邹煜凯，郭嘉良，钟正楠
（广州大学建筑与城市规划学院 广州 510006）
根据IPCC（联合国跨政府气候变化委员会）发布的第三工作小组报告《2022气候变化：减缓气候变化》指出，我们仍有机会将全球升温控制在1.5 ℃内［1］，因为全球升温导致更多的极端天气、海平面上升等负面影响，各政府越来越重视温室气体的排放量。由于人们留在住宅内的时间变得越久，住宅的能源消耗也将随之变大。大量研究开始关注居住建筑的室内热舒适与能源消耗之间平衡。
岭南湿热地区全年高温高湿，夏季炎热冬季温暖，长时间高温的气候特点让自然通风的传统民居建筑容易面临室内过热的现象。有研究表明，居住在乡村民居的居民由于经济条件或热行为习惯更愿意选择采用开窗、减少穿衣量等自然通风的方式进行降温，同时岭南传统民居有其独特的气候适应性设计策略［2］，能较好地提高室内居民的热舒适度。但随着全球气候变暖，自然通风的传统民居具有一定室内过热风险。因此通过评估当前气候条件下传统民居的室内热舒适情况，对未来改善传统民居被动式设计策略，降低能耗具有重要的意义。
目前越来越多的研究通过计算模拟的方式去评估居住建筑的室内过热情况，如GUO 等人［3］采用夏季和冬季现场测量的方法以及使用Energy Plus 软件对位于中国夏热冬冷地区新野村的传统民居进行逐年热性能模拟，实测所得数据与模拟数据较接近，证明模拟室内热环境的可靠性，由此可见，Energy Plus 建筑性能模拟可较准确地评估居住建筑的室内过热情况，并具有一定的参考价值。
本次研究目的主要分为3 个方面：⑴在Energy-Plus 模拟引评估岭南传统民居“三间两廊”主要用房的室内过热情况；
⑵通过气象数据输入的对比来验证典型气象年数据对岭南传统民居性能模拟的准确性；
⑶通过国内外两种室内热舒适评价标准对比说明国际标准与国内标准之间的差异。
1.1 研究对象
本次研究以广州市荔湾区聚龙村的“三间两廊式”传统民居为研究对象。建村之初共有民居20 幢，竣工于光绪十五年。村内民居布局基本形式为典型的三间两廊式，砖木结构，外墙为青砖石基墙，硬山顶，碌灰筒瓦。其布局向纵深方向发展，组合成“三上三下”式的楼房。由于民居群布局相似，本研究主要选取其中一幢民居——4 号民居作为研究对象。4 号民居为靠近聚龙古村南侧大门牌坊的第一排民居，面阔约12.5 m，进深约17.8 m，高约7.7 m，占地面积约为222 m2。首层由前厅、后厅以及前后厅两侧房间组成，前后厅之间有天井，第二层则是次卧与书房，如图1所示。因此本次研究通过模拟聚龙村4号民居的主要用房——前厅与后厅，8 间卧室的室内热舒适情况来判断整体民居的气候适应性情况。
图1 聚龙村三间两廊式4号民居实景、平面、立面、剖面Fig.1 Realistic View，Plan，Elevation and Section of the No.4 Dwellings in Julong Village
1.2 基于Grasshooper和Energy Plus的模拟模型建立
本次研究采用参数化建模平台Grasshopper，以及性能模拟引擎Energy Plus 对传统民居的建筑热环境进行模拟分析。其中Energy Plus 建筑能耗模拟是在两个旧有软件BLAST 和DOE-2 的基础上开发的新型建筑能耗模拟软件，兼具两者的优点。所以本次研究主要通过参数化建模平台Grasshopper 建立符合三间两廊空间布局的模型，因为本文旨在针对前后厅以及8间卧室内热环境进行评估，民居的开放式院落，建筑的装饰构件对室内热环境模拟结果并无太大影响，故在建模上作简化处理，如图2所示。
图2 基于Grasshooper平台和EnergyPlus模拟引擎建模的三间两廊空间布局Fig.2 The Spatial Layout of Sanjianlianglang Based on the Grasshopper Platform and Energy Plus Simulation Engine Modeling
