唐山市供暖期前后室內(nèi)熱環(huán)境研究分析

劉宇佳

【摘要】本文以唐山地區(qū)為例，使用Weathertool軟件模擬分析唐山市供暖期前后氣候特點(diǎn)。選取典型既有居住建筑為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行熱環(huán)境測(cè)試。對(duì)供暖期前后的室內(nèi)四種熱環(huán)境物理參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，總結(jié)該時(shí)間內(nèi)唐山市居住建筑的熱環(huán)境特點(diǎn)與不足，計(jì)算室內(nèi)PMV值，提出對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改善建議，為建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)提供研究基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】寒冷地區(qū);供暖期前后;室內(nèi)熱環(huán)境;熱舒適;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1、研究背景

居住建筑作為人類重要的生活場(chǎng)所，在人們生活中扮演著重要的角色。調(diào)查研究表明，我國(guó)住宅建筑存在供暖期前后室內(nèi)熱舒適較差的問(wèn)題，居民普遍反映室內(nèi)寒冷，相對(duì)濕度普遍偏高，容易引起身體不適等問(wèn)題。人們需要進(jìn)行人工干預(yù)性取暖，即人為增加空調(diào)、電暖氣等設(shè)備。同時(shí)這種人為干預(yù)造成了能源浪費(fèi)、環(huán)境破壞和熱島效應(yīng)嚴(yán)重等一系列不良影響。室內(nèi)熱環(huán)境較差，與建筑自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能較差有較大關(guān)系，可見居住建筑在室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)仍有不足之處與誤區(qū)。從以人為本的建筑設(shè)計(jì)角度出發(fā)，研究供暖期前后居住建筑的室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀，對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，符合我國(guó)建筑節(jié)能的發(fā)展需要。

2、唐山市供暖期前后氣候分析

使用Ecotect軟件中子軟件Weathertool和CTYW（ChineseTypicalYearWeather）數(shù)據(jù)分析總結(jié)唐山市供暖期前后期間的氣候特點(diǎn)。對(duì)唐山地區(qū)供暖期前后的氣象參數(shù)：太陽(yáng)輻射、干球溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)環(huán)境進(jìn)行總結(jié)。唐山市集中供暖時(shí)間通常為當(dāng)年11月15日至次年3月15日。研究時(shí)間界定區(qū)間為：供暖期后期3月15日至4月15日，供暖期前期10月15日至11月15日。

2.1太陽(yáng)輻射

通過(guò)圖1所示，可以知道唐山地區(qū)的供暖期前后平均太陽(yáng)輻射值約為3000kwh/㎡，唐山地區(qū)太陽(yáng)輻射量較高，可利用太陽(yáng)輻射的相關(guān)設(shè)計(jì)策略提高室內(nèi)熱環(huán)境水平。

2.2干球溫度

由逐時(shí)干球溫度分析圖可知，供暖期后期（圖2）室外最低溫度為-4.6℃，最高溫度為25.6℃，平均溫度為9.5℃;供暖期前期（圖3），最低溫度為-3.3℃，最高溫度為27.8℃，平均溫度為8℃。圖中綠色粗線段是軟件計(jì)算出該溫度環(huán)境下，室內(nèi)熱舒適溫度。供暖期后期的熱舒適溫度范圍為17.5℃至23.5℃;供暖期前的熱舒適溫度范圍為16.5℃至24℃。則由Weathertool軟件模擬的唐山市采暖期前后的熱舒適溫度范圍為16.5℃-24℃。

2.3相對(duì)濕度

人體在處于舒適空氣溫度的條件下，相對(duì)濕度的舒適范圍為30%-60%，供暖期后期（圖4）的平均相對(duì)濕度約為50%，供暖期前期（圖5）的平均相對(duì)濕度約為62%。

