長江中下游地區(qū)梅雨季節(jié)的室內(nèi)熱濕環(huán)境

摘要：經(jīng)過調(diào)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(nèi)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(zhǔn)確性。數(shù)值模型基于MatlabSimulink編寫，使用調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，進(jìn)而使用梅雨季節(jié)典型氣象參數(shù)模擬分析。調(diào)研結(jié)果顯示在2013年梅雨季節(jié)，多數(shù)時間內(nèi)建筑室內(nèi)溫度高于28℃，相對濕度高于70%。數(shù)值模擬結(jié)果顯示3種能耗模型對室內(nèi)溫度模擬的差異較小，而對室內(nèi)濕度的模擬存在較大差異，特別是CTF模型誤差最大。結(jié)果顯示在長江中下游地區(qū)梅雨季節(jié)，當(dāng)房間換氣次數(shù)小于2 ACH時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對于室內(nèi)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。

關(guān)鍵詞：

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

中圖分類號：

TU11119

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：16744764（2015）01004007

建筑物內(nèi)的熱、濕及空氣耦合傳遞對于建筑室內(nèi)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(yán)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(dǎo)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(nèi)物品保存，還影響室內(nèi)空氣品質(zhì)[4]，進(jìn)而直接影響人體健康。另外，建筑中的濕氣會影響室內(nèi)的潛熱負(fù)荷[5]。對于熱負(fù)荷（包括顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷）的精確計算需要考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕傳遞及濕緩沖作用[67]，然而，在使用率較高的建筑能耗軟件（包括EnergyPlus、TRNSYS、PKPM、DeST）中[89]，僅EnergyPlus提供了考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕傳遞及濕緩沖作用的計算模塊HAMT。使用HAMT模塊進(jìn)行模擬的時間是使用軟件默認(rèn)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(diào)用EnergyPlus中的HAMT模塊，這使得利用EnergyPlus中的HAMT模塊進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)的濕傳遞及圍護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑室內(nèi)環(huán)境的熱濕交換，這會造成能耗模擬結(jié)果的誤差。一般認(rèn)為，當(dāng)室內(nèi)相對濕度較高時，潛熱負(fù)荷部分將增加，即有更多的能源被用于對室內(nèi)空氣進(jìn)行除濕，若選用適當(dāng)?shù)臐窬彌_材料即可降低室內(nèi)空氣相對濕度，進(jìn)而降低潛熱負(fù)荷?？偟膩碚f，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(nèi)熱濕環(huán)境，而在能耗模擬時若不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱濕傳遞及濕緩沖因素則會給建筑能耗模擬結(jié)果帶來誤差，而選擇適當(dāng)?shù)臐窬彌_材料則可以改善室內(nèi)濕環(huán)境并改善能耗狀況。

楊駿，等：長江中下游地區(qū)梅雨季的節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境

針對室內(nèi)熱濕環(huán)境及能耗狀況，已有學(xué)者進(jìn)行了研究。萬旭東等[11]對中國7個城市住宅建筑的能耗進(jìn)行了調(diào)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(jìn)行了實(shí)地調(diào)研及監(jiān)測，結(jié)果顯示夏季室內(nèi)溫度最高達(dá)到344 ℃，相對濕度最高達(dá)到99%。此外，一些學(xué)者也在重慶[13]、成都[14]、杭州[15]等地展開調(diào)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(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)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(dá)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(nèi)環(huán)境，其中就包括舒適的室內(nèi)熱濕環(huán)境。目前室內(nèi)熱濕環(huán)境的控制主要通過制冷除濕設(shè)備實(shí)現(xiàn)，這種方式需要消耗大量能源，而當(dāng)今能源短缺形勢嚴(yán)峻，這要求必須在可持續(xù)發(fā)展的理念下提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性。因此，對于該地區(qū)建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境的研究具有重要意義。

筆者旨在調(diào)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(zhǔn)確性。數(shù)值模型基于MatlabSimulink平臺編寫，使用2013年梅雨季節(jié)南京地區(qū)調(diào)研所得住宅建筑的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)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(dú)一年的分析，不容易得出全面的結(jié)論，因而選擇典型氣象年參數(shù)[16]對調(diào)研案例進(jìn)行數(shù)值模擬。將模型運(yùn)用于分析住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對于室內(nèi)熱濕狀況和能耗情況的影響，討論了3種與濕傳遞相關(guān)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型對于室內(nèi)熱濕狀況的影響，及3種模型用于能耗模擬時所得結(jié)果的準(zhǔn)確性，還討論了房間通風(fēng)量大小對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)濕緩沖作用的影響程度。