除了输入民居模型的形态信息以外，还需输入民居外围护结构的热工材料参数。本次研究对象的热工材料参数主要参考《岭南湿热气候与传统建筑》［4］，和《广东居住建筑节能设计标准（广东省标准）：DBJ/T 15-133—2018》［5］，需要输入外围护结构材料信息主要包括屋顶、外墙、玻璃及首层地板。屋顶采用覆瓦坡屋顶中的“三重瓦”的构造方式；
外墙采用青砖混凝土墙构造方式；
窗户采用单层厚6 mm 的普通平板玻璃；
首层与二层地板采用中式传统地面构造方式，如表1所示。
表1 三间两廊式传统民居的外围护结构热工材料参数Tab.1 Thermal Material Parameters of the Outer Envelope of Three-Bays-and-Two-Corridors Traditional Dwelling
1.3 天气气象数据输入
通过Energy Plus 模拟软件，输入从广州气象站所获得的2010～2019年共10年的真实年份气象数据，以及从Energy Plus 官网下载获得的广州地区典型年气象数据，获得全年逐时室外空气温度与相对湿度。由图3可见，11组气象数据中，冬季1月最低月均室外气温的年份为2011 年，月均室外空气温度为9.68 ℃，7 月最高月均室外气温的年份为2010 年，月均室外空气温度为29.69 ℃，且广州地区高温时间段最要集中在6～8月。本文主要探讨广州地区6～8月室外气候对传统民居的影响。
图3 TMY典型气象年和2010～2019年的月平均室外空气温度折线图和月平均室外相对湿度柱状图Fig.3 Line Graph of Monthly Average Outdoor Air Temperature and Bar Graph of Monthly Average Outdoor Relative Humidity in Typical Meteorology Year and Year of 2010～2019
1.4 适应性热舒适标准
1.4.1 ASHRAE Standard 55 国际热舒适标准（以下简称国际标准）
1998 年，BRAGER 等人［6］在全球范围内开展了著名的ASHRAE RP-884 项目，通过获取四大洲160 栋自然通风建筑种的21 000 套数据，并由此建立了ASHRAE 现场研究数据库。同时指出人不是热环境的被动接受者，而是通过多重反馈循环以及人与环境的交互作用以此来适应新的热环境，并基于该理论首次提出了自然通风建筑的气候适应性模型。
在Energy Plus 模拟组件ASHRAE Standard 55 Adaptive Comfort Calculator 中需要输入的参数包括建筑室内操作温度、平均辐射温度、室外空气温度以及室外风速，最后选择居民热接受度范围80%（PPD≤20%；
-0.85＜PMV＜+0.85）或90%（PPD≤10%；
-0.5＜PMV＜+0.5），如表2 所示，即可计算模拟建筑室内热环境情况，本文主要选择80%的热可接受范围作为三间两廊式传统民居的室内过热评价，即PMV 大于0.85 则可视为室内过热情况。其中PMV（Predicted Mean Vote）预测平均评价是以人体热平衡的基本方程式以及心理学主观热感受等级为出发点，考虑人体热舒适诸多有关因素的全面评价指标，采用7级分度，如表3所示。而PPD（Predicted Percentage Dissatisfied）是为了补充PMV预测人体热感觉却缺乏考虑室内整体居民的满意度的情况，FANGER［7］开发了另一个方程式，将PMV 与PPD（不满意的预测百分比）联系起来。
表2 国际标准指标范围Tab.2 International Standard Index Range
表3 PMV热舒适评价7级分度Tab.3 Predicted Mean Vote Thermal Comfort Evaluation 7-level Scale