2.4風(fēng)環(huán)境分析

如圖為唐山地區(qū)春季（圖6）、秋季（圖7）風(fēng)向頻率圖。圓環(huán)的坐標(biāo)代表風(fēng)的方向，縱向坐標(biāo)表示風(fēng)速，顏色深、淺對(duì)應(yīng)風(fēng)的頻率低、高。通過(guò)此氣象數(shù)據(jù)，唐山地區(qū)春季主要風(fēng)向?yàn)槲髂舷?，最大風(fēng)速超過(guò)50km/h，其余各向風(fēng)速較均勻，30-40km/h。唐山地區(qū)秋季主要風(fēng)向?yàn)闁|南向，最大風(fēng)速超過(guò)50km/h，其余各向風(fēng)速較均勻，25-35km/h。唐山全年風(fēng)向盛行東北，東南，西南風(fēng)。

3、唐山地區(qū)供暖期前后熱環(huán)境測(cè)試

論文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析住宅中各因素對(duì)于使用者在熱舒適方面的影響。選取典型的、有實(shí)際研究意義的住宅戶型進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。測(cè)量的內(nèi)容包括居住建筑的空間形式與尺度，空氣溫度、空氣濕度、平均輻射溫度及空氣流速溫等物理量的數(shù)值及變化規(guī)律。分析人的活動(dòng)特點(diǎn)、作息規(guī)律等各種可能影響室內(nèi)內(nèi)熱舒適的因素。

3.1測(cè)試對(duì)象

測(cè)試對(duì)象選取唐山市路北區(qū)山西南里小區(qū)2號(hào)樓，由四單元組成，一梯三戶，共五層，建筑高度：14.9m，占地面積：679.5㎡，建筑面積：3397.5㎡，結(jié)構(gòu)類型：磚混結(jié)構(gòu)。建筑詳情：該建筑建于1986年，于2019年完成二次改造。改造后建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法見表1，樓梯間窗材質(zhì)為白色推拉塑鋼5mm厚單玻窗。測(cè)試房間位置位于第三單元四層?xùn)|戶（圖8）。

3.2 測(cè)試內(nèi)容及方法

3.2.1測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)老舊小區(qū)的戶型特征，選取南向臥室，北向臥室，北向客餐廳三個(gè)房間進(jìn)行測(cè)試，均無(wú)輔助供暖與加濕設(shè)備。測(cè)點(diǎn)A、B、C、D，用于室內(nèi)空氣溫度測(cè)試，相對(duì)濕度測(cè)試及空氣流速測(cè)試，測(cè)點(diǎn)E用于室外空氣溫度測(cè)試和相對(duì)濕度測(cè)試（圖9）。測(cè)點(diǎn)高度定為距地600mm處位置，且保證所有測(cè)點(diǎn)距離建筑墻體500mm以上。

3.2.2測(cè)試時(shí)間

測(cè)試時(shí)間按照唐山市供熱供暖期進(jìn)行安排。唐山市2019年春季停暖日期為3月18日，2019年冬季供暖時(shí)間為11月7日。熱環(huán)境第一階段測(cè)試時(shí)間選取為2019年3月19日至4月10日，共23日。第二階段測(cè)試時(shí)間為2019年10月30日至11月6日，共8日。

3.2.3測(cè)試儀器

本次測(cè)試采用臺(tái)灣TES-1362自記錄溫濕度測(cè)試儀、臺(tái)灣TES-1341熱敏式風(fēng)速計(jì)、建通R09輻射熱計(jì)。測(cè)試周期以一天24小時(shí)計(jì)。

3.2.4供暖期前后期測(cè)試結(jié)果及分析

室外天氣情況：1）供暖期后期期間天氣情況多為晴天，共計(jì)12日，陰天10日，降雨2日。供暖期后期室外平均空氣溫度約為9.91℃，最高空氣溫度為28℃;室外最低空氣為-2℃，日較差為12.55℃。室外日平均相對(duì)濕度約為34.33%。供暖期后期室外空氣溫度、相對(duì)濕度變化趨勢(shì)由圖10、圖11可見。2）供暖期前期期間天氣情況為晴天5日，陰天3日，無(wú)降水。供暖期前期室外平均溫度約為11.04℃，室外最高空氣溫度為23℃;室外最低溫度出為1℃。日較差約為13.75℃。室外日平均相對(duì)濕度為33.91%。供暖期前期室外空氣溫度、相對(duì)濕度變化趨勢(shì)由圖12、圖13可見。

