長江中下游地區(qū)梅雨季節(jié)的室內熱濕環(huán)境

楊 駿，秦孟昊

(南京大學 建筑與城市規(guī)劃學院，南京 210093)

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長江中下游地區(qū)梅雨季節(jié)的室內熱濕環(huán)境

楊 駿，秦孟昊

(南京大學 建筑與城市規(guī)劃學院，南京 210093)

經過調研得到長江中下游地區(qū)(以南京為例)梅雨季節(jié)住宅建筑室內熱濕狀況，并分析3種不同建筑能耗計算模型(整體建筑熱濕空氣流動耦合模型HAM，傳遞函數(shù)模型CTF，有效濕滲透深度模型EMPD)的準確性。數(shù)值模型基于Matlab-Simulink編寫，使用調研數(shù)據(jù)進行驗證，進而使用梅雨季節(jié)典型氣象參數(shù)模擬分析。調研結果顯示在2013年梅雨季節(jié)，多數(shù)時間內建筑室內溫度高于28℃，相對濕度高于70%。數(shù)值模擬結果顯示3種能耗模型對室內溫度模擬的差異較小，而對室內濕度的模擬存在較大差異，特別是CTF模型誤差最大。結果顯示在長江中下游地區(qū)梅雨季節(jié)，當房間換氣次數(shù)小于2 ACH時，圍護結構對于室內環(huán)境濕緩沖的作用明顯，選擇合適的吸放濕材料可有效降低建筑能耗30%以上。

室內熱濕環(huán)境；住宅建筑；梅雨季節(jié)；能耗；數(shù)值模擬

建筑物內的熱、濕及空氣耦合傳遞對于建筑室內環(huán)境和整體建筑能耗有很大的影響，在高溫高濕的梅雨季節(jié)這一影響更為嚴重。梅雨是指中國長江中下游地區(qū)和臺灣地區(qū)、日本中南部、韓國南部等地每年六月中下旬至七月中旬之間持續(xù)陰雨的氣候現(xiàn)象[1]。在梅雨季節(jié)，受副熱帶高壓控制，空氣從暖濕海面吸收大量水汽，給長江中下游地區(qū)帶來長時間的陰雨天氣，導致空氣潮濕悶熱。據(jù)統(tǒng)計，中國長江中下游地區(qū)各年份的梅雨差異很大，近年來以1998年引發(fā)了長江全流域性洪水的“二度梅”最為典型，該年梅雨期總計33 d，最高氣溫超過35 ℃[2]。同時有研究[3]表明，適于人類居住的溫度范圍同樣適于霉菌的生長，且在相對濕度為70%～93%時，霉菌會快速蔓延。因此，高溫高濕氣候不僅影響室內物品保存，還影響室內空氣品質[4]，進而直接影響人體健康。另外，建筑中的濕氣會影響室內的潛熱負荷[5]。對于熱負荷(包括顯熱負荷和潛熱負荷)的精確計算需要考慮建筑圍護結構熱濕傳遞及濕緩沖作用[6-7]，然而，在使用率較高的建筑能耗軟件(包括EnergyPlus、TRNSYS、PKPM、DeST)中[8-9]，僅EnergyPlus提供了考慮建筑圍護結構熱濕傳遞及濕緩沖作用的計算模塊HAMT。使用HAMT模塊進行模擬的時間是使用軟件默認的CTF模塊的100～10 000倍[10]，加之常用的EnergyPlus界面軟件DesignBuilder等并不能調用EnergyPlus中的HAMT模塊，這使得利用EnergyPlus中的HAMT模塊進行能耗模擬具有很大困難。鑒于以上原因，很多建筑能耗的模擬都沒有考慮建筑圍護結構的濕傳遞及圍護結構和建筑室內環(huán)境的熱濕交換，這會造成能耗模擬結果的誤差。一般認為，當室內相對濕度較高時，潛熱負荷部分將增加，即有更多的能源被用于對室內空氣進行除濕，若選用適當?shù)臐窬彌_材料即可降低室內空氣相對濕度，進而降低潛熱負荷。總的來說，長江中下游地區(qū)梅雨季節(jié)的高溫高濕天氣會顯著地影響住宅建筑的室內熱濕環(huán)境，而在能耗模擬時若不考慮圍護結構的熱濕傳遞及濕緩沖因素則會給建筑能耗模擬結果帶來誤差，而選擇適當?shù)臐窬彌_材料則可以改善室內濕環(huán)境并改善能耗狀況。

