裝配式民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境測試研究

■ 朱曉琳 ZHU Xiaolin 胡冗冗 HU Rongrong 劉加平 LIU Jiaping

0 引言

裝配式住宅是由工廠預(yù)制構(gòu)件、在現(xiàn)場進(jìn)行裝配而成的住宅。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆住宅相比，裝配式住宅具有工業(yè)化程度高、施工質(zhì)量易保證、建造速度快和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)。2016年9月30日，國務(wù)院常務(wù)會(huì)議審議通過《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，“力爭用10年左右時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%”。

本文測試的民居所使用的復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系，是一種集耗能減震、生態(tài)環(huán)保、節(jié)能保溫、快速建造、經(jīng)濟(jì)實(shí)用為一體的新型建筑結(jié)構(gòu)體系。它主要由預(yù)制的生態(tài)復(fù)合墻板和混凝土隱形框架（外框柱和暗梁）及樓板裝配現(xiàn)澆而成（圖1）。生態(tài)復(fù)合墻板是以截面和配筋較小的鋼筋混凝土框格，內(nèi)嵌以工農(nóng)業(yè)廢料為主的生態(tài)塊材組成。該結(jié)構(gòu)體系自上世紀(jì)90年代以來，經(jīng)過一系列相關(guān)的研究[1-2]，證實(shí)其在結(jié)構(gòu)抗震方面具有良好的性能，并在諸多實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用推廣。在國家大力推動(dòng)裝配式建筑發(fā)展的當(dāng)下，研究裝配式住宅的熱舒適狀況，對(duì)于裝配式住宅的廣泛推廣應(yīng)用具有舉足輕重的作用。本文的相關(guān)測試調(diào)研內(nèi)容便是基于此基礎(chǔ)上進(jìn)行的。通過對(duì)該裝配式民居進(jìn)行熱環(huán)境測試，得到該裝配式民居熱環(huán)境現(xiàn)狀的一手資料，并對(duì)其存在的問題提出相應(yīng)的改進(jìn)意見，為促進(jìn)該裝配式民居在該地區(qū)的推廣應(yīng)用提供支持。

1 測試對(duì)象

測試對(duì)象為2層獨(dú)棟裝配式民居，位于陜西省渭南市富平縣孝義村，地處關(guān)中平原，海拔1 400m，年平均氣溫13.1℃，最冷月平均氣溫 -1.4℃，極端最低氣溫-15.7℃，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。常年盛行風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，降水量集中在春夏季，年均降水量約為600mm。熱工分區(qū)屬于寒冷地區(qū)的ⅡA分區(qū)，建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足冬季保溫、防寒的要求。為考察該結(jié)構(gòu)體系建筑在冬季的室內(nèi)熱環(huán)境狀況，在冬季最寒冷的1月份，對(duì)該民居進(jìn)行熱環(huán)境測試與熱舒適狀況評(píng)價(jià)。

圖1 生態(tài)復(fù)合墻板基本構(gòu)造圖

圖2 測試民居南向外觀

該民居為徽派風(fēng)格房屋（圖2），在測試階段較少使用，各房間均無采暖設(shè)施。主要使用房間位于南向，周邊無遮擋。屋頂形式為平屋頂，二層西南側(cè)有可上人室外平臺(tái)。房屋層高為3.3m，東西寬13.2m，南北進(jìn)深10.6m。主入戶門位于北側(cè)，次入戶門位于西南側(cè)，門上無亮子。窗臺(tái)高度為900mm，采用雙玻塑鋼窗，規(guī)格為900mm×2 100mm及1 500mm×2 100mm。住宅整體為全裝配式復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體構(gòu)造及熱工性能指標(biāo)見表1。根據(jù)熱工參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，該民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分傳熱系數(shù)均滿足《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50824—2013）中關(guān)于寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值的規(guī)定。對(duì)屋面和夾心保溫外墻的熱惰性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到其熱惰性指標(biāo)D值分別為3.018和3.219。熱惰性指標(biāo)大，說明溫度波在其間衰減快，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性好。