室內(nèi)空氣溫度：供暖期后期測(cè)試時(shí)間內(nèi)，室內(nèi)平均空氣溫度約為19.2℃。室內(nèi)最高空氣溫度為24.3℃最低空氣溫度為16.2℃。供暖期前期室內(nèi)平均空氣溫度約為18.16℃。室內(nèi)最高空氣溫度為21.3℃，最低空氣溫度為16.3℃。供暖期前后各房間空氣溫度變化趨勢(shì)見圖14、圖15。

室內(nèi)空氣溫度分析：1）寒冷地區(qū)舒適性空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)計(jì)算溫度為18～24℃。從結(jié)果中可見，在供暖期前后期該戶室內(nèi)平均空氣溫度為在規(guī)范要求內(nèi)。供暖期前后期測(cè)試中有1/2的時(shí)間，室內(nèi)空氣溫度低于18℃。2）室外空氣溫度對(duì)室內(nèi)的影響較小，建筑內(nèi)部熱穩(wěn)定性較優(yōu)，建筑外墻的蓄熱性較優(yōu)。室外空氣溫度日溫差約為13℃，室內(nèi)空氣溫度差僅在1.24℃上下浮動(dòng)?？諝鉁囟热詹▌?dòng)幅度情況為室外>南臥室>客餐廳>北臥室。南臥室溫度波動(dòng)較大主要受太陽(yáng)輻射影響，室內(nèi)溫度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化，日間空氣溫度達(dá)到最大值，夜間則通過(guò)輻射向室外釋放大量熱量，體現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能較差。北臥室溫度波動(dòng)最小，主要因?yàn)榕P室無(wú)通風(fēng)，人員生活行為影響較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性較大?？筒蛷d的空氣溫度受盥洗和炊事等人為影響較大。3）南向房間空氣溫度總體高于北向房間，南北朝向房間平均溫差約為1.87℃，南臥室>北臥室>客餐廳。

相對(duì)濕度：供暖期后期室內(nèi)相對(duì)濕度整體范圍處于19.3%～77.5%之間，平均值約為48.65%。供暖期前期室內(nèi)相對(duì)濕度整體范圍處于49.4%～74%之間，平均值約為62%。供暖期前后各房間相對(duì)濕度變化趨勢(shì)見圖16、圖17。

室內(nèi)相對(duì)濕度分析：供暖期前后住宅建筑在無(wú)自然通風(fēng)狀態(tài)下，室內(nèi)相對(duì)濕度受室外相對(duì)濕度影響較小。1）寒冷地區(qū)舒適性濕度應(yīng)符合30%～60%。在供暖期后期該戶室內(nèi)平均相對(duì)濕度為在規(guī)范要求內(nèi)，供暖期前期相對(duì)濕度不滿足規(guī)范要求。2）南向房間的平均相對(duì)濕度較低，存在洗衣晾曬行為影響但房間仍較為干燥。南臥室室內(nèi)相對(duì)濕度主要受空氣溫度影響，變化隨室內(nèi)空氣溫度變化呈負(fù)相關(guān)狀態(tài)。同理可見，北臥室無(wú)加濕措施以及活動(dòng)影響相對(duì)濕度的行為，空氣溫度較低，室內(nèi)相對(duì)濕度較高，北臥室的體感較為陰冷，與南向房間日間溫和干燥的情況存在明顯差異?？筒蛷d相對(duì)濕度由于住戶日常盥洗、炊事等生活習(xí)慣影響，變化較大無(wú)規(guī)律。4）供暖期前期建筑整體情況較穩(wěn)定，室內(nèi)濕度較大。供暖期前期與供暖期后期相對(duì)濕度存在明顯差異性的原因，是由于供暖期室內(nèi)空氣溫度較高使室內(nèi)相對(duì)濕度較低。供暖期前期室內(nèi)空氣溫度較穩(wěn)定，南北向房間的相對(duì)濕度較平均。

