都市郊区多层住宅热环境评价与可视化分析——以上海安亭新镇兴苑某宅为例

■ 周伊利 ZHOU Yili 李 琪 LI Qi 宋德萱 SONG Dexuan 余翔宇 YU Xiangyu

在人居环境绿色发展和实现“双碳”目标的背景下，居住环境面临着提升舒适度和节能减排等双重任务。我国住宅建筑运行能耗达到建筑总能耗的48%[1]。工作之余人们约有70%～90%的时间在住宅室内度过[2]，室内物理环境的优劣将直接影响到生活舒适性。住宅物理环境主要涉及声、光、热、风及空气质量等方面，热环境与建筑能耗、碳排放相关程度最为密切，直接关系到建筑能耗和住宅节能效果[3]。多层住宅是我国城镇中常见的住宅类型，量大面广，总体上多层住宅占比达到43%，在上海地区则达到49%[4]。目前，上海五大新城建设中对高品质住居存在重大需求，亟需汲取经验、规避教训；广大县城的绿色低碳发展，将以多层住宅为主，亟需加强这类住宅环境品质的研究，对于提升城镇人居发展质量也有较大意义。

1 相关研究

温湿度是室内热舒适性最直接的反映[5]，通过室内外温湿度参数的评测，可以揭示多层住宅热环境时空特征，可为优化多层住宅设计、降低建筑能耗、提升空间环境舒适性提供依据，有助于多层住宅节能潜力的挖掘。关于住宅室内热环境、热舒适性等方面已有较多研究，对住宅设计起到一定的指引作用。曹彬[6]等通过实测和问卷调查，总结了北京、上海两地住宅室内热环境特征与居民实际感受，提出热环境设计需考虑不同地区居民温度适应性的差异；夏博[7]等通过现场测试，分析了上海高层住宅冬季室内热环境特点，得出不同楼层存在一定差异、整体热环境较为恶劣的结论；陈岩[8]对北方某多层住宅进行冬季室内热环境测量，分析不同功能空间的温湿度变化，提出改善热环境的建议；周忍[9]对夏热冬冷地区夏季多层住宅室内自然通风、温湿度变化情况进行实测，发现室内总体热湿环境不佳，住宅对室外气候抵御能力差，户型设计、窗口朝向对室内热环境有显著影响；尹东衡[10]对比分析了湖南地区多层住宅不同套型夏季室内热环境特征，对风速、温湿度进行测量，找出建筑进风口与夏季主导风向的最优夹角；袁炯炯[11]通过实测，得出厦门地区混合结构住宅室内温度比传统木结构住宅室内温度高、建筑材料对室内舒适性影响较大的结论。

综上所述，现有研究对住宅室内热环境的测量集中在冬夏两季，重点关注冷热季的性能表现，对过渡季节的热环境及热舒适性研究较少。事实上，过渡季节是一年中建筑环境自然调节最集中的时段，是利用自然通风频率最高的季节[12]。研究过渡季节室内空间热环境调控，对于节能减排也具有较大意义。以往建筑空间热环境实测研究中存在布点密度低、表达不直观等不足，难以呈现热环境时空分布特征。本研究采用了较高密度的测点布置，借助差值运算软件，根据连续实测数据，对室内热环境进行可视化分析，试图揭示过渡季节多层住宅的热环境特征及其影响要素。

2 研究对象和方法

2.1 研究对象

安亭新镇地处中心城区以西的郊区，是上海市在“十五”（2001—2005）期间“一城九镇”体系中九个新镇之一，新镇占地15 km2，建筑面积500 万m2，水面171.6 万m2，定位为国际汽车城的核心居住区，综合容积率仅0.59，有800 余户（图1～3）。安亭新镇以德式风貌小镇为模板，围合式住宅、多样户型等构成安亭新镇的名片，安亭新镇在住区规划、节能型住宅等方面有一定突破[13]。

