寒冷地区办公建筑顶层房间室内热环境优化策略研究

摘要：实测发现，建筑物各楼层室温差异较大，其中顶层室内热环境最差，基于此，文章利用Design Builder（建筑能耗模拟分析软件）分析研究顶层房间室内热环境与非顶层房间的差异性，提出增设屋顶表面涂料层的策略，并模拟验证该措施对顶层房间热舒适性的改善效果。

关键词：寒冷地区；办公建筑；顶层房间；热环境；热舒适度

中图分类号：TU111.4；TU111.195 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2022）15-0-04

0 引言

随着社会发展速度的日益加快，以及城市人口的快速增长，城市用地越发紧张，传统的办公空间已经不能满足使用者的需求，越来越多的公司逐渐放弃20世纪八九十年代的办公空间模式，选择进入集中商务办公写字楼，这对当代建筑设计师提出了新的要求。一方面，随着工作、生活压力的增大，人们待在办公室的时间日渐增多；另一方面，一个办公建筑内包含若干公司，人员众多，构建舒适的室内办公环境成为当前办公建筑设计必须考虑的问题。文章以济南市某一办公建筑为例，通过实测发现问题、模拟分析问题，探究寒冷地区办公建筑顶层空间室内热环境现状，并提出优化策略。

济南地区属于寒冷地区，冬季寒冷，夏季炎热，该区建筑物必须充分满足冬季防寒、保温、防冻等要求，且夏季可不考虑防热［1］。前期在过渡季节对济南地区建筑顶层与非顶层房间室内温湿度进行实测，发现济南地区建筑顶层房间室内温度高于非顶层房间室内温度。然后使用建筑环境模拟软件Design Builder模拟计算顶层房间与非顶层房间全年建筑制冷采暖能耗，进一步对比分析与模拟结果，并提出具有可行性的优化措施。

1 参数实测

1.1 测试对象

办公空间是人们生活、娱乐、休息的主要场所，人们每天约45%的时间在办公空间中度过，较差的办公环境会影响人们的工作效率，办公空间内的温度和湿度直接关系到人的身心健康。办公建筑不同楼层室内温湿度在体感上存在明显差异，本文针对这一问题进行实测验证分析。测试对象为山东济南某大学建筑艺术馆105、405、605房间，三者朝向均为南，分别位于办公楼的一层、四层及六层（顶层）。

1.2 测试方法

测试参数为温度和相对湿度，测试时间为2021年10月10日—12日，连续三天测量室内温湿度变化，每5分钟记录一次。选择仪器为迷你型温湿度记录仪testo174H：仪器屏幕实时显示当前温湿度测量值，可设定数据存储时间间隔，自动存储数据量可达16 000组。仪器量程-20℃～70℃，精度为0.1℃，0.1%RH。记录以下指标：室内设备运行情况、测量日期和测量起止时间、测量时的高度和测点布置、室内逐时温度和测量结果。

测点布置主要依据：办公房间室内选择的测量点是距离地面600 mm的工作平面，由于办公楼房间小于16㎡，布置1个测量点，另外设置的室外测试点位于济南某高校被动实验楼楼顶［2］。

1.3 测试结果

1.3.1 室内温度分析

从图1的曲线变化情况来看，由于六楼房间人员个人行为因素（在2021年10月12日开启空调），因此数据不可用，所以选择2021年10月10日—10月11日连续两天的室内温度数据作为分析对象。办公楼底层房间的平均室内温度为19.49℃，四层房间平均温度为21.369℃，顶层房间平均温度为23.465℃［3］。办公楼中间层室内温度与底层室内温度相差1.879℃左右，办公楼中间层房间比顶层房间低2.096℃左右，而且办公楼顶层房间室温波动范围大，主要为19℃～24℃，底层室内温度波动范围在17℃～20℃。

1.3.2 室内湿度分析

湿度数据选用2021年10月10日—10月11日连续两天室内湿度数据作为分析对象（见图2）。办公楼底层房间平均湿度为65.927%rH，中间层房间平均湿度为63.073%rH，顶层房间平均湿度为58.689%rH。办公楼底层房间室内平均湿度比四层房间高2.854%rH左右，办公楼中间层房间比顶层房间高4.384%rH左右。同时，办公楼底层房间室内湿度波動范围大，主要为50%～78%rH，顶层房间波动范围在50%～63%rH。分析原因可能是办公楼底层房间室外风速较小，空气流动缓慢。

2 模型建立与模拟计算

2.1 建模与参数设置

2.1.1 建筑模型

本文采用Design Builder模拟建筑顶层房间与非顶层房间全年建筑能耗的影响，构建15 m×30 m的四层办公楼作为模拟对象（见图3）。根据GBT51350-2019《近零能耗建筑技术标准》设定其围护结构气密性、热工性能参数、机组制冷制热效率、制冷制热温度设定值以及人员在室率等［4］。

