我國(guó)農(nóng)村居住建筑冬季采暖熱舒適分析

方趙嵩 李大偉 唐天巍 張毓淳 吳會(huì)軍

1 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院

2 中國(guó)民用航空中南地區(qū)空中交通管理局

0 引言

從20 世紀(jì)20 年代開(kāi)始，居住建筑的舒適性一直是科研界備受關(guān)注的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者相繼提出室內(nèi)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)[1-2]。以往的住宅熱舒適研究大多以城市居民為研究對(duì)象[3-5]，鮮少關(guān)注農(nóng)村居民的舒適性。我國(guó)是一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)村住宅數(shù)量多面廣。隨著新農(nóng)村建設(shè)的逐步推進(jìn)，城鄉(xiāng)差距縮小[6-7]，農(nóng)民開(kāi)始富裕起來(lái)，超過(guò)半數(shù)村民更加關(guān)注美好生活“住”的方面[8]。由于農(nóng)村居民的經(jīng)濟(jì)水平、生活習(xí)慣、住宅環(huán)境等方面與城市居民有較大的區(qū)別，因此無(wú)法保證通過(guò)城市住宅建筑熱舒適性研究得出的結(jié)論能夠適用于農(nóng)村住宅。

我國(guó)地域遼闊，不同地區(qū)氣候差異大，不僅住宅建筑圍護(hù)特性各異，居民的生活習(xí)慣也有區(qū)別。本文主要?dú)w納整理現(xiàn)有農(nóng)村住宅熱舒適研究成果，從不同氣候區(qū)典型城市的氣候特點(diǎn)、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面進(jìn)行對(duì)比，分析不同氣候區(qū)農(nóng)村建筑的冬季采暖與室內(nèi)熱舒適情況，為進(jìn)一步研究提供參考。由于溫和地區(qū)氣候溫和濕潤(rùn)，大部分當(dāng)?shù)鼐用穸緹o(wú)需采用采暖設(shè)施，夏季無(wú)需采用降溫設(shè)備[9]，因此本文不予考慮。

1 不同氣候區(qū)農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性

《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50176-2016[10]將我國(guó)劃分成嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)以及溫和地區(qū)五個(gè)大的氣候區(qū)域。由于各個(gè)區(qū)域氣候差異明顯，農(nóng)村建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性也存在不同，文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果表明：農(nóng)村住宅建筑所采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料大多以廉價(jià)、易得為特點(diǎn)。外墻的厚度隨著氣候區(qū)冬季溫度范圍的上升而減小，門(mén)窗的層數(shù)也因氣候區(qū)而異。農(nóng)村地區(qū)建筑的門(mén)窗以木質(zhì)為主，新建住宅多采用鋁合金、塑鋼材料。屋面的形式一般有平屋頂和坡屋頂兩種，屋面形式的選取主要因氣候區(qū)的降雨特點(diǎn)而異，比如，受熱帶風(fēng)暴和密集臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重的夏熱冬冷地區(qū)，屋面形式主要為坡屋頂。其他氣候區(qū)對(duì)屋頂?shù)男问經(jīng)]有特別的要求。嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫措施要求較高，而夏熱冬冷地區(qū)以及夏熱冬暖地區(qū)大多無(wú)額外保溫措施[11]。

2 不同氣候區(qū)農(nóng)村建筑冬季常用采暖形式

在農(nóng)村住宅建筑中，冬季的采暖方式多樣。常用的采暖形式統(tǒng)計(jì)于表1 中。

表1 農(nóng)村住宅建筑常用采暖形式[12-15]

嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)大部分農(nóng)村住宅建筑都布置了采暖設(shè)施。舊宅最常采用的采暖方式是火炕，導(dǎo)致室內(nèi)顆粒物濃度嚴(yán)重超標(biāo)，嚴(yán)重影響健康人群心臟、呼吸系統(tǒng)等，而且溫度分布不均勻，人體舒適度低，在新建住宅中已少有使用。其次是火墻、土暖氣的使用，采暖效果比火炕要好些，也減少了顆粒物濃度。由于前者對(duì)墻體構(gòu)造要求高，后者的氣流組織形式不夠合理，導(dǎo)致這兩種采暖形式下室內(nèi)人體熱舒適度較差。太陽(yáng)能采暖方式下的室內(nèi)熱環(huán)境與室內(nèi)空氣質(zhì)量最好，但是它對(duì)建筑物的要求較高，受天氣影響明顯。鍋爐采暖的住宅室內(nèi)熱舒適性?xún)?yōu)于火炕采暖，差于太陽(yáng)能采暖。且鍋爐采暖以煤為燃料，室內(nèi)顆粒物濃度超標(biāo)嚴(yán)重，使用鍋爐采暖時(shí)需注意室內(nèi)通風(fēng)，及時(shí)更換室內(nèi)空氣。總的來(lái)說(shuō)，各個(gè)氣候區(qū)都有適用太陽(yáng)能和燃煤鍋爐這兩種采暖形式的地區(qū)。

夏熱冬冷地區(qū)冬季濕冷，最冷月平均溫度在零度以上，一般為0～10 ℃。主要采暖形式有：太陽(yáng)能、燃煤鍋爐以及分體空調(diào)。夏熱冬暖地區(qū)長(zhǎng)夏無(wú)冬，最冷月平均溫度＞10 ℃，該地區(qū)農(nóng)村住宅對(duì)采暖的要求比較低，少數(shù)住宅內(nèi)裝有采暖設(shè)施，常用的采暖形式與夏熱冬冷地區(qū)相同。該氣候區(qū)的大部分農(nóng)村住戶(hù)僅在極端寒冷的幾天開(kāi)啟采暖設(shè)備。

3 不同氣候區(qū)農(nóng)村建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境變化特點(diǎn)

3.1 嚴(yán)寒與寒冷地區(qū)[16-19]

《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ26-2018 中第4.3.6 條對(duì)嚴(yán)寒與寒冷地區(qū)居住建筑主要計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，其中，室內(nèi)計(jì)算溫度要求為18 ℃。金虹[16]等對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境舒適溫度的研究，提出建議室內(nèi)舒適溫度為15～18 ℃。

北方城市居民冬季大多在室內(nèi)活動(dòng)，室內(nèi)供暖設(shè)施齊全，溫度適宜，一般為18～22 ℃，滿(mǎn)足建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，農(nóng)村的室內(nèi)熱環(huán)境較差。因其冬季使用的燃料主要是薪柴和稻草，存放在室外庭院中，并且由于農(nóng)村人民勞作的特性以及串門(mén)的習(xí)俗，外門(mén)頻繁開(kāi)閉，這也決定了農(nóng)村人們通常不習(xí)慣穿著過(guò)少，對(duì)應(yīng)的服裝熱阻升高，相應(yīng)人們對(duì)較低室溫的接受程度較高。

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅主要房間冬季實(shí)測(cè)日平均溫度均低于18 ℃，嚴(yán)寒地區(qū)平均室溫大約為8～11 ℃左右，寒冷地區(qū)平均室溫5～12 ℃。白天由于村民一日三餐都要加熱火炕，且大部分時(shí)間在客廳活動(dòng)，火炕對(duì)客廳室內(nèi)空氣進(jìn)行加熱，其蓄熱能力足以使室內(nèi)溫度維持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。到了晚上十點(diǎn)半左右，隨著室外溫度的不斷降低，屋內(nèi)供暖設(shè)備散熱量降低，造成室溫較大幅度降低。對(duì)于臥室空間，北方人民習(xí)慣晚上八點(diǎn)以后開(kāi)始陸續(xù)就寢，所以大部分家庭會(huì)燒炕，針對(duì)性的加熱臥室小空間區(qū)域，從而晚上八點(diǎn)以后臥室局部溫度較高，但其全天溫度波動(dòng)最明顯。