2 測試方案

2017年1月17～19日，連續(xù)48h對(duì)該房屋進(jìn)行現(xiàn)場測試。主要測試房間為2層?xùn)|南側(cè)的主臥F（圖3），使用四通道熱電偶對(duì)該房間6個(gè)壁面的溫度進(jìn)行記錄。測試項(xiàng)目、儀器和記錄方式等見表2。①溫濕度測點(diǎn)高度為：室內(nèi)0.6m，室外1.5m；②測點(diǎn)位置：室內(nèi)為房間平面對(duì)角線交點(diǎn)處，室外選擇空曠處，并進(jìn)行遮光處理；③壁面溫度測點(diǎn)布置在房間墻面規(guī)則部分的對(duì)角線交點(diǎn)處，高度約1.5m。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 空氣溫度

由圖4可以看出，測試期間，該房屋的室外溫度波動(dòng)較大。其中，室外最高溫度為10.8℃，出現(xiàn)在17日15:00；最低溫度為-2.3℃，出現(xiàn)在19日早上7:00～8:00。室外平均溫度為2.2℃；溫度波幅為13.1℃。

相較于室外溫度，該房屋主要房間的平均室內(nèi)溫度在5℃以上，溫度波幅較小。同時(shí)，該房屋并未使用采暖設(shè)施，且活動(dòng)人員較少，說明該夾心保溫復(fù)合墻體具有良好的保溫性能。測試中，南向房間平均溫度在6.1～7.4℃之間，波幅在3.8～6.1℃之間；北向房間平均溫度在3.5～5.9℃之間，波幅在1~3.6℃之間。其中，溫度狀況綜合最優(yōu)的房間為一層南向房間C，平均溫度7.4℃；最差的房間為二層北向房間D，平均溫度為3.5℃，溫度波幅1℃。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法及熱工性能指標(biāo)

表2 測試所需儀器及參數(shù)

圖3 各房間使用功能及測點(diǎn)布置平面圖

圖4 測試期間室內(nèi)外各測點(diǎn)溫度變化圖

圖5 室內(nèi)外各測點(diǎn)溫度對(duì)比圖

圖5 為室內(nèi)外各測點(diǎn)溫度在峰值、谷值和平均值的對(duì)比，圖中可見主測試房間F的最高溫度相較于其他各測試房間，數(shù)值最大。這是由于該裝配式復(fù)合墻民居的特殊設(shè)計(jì)，使臥室F在白天時(shí)，其東、西、南墻及屋面均可以在不同時(shí)段受到日光直射，使得其室內(nèi)溫度最高值高于其他房間。

由于該房屋所在地屬于建筑熱工分區(qū)中的寒冷地區(qū)，在實(shí)際的使用中，必須使用輔助熱源才能滿足居住的熱舒適需求，而該裝配式體系住宅本身良好的保溫性能，正好在一定程度上可輔助節(jié)約熱能耗。在文獻(xiàn)3中，通過現(xiàn)場測試、問卷調(diào)查及理論分析等方法，提出了適合西北農(nóng)村建筑冬季熱舒適溫度不應(yīng)低于15℃的室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)，可作為西北地區(qū)農(nóng)村室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

圖6 測試期間室內(nèi)外各測點(diǎn)濕度變化圖

3.2 相對(duì)濕度

從圖6可以看出，室外濕度在測試時(shí)段的波動(dòng)范圍為27%~74%，變化幅度較大，呈現(xiàn)下午較低、夜晚至凌晨較高的趨勢(shì)。房間內(nèi)濕度水平受光照和人的活動(dòng)影響較大，呈現(xiàn)出北向房間的濕度高于南向房間，且使用頻繁的房間濕度變化幅度高于使用率低的房間的特點(diǎn)。位于北向且較少使用的房間D，其平均濕度約77%，全天均維持在較高水平，超出了舒適性相對(duì)濕度范圍40%～70%的規(guī)定[4]。其他房間的平均相對(duì)濕度約65%左右，日波幅低于25%，屬于舒適的濕度范圍。但住宅整體的濕度處于較高水平，冬季室內(nèi)濕度高會(huì)增加人體濕冷的感覺，影響舒適度。造成室內(nèi)濕度較高的原因，一是室外濕度處于較高水平，對(duì)室內(nèi)濕度造成了較大影響；二是室內(nèi)無采暖，且冬季門窗關(guān)閉，導(dǎo)致室內(nèi)通風(fēng)不暢、濕氣凝滯。