針對室內熱濕環(huán)境及能耗狀況，已有學者進行了研究。萬旭東等[11]對中國7個城市住宅建筑的能耗進行了調研，得到了這些建筑的熱環(huán)境狀況及能耗情況。張華玲等[12]對重慶地區(qū)村鎮(zhèn)住宅進行了實地調研及監(jiān)測，結果顯示夏季室內溫度最高達到34.4 ℃，相對濕度最高達到99%。此外，一些學者也在重慶[13]、成都[14]、杭州[15]等地展開調研，獲得大量原始數(shù)據(jù)。長江中下游地區(qū)是中國城市化水平最高，經濟最為發(fā)達的地區(qū)之一，且該地區(qū)全年多雨潮濕，其中南京市全年平均相對濕度高達75%[16]。隨著人們生活水平的不斷提高，人們開始追求健康舒適的建筑室內環(huán)境，其中就包括舒適的室內熱濕環(huán)境。目前室內熱濕環(huán)境的控制主要通過制冷除濕設備實現(xiàn)，這種方式需要消耗大量能源，而當今能源短缺形勢嚴峻，這要求必須在可持續(xù)發(fā)展的理念下提高室內環(huán)境的舒適性。因此，對于該地區(qū)建筑室內熱濕環(huán)境的研究具有重要意義。

筆者旨在調研長江中下游地區(qū)(以南京為例)梅雨季節(jié)住宅建筑的熱濕狀況，并分析目前能耗計算軟件使用的3種不同能耗模型(整體建筑熱濕空氣流動耦合模型HAM[7]、傳遞函數(shù)模型CTF、有效濕滲透深度模型EMPD[10])在梅雨季節(jié)時對于住宅建筑能耗模擬的準確性。數(shù)值模型基于Matlab-Simulink平臺編寫，使用2013年梅雨季節(jié)南京地區(qū)調研所得住宅建筑的實測數(shù)據(jù)進行驗證。由于梅雨在某些年份非常顯著，而在另一些年份不顯著，所以根據(jù)單獨一年的分析，不容易得出全面的結論，因而選擇典型氣象年參數(shù)[16]對調研案例進行數(shù)值模擬。將模型運用于分析住宅建筑圍護結構對于室內熱濕狀況和能耗情況的影響，討論了3種與濕傳遞相關的建筑圍護結構模型對于室內熱濕狀況的影響，及3種模型用于能耗模擬時所得結果的準確性，還討論了房間通風量大小對于圍護結構濕緩沖作用的影響程度。

1 數(shù)學模型

1.1 圍護結構內的熱濕耦合傳遞

將水蒸氣含量及溫度作為熱濕耦合傳遞的主要驅動勢，解決了多孔介質中含濕量不連續(xù)的問題。模型考慮了多層墻體的一維熱濕耦合傳遞，同時將多孔介質的吸附或解附作用熱、水的相變潛熱(蒸發(fā)或凝結)作為熱源或熱匯寫入熱濕耦合控制方程。溫度梯度系數(shù)[17]則由溫度和濕度決定。圍護結構內熱濕平衡方程為[7]

(1)

(2)

式中：T為溫度，K；t為時間，s；λ為材料的導熱系數(shù)，W/(m·K)；ρ為材料的干密度，kg/m3；Cp為材料的比熱容，J/(kg·K)；Cm為材料的比濕，m3/kg；σ為相變準數(shù)；hlv為相變熱，J/kg；γ為吸放濕熱，J/kg；v為水蒸氣含量，kg/m3；ε為溫度梯度系數(shù)，m/s；δ為濕擴散系數(shù)，m2/s。

方程(1)描述了多孔墻體內的熱平衡，其中最后一項是熱源或熱匯，由水的相變、材料的吸放濕作用熱組成。方程(2)描述了多孔墻體內的濕平衡，其中最后一項是濕源或濕匯，是在溫度梯度作用下產生的濕分遷移。

1.2 空調空間的熱濕平衡

運用的空調空間熱濕平衡方程為整體建筑熱濕空氣流動耦合模型(HAM)。模型中空調空間的溫度和相對濕度的影響因素為通過建筑圍護結構的得失熱及得失濕、房間內部熱濕源、通風、空調系統(tǒng)等。模型假設：1)空調空間的室內空氣溫度和相對濕度均一分布；2)忽略所有輻射；3)所有表面的對流傳熱傳濕系數(shù)均相同。