1.4.2 《民用建筑室内热湿环境评 价 标 准：GB/T 50785—2012》（以下简称国内标准）
除了国际标准，本文也采取国内标准来评价传统三间两廊式民居室内热舒适环境，国内标准是参考了国际标准ISO 7730 和SHRAE Standard 55 等，国内标准的编制组对我国主要5 大气候区进行广泛的调查研究，结合实验室热舒适研究，提出了适合我国民用建筑室内热湿环境的评价方法。根据国内标准，室内热环境评价应在主要房间或单个建筑进行，评估单个建筑时，其90%以上的主要房间应满足相关要求，才可视为达到相应的水平。由于本文主要探讨三间两廊式传统民居的自然通风情况下的室内过热风险，主要选取国内标准中的非人工冷热源热湿环境评价的计算法评价，应以预计适应性平均热感觉指标（APMV）作为评价依。而APMV 是指通过优化PMV 效应而产生的“自适应预测平均投票”，具体公式如下：
APMV=PMV/（1+λ·PMV） ⑴
式中：APMV为自适应预测均值投票；
PMV为预测均值投票；
λ为自适应系数。
根据国内标准，位于夏热冬暖地区的广州的λ自适应系数为0.21。自然通风环境分为三级，如表4 所示，本文主要选取国内标准的Ⅱ级作为三间两廊式传统民居的室内过热评价，即若APMV大于1时，则视为室内过热情况。
表4 非人工冷热源热湿环境评价等级Tab.4 Evaluation Level of Heat and Humidity Environment for Non-artificial Cold and Heat Sources
从三间两廊整体室内过热逐年模拟结果发现，不同的室内热舒适评价标准之间，模拟结果存在较大差异，其中国内标准评价三间两廊的过热程度偏高，而国际标准则偏低，两者评价过热小时数百分比相差的平均值为27.39%。但两种评价标准结果皆表示，三间两廊在近年的气象条件下存在明显的室内过热现象。
如图4 所示，在国际标准中，2010～2019 年过热小时数百分比的10 年平均值为18.39%，TMY 典型气象年的为20.2%，其中过热小时数百分比最大值为19.95%，发生在TMY 典型气象年；
最低值为16.06%，发生在2010 年。但在国内标准中，2010～2019 年过热小时数百分比的10 年平均值为45.94%，TMY 典型气象年的为46.1%，其中过热小时数百分比最大值为48.53%，发生在2019 年；
最低值为43.26%，发生在2010 年。结果说明，无论国内标准还是国际标准下，三间两廊均存在较明显的室内过热风险，其中在国内标准下，三间两廊过热程度甚至达到了一年中有接近50%时间存在过热现象。
图4 基于两种标准的三间两廊式传统民居室内过热小时数百分比的逐年模拟结果Fig.4 Yearly Simulation Results of Percentage of Indoor Overheating Hours in Three-Bays-and-Two-Corridors Traditional Dwellings Based on Two Standards
2.1 基于国际标准的模拟结果
本文主要研究三间两廊室内的主要用房热舒适情况，因此，分别选取了三间两廊的前厅、后厅、首层4 间卧室（房间1，房间2，房间3，房间4）以及二层的4间卧室（房间5，房间6，房间7，房间8）为模拟对象。
如图5 所示，结果显示，基于国际标准下，全部主要用房都存在过热风险，其中前厅、后厅的过热程度最低，过热小时数百分比范围为12%～16%，而二层南向的两间卧室（房间5，房间6）的过热程度最高，过热小时数百分比范围为31%～38%，其次是二层北向的两间卧室（房间7，房间8）过热程度，过热小时数百分比范围为26%～34%，首层南向的两间卧室（房间3，房间4）过热小时数百分比范围为17%～26%，首层北向的两间卧室（房间1，房间2）过热小时数百分比范围为15%～23%。由此可见二层卧室的过热程度比首层的更高，南向卧室的过热程度比北向卧室的更高。
