室外下沉商业街热舒适度研究

蔡正乾[阿特金斯顾问（深圳）有限公司上海分公司， 上海 200003]

大型城市的高速发展导致城市人口及建筑密度骤增，同时造成用地短缺。建筑的横向发展已经不可行，取而代之的是纵向发展，大面积的地下空间开发已经成为大型城市的建筑开发典型。地下停车场从原有的 1 层，逐步增加到 2 层、3 层，甚至 4 层，商业功能区也从原有的地上层，拓展到地下层。

本项目通过建筑物理分析模拟技术，结合上海市室外气象参数和项目本身的建筑特点，得出项目本身的微气候工况，并在此基础上进行各项舒适度分析，和业主、设计方、各顾问方经过一系列会议讨论，最终得出一致认可的设计优化方案。

1 项目介绍

本项目所在的上海市中心城区，是市中心内最成熟繁华的区域，紧邻新天地商圈，是上海时尚文化及高端生活的前沿。

项目占地面积 8 594 m2，总建筑面积约 45 000 m2，地下 3 层，地上 6 层，建筑高 24 m，地上 1 F 为商业，地上2～6 F 为办公，地下 1 F（B 1）及地下 2 F（B 2）部分为商业和餐饮，地下 3 F 为车库及人防。地上部分分为北楼和南楼，北楼在中间分开为东西两个部分，南楼亦在中间分开为东西两个部分，地库部分南北楼为一个整体，B 1 和 B 2为室外下沉商业街。

本项目已获得 LEED (Leadership for Energy and Environmental Design，能源与环境设计先锋)认证金级、WELL（健康建筑）认证金级、绿色建筑设计标识二星级认证。

上海夏季室外温度较高。这种情况下 B 1 和 B 2 室外下沉商业街活动区过热，进而导致较差的舒适性，影响客流。基于此，本文研究该区域在夏季的舒适度情况，并提出相关解决方案的分析。

上海市夏季（6～9 月）平均相对湿度为 76%，平均温度为 19～26 ℃，最高气温为 35 ℃。上海各季节主导风向及风速情况如表 1 所示。由于此次主要研究夏季舒适度情况，因此只考虑夏季工况。

2 具体策略分析

2.1 喷雾风扇

喷雾风扇是一种用于户外的制冷系统，通常使用的是高压喷嘴式喷雾风扇。该设备配有水箱，水流通过高压水泵的作用拥有几兆帕的压力，流过高压喷嘴后产生微雾，雾滴直径＜10 μm，使得水滴的蒸发表面积大幅提高。微雾通过强力风扇吹出的气流，极大地提高了液体表面风速，加快了气体分子的扩散，使水的蒸发量大幅提高，水在蒸发过程中吸收热量，降低温度。喷雾风扇可提高风速，并产生蒸发吸热功效。

就喷雾降温的效果，根据叶大法等[1]对上海世博轴高压喷雾降温技术的研究得出结论，即在通风且有遮阳的室外空间，广场高压喷雾降温系统可以有效降温 1～2 K，杨雪梅等[2]提出在重庆盛夏高温晴天的情况下，1.5 m 人行活动区域的气温平均可降低 4.5 K，喷雾降温效果毋庸置疑。

但是，对于商场类的人员密集区域，尤其是下沉广场气流组织略差的这种情况，卫生问题不容忽视，喷雾风扇的高密度微小水珠颗粒，存在一定的卫生安全隐患。根据 Frank S. Rhame[3]的研究，喷雾风扇所产生的类似于加湿器的雾气，会产生吸入肺部的微小水滴，其中可能携带绿脓杆菌，会引起肺炎、哮喘等疾病。

2.2 大风扇

大风扇适用于高大空间，通过较大的叶片直径、较低的转速，在噪声可控的前提下，增加空气流动，所吹出的风酷似大自然的微风，室内的人可以感觉到温差效果带来的凉爽感觉。

根据美国制冷与空调工程师学会（ASHRAE） 55-2004标准，风速在 1.6 m/s 的情况下，可带来的降温约为 3.6 K。按照室外温度 34.4 ℃ 计算，则可降低至 30.8 ℃ ，接近舒适区。从美观度及净高的角度，安装风扇会导致美观度欠佳。对于 B 1 和 B 2 的室外商业街区域，适合安装常规吊扇，但会影响净高，使净高约下降 300 mm。

本项目室外下沉商业区域有 3 座天桥.中部天桥下方正对 B 2 活动区，净高影响最小，为安装大风扇首选位置。就运行能耗方面，如果仅在中部天桥下方安装一个大风扇，按照功率 1.5 kW 计算，每年在 6～9 月份全天（10：00～22：00）运行，夏季峰时 1.115 元/kWh，可得年运行费用约 2 450 元。