1數(shù)學(xué)模型

11圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)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(qū)動勢，解決了多孔介質(zhì)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(zhì)的吸附或解附作用熱、水的相變潛熱（蒸發(fā)或凝結(jié)）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(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)熱濕平衡方程為[7]

Tt=xλρCpTx+ρCmCpσhlv+γvt（1）

vt=xσρCmvx+xεδρCmTx（2）

式中：T為溫度，K；t為時間，s；λ為材料的導(dǎo)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(zhǔn)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(kuò)散系數(shù)，m2/s。

方程（1）描述了多孔墻體內(nèi)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(nèi)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(chǎn)生的濕分遷移。

12空調(diào)空間的熱濕平衡

運(yùn)用的空調(diào)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(diào)空間的溫度和相對濕度的影響因素為通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱及得失濕、房間內(nèi)部熱濕源、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)等。模型假設(shè)：1）空調(diào)空間的室內(nèi)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(diào)空間的熱平衡方程如下：

ρCpVTit=∑jAjαjTj-Ti+nVρCpTo-Ti+Qin+QHVAC（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(hù)結(jié)構(gòu)表面面積，m2；αj為傳熱系數(shù)，W/（m2K）；Tj為圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度，K；Ti為室內(nèi)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(shè)備等產(chǎn)生的室內(nèi)熱源，W；QHVAC為由空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)引起的熱源或熱匯，W。

空調(diào)空間的濕平衡方程如下：

Vvit=∑jAjgin，j+nVvo-vi+Min+MHVAC（4）

式中：vi為室內(nèi)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(jìn)入室內(nèi)的濕流密度，kg/（s·m2）；Min為室內(nèi)得濕量，kg/h；MHVAC為空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)帶來的濕源或濕匯，kg/h。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，選擇2個建造年代不同的房間作為案例進(jìn)行分析，2個案例房間平面圖如圖1所示，詳細(xì)信息見表1。在MatlabSimulink平臺中，使用案例參數(shù)及上述數(shù)學(xué)方程建立模型，并利用調(diào)研實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗證。

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(hù)結(jié)構(gòu)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(guān)的建筑能耗模擬模型（HAM、CTF、EMPD）對于室內(nèi)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(shè)立6種模擬情形，用以分析3種能耗模擬模型的準(zhǔn)確性，案例模擬參數(shù)設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)的熱濕傳遞及圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室內(nèi)環(huán)境之間的熱濕交換，是3種能耗模型中最接近實(shí)際情況的模型，但最為復(fù)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(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱及圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面有效滲透深度內(nèi)的淺層材料進(jìn)行吸放濕計算，為HAM模型的簡化集總模型，復(fù)雜程度介于HAM模型與CTF模型之間，計算相對較快。

2結(jié)果與討論

21模型驗證

模擬驗證的參數(shù)根據(jù)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，在使用HAM模型模擬時設(shè)置房間內(nèi)有2名成年人，并處于睡眠狀態(tài)，忽略燈光、設(shè)備等產(chǎn)熱因素，忽略除人體以外的產(chǎn)濕因素，房間通風(fēng)量恒定。由于實(shí)測中房間換氣次數(shù)，房間使用時間及空調(diào)制冷溫度設(shè)置無明顯規(guī)律，因此模擬時根據(jù)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，在此不詳細(xì)列出。

2個案例7月的部分實(shí)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(diào)，使得室內(nèi)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(diào)制冷，因而室內(nèi)外溫差較小。實(shí)測及模擬結(jié)果顯示該月2個案例的室內(nèi)溫度均在26～32 ℃之間，其中案例1有493%的時間室內(nèi)溫度高于28 ℃，案例2中則有563%的時間室內(nèi)溫度高于28 ℃。該月2個案例的室內(nèi)相對濕度均在40%～85%之間，其中案例1有603%的時間室內(nèi)相對濕度高于70%，案例2中有281%的時間室內(nèi)相對濕度高于70%。以上結(jié)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(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果的符合程度較為理想，均在合理誤差范圍內(nèi)，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。