空氣流速分析：供暖期后期室內(nèi)三個(gè)測(cè)試房間總體呈無(wú)風(fēng)狀態(tài)，南臥室平均空氣流速為0.05m/s，北臥室平均空氣流速為0.07m/s，客餐廳平均空氣流速為0.08m/s。供暖期前期南臥室平均空氣流速為0.03m/s，北臥室平均空氣流速為0.04m/s，客餐廳平均空氣流速為0.06m/s。測(cè)試房間無(wú)開窗行為，氣密性較好，室內(nèi)風(fēng)速不大于《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）中空氣流速v≤0.2m/s的要求。

4、唐山市供暖期前后室內(nèi)熱舒適評(píng)價(jià)

分析評(píng)價(jià)供暖期前后室內(nèi)熱舒適計(jì)算，以Fanger教授建立的熱舒適模型為基礎(chǔ)，用PMV（PredietedMeanVote）作為熱舒適的評(píng)價(jià)。熱感覺(jué)根據(jù)ASHRAE的7級(jí)指標(biāo)表示，即-3（冷），-2（涼），-1（稍涼），0（適中），1（稍暖），2（暖），3（熱）。本次測(cè)試中，住戶在房間主要行為是靜坐休息，按冬季著裝處理，根據(jù)熱舒適模型，PMV計(jì)算需設(shè)定參數(shù)有：人體的新陳代謝率M為58.15W/㎡，機(jī)械效率η為0，所穿衣服的熱阻值Icl為1.0clo，人體室內(nèi)活動(dòng)量代謝率為1met，空氣流速v為0.05m/s。

供暖期后期室內(nèi)平均PMV值約為-1.10（圖18），供暖期前期室內(nèi)平均PMV值約為-1.29（圖19），供暖期后期室內(nèi)熱舒適度較優(yōu)于供暖后前期室內(nèi)舒適度。供暖期后期三個(gè)測(cè)試房間的PMV值差距不大，三個(gè)房間的熱舒適情況相當(dāng)，原因在于供暖期各房間溫度較平均。供暖期前期，南臥室的舒適度遠(yuǎn)優(yōu)于北臥室和客餐廳，且供暖期前期南臥室的舒適度最好，可見在無(wú)供暖設(shè)備等干擾因素時(shí)，建筑本身南北向房間有明顯舒適度差異。供暖期前期后期，室內(nèi)實(shí)測(cè)的熱環(huán)境都是稍冷、冷的，均不滿足的PMV熱舒適在-0.5～+0.5的標(biāo)準(zhǔn)范圍。

5、結(jié)論與建議

室外空氣溫度對(duì)室內(nèi)的影響較小，建筑內(nèi)部熱穩(wěn)定性較優(yōu)，建筑外墻的蓄熱性較優(yōu)。南向房間空氣溫度總體高于北向房間，南臥室溫度波動(dòng)較大主要受太陽(yáng)輻射影響，可利用太陽(yáng)輻射進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)。測(cè)試期間無(wú)開窗通風(fēng)行為，室內(nèi)相對(duì)濕度受室外相對(duì)濕度影響較小，該圍護(hù)結(jié)構(gòu)下建筑整體氣密性較好。建議供暖期前后室內(nèi)可進(jìn)行簡(jiǎn)單通風(fēng)，避免換氣量較少、空氣不流通、室內(nèi)相對(duì)濕度較高影響房間舒適質(zhì)量。供暖期前期后期室內(nèi)實(shí)測(cè)的熱環(huán)境都是稍冷、冷的，均不滿足的PMV熱舒適標(biāo)準(zhǔn)。該住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法不滿足建筑保溫性能要求，需在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫措施，提升外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，避免冷輻射造成室內(nèi)溫度較低較的現(xiàn)象。在二次裝修時(shí)，不建議住戶將陽(yáng)臺(tái)原有門窗拆除，建議在室內(nèi)加裝保溫窗簾，日間開啟夜間閉合，防止夜間熱量散失。

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