图1 安亭新镇区位图

研究选择安亭新镇兴苑组团的典型居室作为实测场地，三室两厅两卫，南北朝向，建筑面积约为148 m2。居室平面方正，与建筑规整造型相符。南北向都有阳台，均加装外窗和纱窗。该居室的外窗都采用内平开内倒式，全部采用双层中空玻璃。

2.2 实验方案

实验期间，居室处于空关状态，北阳台的推拉窗打开、纱窗关闭，其余房间外窗都保持内倒状态，角度约10°；内门都全部敞开，空间连通成整体；南向阳台的内外门窗都关闭，形成相对独立的空间。根据室内空间及日常使用场景，实验共布置了34 个测点（图4～5），包括南阳台、北阳台窗外的2 个参照测点。仪器放置高度以住宅日常使用的高度为参考，距楼面0.5～0.8 m。实测仪器为HOBO UX100-003 温湿度自计仪（表1），记录间隔为5 min。实测 时 间 从2021 年4 月8 日18:00 至2021 年4 月11 日06:00，天气分别为晴、多云、多云、阴。

表1 实测仪器HOBO UX100-003 的参数

图2 兴苑组团方位图

图3 兴苑组团鸟瞰图

图4 实测居室及测点布置图

2.3 研究方法

2.3.1 数理统计分析——测点纵向变化

读取仪器记录的温湿度数据，统计分析平均值、极值及波幅；绘制出各测点温湿度折线图，以分析室内外温湿度随时间的纵向变化趋势；对比室内空间与相邻侧室外测点的温湿度数据，分析峰谷值的高低、出现时间及存在的时滞情况。

图5 居室空间

2.3.2 温湿度可视化分析——平面横向比较

为探究室内热环境的空间分布情况，借助Surfer 16 软件对温湿度数据进行可视化处理。气象学中常用每日4个定时（02:00、08:00、14:00、20:00）温度的平均值作为每日平均温度[14]，研究选择4 月9 日相应时刻的温湿度数据作为样本，借助反距加权插值法对温湿数据进行插值运算[15]，生成温湿度等值线，并绘制室内外温湿度图谱。

3 数据统计分析

3.1 参照点

据实测（表2、图6），室外温湿度呈现明显的峰谷周期性变化。南阳台外侧的参照点1 平均温度为15.61 ℃，温度最大值和最小值分别为27.43 ℃和7.22 ℃，波幅达20.21℃；北阳台外侧参照点2 的平均温度为14.72℃，温度最大值和最小值分别为20.67℃和8.79℃，波幅为11.88℃。相比之下，参照点1 平均温度高出参照点2 0.89℃，温度波幅也高8.33℃。从相对湿度数据看，室外两个参照点相对湿度平均值都在60%左右，但南侧参照点1 波幅范围更大，达到73.25%。两个室外参照点温度谷值同步出现，在清晨6:00前后。参照点1 峰值出现于13:00 前后，而参照点2 峰值出现于14:00，前后相差约1.0 h。其主要原因是南侧受太阳辐射影响，得热多，升温较快，而北侧处于阴影之中，得热少，升温较慢。

表2 参照点温湿度统计表

图6 参照点温湿度变化图

3.2 客厅和餐厅

客厅和餐厅是居室的公共部分，使用率较高。据实测（表3），客厅、餐厅各点平均温度分别为18.61℃、18.51 ℃，相对湿度平均值分别为44.98%、44.55%，温湿度波动范围都较为接近；除个别测点之外，温度波动幅度都在1.0℃左右。从时间分布来看（图7～8），客厅和餐厅的温度谷值出现在清晨6:15 左右，略滞后于南向室外；而温度峰值出现于14:30左右，滞后约1.50 h。客厅2 测点和餐厅3 测点由于距离外窗和封闭阳台较近，白天辐射得热较多，温度出现极大值；在夜间，这两测点空气温度下降幅度稍大，日夜温差2.0℃左右。

