遼西地區(qū)典型性住宅熱環(huán)境研究

林葉童 庹萬利 錢治杰

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

1 緒論

1.1 研究目的和意義

隨著社會生產(chǎn)水平的進(jìn)步和人民生活水平的不斷提高，居民們對住宅建筑室內(nèi)環(huán)境熱舒適節(jié)能減排的需求也在不斷提高。因此，我們在滿足人們對住宅建筑室內(nèi)熱環(huán)境舒適需求的同時(shí)，環(huán)境保護(hù)便是重要舉措。地域氣候、建筑類型、室內(nèi)環(huán)境、生活習(xí)慣等諸多因素影響人們對熱舒適需求，并且在不同地區(qū)存在明顯差異。高標(biāo)準(zhǔn)的熱舒適水平不僅是居住者的向往和憧憬，也是建筑熱環(huán)境調(diào)節(jié)的最終目標(biāo)，建筑的熱工性能往往與室內(nèi)熱環(huán)境緊密聯(lián)系,而室內(nèi)熱環(huán)境又與人的健康、舒適乃至工作效率密切相關(guān)[1]。目前，環(huán)境污染已經(jīng)成為當(dāng)今世界必須解決的問題之一，所以人們都開始逐漸追求綠色建筑。建筑能耗已經(jīng)成為衡量一個國家總能耗的重要指標(biāo)，發(fā)達(dá)國家的建筑能耗占其總能耗30%-40%，我國建筑能耗約占全國總能耗的25%左右[2]，在寒冷、嚴(yán)寒地區(qū)，已經(jīng)占當(dāng)?shù)乜偰芎牡?0%-40%，建筑節(jié)能減排已倍受全國人民的注意。正是如今這樣一個提倡節(jié)能減排的大環(huán)境下，人們已經(jīng)不局限于人工穩(wěn)態(tài)的空調(diào)環(huán)境下，而是期望通過使用現(xiàn)有的、已經(jīng)成熟的技術(shù)手段達(dá)到自然和熱舒適的雙贏模式。地球表面的大氣層每時(shí)每刻都是變幻莫測的，人類的進(jìn)化和個人的成長一直處于周圍的變幻莫測的溫度、濕度等諸多因素的變化中。但人天生具有一定的熱波動適應(yīng)能力，在一直處于穩(wěn)態(tài)的環(huán)境中，人體的熱適應(yīng)力將會削弱，如同缺乏體育鍛煉容易導(dǎo)致體質(zhì)下降一樣，熱適應(yīng)能力的下降將會直接導(dǎo)致抗疾病能力直線下降。對比前者，大部分一直生活在自然通風(fēng)條件下的人，對熱舒適的適應(yīng)能力較好，最終得到了該部分人群會有更大的適應(yīng)能力的結(jié)果[3]。因此改善建筑室內(nèi)外熱環(huán)境，提高舒適性，降低建筑的能耗，是我國急需解決的重要問題之一。

1.2 研究內(nèi)容和方法

1.2.1 研究內(nèi)容

建筑的實(shí)際構(gòu)造是多種多樣、相當(dāng)復(fù)雜的，實(shí)際的居住情況也是千差萬別的。因此，本文采用對典型建筑按典型模式運(yùn)算，實(shí)際測試也嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定操作。本文通過對遼寧省阜新市某村鎮(zhèn)不同居民建筑屋頂和建筑結(jié)構(gòu)的室內(nèi)外熱環(huán)境的實(shí)地測量分析，對比得出夏季典型性住宅內(nèi)外熱環(huán)境的特點(diǎn)。

首先我們先收集所選地區(qū)往年的室內(nèi)外環(huán)境的熱環(huán)境參數(shù)，即空氣溫度、空氣濕度、氣流速度、太陽輻射等實(shí)測參數(shù)，作為實(shí)地測量的參考數(shù)據(jù)。然后選取合適的實(shí)驗(yàn)儀器，制定嚴(yán)格規(guī)范的實(shí)驗(yàn)步驟和操作方法。最后將收集到的這些熱環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行匯總，整理和分析，最終得到關(guān)于不同居民建筑屋頂和建筑結(jié)構(gòu)的室內(nèi)外熱環(huán)境的特點(diǎn)，初步提出遼西地區(qū)典型性居民住宅優(yōu)化意見。

1.2.2 研究方法

本次研究主要以定量分析和定性相結(jié)合為主，文獻(xiàn)研究法和實(shí)地調(diào)研法為輔的研究方法，最終為該村鎮(zhèn)提供優(yōu)化建議：

（1）實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)據(jù)分析對測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出建筑環(huán)境布局和空氣溫度，空氣濕度之間的關(guān)系。

（2）文獻(xiàn)研究法

閱讀國內(nèi)外有關(guān)室內(nèi)外熱環(huán)境，對研究內(nèi)容有一個整體的把握。

（3）居民實(shí)際情況調(diào)研法

通過對居民實(shí)際居住感受進(jìn)行調(diào)研，分析PMV 和PPD 的值，得出實(shí)際溫度值與實(shí)測值進(jìn)行校驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)可靠和可實(shí)施性。

