寒冷地區辦公建筑頂層房間室內熱環境優化策略研究

摘要：實測發現，建筑物各樓層室溫差異較大，其中頂層室內熱環境最差，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熱環境與非頂層房間的差異性，提出增設屋頂表面涂料層的策略，并模擬驗證該措施對頂層房間熱舒適性的改善效果。

關鍵詞：寒冷地區；辦公建筑；頂層房間；熱環境；熱舒適度

中圖分類號：TU111.4；TU111.195 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2022）15-0-04

0 引言

隨著社會發展速度的日益加快，以及城市人口的快速增長，城市用地越發緊張，傳統的辦公空間已經不能滿足使用者的需求，越來越多的公司逐漸放棄20世紀八九十年代的辦公空間模式，選擇進入集中商務辦公寫字樓，這對當代建筑設計師提出了新的要求。一方面，隨著工作、生活壓力的增大，人們待在辦公室的時間日漸增多；另一方面，一個辦公建筑內包含若干公司，人員眾多，構建舒適的室內辦公環境成為當前辦公建筑設計必須考慮的問題。文章以濟南市某一辦公建筑為例，通過實測發現問題、模擬分析問題，探究寒冷地區辦公建筑頂層空間室內熱環境現狀，并提出優化策略。

濟南地區屬于寒冷地區，冬季寒冷，夏季炎熱，該區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］。前期在過渡季節對濟南地區建筑頂層與非頂層房間室內溫濕度進行實測，發現濟南地區建筑頂層房間室內溫度高于非頂層房間室內溫度。然后使用建筑環境模擬軟件Design Builder模擬計算頂層房間與非頂層房間全年建筑制冷采暖能耗，進一步對比分析與模擬結果，并提出具有可行性的優化措施。

1 參數實測

1.1 測試對象

辦公空間是人們生活、娛樂、休息的主要場所，人們每天約45%的時間在辦公空間中度過，較差的辦公環境會影響人們的工作效率，辦公空間內的溫度和濕度直接關系到人的身心健康。辦公建筑不同樓層室內溫濕度在體感上存在明顯差異，本文針對這一問題進行實測驗證分析。測試對象為山東濟南某大學建筑藝術館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 測試方法

測試參數為溫度和相對濕度，測試時間為2021年10月10日—12日，連續三天測量室內溫濕度變化，每5分鐘記錄一次。選擇儀器為迷你型溫濕度記錄儀testo174H：儀器屏幕實時顯示當前溫濕度測量值，可設定數據存儲時間間隔，自動存儲數據量可達16 000組。儀器量程-20℃～70℃，精度為0.1℃，0.1%RH。記錄以下指標：室內設備運行情況、測量日期和測量起止時間、測量時的高度和測點布置、室內逐時溫度和測量結果。

測點布置主要依據：辦公房間室內選擇的測量點是距離地面600 mm的工作平面，由于辦公樓房間小于16㎡，布置1個測量點，另外設置的室外測試點位于濟南某高校被動實驗樓樓頂［2］。

1.3 測試結果

1.3.1 室內溫度分析

從圖1的曲線變化情況來看，由于六樓房間人員個人行為因素（在2021年10月12日開啟空調），因此數據不可用，所以選擇2021年10月10日—10月11日連續兩天的室內溫度數據作為分析對象。辦公樓底層房間的平均室內溫度為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］。辦公樓中間層室內溫度與底層室內溫度相差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范圍大，主要為19℃～24℃，底層室內溫度波動范圍在17℃～20℃。

1.3.2 室內濕度分析

濕度數據選用2021年10月10日—10月11日連續兩天室內濕度數據作為分析對象（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，辦公樓底層房間室內濕度波動范圍大，主要為50%～78%rH，頂層房間波動范圍在50%～63%rH。分析原因可能是辦公樓底層房間室外風速較小，空氣流動緩慢。

2 模型建立與模擬計算

2.1 建模與參數設置

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，構建15 m×30 m的四層辦公樓作為模擬對象（見圖3）。根據GBT51350-2019《近零能耗建筑技術標準》設定其圍護結構氣密性、熱工性能參數、機組制冷制熱效率、制冷制熱溫度設定值以及人員在室率等［4］。

2.1.2 圍護結構熱工性能參數設置

建筑圍護結構材料包括地面/樓板、屋頂、隔墻、外墻、外窗，選用GBT51350-2019《近零能耗建筑技術標準》附錄內的材料［5］，具體參數如表1所示。

2.2 計算模擬

氣象參數采用濟南典型氣象年數據［6］。室內熱擾參數設置如下：室內其他得熱設定為3.8W/㎡；制冷設置溫度為26℃，空調起始溫度為37℃，采暖設置溫度為20℃，采暖起始溫度為5℃；建筑換氣次數取取0.6 次/h。照明設備、空調設備、其他設備啟停時間如下：工作日7：00—19：00開啟，周末全關。