空調空間的熱平衡方程如下：

(3)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為空氣的比熱容，J/(kg·K)；V為房間體積，m3；t為時間，s；Aj為圍護結構表面面積，m2；αj為傳熱系數(shù)，W/(m2.K)；Tj為圍護結構表面溫度，K；Ti為室內空氣溫度，K；To為室外空氣溫度，K；n為換氣次數(shù)，h-1；Qin為包括

人體、燈光、設備等產生的室內熱源，W；QHVAC為由空調通風系統(tǒng)引起的熱源或熱匯，W。

空調空間的濕平衡方程如下：

(4)

式中：vi為室內空氣的水蒸氣含量，kg/m3；vo為室外空氣的水蒸氣含量，kg/m3；gin,j為進入室內的濕流密度，kg/(s·m2)；Min為室內得濕量，kg/h；MHVAC為空調通風系統(tǒng)帶來的濕源或濕匯，kg/h。

根據(jù)調研結果，選擇2個建造年代不同的房間作為案例進行分析，2個案例房間平面圖如圖1所示，詳細信息見表1。在Matlab-Simulink平臺中，使用案例參數(shù)及上述數(shù)學方程建立模型，并利用調研實測數(shù)據(jù)進行模型驗證。

圖1 案例1及案例2房間平面圖Fig.1 Ground plans of case 1 and case 2

表1 案例1及案例2詳細信息

將模型用于研究在南京市典型梅雨季節(jié)氣象參數(shù)下建筑圍護結構對于住宅建筑的熱濕狀況及能耗情況影響，模擬討論3種與濕傳遞相關的建筑能耗模擬模型(HAM、CTF、EMPD)對于室內熱濕狀況的影響，并根據(jù)3種能耗模擬模型對2個案例分別設立6種模擬情形，用以分析3種能耗模擬模型的準確性，案例模擬參數(shù)設置詳見表2。其中HAM模型為整體建筑熱濕空氣流動耦合模型，模型考慮了通過圍護結構的熱濕傳遞及圍護結構與室內環(huán)境之間的熱濕交換，是3種能耗模型中最接近實際情況的模型，但最為復雜，計算時間較長；CTF模型是傳遞函數(shù)模型，是目前最為常用的能耗計算模型，該模型僅考慮通過圍護結構的傳熱及圍護結構與室內環(huán)境的換熱，不考慮濕的影響，計算時間較短；EMPD模型為有效濕滲透深度模型，模型僅針對圍護結構內表面有效滲透深度內的淺層材料進行吸放濕計算，為HAM模型的簡化集總模型，復雜程度介于HAM模型與CTF模型之間，計算相對較快。

表2 模擬案例參數(shù)設置

2 結果與討論

2.1 模型驗證

模擬驗證的參數(shù)根據(jù)調研結果進行設置，在使用HAM模型模擬時設置房間內有2名成年人，并處于睡眠狀態(tài)，忽略燈光、設備等產熱因素，忽略除人體以外的產濕因素，房間通風量恒定。由于實測中房間換氣次數(shù)，房間使用時間及空調制冷溫度設置無明顯規(guī)律，因此模擬時根據(jù)實測結果進行設置，在此不詳細列出。

2個案例7月的部分實測和模擬所得熱濕曲線見圖2、圖3。圖2中，0～48 h及120～168 h之間，由于用戶開啟空調，使得室內溫度下降至約26 ℃，與室外溫差較大，其余時間用戶未開啟空調制冷，因而室內外溫差較小。實測及模擬結果顯示該月2個案例的室內溫度均在26～32 ℃之間，其中案例1有49.3%的時間室內溫度高于28 ℃，案例2中則有56.3%的時間室內溫度高于28 ℃。該月2個案例的室內相對濕度均在40%～85%之間，其中案例1有60.3%的時間室內相對濕度高于70%，案例2中有28.1%的時間室內相對濕度高于70%。以上結果顯示，梅雨季節(jié)時2個案例的熱濕狀況均不理想，需要制冷和除濕措施。同時實測結果與模擬結果的符合程度較為理想，均在合理誤差范圍內，因此該數(shù)值模型可以用于模擬住宅建筑在梅雨季節(jié)的熱濕狀況。