图5 基于国际标准三间两廊主要用房过热情况逐年模拟分析Fig.5 Year-by-year Simulation Analysis of the Overheating Situation of the Main Rooms in Three-Baysand-Two-Corridors Based on International Standards
但基于TMY 的气象数据输入的室内过热情况发现，房间3 与房间4 过热更严重，房间6 比房间5 过热更严重的结果，与基于10年真实气象数据输入的室内过热情况有明显差异，即东南向与西南向的房间过热程度趋势有差异，说明TMY典型气象年气象数据的模拟结果，与真实年份气象数据下的模拟结果具有明显差异。因此需要进一步使用真实年份的气象数据来模拟三间两廊的室内过热情况，并为改善策略提供一定的依据。
2.2 基于国内标准的模拟结果
在国内标准，模拟结果显示三间两廊主要用房均存在较高的过热风险，逐年过热小时数百分比全部超过40%，如图6 所示，前厅、后厅的过热小时数百分比范围为40%～47%，首层卧室的过热小时数百分比范围为45%～55%，二层卧室的过热小时数百分比范围为47%～57%。其中二层南向卧室（房间5，房间6）过热程度最高，二层北向卧室（房间7，房间8）与首层南向卧室（房间3，房间4）的过热程度相似。
图6 基于国内标准三间两廊主要用房过热情况逐年模拟分析Fig.6 Year-by-year Simulation Analysis of the Overheating Situation of the Main Rooms in Three-Baysand-Two-Corridors Based on Domestic Standards
由此可见，与国际标准结果相同，二层的卧室均比首层的卧室过热程度更为严重，位于南向的卧室比北向的卧室过热程度更为严重，但国内标准显示，首层南向的卧室（房间3，房间4）过热程度高于或持平于二层北向的卧室（房间7，房间8），这与国际标准中的二层北向卧室（房间7，房间8）过热程度远高于首层南向卧室（房间3，房间4）的结果有明显差异。因此国内标准与国际标准相比，除了整体过热程度有明显差异，南北向的卧室的过热程度也存在一定的差异。
而且在国内标准下，TMY 典型气象年气象数据的模拟结果与真实年份气象数据下的模拟结果也具有明显差异，即TMY气象数据对位于西南和东南向的卧室（房间3 房间6，房间2 房间5）过热程度的模拟情况与真实年份气象数据相反。
综合国际室内热舒适标准和国内室内热舒适标准两种室内过热标准的模拟结果显示：⑴ASHRAE Standard 55 国际热舒适标准与GB/T 50785—2012 国内热舒适标准来评估岭南三间两廊式传统民居室内过热程度具有明显差异，逐年过热小时数百分平均值比相差27.39%；
⑵TMY 典型年气象数据与2010～2019年真实年份气象数据模拟三间两廊式传统民居的室内过热情况具有明显差异，即TMY气象数据对位于西南和东南向的卧室过热程度的模拟情况与真实年份气象数据相反；
⑶岭南三间两廊式传统民居仅考虑自然通风的情况下，室内主要房间均存在过热情况，在国内室内过热评价标准下，全部主要用房的每年过热小时数百分比甚至达到了40%以上；
⑷岭南三间两廊传统民居的主要用房中，二层南向卧室的过热程度最高，首层的前厅和后厅过热程度最低。
根据模拟结果分析，提出以下建议：⑴在进行室内热环境模拟时，应参考多种室内热舒适评价标准来评估岭南传统民居室内的过热风险，避免使用单一评价标准导致评估结果具有较大误差；
⑵在模拟评估岭南传统民居室内过热风险时，不仅考虑典型年气象数据的输入，也更应该考虑真实年份气象数据或者极端气象数据的输入，从而对比传统民居在极端气象条件下的室内过热情况；
⑶目前岭南三间两廊式传统民居仅考虑自然通风的模式下，仍存在较为严重的室内过热情况，应该进一步探讨提出改善室内热环境的被动式策略。