3.2 夏熱冬冷地區(qū)[20-21]

《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ134-2010 中第3 節(jié)規(guī)定，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)冬季采暖熱環(huán)境設(shè)計(jì)計(jì)算溫度為18 ℃。

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村住宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境中溫度變化大多在可接受范圍內(nèi)，趙田等人[26]在湖北農(nóng)村地區(qū)住宅建筑室內(nèi)熱舒適的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，冬季主要使用房間的室內(nèi)平均溫度為10.4～14.7 ℃，比室外高0.7～4 ℃，在可接受范圍內(nèi)。冬季閣樓的室內(nèi)溫度隨著室外溫度的變化波動(dòng)幅度最大，說(shuō)明這一地區(qū)屋面的傳熱性能影響室內(nèi)熱環(huán)境。另外，在南面開(kāi)窗面積較大的臥室冬季日平均溫度最高，說(shuō)明該地區(qū)窗墻比以及外窗朝向問(wèn)題對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境也有較大影響。

3.3 夏熱冬暖地區(qū)[22-23]

《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ75-2012 中，對(duì)夏熱冬暖北區(qū)冬季采暖室內(nèi)熱換季設(shè)計(jì)計(jì)算溫度的規(guī)定值為16 ℃，對(duì)南區(qū)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度不做要求。夏熱冬暖地區(qū)最冷月平均溫度大于10 ℃，綜合文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果來(lái)看，該氣候區(qū)的一些典型城市農(nóng)村住宅冬季室內(nèi)整體溫度水平較高，一般不低于12 ℃，但普遍存在濕度較高的情況。

金玲等人[23]在粵東農(nóng)村的三類(lèi)住宅中進(jìn)行了室內(nèi)熱環(huán)境及舒適性研究，結(jié)果表明該地區(qū)冬季室內(nèi)溫度波動(dòng)非常平緩，日平均溫度為15.5 ℃，大于室外平均氣溫；但是相對(duì)濕度依然很高，平均相對(duì)濕度為82%。在一類(lèi)設(shè)置有天井的農(nóng)村住宅中，由于廳堂與天井相連形成非密閉的半開(kāi)放空間，其冬季室內(nèi)溫度要低于其他類(lèi)型的住宅1～2 ℃左右。

3.4 不同氣候區(qū)室內(nèi)舒適情況匯總

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研[24-32]，筆者在下表2 中統(tǒng)計(jì)了不同氣候區(qū)農(nóng)村居民對(duì)室內(nèi)環(huán)境的熱舒適狀態(tài)，包括滿(mǎn)意情況，中性空氣溫度、熱舒適區(qū)間以及可接受區(qū)間。所調(diào)研文獻(xiàn)中，所有測(cè)試環(huán)境大多控制與當(dāng)?shù)鼐用袢粘Ｉ钋闆r一致，嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的調(diào)研均在室內(nèi)正常供暖的條件下進(jìn)行。

從表2 中可看到大部分調(diào)研地區(qū)農(nóng)村居民對(duì)所處環(huán)境的可接受百分比超過(guò)80%，滿(mǎn)意度較高。寒冷地區(qū)中的哈爾濱市、夏熱冬冷地區(qū)的湘西土家族苗族自治州，以及夏熱冬暖地區(qū)的廣東省地區(qū)滿(mǎn)意度均超過(guò)90%。這是由于嚴(yán)寒地區(qū)冬季氣溫較低，農(nóng)村居住建筑在圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面更加注重做好保溫措施，再加上嚴(yán)寒地區(qū)室內(nèi)采暖設(shè)施充足，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的滿(mǎn)意程度自然較高。而夏熱冬冷地區(qū)以及夏熱冬暖地區(qū)冬季室內(nèi)溫度本不低，再加上適當(dāng)?shù)牟膳胧┠軌蛱岣邿崾孢m滿(mǎn)意度。相比之下，寒冷地區(qū)的代表如西安省，室內(nèi)熱舒適滿(mǎn)意度調(diào)查情況較差，采暖條件下僅50%左右的居民認(rèn)為環(huán)境可接受，采暖條件下室溫與自然室溫相差僅1.7 ℃，說(shuō)明當(dāng)?shù)刈≌覂?nèi)熱環(huán)境普遍較差。