表3 客餐厅温湿度数据统计表

图7 客厅温湿度变化折线图

图8 餐厅温湿度变化折线图

3.3 卧室

卧室是居室中的主要休息空间，对温湿度要求较高。据实测（表4），主卧平均温度为18.58℃、两次卧平均温度均为18.00℃；主卧平均温度波幅为1.80℃，东、西次卧分别为1.57℃、1.49℃；主卧相对湿度平均值44.44%，波幅为35.21%，而次卧1 和次卧2 分别为47.35%、45.98%，波幅分别为35.92%、36.51%，都略高于主卧室。主卧2 测点由于靠近南窗，白天时段出现温度极大值，波幅也是最大，为3.24℃。次卧1-1 和次卧2-1 测点靠近北侧内平开内倒窗，在清晨出现温度极小值，波幅略超过2.0℃。

表4 卧室温湿度数据统计表

从时间分布来（图9～10），主卧各测点温度的谷值出现在清晨6:30 左右，滞后于南侧室外温度谷值约0.5 h，室内外最大温差超过10.0℃；主卧各测点温度峰值则出现在14:00 前后，滞后南侧室外温度峰值约1.0 h，室内外最大温差达7.0℃。临近窗口的主卧2 测点温度谷值较低，且提前0.5 h，峰值较高，出现时间提前1.0 h。次卧实测数据表明，次卧1-1 和次卧2-1 测点出现温度谷值的时间最早，与室外谷值时间较为接近；次卧1-2 和次卧2-2测点出现温度谷值的时间稍晚，时滞约0.5 h；而次卧1-3 和次卧2-3 测点的温度谷值则明显偏晚，出现在上午8:00 左右。

图9 主卧温湿度变化折线图

图10 次卧1、次卧2 温湿度变化折线图

3.4 阳台

阳台是处于室内外的过渡空间，对室内空间具有热缓冲作用。据实测（表5），北阳台两测点的温湿度数据较为接近，而南阳台温度在各时刻都明显高于北阳台，相对湿度均低于北阳台。南阳台温度平均值达到20.57℃，比北阳台高出4.85℃，温差在1.74～12.06℃之间，正午前后的峰值区温差较大。南阳台温度波幅达到17.85℃，比北阳台高7.47℃。南、北阳台的相对湿度变化与室外基本同步，南阳台相对湿度平均值为42.25%，比北阳台低10.40%。

表5 南、北阳台温湿度数据统计表

南阳台温度谷值出现在6:00 左右，与室外气温谷值出现时间接近；温度峰值出现在15:00 前后，晚于南侧室外约2.0 h（图11）。北阳台温度谷值出现时间也在6:00 左右，而温度峰值出现在14:30，晚于北侧室外约0.5 h。

图11 南、北阳台温湿度变化折线图

南阳台温度一直高于南向室外温度，午后14:00 到次日清晨6:00 是温差较大时段，波动范围为4.09～8.31℃；从清晨6:00 至当天午后14:00 则是温差较小时段，波动范围为0.47～4.49 ℃。14:00 之后，温度继续攀升直至15:00 前后达到峰值，主要原因是封闭的南阳台和室外峰值之间存在2.0 h 的时滞，在14:00 之后继续吸收西向太阳辐射热量。在白天，北阳台与北侧室外温差微小；在夜间，北阳台温度比室外高1.03～1.80℃。

3.5 厨卫

厨房和卫生间属于居室内的服务空间，也是住宅环境品质的重要组成部分。据实测（表6、图12、13），厨房的平均温度为17.73℃，最大波幅为1.40℃；客卫的平均温度为17.99℃，3 个测点最大波幅超过2.0℃。主卫的空间位置比较特殊，温湿度受室外影响较少，3 个测点温湿度数据及波动幅度都是十分接近，温度平均值为18.29℃，比厨房、客卫平均温度分别高0.56℃、0.30℃，平均波幅低0.49℃、0.54℃，表明主卫具有更高的热稳定性。