圖2 室內溫度實測及HAM模型模擬結果(2013年7月20日—26日)Fig.2 Measured indoor temperature and simulated results of HAM model(July 20th-26th,2013)

2.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬中建筑圍護結構組成及其余模擬參數(shù)均參考調研數(shù)據(jù)，為減小模擬影響因素，將案例2的房間面積及內外墻面積調整至與案例1相同，墻體材料及組成不變。假設每日22時至7時有2名成年人在房間內，且處于睡眠狀態(tài)。模擬時設置案例1的房間通風量為住宅建筑臥室的最小通風量，即換氣次數(shù)為0.5，設置案例2的房間通風量為最小通風量的2倍，即換氣次數(shù)為1。房間在使用階段，當室內空氣溫度高于26 ℃時開啟制冷，當室內相對濕度高于65%時開啟除濕。模擬的詳細參數(shù)設置見表3。

圖3 室內相對濕度實測及HAM模型模擬結果(2013年7月20日—26日)Fig.3 Measured indoor relative humidity and simulated results of HAM model(July 20th-26th,2013)

表3 數(shù)值模擬參數(shù)設置

室內溫度模擬結果見圖4。結果顯示室內溫度在26～30 ℃之間，且比2013年的實測數(shù)據(jù)低約2 ℃。案例1的室內溫度比案例2的室內溫度低0.5 ℃，這表明建造年代較晚的建筑在梅雨季節(jié)的熱舒適性優(yōu)于建造年代較早的建筑。而不同的模擬情形所得的室內溫度曲線并不一致，主要因為部分模擬情形中使用了制冷。對于沒有設置制冷的模擬情形，其室內溫度曲線基本一致，這意味著不同的模型在建筑熱模擬中的準確度相近。

圖4 經典梅雨季節(jié)氣象參數(shù)下的模擬室內溫度結果(7月20日—26日)Fig.4 Simulated indoor temperature with typical plum rain season weather data(July 20th-26th)

室內相對濕度模擬結果見圖5。結果顯示，在2個案例中的室內相對濕度均在65%～90%之間，且比2013年的實測數(shù)據(jù)高。案例1的相對濕度值比案例2的相對濕度低。HAM模型與EMPD模型的相對濕度模擬結果波動較小，且二者的結果相近，模擬結果差異較小。而CTF模型模擬的相對濕度曲線波動較大，且與另2個模型的模擬結果差異較大。

模擬案例中的能耗情況如表4所示?？梢钥闯?，案例1的能耗低于案例2，表明建造年代較晚的建筑的能耗狀況要優(yōu)于建造年代較早的建筑。有研究[18]表明多孔材料的吸放濕特性可以降低室內濕度并進而降低室內空氣焓值，HAM模型和EMPD模型中包括建筑圍護結構的吸放濕作用，相當于使用了吸放濕材料，而CTF模型并沒有考慮圍護結構的吸放濕作用，也就意味著并未使用吸放濕材料。因此在CTF模型的模擬情形中室內空氣的濕度僅能通過通風和除濕機排出室外，當運用CTF模型進行能耗模擬時，除濕過程會消耗更多的能耗。當換氣次數(shù)為0.5時，空氣中的水蒸氣主要留在室內，此時使用CTF模型進行能耗模擬時的誤差較大，在案例1中達到55.1%；而當換氣次數(shù)為1時，通風使得室內外空氣中的水蒸氣混合程度加深，使用CTF模型進行能耗模擬時的誤差被削弱，在案例2中為37.7%。對兩個案例逐漸增大房間換氣次數(shù)進行模擬計算發(fā)現(xiàn)，在案例1中當換氣次數(shù)大于7時，CTF模型的能耗誤差減小至10%以下，在案例2中當換氣次數(shù)大于6時，CTF模型的能耗誤差減小至10%以下。由以上分析可得出，當通風量大于7時，室內空氣的相對濕度基本由室外空氣狀況及制冷除濕設備決定，圍護結構的吸放濕作用相比之下無法起到有效的濕緩沖作用。當建筑的通風量小于2時，圍護結構的吸放濕作用對于室內環(huán)境的濕緩沖作用明顯，可有效降低建筑能耗30%以上。此時選擇適當?shù)亩嗫孜艥癫牧峡山档徒ㄖ芎摹?/p>