2.3 水 景

水是商业景观设计的一个要素。为了满足人们心理上的亲水愿望，大量商业项目都会设计水景，同时水景可以改善局部的热岛效应，至少在心理上减少人们在夏季的炎热感。但是，从夏季热舒适方面，不推荐在中庭区域使用水景，原因如下。

（1）小面积水景的水分蒸发吸热效果有限，对热舒适性的改善不明显。根据李书严、轩春怡于 2008 年在《城市中水体的微气候效应研究》一文中得出的结论，单块的＜0.25 km2的水体对环境的影响不明显。

（2）水分蒸发产生的水蒸气导致室外下沉商业区域湿度增加，夏季可能产生闷、湿感，所以会降低热舒适性。

水体的蒸发将导致相对湿度增加。项目内部由于可设计的水景面积有限，降温效果不显著，所以会使空气状态点更加远离舒适度区域，降低舒适度。

另外，根据 GB 50555—2010《民用建筑节水设计标准》的要求—“景观用水水源不得采用市政自来水和地下井水”—应利用中水（优先利用市政中水）、雨水收集回用等措施，解决人工景观用水水源和补水等问题。如此会需要项目加装雨水收集系统，对项目的设计和成本影响很大

2.4 中庭遮阳

夏季太阳直射会导致较差的舒适度。基于此考虑针对 B 1 和 B 2 的中庭进行遮阳。通过 Revit（Revit 是 Autodesk公司一套系列软件的名称。Revit 系列软件是为建筑信息模型构建的，可帮助建筑设计师设计、建造和维护质量更好、能效更高的建筑）遮阳模拟软件，考虑了建筑周边 200 m范围内的建筑体块，针对夏至日 09:00～17:00 时间段进行分析，得出太阳直射影响中庭 B 1 和 B 2 舒适度的时间段为11:00～15:00，此时段需中庭遮阳。中庭屋顶总体遮阳的设计，结合各个时段所需的可同时满足 B 1 和 B 2 空间遮阳需求的面积，并结合业主、建筑设计、幕墙顾问的建议，形成最终施工图，如图1所示。图 1 中最大范围区域采用全透明玻璃，确保内街首层区域充分采光。这些区域对于 B 1/B 2不是夏至日阳光直射影响范围。中间范围区域采用半透明玻璃，这些区域会小部分影响 B 1/B 2 的夏至日阳光直射，但考虑到内街首层区域的采光，使用半透明材料。最小范围区域采用不透明玻璃，这些区域对于 B 1/B 2 的夏至日阳光直射遮挡至关重要，因此采用不透明材料。

图1 中庭屋顶遮阳施工图

中庭增加遮阳措施后，根据舒适度模拟分析，对于 B 1舒适度均有提升，PMV（预测平均评价指数）数值从 3.0 优化到了 2.5 左右。尽管 B 2 没有变化，但考虑到 B 2 室外商业街周边有商店围绕且商店经常会开门，内部冷气会逸散出来提升室外行人舒适度。设计考虑在 B 2 中心位置设置绿化，引导顾客在贴近商铺的外街行走，提升舒适度。

2.5 地道送风

地道送风降温技术是指夏季利用地层对自然界的冷、热能量的储存作用，使室外的空气进入地道内使地道冷却空气，通过机械送风或诱导式通风系统送至目标功能区域，达到降温目的的一种技术[4]。

项目设计思路如图 2 所示。按照地道截面风速 4 m/s 计算, 则出风口温度约为 30 ℃（土壤温度为 4.0 ℃），送风温度降低，可提升舒适度。但是，该设计会降低 B 2 外走廊净高至 2.18 m，占用机房面积约 8 m2，并造成额外开挖大量地下管井。根据结构和机电专业的意见，不推荐该措施的原因包括：① 首层增加进风口及百叶，对立面美观影响很大，难以得到建筑方案设计师的认可；② 增加的管井面积会对商铺面积、通勤走道面积产生负面影响；③ 无额外空间放置取风风机；④ 根据 CECS 340:2013《地道风降温建筑技术规程》，由于该策略需要大量的场地构建地道，主要适用于农村低密度区域，城市中心的项目较少运用。

图2 地道送风设计示意图

2.6 圆形喷口空调系统

通过吊顶侧方的圆形喷口提供冷空气的可行性。该措施在新加坡不少案例中有所使用，提升热舒适效果明显，但对于建筑、设备要求较高，且能耗很高。

净高分析方面，B 2 外走廊喷口送风的拟定设计参数为风量 20 540 m3/h、风速 10 m/s，则风管截面积约 0.6 m2，风管尺寸为 0.90 m×0.67 m （宽×高），完成截面尺寸约1.00 m×0.77 m （宽×高，包括保温、支撑角钢、龙骨、装饰面板等厚度），经过分析，净高会降低至 2.22 m，对使用功能影响很大。