22數(shù)值模擬

數(shù)值模擬中建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成及其余模擬參數(shù)均參考調(diào)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(nèi)外墻面積調(diào)整至與案例1相同，墻體材料及組成不變。假設(shè)每日22時至7時有2名成年人在房間內(nèi)，且處于睡眠狀態(tài)。模擬時設(shè)置案例1的房間通風(fēng)量為住宅建筑臥室的最小通風(fēng)量，即換氣次數(shù)為05，設(shè)置案例2的房間通風(fēng)量為最小通風(fēng)量的2倍，即換氣次數(shù)為1。房間在使用階段，當(dāng)室內(nèi)空氣溫度高于26 ℃時開啟制冷，當(dāng)室內(nèi)相對濕度高于65%時開啟除濕。模擬的詳細(xì)參數(shù)設(shè)置見表3。

室內(nèi)溫度模擬結(jié)果見圖4。結(jié)果顯示室內(nèi)溫度在26～30 ℃之間，且比2013年的實(shí)測數(shù)據(jù)低約2 ℃。案例1的室內(nèi)溫度比案例2的室內(nèi)溫度低05 ℃，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(nèi)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(shè)置制冷的模擬情形，其室內(nèi)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(zhǔn)確度相近。

圖4經(jīng)典梅雨季節(jié)氣象參數(shù)下的模擬室內(nèi)溫度結(jié)果（7月20日—26日）

Fig.4Simulated indoor temperature with typical plum rain season weather data（July 20th26th）

室內(nèi)相對濕度模擬結(jié)果見圖5。結(jié)果顯示，在2個案例中的室內(nèi)相對濕度均在65%～90%之間，且比2013年的實(shí)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(jié)果波動較小，且二者的結(jié)果相近，模擬結(jié)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(jié)果差異較大。

模擬案例中的能耗情況如表4所示。可以看出，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(nèi)濕度并進(jìn)而降低室內(nèi)空氣焓值，HAM模型和EMPD模型中包括建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸放濕作用，相當(dāng)于使用了吸放濕材料，而CTF模型并沒有考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)空氣的濕度僅能通過通風(fēng)和除濕機(jī)排出室外，當(dāng)運(yùn)用CTF模型進(jìn)行能耗模擬時，除濕過程會消耗更多的能耗。當(dāng)換氣次數(shù)為05時，空氣中的水蒸氣主要留在室內(nèi)，此

圖5經(jīng)典梅雨季節(jié)氣象參數(shù)下的模擬室內(nèi)相對濕度結(jié)果（7月20日-26日）

Fig.5Simulated indoor relative humidity with typical plum rain season weather data（July 20th26th）

時使用CTF模型進(jìn)行能耗模擬時的誤差較大，在案例1中達(dá)到551%；而當(dāng)換氣次數(shù)為1時，通風(fēng)使得室內(nèi)外空氣中的水蒸氣混合程度加深，使用CTF模型進(jìn)行能耗模擬時的誤差被削弱，在案例2中為377%。對兩個案例逐漸增大房間換氣次數(shù)進(jìn)行模擬計算發(fā)現(xiàn)，在案例1中當(dāng)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(dāng)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(dāng)通風(fēng)量大于7時，室內(nèi)空氣的相對濕度基本由室外空氣狀況及制冷除濕設(shè)備決定，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸放濕作用相比之下無法起到有效的濕緩沖作用。當(dāng)建筑的通風(fēng)量小于2時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸放濕作用對于室內(nèi)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(dāng)?shù)亩嗫孜艥癫牧峡山档徒ㄖ芎摹?/p>

3結(jié)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(nèi)空氣品質(zhì)，惡化室內(nèi)空氣熱濕環(huán)境，增加建筑能耗。筆者運(yùn)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MatlabSimulink平臺建立，并且通過2013年的實(shí)測調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。實(shí)測及模擬結(jié)果均顯示在2013年梅雨季節(jié)，調(diào)研建筑在多數(shù)時間內(nèi)室內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)下的室內(nèi)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(jìn)行。結(jié)果顯示，針對室內(nèi)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(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)的吸放濕作用，因而該模型模擬結(jié)果誤差最大。在模擬高溫高濕氣候條件時，當(dāng)換氣次數(shù)為05時會帶來高達(dá)551%的能耗模擬誤差，而當(dāng)換氣次數(shù)為1時誤差為377%。當(dāng)通風(fēng)量大于7時，室內(nèi)熱濕參數(shù)基本由室外氣象參數(shù)及制冷除濕設(shè)備決定，圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(dāng)通風(fēng)量小于2時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸放濕作用對于室內(nèi)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(nèi)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）