图12 厨房和客卫温湿度变化图

表6 厨卫温湿度数据统计表

3.6 室内热环境评价

图13 主卫温湿度变化图

根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》，夏热冬冷地区住宅室内，采用非人工冷热源时，舒适温度范围为18～28℃、相对湿度舒适范围为40%～70%[16]。南向的客厅、餐厅和主卧室基本处于舒适温度和湿度的范围，北向的次卧大部分时间略低于18.0℃，人体感觉稍凉。在白天时段，主卧室、次卧室空气相对湿度日间差异较大。厨房温度则大部分时间略低于热舒适范围，若是加入日常烹饪产热因素，厨房的热舒适度会有较明显提升。主卫基本处于热舒适范围内；客卫除靠近外窗的淋浴间温度过低外，其余盥洗、如厕空间也都基本处于舒适范围内。对照相邻的室外空间参照点，室内各空间的空气温度存在不同程度的时滞现象，反映出室内局部空间受室外温度影响的波动差异（表7）。

表7 居室空间温度时滞列表

4 数据可视化分析

研究选取典型日代表时刻的温湿度数据，借助Surfer 软件插值拟合生成4 个不同时刻的温湿度图谱（图14～17），可以直观呈现居室测试高度平面的温湿度全貌，弥补单点数据分析的抽象性。

图14 4 月9 日2:00 的温湿度图谱

4.1 温湿度时空分异特征

4.1.1 昼夜热环境总体差异不显著

在过渡季节，以开启外窗形式实况模拟居室自然通风条件，实测数据表明：居室空间在白天时段受太阳辐射获得热量，大部分空间的平均温度都超过18.0℃，相对湿度也处于舒适的范围；在夜间，居室内温度仅略有下降，大部分空间的平均温度也都在17.5℃以上，相对湿度平均值在40%～60%之间。总体来看，实测居室昼夜热环境变化不显著，主要原因可能有3 方面：①室外温度谷值较高，南侧室外超过15℃、北侧室外超过10℃，居室夜间时段散热有限；②内平开内倒窗开启角度较小，将室外气流引向天花板，限制了室内外空气对流，降低了室内外热量交换程度；③300 mm 厚的外墙具有较好保温作用，在一定程度上减缓了室内温度的波动。

4.1.2 室内温度南高北低分异现象明显

居室空间由南至北可分为4 个梯度：南阳台、客餐厅与主卧、厨卫与次卧、北阳台，其日平均温度分别为20.57℃、18.56℃、18.01℃、15.72℃。居室南北朝向，空间得热主要来自于白天太阳辐射，南侧房间得热较多，表现为温度较高。室内空间以过道为界，温度呈现南高北低的分异现象。南北区域温差在夜间时段较小、在白天时段较大。

4.2 南北阳台气候缓冲作用

4.2.1 封闭南阳台易产生温室效应

南阳台是平均温度最高的空间，说明透明材料围合的阳台空间具有良好的集热性能，而且集聚热量流失比较缓慢，产生类似温室的热力效应。在白天温度较高的时段，南阳台集热较多、温度高，还对室内形成逆向热辐射。餐厅临近阳台的测点温度较高也正验证了这一点。封闭南阳台尽管很大程度隔离了阳光对室内的直接辐射，但由于其良好的集热性能，在白天成为比较稳定的热源，使室内空间间接得热。

4.2.2 北阳台热缓冲作用

北侧室外、北阳台、次卧平均温度分别为14.72 ℃、15.73 ℃、17.96℃，相对湿度分别为60.83%、52.66%、45.98%，形成明显的温湿度梯度。同处北侧的房间，厨房缺乏北侧阳台的缓冲作用，其测点温度比客卫、次卧1、次卧2 分别低0.33℃、0.25℃、0.18℃，说明由于北阳台的存在，即使在自然通风条件下，北阳台对室内空间仍然具有热缓冲的作用。

图15 4 月9 日8:00 的温湿度图谱

图16 4 月9 日14:00 的温湿度图谱

图17 4 月9 日20:00 的温湿度图谱

4.3 空间位置对温湿度波动影响

根据拟合生成的图谱，实测居室的南北朝向房间因得热情况存在较大差异，呈现出空气温度及波幅的不同。除南北阳台外，居室内部大部分测点的温差在2.50℃以下，相对湿度波幅在35%左右（图18）。温度数据分异表明，进深位置越浅，夜间下降幅度越大，进深位置较深的测点则受建筑内部的逆辐射，可以部分抵消室外夜间降温影响，温度下降幅度较小。

