重慶夏季自然通風對住宅熱舒適的影響分析

石國兵 余曉平 黃雪 吳曉林

重慶科技學院建筑工程學院

隨著人們?nèi)找嬖鲩L的美好生活需要，營造健康和舒適的住宅環(huán)境已受到居住者和相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注。重慶地區(qū)夏季室內(nèi)高濕情況嚴重，住宅空調(diào)能耗的急劇增長已經(jīng)威脅到城市能源系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，為此急需尋找該地區(qū)夏季住宅熱環(huán)境低能耗運行策略[1-2]。自然通風作為一種被動式的節(jié)能措施，不僅可以降低空調(diào)能耗，緩解日益嚴峻的能源環(huán)境問題，還能在改善室內(nèi)熱環(huán)境的同時，減少對機械設(shè)備的依賴，做到與自然和諧相處。目前關(guān)于重慶地區(qū)夏季自然通風的研究主要是夏季自然通風的節(jié)能效果評價，對于自然通風改善室內(nèi)人體熱舒適的實測研究還較少[3-4]。因此，筆者在結(jié)合重慶地區(qū)夏季自然氣候資源的基礎(chǔ)上，對該地區(qū)夏季自然通風潛力及其對人體熱舒適的影響因素進行了實測研究。

1 重慶地區(qū)住宅自然通風可利用率分析

依據(jù)夏熱冬冷地區(qū)非人工冷熱源熱濕環(huán)境的評價方法，利用重慶地區(qū)典型氣象年逐時氣象參數(shù)[5]，以室外溫度低于（含）30 ℃作為重慶地區(qū)夏季可以利用自然通風的適應(yīng)性熱舒適溫度的指標[6-7]，對重慶地區(qū)2013～2017年夏季各月的逐時溫度進行統(tǒng)計分析，得到重慶近五年夏季各月自然通風可利用時長，如圖1所示。

圖1 重慶近五年夏季各月自然通風可利用時長

近五年夏季6、7、8月可利用自然通風的平均小時數(shù)為620.8h、400.2h、482.2h，分別占當月總時長的86.22%、53.79%、64.81%。其中以2014年的6月最多，690小時，占當月總時長的95.83%，2017年7月最少，271小時，占當月總時長的36.42%?？紤]每一年天氣過程不同，當月平均溫度和降雨時間對自然通風可利用時長的影響，對該地區(qū)近五年夏季天氣情況進行統(tǒng)計，得到各月自然通風可利用時長與平均溫度和下雨天數(shù)的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 重慶夏季自然通風可利用時長與平均溫度和下雨天數(shù)的關(guān)系

近五年夏季6、7、8月平均下雨天數(shù)為19.4、12.4、17天，分別占當月總天數(shù)的64.66%、40.00%、54.84%。從圖2可知，當月自然通風可利用時長受到降雨天數(shù)和平均溫度的影響。當月降雨天數(shù)越少，平均溫度越高，自然通風可利用時長相應(yīng)減少。反之，則增多。

結(jié)合圖2所示，對重慶地區(qū)近五年夏季各月的自然通風可利用時長與下雨天數(shù)和平均溫度進行綜合分析，當月下雨天數(shù)對自然通風的可利用時長影響比平均溫度更大。重慶地區(qū)夏季6月多雨，氣溫較低，7月和8月少雨，氣溫較高[8]，因此可選擇6月自然通風可利用時長占當月總時長的比例和7月、8月下雨天數(shù)所占當月總天數(shù)的比例作為重慶地區(qū)夏季各月自然通風的可利用率。同時，考慮到該地區(qū)夏季濕度大、風速小的氣候特點，以及考慮濕度、風速對人體熱舒適的影響。當其他條件一定，室外溫度28 ℃時，相對濕度每升高10%，PMV隨之約增加0.1[9]。所以，考慮高濕環(huán)境對自然通風的限制，夏季三月自然通風可利用時長乘以0.9的影響因子，則重慶地區(qū)夏季6、7、8月的自然通風可利用率分別為77.59%、36.00%、49.35%。相關(guān)研究成果同樣表明，重慶夏季部分時間可以采用被動空調(diào)方式，主要的被動空調(diào)方式是自然通風，采用自然通風技術(shù)后，熱舒適時間比例分別可以達到73.31%，34.88%和30.95%[10]，與本文中自然通風可利用率基本一致。

