大型公共建筑门厅空间物理环境研究

2020-05-29何江刘红娟

广西大学学报（自然科学版） 2020年1期

何江刘红娟

(1.华南理工大学建筑学院，广东广州510641； 2.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530003；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁530003；4.华蓝设计(集团)有限公司，广西南宁530011)

0 引言

健康这个话题已经全面影响各行各业，不仅是医疗卫生，建筑业也从绿色建筑向健康建筑迈进。2018年4月在广东省珠海市举办的“国际绿色建筑与建筑节能大会暨新技术与产品博览会”开幕式上，中国城市科学研究会理事长仇保兴[1]以国内外生态城区建设案例为主要内容进行了主题演讲。他提出，健康建筑是绿色建筑发展的高端方向，是生态城区建设的重要组成部分。总结健康建筑的发展，可以发现绿色建筑重在保护环境，而健康建筑是在此基础上围绕建筑中居住、生活、工作、娱乐的人的需求，强调“以人为本”[2]。

从2000年Healthy Buildings国际会议上提出的对健康建筑的定义来看，健康建筑是一种体验建筑室内环境的方式，不仅包括基本的健康建筑环境，即声、光、热、空气品质，还要包括人的心理和社会交往等方面因素[3-4]。截止目前，我国已有20余个健康建筑项目获得标识，大多以住宅类项目为主。但大型公共建筑一般人员密集、人流量大，对健康要求较普通居住类建筑更高，尤其是大型公共建筑的门厅入口处，受室内外环境影响最大，人群来往聚集，对环境的舒适度感知最为直接，因此其健康环境评价尤为重要[5]。有鉴于此，本研究以广西某展览馆为例，在其室内外布置测点进行了相关测试，通过分析测试结果提出适宜的环境改善措施。

1 项目概况

广西壮族自治区首府南宁市处于夏热冬暖气候区， 12月至3月的冬季日平均太阳辐射少，阴天多晴天少，月平均气温在5～10 ℃。5月至9月的夏季月平均气温高于25 ℃，最高平均气温达28 ℃，日平均最高气温为35 ℃左右[6]。本研究对象的某展馆位于南宁市五象新区的核心区域，2011年底竣工，规划用地8.13 hm2，建筑面积4 600 m2，是目前全国同类型展馆中最大的一座。图1是该馆内外的实景照片。展馆分为展示区、公共活动区、技术管理区、附属设施区和主题广场五个部分，其中展示区有三层，共26个展厅。

该展馆是广西较早通过国家绿色建筑二星级设计标识认证的大型公共建筑，采用了许多适宜广西夏热冬暖地区的节能措施：①建筑外墙面采用陶土板为材料，颜色寓意广西红土地之乡，而陶土材料能利用内部孔隙吸收空气中的水分，温度升高水体膨胀，又能将多余水分蒸发板外，形成可呼吸外墙，同时呼吸作用可使外表面达到自洁的效果；②展馆主入口外墙部分采用玻璃—穿孔铝板双层幕墙技术，银灰色具有壮锦图案特点的穿孔铝板与陶土板形成视觉对比，既能避免阳光直射到建筑内部，又能起到很好的装饰效果；③屋顶高低错落的方盒子底部是由一块块有机玻璃板组成，馆内门厅处光线充足正是经过有机玻璃板漫反射后得到。部分采光天窗为设有通风间层的双层玻璃，不仅透光也可减少热量侵入，起到降低空调能耗的作用[7-9]。