根据某空调箱品牌进行机房面积分析，得出 20 540 m3/h 风量的空调箱尺寸长×宽×高约 2 240 m×2 126 m×1 326 m，占地面积约 5 m2，考虑周边行走及检修空间，需机房面积约11 m2。

由于项目净高和面积有限，完全没有条件实施该策略。

2.7 B 1 外廊吊顶送（冷）风

通过模拟软件，研究在 B 1 外廊吊顶送常温风和冷风的不同情况下对舒适度的影响。吊顶送风区域均在 B 1 外走廊区域，送风口布置在吊顶位置。

本文研究 4 种工况，B 1 外廊吊顶送（冷）风方案 1 和方案 2 如表 2 所示。两个方案的区别在于送风口尺寸和送风设备数量的不同，方案 1 的送风口尺寸为 1 500 mm×150 mm，送风设备数量为 8 个；方案 2 的送风口尺寸为 1 000 mm×150 mm，送风设备数量为 26 个。方案 1 和方案 2 中各自有 2 个工况，一个工况送 34.4℃ 的常温风，另一个工况送 29.4 ℃ 的冷风。

通过 PMV [ Predicted Mean Vote，预测平均评价，指数是以人体热平衡的基本方程式以及心理生理学主观热感觉的等级为出发点，考虑了人体热舒适感诸多有关因素的全面评价指标。PMV 指数表明群体对于（＋3～－3）七个等级热感觉投票的平均指数]模拟可知，在夏季室外温度 34.4 ℃的工况下，舒适度情况如下：① B 1 室外送常温风时，方案1 和方案 2 对于 B 1/B 2 层热舒适度均无提升。② B 1 室外送冷风（ΔT=5 K） 时，方案 1 和方案 2 对于 B 1/B 2 层热舒适度均有提升，方案 2 提升更加明显。

所以，确认“方案 2 冷风工况”对于提升舒适度有实际作用。 “B 1 室外送常温风工况”和“B 1 室外送冷风工况”对于“自然工况”的结果汇总如图 3 所示。

图3 不同工况下的热舒适度对比

运营策略方面，根据上海市气象资料， 建议在室外温度超过 30 ℃ 时，开启风机盘管，开启时间段如表 3 所示。

表3 风机盘管开启时间

控制方式建议根据室外温度传感器的设置，自动开启（超过 30 ℃ 时）风机盘管。就方案 2 冷风工况的能耗、电费进行计算，考虑末端风机及制冷系统能耗，按照满负荷运行 534 h 计算，总耗电量约 16 870 kWh/a，夏季峰时电费按 1.115元/kWh 计算，电费约 18 810元/a。

2.8 各策略总结

本章节一共 7 个策略，根据舒适度影响、结构影响、美观度、卫生情况、投资情况和策略的主动被动类别 6 个维度进行评价，总结如表 4 所示。

表4 策略总结

3 结 语

根据以上分析，实际项目将考虑 2 种策略的叠加效果，即“B 1 外廊吊顶送冷风（方案 2）”结合“中庭遮阳”措施。当同时工作时，PMV 模拟图如图 4 所示，左侧为没有任何热舒适优化措施的模拟结果，右侧为叠加优化措施后的模拟结果，可见颜色从深色优化到了浅色，即热舒适度 PMV数值从 3.0 左右的“热状态”优化到了 1.5 左右的“微热状态”，热舒适度提升明显，室外热舒适度优化措施有效。

图4 “B 1 外廊吊顶送冷风”结合“中庭遮阳”的 PMV 模拟结果

最终执行策略可以总结为“主动＋被动”的措施：①当环境温度≤30 ℃时，仅依靠“中庭遮阳”措施，可提升 B 2 舒适度；② 当环境温度＞30 ℃ 时，开启风机盘管，依靠“B 1 外廊吊顶送冷风”措施，大量提升 B 1/B 2 舒适度。另外，可结合装修设计效果，在合适位置安装大风扇，在夏季可优化气流组织，缓解闷热感。

对于上海市同类的室外商业街项目，夏季热舒适度提升可以优先考虑使用遮阳措施，避免阳光直射。在条件允许的情况下，可以考虑室外送冷风的设计。该设计舒适度提升效果显著，但考虑到初投资、机电结构影响及运行能耗等因素，可能推行难度较大。大风扇也可以纳入考虑范围，其对提升人行区域风速、降低人体表面的温度有一定的作用，可以提升人体舒适度。