2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí)測住宅結(jié)構(gòu)

實(shí)測住宅建筑位置是根據(jù)不同房屋屋頂類型和是否具有門斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，選取四間具有不同類型和結(jié)構(gòu)的典型性住宅。房屋朝向均為坐北朝南，除門斗外房屋結(jié)構(gòu)基本相似，建造結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)，周圍沒有較高遮擋物，建筑群落較稀疏。選取的典型性住宅建筑不存在空調(diào)，從而減小因?yàn)楦淖兘ㄖ覂?nèi)溫度對實(shí)測數(shù)據(jù)的影響，保證結(jié)果的相對準(zhǔn)確性。結(jié)合居民住宅的建筑格局，將研究區(qū)域分類劃分5-6 個區(qū)域，對測點(diǎn)位置的距離地面1.5 米高處墻體溫度，以及室內(nèi)空氣濕度進(jìn)行24 小時(shí)的實(shí)時(shí)測量。

如圖1 為實(shí)測住宅建筑結(jié)構(gòu)平面分布圖，地點(diǎn)為阜新市某村鎮(zhèn)，住宅建筑內(nèi)主要包含臥室、廚房、衛(wèi)生間、儲物間四個功能房間以及一個走廊。住宅建筑層高約為2.8 米，住宅面積大小均為100 平方米左右。具體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 住宅建筑平面圖

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 實(shí)測儀器

本實(shí)驗(yàn)所選用儀器為HOBO UX100-003 便攜式高精度溫濕度自動數(shù)據(jù)采集記錄儀。電子儀器的優(yōu)點(diǎn)是其性能可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，記錄時(shí)間長。具體參數(shù)如表2所示。

表2 使用儀器型號及參數(shù)

2.3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

實(shí)測地點(diǎn)為遼寧省阜新市某村鎮(zhèn)標(biāo)準(zhǔn)居民住宅建筑，實(shí)測時(shí)間為2021 年7 月20 日至7 月27 日早0：00至晚24：00，以下為逐時(shí)記錄實(shí)測數(shù)據(jù)的整體匯總整理，以及具體研究分析。

2.3.1 尖頂房、平頂房室內(nèi)整體溫度

圖2 為尖頂房、平頂房室內(nèi)溫度變化圖，數(shù)據(jù)是由實(shí)測七天內(nèi)兩個不同屋頂住宅室內(nèi)整體數(shù)據(jù)匯總計(jì)算得出。平頂房建造材料是空心板，尖頂房房頂是鋼筋混凝土或木梁搭建而成。（具體數(shù)據(jù)可參考表1）由圖可見，尖頂房室內(nèi)的整體溫度比平頂房室內(nèi)的整體溫度較低，是因?yàn)榧忭斠韵麓嬖谝欢臻g，具有一定的保溫隔熱效果，對室內(nèi)溫度影響較少。尖頂房外觀比較漂亮?xí)r尚，且具有一定的坡度，流水比較好，排水方便。平頂房在夏季受到太陽光線直射，整個屋頂溫度較高，導(dǎo)致對室內(nèi)傳熱較多，室內(nèi)溫度較高。平頂房之所以在農(nóng)村住宅建筑中普遍應(yīng)用也存在一定的優(yōu)點(diǎn)，平坦的屋頂可以用來晾曬衣物和農(nóng)作物，相對尖頂房來說造價(jià)便宜的同時(shí)還便于后期設(shè)計(jì)改造。

圖2 尖頂房、平頂房室內(nèi)溫度變化圖

2.3.2 有門斗、無門斗走廊溫度

門斗是遼西地區(qū)乃至東北地區(qū)普遍應(yīng)用的與房屋的外房門相結(jié)合的方形建筑過渡空間，具有分割、擋風(fēng)、御寒等。在冬季寒冷的北方，門斗的過渡空間可以很好的避免外面寒冷的空氣直接進(jìn)入屋內(nèi)，屋內(nèi)的熱氣向外流出，從而起到保溫隔熱的作用[4]。但是在夏季門斗又稱為一種“負(fù)擔(dān)”，阻擋了空氣的流通。由圖3 可見，有門斗的住宅比無門斗的住宅走廊的整體溫度會高一些。同時(shí)，門斗的存在還會對太陽直射有一定的影響,從而導(dǎo)致室內(nèi)走廊的光線變暗。