表2 不同氣候區(qū)室內(nèi)熱舒適情況

中性空氣溫度以及可接受空氣溫度區(qū)間隨著氣候區(qū)南移逐漸升高，嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)對(duì)偏冷環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。不同氣候區(qū)的熱舒適空氣溫度區(qū)間沒(méi)有特定規(guī)律。但從文獻(xiàn)調(diào)研可知，嚴(yán)寒地區(qū)室內(nèi)熱舒適空氣溫度區(qū)間的下限值與上限值最高，說(shuō)明該地區(qū)農(nóng)村居民對(duì)住宅的舒適性感到滿(mǎn)意，但還不是非常理想。他們可以接受的空氣溫度較低，但感到熱舒適的溫度區(qū)間比可接受的溫度要高得多。

ASHRAE Standard 推薦熱舒適區(qū)域指的是80%可接受度的熱舒適區(qū)域，是基于10%的整體熱舒適不滿(mǎn)意度（即使用PMV-PPD 模型計(jì)算得到PPD=10%）和10%的局部熱舒適不滿(mǎn)意度確定得到。《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[33（]以下簡(jiǎn)稱(chēng)民規(guī)）對(duì)供熱工況下舒適空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，室內(nèi)溫度22～24 ℃，相對(duì)濕度大于30%為舒適度較高的環(huán)境，舒適度一般的可接受室內(nèi)溫度為18～22 ℃。將調(diào)研地區(qū)冬季實(shí)際熱舒適區(qū)域、ASHRAE Standard 推薦熱舒適區(qū)域，以及民規(guī)提出的溫濕度范圍進(jìn)行對(duì)比，如圖1 所示。可以看出，ASHRAE Standard 推薦的熱舒適區(qū)域明顯空氣溫度更高，民規(guī)提出的舒適范圍以及可接受范圍相比ASHRAE 熱舒適范圍更貼近實(shí)際調(diào)研結(jié)果。農(nóng)村住宅居民認(rèn)為舒適的空氣溫度實(shí)際比ASHRAE Standard 推薦值要低得多，說(shuō)明他們對(duì)低溫的承受能力更強(qiáng)。隨著氣候區(qū)南移，熱舒適空氣溫度區(qū)間也逐漸變寬。

圖1 ASHRAE Standard 推薦熱舒適區(qū)域與調(diào)研地區(qū)冬季實(shí)際熱舒適區(qū)域

4 結(jié)語(yǔ)

不同氣候區(qū)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)需依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鬟x擇，盡可能更好地保證室內(nèi)熱舒適。不同氣候區(qū)典型農(nóng)村建筑，盡管已經(jīng)因地制宜采取不同的采暖設(shè)施取暖，但由于生活習(xí)慣以及建筑特點(diǎn)，仍存在溫度不適宜的情況。目前已有冬季農(nóng)村室內(nèi)熱舒適情況的研究，主要集中在實(shí)測(cè)及已有采暖方式的優(yōu)勢(shì)及弊端，而針對(duì)各地區(qū)現(xiàn)有采暖方式進(jìn)行改良優(yōu)化的研究極少。發(fā)展新農(nóng)村，需要積極創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造更加適合各個(gè)氣候區(qū)農(nóng)村住宅建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合以及采暖方式，以更好地滿(mǎn)足農(nóng)村人民對(duì)美好生活“住”的方面的需求。