2.3 結果分析

2.3.1 頂層房間模擬結果分析

統計比較1月與8月頂層房間室內溫度模擬情況，即最冷月和最熱月的模擬結果。最冷月1月的室內溫度為11℃，最熱月8月的室內溫度為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

統計比較1月和8月各樓層房間室溫的逐天變化情況，得出如下結論：夏季，室內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到35℃，頂層房間最高室內溫度接近37℃。冬季，室內溫度與樓層數呈負相關，溫度逐層降低，底層房間室溫最高，最低溫度達12.8℃，頂層房間室內溫度最低，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熱舒適差于底層及中間層這一問題。對比頂層房間全年室內溫度與非頂層房間全年室內溫度發現，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。

以上數據佐證了頂層空間室內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計及外圍護結構設計應當考慮的重點問題。在冬夏兩季，寒冷地區的辦公建筑頂層房間室內溫度過低或過高，都會引起空間使用者生理上的不適感，還會對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，內部溫度高，室內空間形成較強的不對稱熱輻射場，作為相對熱輻射表面的屋頂內表面更容易使人體產生熱感不對稱［8］。

3 優化策略與模擬驗證

3.1 屋頂圍護結構節能措施

屋頂負責搭起建筑內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。當夏季太陽輻射高時，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，室外向房間內傳遞的熱量也會相應變高。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建筑散熱的能力，從而減少夏季頂層房間熱負荷，進一步為降低建筑能耗作出貢獻［9-13］。

太陽能是房間冷熱負荷的主要來源，得熱量最大的建筑外圍護構件非屋頂莫屬。夏季白天，屋頂吸收太陽輻射，外表面溫度會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側呈現溫差，進而導致建筑頂層空間熱量增大，同時通過建筑外表面與房間內周圍空氣之間的對流換熱提高室內溫度。發生這個過程時，屋面仍然繼續上述傳遞熱量步驟。除了改變屋頂構造結構之外，在屋頂表面采取節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、屋頂增設空氣間層等［14］。

3.2 優化模擬分析

3.2.1 屋頂表面材料性能對建筑能耗的影響

夏天，由于屋頂會將大量太陽輻射轉化為熱量傳到室內，頂層房間建筑能耗過大。在頂層房間屋頂外表面增設高反射涂料層，可以減少頂層房間屋頂外表面對太陽輻射的接收，進而起到降低室溫的效果。基于以上分析，增設的涂料層所用材料只有擁有高反射率，同時具備高發射率，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外熱量的傳遞，提高屋頂對太陽輻射的反射能力，進而通過材料所具有的高反射率減少頂層空間對熱量的獲取。同時，材料的高發射率可以減緩熱量的吸收，輔助減少了傳熱。較低的屋頂溫度導致房屋環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的老化，延長屋頂的使用壽命。此外，這一措施的廣泛采用可以緩解單一建筑的室內熱舒適問題，大規模采用該措施的建筑片區，周邊的微氣候會得到明顯改善。

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。為了更直觀地體現單一變量對全年建筑能耗的影響，模型中屋頂構造的參數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月頂層房間室內最高溫度達到37.2℃，1月頂層房間室內最低溫度達到11℃；改變屋頂表面材料后，8月頂層房間室內溫度最高達到36.5℃，1月頂層房間最低溫度達到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比頂層房間室內溫度發現，最熱月室內溫度降低1℃～2℃，最冷月室內溫度提高1℃，存在較為明顯的改善作用。

4 結語

軟件模擬結果與實測結果相符：頂層房間室內熱環境比非頂層房間室內熱環境差，頂層和非頂層房間溫度和濕度差異明顯。這是因為頂層房間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，在寒冷地區的綠色建筑設計中，有必要針對屋頂保溫隔熱問題單獨提出一套措施，以減小頂層房間冬夏兩季室內熱舒適性差的問題。文中也提到了相應的節能措施，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，針對頂層房間室內熱環境差這一問題，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熱輻射的吸收率，從而改變頂層房間室內熱環境。文章針對這一優化措施進行了模擬運算分析，在模擬過程中控制屋面其他結構不變，改變屋頂表面材料并進行對比分析，得出屋頂表面材料對頂層房間室內熱環境起到了改善作用，其中夏季改善效果較冬季改善效果明顯的結論。這為今后進行綠色、低碳、節能建筑的設計提供了參考，屋頂外表面增設涂料層既可以減少夏季屋頂向室內傳遞過多的熱量，起到節能減排的作用，又可以與建筑外表面設計在材質、色彩、形態等方面結合，形成更具特色的建筑第五立面形式。

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作者簡介：楊雪嫻（1996—），女，山東濟寧人，碩士在讀，研究方向：生態城鎮與綠色建筑發展。