图18 各测点的温湿度波幅（由南至北排列）

测点空间位置越接近住宅外部开口，其温湿度波动越大；反之波动则越小，意味着热环境越稳定。当进深位置达到一定数值后，温湿度渐趋稳定，形成居室的“热稳定区域”。一般来说，建筑应对外部气候中变化要素的性能越强，热稳定区域占比就越大，越容易塑造舒适的热环境。

5 讨论

5.1 过渡季节室内热环境的影响因素

过渡季室内通常处于自然通风的工况，合适的朝向能够为室内争取到最大限度的自然通风。室内空间进深过大会导致背阴处难以达到合适的温度。足够的立面开口面积能保证室内获得所需的风速与通风量，同时，建筑内墙布置、门洞位置等也影响通风路径。廊、阳台、楼梯间等空间形成合适的缓冲纵深，可减弱室外环境变化的影响。保温性能较好的围护结构也有助于保持室内温湿度的稳定、减少日夜温差。

5.2 过渡季节自然调控的节能潜力

在过渡季节，室外气候比较适宜，室内热环境宜采用自然调节的方式，在温湿度动态变化中保证一定的热舒适范围，可减少热环境调控用能的时间和总量，具有节能潜力。常见策略是，通过改变围护结构开口状态来调节室内通风、得热等情况，获得适宜的热环境，这就需要开口具有较强的应变性能。为应对过渡季天气多变的特点并适应冬夏两季气候，住宅南立面设计应考虑适当的活动遮阳、导风板、太阳能利用等构件，加强对住宅南侧室内空间热环境的调控作用。

5.3 气候缓冲空间的设计应对

夏热冬冷地区，过渡季室外温湿度日变化较大，昼夜温差较大，外廊或阳台等气候缓冲空间对维持室内物理环境稳定性起到积极作用。阳台的缓冲作用及范围取决于面宽、进深及围合状况。南向空间温湿度波动较大，设置阳台应方便通风与遮阳的调节，以满足冬季作为阳光间、夏季遮阳散热、过渡季引导通风等多重应变需求；北阳台有助于北侧房间抵御冬季寒冷气候的不利影响。

6 结语

进入21 世纪以来，上海市积极探索新型的住区形态，以适应多样的居住需求，“十五”期间，在郊区规划建设的九个新镇就是典型代表。通过国外优秀案例的借鉴，这些郊区新镇各具特色，然而，缺乏建成后居住空间品质的实证评估，主观阐述方式难以科学呈现这类新型居住类型的适应性。本文以上海安亭新镇多层住宅为例，采用较高密度的布点，收集过渡季节的热环境数据，进行数理统计分析和可视化分析，科学呈现多层住宅室内热环境特征。在过渡季节，郊区室外日夜气温变化幅度较大。在自然通风条件下，除南北阳台外，居室内部主要空间的温湿度平均值和波幅总体处于人体相对舒适状态。这也就意味着过渡季节具有较大的节能潜力。室内空间温湿度呈现明显的南北分区，主要是由太阳辐射不均、内部空气对流不足、内部墙体阻碍等原因导致。室内各空间温湿度波幅存在较大差异，居室南侧空间相对来说更容易受到外部环境变化的影响。在室外热环境发生变化并向室内传递过程中，阳台起到减缓波动幅度、迟滞峰谷值、维持室内热稳定等作用。内倒式门窗将室外来风斜上引导，室内空气也难以顺畅流到室外，对室内自然通风有一定的抑制作用。本文关于过渡季节的实测与分析，为后续冬夏两季的深入研究奠定基础，也验证了可视化方法的可行性，可科学呈现建筑空间在不同季节的环境性能，为后续的住宅设计提供理论依据。

（致谢：感谢上海境冶建筑设计事务所的施旭艳女士为实验提供交通支持、场地便利及户型图等资料。）