2.1.2 围护结构热工性能参数设置

建筑围护结构材料包括地面/楼板、屋顶、隔墙、外墙、外窗，选用GBT51350-2019《近零能耗建筑技术标准》附录内的材料［5］，具体参数如表1所示。

2.2 计算模拟

气象参数采用济南典型气象年数据［6］。室内热扰参数设置如下：室内其他得热设定为3.8W/㎡；制冷设置温度为26℃，空调起始温度为37℃，采暖设置温度为20℃，采暖起始温度为5℃；建筑换气次数取取0.6 次/h。照明设备、空调设备、其他设备启停时间如下：工作日7：00—19：00开启，周末全关。

2.3 结果分析

2.3.1 顶层房间模拟结果分析

统计比较1月与8月顶层房间室内温度模拟情况，即最冷月和最热月的模拟结果。最冷月1月的室内温度为11℃，最热月8月的室内温度为37℃。全年制冷能耗为24.8 kw·h/㎡。

2.3.2 顶层房间和非顶层房间比较

统计比较1月和8月各楼层房间室温的逐天变化情况，得出如下结论：夏季，室内温度随楼层的升高逐渐提升为人体较为不舒适的温度，顶层与底层房间温度差约8℃，最热月底层房间最高温度可以达到35℃，顶层房间最高室内温度接近37℃。冬季，室内温度与楼层数呈负相关，温度逐层降低，底层房间室温最高，最低温度达12.8℃，顶层房间室内温度最低，最冷月顶层房间最低温度11.2℃［7］。此外，每层房间的全年制冷能耗随着楼层的增加而增加，顶层房间全年制冷能耗为24.8 kw·h/㎡，一层全年制冷能耗最低为22.4 kw·h/㎡。因此，顶层房间的保温隔热均须引起重视，从而解决顶层房间室内热舒适差于底层及中间层这一问题。对比顶层房间全年室内温度与非顶层房间全年室内温度发现，二者冬夏两季温度差异明显，尤其是夏季，顶层房间室温高于非顶层室温8℃，已超过人体可感知的温度差。

以上数据佐证了顶层空间室内热舒适与非顶层空间的差别比较明显，而如何解决这一问题是之后屋顶设计及外围护结构设计应当考虑的重点问题。在冬夏两季，寒冷地区的办公建筑顶层房间室内温度过低或过高，都会引起空间使用者生理上的不适感，还会对人们的身心健康造成难以估量的影响。在夏季，顶层房间具有与其他楼层空间相同的特性，内部温度高，室内空间形成较强的不对称热辐射场，作为相对热辐射表面的屋顶内表面更容易使人体产生热感不对称［8］。

3 优化策略与模拟验证

3.1 屋顶围护结构节能措施

屋顶负责搭起建筑内部空间与室外热交换的连通桥梁，相比于地板和外墙，屋顶与外界的换热量最大。当夏季太阳辐射高时，顶层屋顶外表面温度最高约70℃。顶层房间屋顶外表面温度与室温的差值大时，室外向房间内传递的热量也会相应变高。一般来看，顶层的房间室温比非顶层房间室温高4℃左右。由此可以看出，屋顶热工性能的改善可以在一定程度上增强建筑散热的能力，从而减少夏季顶层房间热负荷，进一步为降低建筑能耗作出贡献［9-13］。

太阳能是房间冷热负荷的主要来源，得热量最大的建筑外围护构件非屋顶莫属。夏季白天，屋顶吸收太阳辐射，外表面温度会随着接收太阳辐射量的增大而升高，使得屋顶外表面与屋顶内侧呈现温差，进而导致建筑顶层空间热量增大，同时通过建筑外表面与房间内周围空气之间的对流换热提高室内温度。发生这个过程时，屋面仍然继续上述传递热量步骤。除了改变屋顶构造结构之外，在屋顶表面采取节能措施还有很多方式，绝大部分屋面采用冷屋面的处理措施，如种植屋顶、屋顶增设空气间层等［14］。

3.2 优化模拟分析

3.2.1 屋顶表面材料性能对建筑能耗的影响

夏天，由于屋顶会将大量太阳辐射转化为热量传到室内，顶层房间建筑能耗过大。在顶层房间屋顶外表面增设高反射涂料层，可以减少顶层房间屋顶外表面对太阳辐射的接收，进而起到降低室温的效果。基于以上分析，增设的涂料层所用材料只有拥有高反射率，同时具备高发射率，才能起到尽快散热的效果，降低顶层房间屋顶外表面温度。

