态链概括为建筑排布、架空结构、水景植被（蒸发冷却）、户型优化、围护结构与其他辅助设备等5个子系统的设计策略（图1）。

图1 社区热环境优化中的应用示例

2.2 社区热环境优化的设计子系统

2.2.1 建筑排布

市区和建筑群内的风速相对郊区较低，但会在建筑群，特别是高层建筑群产生通风廊道，当风吹至高层建筑的墙面向下偏转时，将水平方向的气流一起在建筑物侧面形成涡旋，在迎风面上形成下行气流，而在被风面上气流上升。街道常成为风漏斗，把靠近两边墙面的风汇集在一起，造成近地面处的高速风，即 “文丘里效应” 。以此指引城市内社区建筑排布形式的调整，来调整优化社区庭院的空气流速（风速）［3］。因此，在建筑排布方面，建议采取行列式的建筑布局，建筑朝向与相应景观（乔木、灌木）依照社区风廊导风方向设计，避免或减少建筑遮挡引起区域风速衰减。

2.2.2 架空结构

当风流过建筑物架空下方，由于架空建筑底部、两侧的结构支柱间和地面共同产生的 “文丘里效应” ，使得通过该区域的风速被局部放大，这对满足亚热带城区的通风要求有积极作用。根据香港理工大学刘建麟等［4］的研究表明，建筑物两侧的局部高风速区随着架空高度的增加呈现高速区域面积缩减趋势，然而在一定设计高度范围内（h／H＝0.06～0.10），仅靠改变建筑架空设计的高度，对建筑物迎风面及建筑物背风面主要区域的风速影响不大；来流风向与建筑间角对架空设计用于改善建筑周围风环境影响显著，间角0°～45°时，行人夏季在架空区域下方感觉舒适，而在90°时却会感觉闷热。即在架空结构方面，建筑裙房设计与导风风向夹角宜小于45°，风向夹角大于45°的建筑裙房建议采用架空层设计，以设计适宜的庭院风速来保障夏季户外人行的舒适体感。

2.2.3 水景植被（蒸发冷却）

水景植被可通过蒸腾作用来降低周围环境的温度。一是绿地的表面温度低于人工铺地的温度，道路的温度明显高于绿地的温度，不同的绿化形式对1.5 m处空气温度改善程度依次是乔木、灌木、草坪；二是绿地率并不是一味地增加，对周围热环境的调节就越好，当绿化率达到40%的时候，是对周围热环境调节的一个极值范围和区域，过该值之后增加的绿化范围对周围热环境的效果大幅度减小［5］；三是透水性地面的设计（海绵社区）便于排出与蒸发部分积水，通过蒸发降温可以改善局部区域的热环境；四是水体对于室外人行高度处空气温度的稳定和调节有着明显的作用，在夏季可以降温增湿，并且水体和水体周围的陆地会形成水陆风，以降低通风的温度，从而达到降低建筑物在夏季空调能耗的目的，水体宜布置在夏季盛行风上风向处［6］。

2.2.4 户型优化

塑造优越的住宅室内通风对流环境，地面、顶棚、内隔墙等呈流线型的分布效果，使暖通空调的利用空气能自然循环流通，减少暖通空调的冷热负荷，降低能耗。此外，根据温湿度控制标准和控制精度、房间朝向、使用时间、洁净度等级等因素划分为不同的空调区域，从而避免过冷过热，减少冷热抵消等现象，避免不必要的能源浪费。户型设计中尽量减少体感不舒适的暖通损耗区域（门厅、狭长的过道空间等），利于暖通设备节能（图2）。

2.2.5 围护结构与其他辅助设备

亚热带地区依赖自然通风环境的塑造来降低夏季热岛效应，降低体感温度与湿度；同时以围护结构与其他辅助设备实现冬季保温。理论上来说，传热系数较大的围护结构对建筑室内热环境的影响波动会比传热系数小的围护结构带来更大影响。建筑设计中对 “窗墙面积比” 的控制，以及节能型材的推广应用，如采用塑钢门窗等新型材料和技术，新型的复合墙体等都能进一步提高建筑节能水平。此外，光伏板、太阳能集热装置等节能辅助设备的安装，有助于提高社区整体节能效能；沿街建筑采用防噪音设计，也可提高居民开窗频率以增加自然通风时间。

3 节能社区设计生态链应用案例和对比

图2 基于节能的户型优化示例

以本技术流程应用项目滨江·江南之星为例，选择与其处于相近区位、总体规模、规划设计条件基本接近的社区丰东花苑为对比，应用热舒适度评价软件 “城适” （Citycomfort＋）评测该节能设计生态链应用对环境光热舒适度的提升效应［3］。

滨江·江南之星项目与丰东花苑均位于杭州萧山区，杭州城市全年2月至11月主导风向为东风，风速平均值为3 m／s（萧山机场风速）。周边环境较为类似，建筑普遍为多层建筑（图3）。采用杭州炎热季节即5月至8月典型环境气温，同期平均风速3 m／s，观测点高度10 m进行测评。

图3 江南之星与丰东花苑的周边环境对比

从两个小区的设计条件来看，江南之星的容积率2.8，大大高于丰东花苑的容积率2.1，然而在场地内平均风速、典型夏季日热气候指数（UTCI）上，江南之星表现均大大优于丰东花苑。见表2。

表2 江南之星与丰东花苑指标测评对比

图4 江南之星与丰东花苑风环境评测对比

从两者的小区模拟风速对比（图4）来看，滨江·江南之星夏季小区内公共空间的风速在2～3 m／s之间，较为均衡，对西侧小区内的风道影响较小；场地平均风速为1.28 m／s。而丰东花苑北侧通风廊到公共空间夏季风速在1.5～2.5 m／s；且小区大部分处于被风区，由于风道不连贯，风速衰减，风速在1.25 m／s以下，场地平均风速为0.86 m／s。

选择气象历史数据中2003年7月5日为代表日进行两个小区的夏季热舒适度分析，该日平均气温为27.90℃（典型夏季周6月29日—7月5日中该日均气温最接近整个夏季平均气温26.92℃），以该日数据作为室外热环境模拟参数。根据热舒适度计算，江南之星场地日间平均热气候指数（UTCI）为34.6℃，较丰东花苑的35.7℃降低1.1℃；江南之星场地12时平均热气候指数（UTCI）为33.4℃，较丰东花苑的34.5℃降低1.1℃。

4 结 语

目前，我国对于绿色建筑及节能社区的研究与实践，仍然集中于建筑单体的节能性能、节能结构与材料的研发应用。本文是对从规划设计首端开始的 “源头节能” “方案节能” 思维的初步探索，还需进一步与国际接轨。并且还要加强新型节能型材应用与本设计系统的融合研究，提出适宜市场推广的新型节能型材应用方案与成本设计，以有助于节能社区理念的持续深化推广。