(a) 展馆主入口

(b) 入口门厅

2.测试研究

2.1 测试内容

本研究的测试范围主要在展馆入口的两个通高大厅，即入口门厅和贵宾厅。测试内容包括入口门厅风速、门厅自然采光条件下光照度、两个通高大厅的垂直温度分布、各层大厅周边走道温度、室内表面温度以及屋顶气象数据等。通过前期调研发现该馆相对比较独立，平时人流量不大，噪声对其影响不大。而其两个主要的通高门厅上方均设置有玻璃采光顶，入口门厅墙面采用了玻璃—穿孔铝板双层幕墙技术，贵宾厅外墙面采用陶土材料，两处均有外廊，光照条件较好，但周边走道往展厅部分光照条件较差，且楼层越高温度也越高，存在局部热环境不舒适的现象。基于此，有必要以两个通高大厅及周边区域作为主要研究区域，通过实际的风、光、热环境测试，分析其室内环境存在的问题。

2.2测试方法

主要测试项目及主要使用的仪器如表1所示。

表1 主要测试项目及仪器Tab.1 Measurement parameters and instruments

将仪器固定在选定位置每隔10 min自动记录两个通高大厅垂直温度、周围走廊温度以及室外气象数据；人工不定时地拍摄热像图以采集室内表面温度分布；指定路线人工移动测试室内水平面照度。实际测试情况如图2所示。

(a) 屋顶气象数据收集

(b) 二层走廊温度测试

(d) 垂直温度测试

2.3 测试结果

2.3.1 风环境

展馆出入口大门在其开放期间一直处于开放状态，从展馆主要出入口至展厅出入口依次设置了三个测点，比较其温度和风速。从图3可知，将在同一高度上的三个测点进行比较，临近主要出入口位置的值明显高于其余两个位置的值，其温度和风速受室内外环境的双重影响，尤其是室外的风通过开放的大门进入室内大厅，风速基本在0.6～1.2 m/s，而其余两处的风速由于受到外部风影响较小，基本保持在0.1～0.2 m/s上下。靠近展厅位置温度受到展厅内空调送风的影响，展厅内的冷气通过近展厅出入口进入到大厅，因此其温度要明显低于其他两个测点。

(a) 展馆一层平面图

(b) 三个位置温度变化图

2.3.2 光环境

展馆设计借用“盒子”抽象成不同城市建筑的累加，采用屋顶“楼群”底部的有机玻璃漫反射达到室内的手法来实现自然采光的目的。图4(a)左上为展馆整体俯视图，可看到屋顶上大小不一的采光玻璃，较大范围主要集中在入口门厅、贵宾门厅及两边的开敞楼梯间。参照《建筑照明设计标准》GB 50034—2013条文5.5.1，展馆门厅属于高档级，地面照度应在标准值200 lx以上，走廊、流动区域、楼梯间等地面照度应大于100 lx。对比阴天和晴天在入口门厅及周边走道的测试，如图4所示，不难发现入口的两个通高大厅均可达到标准值，不需要开启门厅四周的辅助照明系统。而周边走道在晴天时基本能满足采光要求，但在阴天时部分区域需要辅助照明。

(a) 展馆顶层示意图

(b) 测试范围示意

(d) 阴天测试结果

图4 展馆一层大厅光照分布图
Fig.4 The illumination distribtion in the hall on the first floor of the pavilion

2.3.3 热环境

经测试，两个通高大厅，即入口门厅及贵宾厅的空气温度相近，温度随高度增加而上升，并且测点越高，其温度上升就越快。最高测点高为13 m。如图5(a)所示，贵宾厅最高测点的气温在后三天的12∶00～16∶00时间段内均比入口门厅最高测点温度高，而在其余时段温度与入口门厅相近或低于入口门厅。

图5(b)是两个对比图，即阳光直射室内的两个采光顶——贵宾厅及入口门厅顶部的室内热像图对比。这两个空间是展馆内受太阳辐射影响最大的区域。分析两个顶部采光玻璃，可知贵宾厅采光玻璃的透射率远远大于入口门厅采光玻璃，当室外太阳辐射量较大时，太阳辐射直接透过玻璃进入贵宾厅，使其内温度急剧上升，在测试日中午13∶40～13∶50贵宾厅与入口门厅顶部的表面温度差高达20.8 ℃。