本文屋顶表面材料的选取立足于从源头上减少室内外热量的传递，提高屋顶对太阳辐射的反射能力，进而通过材料所具有的高反射率减少顶层空间对热量的获取。同时，材料的高发射率可以减缓热量的吸收，辅助减少了传热。较低的屋顶温度导致房屋环境空气温度之间的热交换减少，从而使屋顶周围的空气温度降低，这有助于改善建筑物周围的小气候。较低的屋顶温度还可以延缓屋顶的老化，延长屋顶的使用寿命。此外，这一措施的广泛采用可以缓解单一建筑的室内热舒适问题，大规模采用该措施的建筑片区，周边的微气候会得到明显改善。

3.2.2 屋顶表面不同性能材料顶层房间能耗分析

基本参数维持不变，只改变屋顶表面材料的热辐射吸收率。为了更直观地体现单一变量对全年建筑能耗的影响，模型中屋顶构造的参数只改变了屋顶表面材料的热辐射吸收率。改变屋顶表面材料前，8月顶层房间室内最高温度达到37.2℃，1月顶层房间室内最低温度达到11℃；改变屋顶表面材料后，8月顶层房间室内温度最高达到36.5℃，1月顶层房间最低温度达到10.76℃。此外，屋面材料改变后的全年制冷能耗24.4 kw·h/㎡，比改变前降低0.4 kw·h/㎡。屋顶表面材料改变前后对比顶层房间室内温度发现，最热月室内温度降低1℃～2℃，最冷月室内温度提高1℃，存在较为明显的改善作用。

4 结语

软件模拟结果与实测结果相符：顶层房间室内热环境比非顶层房间室内热环境差，顶层和非顶层房间温度和湿度差异明显。这是因为顶层房间相比非顶层房间外界热交换比较多，白天屋顶受到更多的太阳辐射。所以，在寒冷地区的绿色建筑设计中，有必要针对屋顶保温隔热问题单独提出一套措施，以减小顶层房间冬夏两季室内热舒适性差的问题。文中也提到了相应的节能措施，如打造冷屋面包括蓄水屋面、种植屋面及浅色屋面等。

除此之外，针对顶层房间室内热环境差这一问题，本文还从屋面表面材料的改变角度提出了新措施，即改变屋顶表面材料对热辐射的吸收率，从而改变顶层房间室内热环境。文章针对这一优化措施进行了模拟运算分析，在模拟过程中控制屋面其他结构不变，改变屋顶表面材料并进行对比分析，得出屋顶表面材料对顶层房间室内热环境起到了改善作用，其中夏季改善效果较冬季改善效果明显的结论。这为今后进行绿色、低碳、节能建筑的设计提供了参考，屋顶外表面增设涂料层既可以减少夏季屋顶向室内传递过多的热量，起到节能减排的作用，又可以与建筑外表面设计在材质、色彩、形态等方面结合，形成更具特色的建筑第五立面形式。

參考文献：

［1］ 冯玉茹.浅析我国北方寒冷地区居住区设计［J］.黑龙江科技信息，2011（20）：236，183.

［2］ 田靖，刘少亮，毛宏智，等.超低能耗居住建筑卧室室内环境模拟研究［J］.建筑技术，2021，52（4）：425-428.

［3］ 秦力，赵娜，孙东风.严寒地区居住建筑采暖能耗实测结果分析［J］.东北电力大学学报，2016，36（1）：36-40.

［4］ 赵善国.冷表面屋顶在中国不同气候区域下的建筑节能特性研究［D］.南京：东南大学，2018.

［5］ 翟东玮.郑州地区办公建筑采光顶热工性能与能耗研究［D］.郑州：郑州大学，2020.

［6］ 李晓虹，苏华.成都地区既有居住建筑顶层端头房间室内热环境研究与改善［J］.建筑技术，2011，42（3）：250-252.

［7］ 刘炳智.西安市商业综合体室内热环境研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2014.

［8］ 钟珂，王景云，刘加平.自然通风顶层房间夏季室内热环境特征［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版），1993（A03）：81-85.

［9］ 梁传志.夏热冬暖地区办公建筑能耗特性研究［D］.天津：天津大学，2011.

［10］ 乔慧，庞菲菲.西安某高校学生公寓冬季室内热环境实测分析［J］.山西建筑，2007（30）：198-200.

［11］ 李百战，刘晶，姚润明.重庆地区冬季教室热环境调查分析［J］.暖通空调，2007（5）：115-117.

［12］ 文学军.肌体热感觉预测及在环境工程中应用的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨建筑大学，2000.

［13］ 何文芳，陈玉洁，王登甲，等.寒冷地区既有居住建筑室内热舒适分级研究：以西安为例［J］.建筑科学，2019，35（10）：61-65，117.

［14］ 杨茜.寒冷地区室内热舒适研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2010.

作者简介：杨雪娴（1996—），女，山东济宁人，硕士在读，研究方向：生态城镇与绿色建筑发展。