3.3 平均輻射溫度

人的熱舒適感主要建立在人和周圍環(huán)境正常的熱交換上，人體熱舒適方程為：

式中， Δq—人體得失熱量（W）；

qm—人體新陳代謝過程的產(chǎn)熱量（W）；

qc—人體與周圍空氣的對(duì)流換熱量（W）；

qr—人體與周圍表面的輻射換熱量（W）；

qe—人體蒸發(fā)散熱量（W）。

熱舒適方程中，占總散熱量比重最大的是輻射散熱，約為45%～50%[5]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁與人之間的輻射熱交換對(duì)人體的冷熱感具有重要影響。因此，以二層主臥F為測試對(duì)象，使用四通道熱電偶對(duì)其四壁、頂棚及地面的表面溫度進(jìn)行測試記錄。

在室內(nèi)氣候中，氣溫與周圍壁面溫度相差很大時(shí)，熱輻射的影響就非常大，形成平均輻射溫度（Mean Radiant Temperature，MRT）問題[6]。平均輻射溫度 tr是室內(nèi)輻射換熱量的標(biāo)志，用來反映周圍物體表面溫度對(duì)人體輻射散熱強(qiáng)度的影響。平均輻射溫度的計(jì)算公式為：

式中， tr—平均輻射溫度（℃）；

tj—周圍環(huán)境第j個(gè)表面的溫度（℃）。

根據(jù)上式對(duì)該房間的壁面溫度進(jìn)行處理，得到其平均輻射溫度的日間變化（圖7）。

由圖7可以看出，在8:00～19:00時(shí)段，房間的平均輻射溫度與室內(nèi)空氣溫度接近，壁面不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生較大冷輻射；其他時(shí)段高于室內(nèi)空氣溫度1.3℃左右，原因在于夜間時(shí)段該房間無人使用，同時(shí)，也說明該復(fù)合墻體有較好的蓄熱性能和熱穩(wěn)定性能。

4 結(jié)論與建議

（1） 通過本次現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)該新型裝配式夾心保溫復(fù)合墻民居在保溫性能、熱穩(wěn)定性能等方面表現(xiàn)良好，這與圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算的結(jié)果一致。夾心保溫復(fù)合墻板、鋼桁架疊合樓板、鋼桁架疊合屋面板、塑鋼雙玻窗的使用提高了建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體熱工性能，改善了室內(nèi)熱環(huán)境。鑒于本次冬季測試是在無熱源、少人使用的狀況下進(jìn)行的，在實(shí)際使用中，通過采暖設(shè)施及適當(dāng)改進(jìn)使用習(xí)慣，可達(dá)到預(yù)期的舒適熱環(huán)境狀態(tài)。

圖7 主臥F溫度與平均輻射溫度對(duì)比圖

（2） 從測試結(jié)果來看，相較于室外溫度，該裝配式住宅各房間平均溫度較高，溫度波幅較低，夜間平均輻射溫度高于室溫，不會(huì)對(duì)室內(nèi)產(chǎn)生冷輻射。綜合說明該復(fù)合墻體具有良好的保溫性能和熱穩(wěn)定性能。

（3） 測試顯示，在不開窗的狀況下，室內(nèi)各房間濕度值雖能保持在30%～70%的舒適范圍內(nèi)，但住宅整體平均濕度偏高，這在冬季室溫較低的情況下會(huì)對(duì)人體熱舒適造成較大影響，使人產(chǎn)生濕冷的感覺。由于建筑密封性較好，長期關(guān)門閉窗將造成房間內(nèi)濕氣凝滯，熱舒適水平下降。建議在午后適當(dāng)開窗進(jìn)行間歇通風(fēng)，以利房間散濕。