圖3 有門斗、無門斗走廊溫度變化圖

2.3.3 每個房間溫度值

圖4 為臥室、廚房以及走廊溫度變化圖，由圖可見臥室整體溫度比廚房及走廊的溫度高1-2 度，臥室作為靠東南方向的房間，最早受到太陽的直線照射的影響，且照射時(shí)間較長，屬于朝陽面，溫度在7：00 時(shí)最先開始上升。廚房位于住宅建筑的西北方向，會在下午甚至傍晚受到太陽直線照射其余時(shí)間是輻射溫度的影響，屬于背陰面，溫度上升幅度比臥室較小，整體溫度比走廊較高。且遼西地區(qū)農(nóng)村住宅以火炕為主要的做飯和采暖設(shè)備，在17：00 到18：00 的做飯時(shí)間，廚房溫度和臥室溫度會有一定的上升，對于冬季溫度變化會更加明顯。走廊的前后都有門，是作為空氣流通最主要的空間，會有穿堂風(fēng)出現(xiàn)，對夏季降低溫度有明顯效果，故整體溫度相對較低，比較涼爽。

圖4 不同方位房間溫度變化圖

2.3.4 人體PMV 和PPD 變化圖

由熱舒適方程（Fanger[5]研究提出人體熱感覺模型PMV-PPD）, 可以得到人們在不同環(huán)境狀態(tài)下的熱舒適度, 共分為7 級（見表3）, 即預(yù)測平均熱感覺指標(biāo)（PMV）。PMV 指標(biāo)代表同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺，用來評價(jià)一個熱環(huán)境舒適與否。預(yù)測不滿意百分比（PPD）指標(biāo)表示人群對熱環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù)，二者之間存在一定的定量關(guān)系。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的熱舒適環(huán)境的PMV 范圍在-0.5～0.5 之間，相當(dāng)于人群中有10%的人感覺不滿意，即PPD 小于10%。通過對當(dāng)?shù)刈≌幼≌叩膶?shí)際居住情況調(diào)查詢問，以及對當(dāng)?shù)亟ㄖ≌瑹岘h(huán)境相關(guān)資料研究對比，得出以下人體PMV 和PPD變化圖。圖中可以看出，在上午10：00，人們會明顯感覺到室內(nèi)空氣溫度相對增加，人們開始出現(xiàn)熱的感覺，在下午13：00 到14：00，人們對熱感覺繼續(xù)增加，會感覺到炎熱，這時(shí)往往是太陽照射最強(qiáng)烈的時(shí)候。在晚間到凌晨的時(shí)間里，人們會處于睡眠狀態(tài)，而且晚間伴隨著溫度降低，會有微風(fēng)出現(xiàn)，人們往往感覺比較舒適，不滿意程度也會隨之降低，見圖5-6。

表3 人體舒適度指數(shù)

3 結(jié)論和展望

根據(jù)夏季阜新市某村鎮(zhèn)居住區(qū)建筑熱環(huán)境的研究，得到住宅建筑的溫度數(shù)據(jù)和人們體感溫度等與房屋建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)系，分析研究了空氣溫度、空氣濕度、氣流速度、太陽輻射等實(shí)測參數(shù)。結(jié)合實(shí)測參數(shù)分析與居住區(qū)能耗情況，得到關(guān)于不同居民建筑屋頂和建筑結(jié)構(gòu)的室內(nèi)外熱環(huán)境的以下幾個特點(diǎn)：

3.1 平房頂與尖房頂相比，平房頂?shù)淖≌瑴囟葧燃忭敺孔≌瑴囟日w偏高。因?yàn)榧忭敺糠宽斉c頂棚之間存在一定空間，能夠起到一定的保溫隔熱效果。

3.2 有門斗與無門斗走廊溫度相比，無門斗的走廊溫度較低，有門斗的走廊溫度較高。因?yàn)殚T斗的過渡空間可以很好的避免外面寒冷的空氣直接進(jìn)入屋內(nèi)，屋內(nèi)的熱氣向外流出，從而起到保溫隔熱的作用。

圖5PMV 變化圖

圖6PPD 變化圖

3.3 通過住宅建筑不同方位房間溫度對比，靠近東面的房間會最先開始升溫，并且整體溫度會比西面的房間高一些，是由于東面房間的墻體最早受到太陽的直線照射的影響，且照射時(shí)間較長。

3.4 通過PPD 值和PMV 值的對比，可以得出夏季人們往往在下午13：00-15：00 時(shí)會有熱甚至炎熱的感覺，這時(shí)PMV 可以達(dá)到較大值。同時(shí)，人體的不滿意度百分比PPD 也會隨之升高，不滿意程度增加。數(shù)據(jù)以遼寧省阜新市某村鎮(zhèn)標(biāo)準(zhǔn)居民住宅建筑室內(nèi)外熱環(huán)境為主，對附近復(fù)雜住宅建筑研究相對較少，主要是因?yàn)橹車ㄖ覂?nèi)熱環(huán)境與熱舒適的影響因素較多，機(jī)理復(fù)雜。在今后的研究中，我們將擴(kuò)大研究范圍和區(qū)域，豐富我們的研究內(nèi)容。因?yàn)榇舜窝芯恐皇窃谙募具M(jìn)行，并沒有與其他季節(jié)進(jìn)行對比，所以具有一定局限性。在之后更深入的研究中，我們將考慮不同季節(jié)情況的影響，得出更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論。