(a)贵宾厅与入口门厅最高测点气温变化及室外水平面太阳辐射瞬时变化

(b) 贵宾厅与入口门厅顶部的中午热像图对比

图6为中午时分展馆各楼层空气温度分布图。将展厅与两个通高大厅进行对比，从图上可明显发现展厅部分整体温度较走廊及大厅低；两个通高大厅的温度随楼层上升而升高；一、二楼走道部分受展厅冷气影响，热环境较为舒适；三楼室内气温均值在29 ℃左右，接近采光玻璃顶的两个通高大厅周围的热环境都较差，尤其是贵宾厅旁为会议室和多功能厅，大门基本关闭，走道区域空气温度均在30 ℃以上。

图6 各楼层空气温度分布Fig.6 Air temperature distribution for each floor

2.4 小结

通过对两个通高大厅风、光、热环境测试，可得到以下结论：

① 入口门厅立面为玻璃—穿孔铝板、屋顶为采光玻璃顶，而且玻璃大门需长期开启，因此受室外环境及室内展厅的影响较大，对外出入口的风速较大，温度也比大厅周边走廊要高很多。贵宾厅主要受到透过采光玻璃顶的太阳辐射影响，造成其室内热环境恶化，加之通风不佳，即使光照条件较好，但是室内气温随高度上升而逐层增加，热环境总体相对较差。

② 一层两个大厅的自然采光都良好，晴天均可通过自然采光达到照明标准值，无需人工照明，阴天入口门厅周边的过道部分需要人工辅助照明才可达到照明标准。二层、三层入口门厅周边靠近展厅的走道空间需人工照明方可达到要求，而贵宾厅周边走道可直接利用采光玻璃顶获得自然采光的效果。

③ 由设置在两个通高大厅的垂直气温测点结果可知，距地面3 m和13 m间温差均在1 ℃左右，其中入口门厅温差变化较贵宾厅的小，平均值差为0.1 ℃；贵宾厅小，但其最高测点气温高于入口门厅，最大温差达到3.1 ℃；根据测试，受太阳直射影响，贵宾厅采光玻璃顶内表面温度远大于入口门厅的，最大表面温度差甚至可达到20.8 ℃。

综上所述，展馆重点区域环境问题矛盾不统一，入口门厅应主要考虑降低展馆主出入口对室内热环境的影响，当进出人群达到一定峰值时可加设门斗，增加过渡的空间，减少室外环境的直接影响；贵宾厅主要问题在于采光玻璃顶满足光照条件的同时室内气温也大幅提升，因此应考虑设置遮阳设施，以减缓太阳辐射对其室内空间的影响。同时两个通高大厅及开敞楼梯间顶部均可考虑设置可开启的出风口，利用热压通风原理进行自然通风，达到节能降温的效果[10-12]。

3 室内环境改善建议

通过上述的测试分析发现该展馆由于在两个通高大厅屋顶和临近的开敞楼梯间均设置了采光玻璃顶，使大厅空间的光照条件都能较好满足采光需求，但因为玻璃的透射率过高，晴天时大量太阳辐射可直接透过采光玻璃进入室内，使大厅周围尤其是三楼上部区域的气温快速上升，从而大大提高了整个场馆的空调制冷能耗。入口门厅的大门由于开馆的需要必须长时间处于开启状态，在南宁这种夏季高温持续较长的地区室外热空气与室内大厅的冷空气在大门处进行热交换，也大幅度增加了室内空调的能耗。因此有必要针对上述区域进行简单易行的改善。

3.1 入口门厅设缓冲

入口门厅上半部分是玻璃—穿孔铝板双层结构，下半部分仅为玻璃结构，受室外气候影响大，因此可在大门处设置温度缓冲空间。一种措施是展馆人流量大、大门必须长时间保持开启的情况下可在展厅内侧加设一层玻璃门，双层玻璃门形成缓冲空间。同时还可在靠大门外侧的门厅上方装配风幕机，通过其产生的高速气流形成室内和室外两个相对独立的温度区域，减少室内冷空气与室外热空气的对流，让室内能保持良好的热舒适性及空气净化的效果，节约用电。