圖5 經典梅雨季節(jié)氣象參數(shù)下的模擬室內相對濕度結果(7月20日-26日)Fig.5 Simulated indoor relative humidity with typical plum rain season weather data(July 20th-26th)

表4 典型梅雨季節(jié)氣象參數(shù)下的能耗情況及不同能耗模擬模型的準確性對比

3 結論

在長江中下游地區(qū)，梅雨季節(jié)時持續(xù)高溫高濕的氣候會影響建筑室內空氣品質，惡化室內空氣熱濕環(huán)境，增加建筑能耗。筆者運用整體建筑熱濕空氣流動模型對于梅雨季節(jié)時住宅建筑的熱濕狀況展開模擬，模型基于Matlab-Simulink平臺建立，并且通過2013年的實測調研數(shù)據(jù)進行了驗證。實測及模擬結果均顯示在2013年梅雨季節(jié)，調研建筑在多數(shù)時間內室內溫度均高于28℃，相對濕度均高于70%。在梅雨季節(jié)，這些住宅建筑的熱濕情況較差，很多情況下需要制冷和除濕措施。

模型隨后被用于分析住宅建筑在不同建筑圍護結構下的室內熱濕狀況和能耗情況，模擬在南京地區(qū)典型梅雨季節(jié)氣象參數(shù)下進行。結果顯示，針對室內溫度模擬，HAM模型、CTF模型和EMPD模型三者之間的差異較??；而對室內濕度的模擬存在較大差異，由于CTF模型并沒有考慮建筑圍護結構的吸放濕作用，因而該模型模擬結果誤差最大。在模擬高溫高濕氣候條件時，當換氣次數(shù)為0.5時會帶來高達55.1%的能耗模擬誤差，而當換氣次數(shù)為1時誤差為37.7%。當通風量大于7時，室內熱濕參數(shù)基本由室外氣象參數(shù)及制冷除濕設備決定，圍護結構的濕緩沖作用相對較小，3種不同模型的能耗模擬誤差較小。當通風量小于2時，圍護結構的吸放濕作用對于室內環(huán)境的濕緩沖作用明顯，所以，在長江中下游地區(qū)，選擇合適的吸放濕材料可以對室內環(huán)境起到濕緩沖作用，還可有效降低建筑能耗30%以上。

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(編輯 胡英奎)

Indoor thermal conditions in residential buildings during the plum rain season in East China

YangJun，QinMenghao

(School of Architecture and Urban Planning, Nanjing University, Nanjing 210093, P. R. China)

The indoor thermal conditions of residential buildings during the plum rain season in East China (Nanjing for example) were obtained and the accuracy of three different building energy consumption models (whole building heat, air and moisture model HAM, conduction transfer function model CTF, effective moisture penetration depth model EMPD) were analyzed. The numerical model was implemented into Matlab-Simulink and was validated using measured data from a field survey. Then the validated model was used for simulation analysis using typical weather data of plum rain season.The results from the survey showing the indoor temperature was higher than 28℃ and the indoor relative humidity was higher than 70% in most time of the plum rain season of 2013. Simulation results showed that there was not much difference when using the three models for thermal simulations, however, using CTF model for moisture simulation would result in large inaccuracy. During the plum rain season in Southeast China, when the room ventilation rate is less than 2 ACH, the moisture buffering effect of building envelope is obvious and the choice of proper hygroscopic materials can save up to 30% of building energy consumption.

indoor hygrothermal conditions; residential building; plum rain season; energy consumption; numerical simulation

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.01.008

2014-09-02

國家自然科學基金(51108229)

楊 駿(1990-)，男，主要從事建筑材料濕緩沖研究，(E-mail)mg1236023@smail.nju.edu.cn。 秦孟昊(通信作者)，男，教授，博士生導師，(E-mail)mqin@nju.edu.cn。

Foundation item：National Natural Science Foundation(No.51108229)

TU111.19

A

1674-4764(2015)01-0040-07

Received：2014-09-02

Author brief：Yang Jun(1990-),main research intrest:moisture buffering capacity of building materials,(E-mail)mg1236023@smail.nju.edu.cn。 Qin Menghao(corresponding author)，professor,(E-mail)mqin@nju.edu.cn。