合理的自然通風可以減少空調(diào)運行時間，從而降低住宅空調(diào)能耗。而自然通風下影響住宅的熱舒適水平的因素較多，筆者通過現(xiàn)場實測對不同天氣過程，門窗開關(guān)及房間朝向影響進行分析。

2 現(xiàn)場實測方法

根據(jù)前面的分析，重慶夏季住宅具有良好的自然通風潛力。為研究重慶地區(qū)夏季自然通風對室內(nèi)熱舒適的影響，筆者進行了現(xiàn)場實測。選擇該地區(qū)典型氣象年月平均氣溫最高和自然通風可利用率最低的7月作為測試時間。測試對象為一戶位于重慶市沙坪壩區(qū)大學城的普通居民住宅，測試樓層為4樓,三室兩廳戶型,坐北朝南，套內(nèi)建筑面積為100 m2。根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》（GB/T 50785-2012）中的測試規(guī)范要求，在各測點中心處布置測試探頭，選擇Y-BOAT多功能室內(nèi)環(huán)境測試無線傳輸系統(tǒng)為測試工具，對室內(nèi)外溫度、濕度情況進行了測試，每3分鐘記錄一組數(shù)據(jù)。實驗期間關(guān)閉其他房門，維持室內(nèi)無其他熱源和濕源。圖3為該住宅的測點平面布置圖，表1為測點布置說明。

表1 測點布置說明

圖3 平面布置圖

為將客觀測試結(jié)果和主觀感受相結(jié)合，綜合分析自然通風對室內(nèi)熱舒適的影響，筆者分別計算了不同天氣過程多個時段的室內(nèi)各房間PMV和PPD。由于重慶夏季7月已非常炎熱，室內(nèi)人員一般習慣穿T恤，短褲或長褲，涼鞋，人員活動一般為靜坐或輕體力勞動，因此室內(nèi)人員服裝的基本熱阻Icl取為0.5 clo，0.0775 m2·K/W，人體能量代謝率M取為58.15 W/m2?？紤]到實驗期間雷雨天氣較多，因此風速取為1 m/s，平均輻射溫度與空氣溫度相同[11-12]。

由于PMV和PPD為人工冷熱源的熱濕環(huán)境評價標準，因此筆者根據(jù)非人工冷熱源的熱濕環(huán)境評價標準，繼續(xù)計算了自然通風情況下的預(yù)計適應(yīng)性平均熱感覺指標APMV（預(yù)計適應(yīng)性平均熱感覺指標）和APPD（預(yù)計適應(yīng)性不滿意者的百分數(shù)），與PMV和PPD進行對比分析。APMV-APPD計算公式具體如下所示：

式中：λ為自適應(yīng)系數(shù)，當PMV＜0時，取-0.49，當PMV＞0時，取0.21[13-14]。

3 實測結(jié)果分析

3.1 不同天氣過程影響

目前，關(guān)于室外熱舒適和熱適應(yīng)的研究還比較少，國內(nèi)的研究相對比較匱乏，可以查閱和參考的文獻資料也比較有限，研究方法大多是借鑒室內(nèi)熱舒適的研究方法[15]。因此，筆者直接以室外氣象參數(shù)計算不同天氣各時段的室外平均熱舒適指標，結(jié)果具體如表2所示。

由表2可知，夏季連續(xù)陰雨天氣時室外平均溫度約26 ℃左右，比較涼爽，但濕度較高，平均濕度達到85.53%，因此在夏季陰雨天氣采用自然通風滿足人體熱舒適的同時，需要考慮除濕。連續(xù)晴天時，夜晚室外平均溫度隨著晴天的連續(xù)，室外空氣溫度不斷增加，連續(xù)晴天的第三個夜間已無法采用自然通風來滿足人體熱舒適。此外，重慶夏季天氣轉(zhuǎn)換速度快，高溫晴天和雷暴天氣交替，下雨前后，即雨天轉(zhuǎn)晴天和晴天轉(zhuǎn)雨天時，高溫高濕情況非常嚴重，雷暴天氣時，平均濕度達到93.39%，人們常感覺悶熱難耐。然而居民習慣性的打開門窗會導(dǎo)致室外高溫高濕空氣進入室內(nèi)，人體悶熱感更強。

