唐山市供暖期前后室內熱環境研究分析

劉宇佳

【摘要】本文以唐山地區為例，使用Weathertool軟件模擬分析唐山市供暖期前后氣候特點。選取典型既有居住建筑為測試對象進行熱環境測試。對供暖期前后的室內四種熱環境物理參數進行現場實測，總結該時間內唐山市居住建筑的熱環境特點與不足，計算室內PMV值，提出對建筑圍護結構的改善建議，為建筑優化設計提供研究基礎。

【關鍵詞】寒冷地區;供暖期前后;室內熱環境;熱舒適;現場測試

1、研究背景

居住建筑作為人類重要的生活場所，在人們生活中扮演著重要的角色。調查研究表明，我國住宅建筑存在供暖期前后室內熱舒適較差的問題，居民普遍反映室內寒冷，相對濕度普遍偏高，容易引起身體不適等問題。人們需要進行人工干預性取暖，即人為增加空調、電暖氣等設備。同時這種人為干預造成了能源浪費、環境破壞和熱島效應嚴重等一系列不良影響。室內熱環境較差，與建筑自身圍護結構的熱工性能較差有較大關系，可見居住建筑在室內熱環境設計時仍有不足之處與誤區。從以人為本的建筑設計角度出發，研究供暖期前后居住建筑的室內熱環境現狀，對建筑圍護結構進行優化設計，符合我國建筑節能的發展需要。

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）數據分析總結唐山市供暖期前后期間的氣候特點。對唐山地區供暖期前后的氣象參數：太陽輻射、干球溫度、相對濕度、風環境進行總結。唐山市集中供暖時間通常為當年11月15日至次年3月15日。研究時間界定區間為：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太陽輻射

通過圖1所示，可以知道唐山地區的供暖期前后平均太陽輻射值約為3000kwh/㎡，唐山地區太陽輻射量較高，可利用太陽輻射的相關設計策略提高室內熱環境水平。

2.2干球溫度

由逐時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算出該溫度環境下，室內熱舒適溫度。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相對濕度

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

2.4風環境分析

如圖為唐山地區春季（圖6）、秋季（圖7）風向頻率圖。圓環的坐標代表風的方向，縱向坐標表示風速，顏色深、淺對應風的頻率低、高。通過此氣象數據，唐山地區春季主要風向為西南向，最大風速超過50km/h，其余各向風速較均勻，30-40km/h。唐山地區秋季主要風向為東南向，最大風速超過50km/h，其余各向風速較均勻，25-35km/h。唐山全年風向盛行東北，東南，西南風。

3、唐山地區供暖期前后熱環境測試

論文通過現場測試分析住宅中各因素對于使用者在熱舒適方面的影響。選取典型的、有實際研究意義的住宅戶型進行實地測量。測量的內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值及變化規律。分析人的活動特點、作息規律等各種可能影響室內內熱舒適的因素。

3.1測試對象

測試對象選取唐山市路北區山西南里小區2號樓，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㎡，結構類型：磚混結構。建筑詳情：該建筑建于1986年，于2019年完成二次改造。改造后建筑圍護結構做法見表1，樓梯間窗材質為白色推拉塑鋼5mm厚單玻窗。測試房間位置位于第三單元四層東戶（圖8）。

3.2 測試內容及方法

3.2.1測點布置

根據老舊小區的戶型特征，選取南向臥室，北向臥室，北向客餐廳三個房間進行測試，均無輔助供暖與加濕設備。測點A、B、C、D，用于室內空氣溫度測試，相對濕度測試及空氣流速測試，測點E用于室外空氣溫度測試和相對濕度測試（圖9）。測點高度定為距地600mm處位置，且保證所有測點距離建筑墻體500mm以上。

3.2.2測試時間

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

3.2.3測試儀器

本次測試采用臺灣TES-1362自記錄溫濕度測試儀、臺灣TES-1341熱敏式風速計、建通R09輻射熱計。測試周期以一天24小時計。

3.2.4供暖期前后期測試結果及分析

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℃。室外日平均相對濕度約為34.33%。供暖期后期室外空氣溫度、相對濕度變化趨勢由圖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℃。室外日平均相對濕度為33.91%。供暖期前期室外空氣溫度、相對濕度變化趨勢由圖12、圖13可見。

室內空氣溫度：供暖期后期測試時間內，室內平均空氣溫度約為19.2℃。室內最高空氣溫度為24.3℃最低空氣溫度為16.2℃。供暖期前期室內平均空氣溫度約為18.16℃。室內最高空氣溫度為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見圖14、圖15。