3.2 大厅自然通风

测试发现，入口门厅采用的是下沉式玻璃箱采光顶，下半部分一次成型固定，可改造的余地不大，但其上部和贵宾厅、开敞楼梯间上部的采光玻璃顶均可考虑利用热压通风原理进行被动式降温。贵宾厅上方可直接设置活动式通风口，开敞楼梯间则在其顶层玻璃顶上增设百叶式通风口自然通风。改造手法示意如图7所示，大厅的自然通风可带走夏季室内上层空间的热量，直接改善室内的热环境，降低室内空调能耗。适当提高了室内气流速度，也有利于增加人体舒适感[13-14]。

图7 入口门厅、贵宾厅与开敞楼梯间通风示意图Fig.7 Schematic description for ventilating the entrance hall, VIP hall and open stairwell

3.3 采光玻璃顶降温隔热

展馆两个通高大厅均使用了采光玻璃顶，因为玻璃的透射率过高、隔热性能差，从而影响了室内热环境的舒适性，加大了建筑能耗，因此改造的主要目标是降低玻璃透射率及表面温度。最简单有效的方法是在两个玻璃顶上部加装可调节的遮阳透光拉膜，阻隔阳光直射，从而防止直射阳光透过玻璃导致室内过热。

由于采光玻璃顶位于建筑屋顶上，维护和更换不易，因此考虑采用自洁防污透光隔热玻璃涂料，一是节能降温，二是保证其采光性能，三是提高改造实施的可行性，四是保障后期维修管理与清洁。这种涂料以透明树脂为基础原料，加入了具有隔断热辐射的纳米材料、光触媒及各种助剂。将其涂覆于玻璃顶外表面，能使可见光透过率保证较高，也降低透光材料的热辐射穿透系数。这样就可选择性地透过阳光，最大限度地获得室内采光同时让有用的可见光透过，防止产生热效应的近红外线透过。采用这类涂料可方便用于既有建筑玻璃的改造，还可以利用光催化作用分解附着在物体表面的尘埃等，使其具有自洁防污的功能[15-16]。

通过测试发现，在阳光直射下玻璃采光顶表面温度可快速升高达到60 ℃以上，隔热降温是其改造的主要目的。光伏喷淋降温系统，是在玻璃采光顶的顶部设喷淋水管，喷水在玻璃面层形成水幕，利用水流蒸发降低玻璃顶外表面温度，减少太阳辐射热量进入室内。南宁夏季炎热时长，水本身气化潜热能力也很大，所以只需少量喷淋水就可达到较好的隔热降温效果。展馆屋顶本身已覆盖大面积太阳能光伏板，可同时进行雨水收集，将其作为降温用水，达到节能节水的目的。经测算，如在玻璃采光顶的位置采用这种系统，其表面温度可维持在40 ℃以下，同时其室内空气温度也可降低2～3 ℃，持续降温效果显著[17-20]。

(a) 展馆屋顶太阳能板

(b) 大厅玻璃采光顶

4 结语

本研究主要从大型展馆建筑入口通高大厅空间的物理风环境、光环境以及热环境几方面进行测试和分析。从测试情况看，该建筑两个通高大厅的风、光环境较好，热环境问题较为突出，因此提出的改善措施主要针对其热环境。大型公共建筑入口空间受内外环境影响，一般物理环境情况较为复杂，但作为建筑主要出入通道，既要兼顾建筑形象也要营造良好舒适的第一感受空间。健康建筑不仅是绿色建筑，同时还要在此基础上关注人的感受和交流。由于时间原因，本研究还不够全面，今后研究还需从该建筑的人文、社会等方面进行，完善研究结果，并将成果逐步应用于其他大型公共建筑设计和运营中，希望能对公共健康建筑研究有所助力。

致谢：本研究获得广西规划馆大力支持，特此致谢。