表2 不同天氣各時段的室外平均熱舒適指標

3.2 門窗開關(guān)影響

門窗開關(guān)狀態(tài)對自然通風工況下的房間熱舒適有重要影響。筆者結(jié)合不同天氣和不同時段的室外溫度濕度情況，對房間門窗開關(guān)狀態(tài)對室內(nèi)熱舒適的影響進行分析，計算結(jié)果如表3所示。

表3 各房間門窗不同開關(guān)狀態(tài)的平均熱舒適指標

由表3可知，當室外平均溫度較低時，如連續(xù)陰雨天氣，或雨天轉(zhuǎn)晴天后的夜間和白天，開窗的熱舒適度更高，APPD約比關(guān)閉門窗低15%。而連續(xù)晴天的下午室外溫度較高時，開窗導(dǎo)致熱空氣入侵，室內(nèi)溫度比關(guān)窗時更高，APPD約比關(guān)閉門窗時高15%。因此夏季陰雨天氣和夜間低溫時段，可以開啟門窗進行自然通風，而晴天白天，尤其是下午時分，需要關(guān)閉門窗，利用機械設(shè)備進行制冷。當前重慶地區(qū)的居民習慣表明，夏季不超過35 ℃的高溫天氣時，居民普遍采用風扇不使用空調(diào)進行降溫[16]。而如何利用風扇，更高效的改善室內(nèi)熱舒適，如對夏季高溫氣流的擾動和控制，以及不同風速的局部降溫效果還需要進一步研究。

3.3 房間朝向影響

針對不同朝向?qū)Ψ块g熱舒適的影響，筆者選取南向-客廳和北向餐廳的熱環(huán)境數(shù)據(jù)進行對比分析。為了方便比較，圖5中PMV和APMV的數(shù)值轉(zhuǎn)換為百分比。

圖4 室內(nèi)外溫度

圖5 南北向房間熱舒適指標差異

從圖4、圖5可以看出，北向房間的平均溫度比南向房間高出約0.5 ℃，熱舒適性也比南向房間更差，APPD約高8%，同樣可利用自然通風的時間也更少，APMV小于1的時間占實驗期間總時長的比例比南向房間少28%?？紤]是由于重慶沙坪壩區(qū)的緯度為北緯N29°33’9.08”，夏季此時太陽在北回歸線徘徊，北向房間，下午太陽光直射進房與一天中高溫時段重疊，加上房間圍護結(jié)構(gòu)蓄熱等因素的影響，因此北向房間的熱舒適性較南向房間更差[17]。因此，可考慮適當減小北向房間圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，同時提高北向房間的夏季遮陽系數(shù)。

4 結(jié)論

隨著當下空調(diào)能耗不斷升高，自然通風作為一種被動式的節(jié)能技術(shù)，應(yīng)當合理利用。筆者結(jié)合重慶地區(qū)近五年夏季逐時氣象參數(shù)，依據(jù)民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準，通過現(xiàn)場實測和數(shù)據(jù)分析，得到以下的結(jié)論：

1）以夏季室外溫度低于30 ℃和下雨天數(shù)作為熱舒適區(qū)間的指標，重慶地區(qū)夏季6、7、8月的自然通風可利用率分別可以達到77.59%、36.00%、49.35%。

2）門窗開關(guān)應(yīng)結(jié)合天氣、時段綜合考慮，連續(xù)陰雨天氣和低溫夜間可以開啟門窗利用自然通風，而連續(xù)晴天的夜間需利用機械設(shè)備進行降溫通風，下雨前后應(yīng)進行降溫除濕。

3）重慶地區(qū)夏季晴天自然通風情況下，北向房間的熱舒適性低于南向房間?？煽紤]適當減小北向房間圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，同時夏季合理遮陽。

綜合考慮居民的生活習慣和當前室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)控手段，筆者認為，合理自然通風有利于降低空調(diào)運行能耗。在人工冷熱源環(huán)境時以PMV-PPD為熱舒適指標，在非人工冷熱源時以APMV-APPD為熱舒適指標，可以從用戶熱舒適需求出發(fā)，開發(fā)自然通風和空調(diào)設(shè)備的復(fù)合控制系統(tǒng)，結(jié)合實時天氣、溫濕度變化情況，將門窗狀態(tài)和空調(diào)開關(guān)聯(lián)動控制，優(yōu)化空調(diào)與通風運行時間，充分發(fā)揮住宅自然通風的節(jié)能潛力。