室內空氣溫度分析：1）寒冷地區舒適性空氣調節室內計算溫度為18～24℃。從結果中可見，在供暖期前后期該戶室內平均空氣溫度為在規范要求內。供暖期前后期測試中有1/2的時間，室內空氣溫度低于18℃。2）室外空氣溫度對室內的影響較小，建筑內部熱穩定性較優，建筑外墻的蓄熱性較優。室外空氣溫度日溫差約為13℃，室內空氣溫度差僅在1.24℃上下浮動。空氣溫度日波動幅度情況為室外>南臥室>客餐廳>北臥室。南臥室溫度波動較大主要受太陽輻射影響，室內溫度隨太陽輻射強度變化，日間空氣溫度達到最大值，夜間則通過輻射向室外釋放大量熱量，體現圍護結構保溫性能較差。北臥室溫度波動最小，主要因為臥室無通風，人員生活行為影響較小，圍護結構熱惰性較大。客餐廳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。

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

室內相對濕度分析：供暖期前后住宅建筑在無自然通風狀態下，室內相對濕度受室外相對濕度影響較小。1）寒冷地區舒適性濕度應符合30%～60%。在供暖期后期該戶室內平均相對濕度為在規范要求內，供暖期前期相對濕度不滿足規范要求。2）南向房間的平均相對濕度較低，存在洗衣晾曬行為影響但房間仍較為干燥。南臥室室內相對濕度主要受空氣溫度影響，變化隨室內空氣溫度變化呈負相關狀態。同理可見，北臥室無加濕措施以及活動影響相對濕度的行為，空氣溫度較低，室內相對濕度較高，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。客餐廳相對濕度由于住戶日常盥洗、炊事等生活習慣影響，變化較大無規律。4）供暖期前期建筑整體情況較穩定，室內濕度較大。供暖期前期與供暖期后期相對濕度存在明顯差異性的原因，是由于供暖期室內空氣溫度較高使室內相對濕度較低。供暖期前期室內空氣溫度較穩定，南北向房間的相對濕度較平均。

空氣流速分析：供暖期后期室內三個測試房間總體呈無風狀態，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。測試房間無開窗行為，氣密性較好，室內風速不大于《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（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熱舒適評價

分析評價供暖期前后室內熱舒適計算，以Fanger教授建立的熱舒適模型為基礎，用PMV（PredietedMeanVote）作為熱舒適的評價。熱感覺根據ASHRAE的7級指標表示，即-3（冷），-2（涼），-1（稍涼），0（適中），1（稍暖），2（暖），3（熱）。本次測試中，住戶在房間主要行為是靜坐休息，按冬季著裝處理，根據熱舒適模型，PMV計算需設定參數有：人體的新陳代謝率M為58.15W/㎡，機械效率η為0，所穿衣服的熱阻值Icl為1.0clo，人體室內活動量代謝率為1met，空氣流速v為0.05m/s。

供暖期后期室內平均PMV值約為-1.10（圖18），供暖期前期室內平均PMV值約為-1.29（圖19），供暖期后期室內熱舒適度較優于供暖后前期室內舒適度。供暖期后期三個測試房間的PMV值差距不大，三個房間的熱舒適情況相當，原因在于供暖期各房間溫度較平均。供暖期前期，南臥室的舒適度遠優于北臥室和客餐廳，且供暖期前期南臥室的舒適度最好，可見在無供暖設備等干擾因素時，建筑本身南北向房間有明顯舒適度差異。供暖期前期后期，室內實測的熱環境都是稍冷、冷的，均不滿足的PMV熱舒適在-0.5～+0.5的標準范圍。

5、結論與建議

室外空氣溫度對室內的影響較小，建筑內部熱穩定性較優，建筑外墻的蓄熱性較優。南向房間空氣溫度總體高于北向房間，南臥室溫度波動較大主要受太陽輻射影響，可利用太陽輻射進行相對應的建筑優化設計。測試期間無開窗通風行為，室內相對濕度受室外相對濕度影響較小，該圍護結構下建筑整體氣密性較好。建議供暖期前后室內可進行簡單通風，避免換氣量較少、空氣不流通、室內相對濕度較高影響房間舒適質量。供暖期前期后期室內實測的熱環境都是稍冷、冷的，均不滿足的PMV熱舒適標準。該住宅建筑圍護結構做法不滿足建筑保溫性能要求，需在此基礎上加強圍護結構保溫措施，提升外圍護結構的熱工性能，避免冷輻射造成室內溫度較低較的現象。在二次裝修時，不建議住戶將陽臺原有門窗拆除，建議在室內加裝保溫窗簾，日間開啟夜間閉合，防止夜間熱量散失。

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