夏熱冬冷地區居住建筑基于熱舒適的熱環境評價指標

肖堅，周晉，徐峰，張國強

（1.湖南大學 建筑學院，湖南 長沙，410082；2.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410082）

隨著人口的增長、生活水平的提高以及未來可能的能源短缺，能源問題在當前顯得越來越突出[1]。到2003年，建筑部分消耗的能源折算為標準煤達到1.92億t，占到當年社會總能耗的11.3%，僅次于工業能耗，位列第二位[2]。但是，建筑特別是居住建筑部分的能源利用效率依然處于很低的水平[3]。針對這些問題，我國頒布了很多建筑節能的法規，如：1986年頒布了第1部建筑節能設計法規《民用建筑節能設計標準（采暖居住部分）》（JG J26—86）[4]；1995年又頒布了修訂的《民用建筑節能設計標準（采暖居住部分）》（JGJ 26—95）[5]，提出了節能50%的目標。隨著中國其他氣候區的建筑能耗不斷增加，相繼頒布了《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 34—2001）[6]和《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》（JG J75—2003）[7]。這些標準從建筑圍護結構和暖通空調設備能耗方面對建筑進行了規范和指導，目的在于降低建筑能耗，改善建筑室內熱環境。雖然居住建筑的能耗不斷增大，能源的利用效率低，但在某些地區例如夏熱冬冷地區，由于受生活習慣、氣候條件及經濟因素的影響，該地區居住建筑內的采暖空調設備運行時間短，多為間斷式，局部運行使用，能耗較低。大多數建筑依靠遮陽、保溫、隔熱、自然通風等被動式技術來獲得舒適的室內熱環境，從而減少暖通空調設備的使用時間，繼而減少能源費用的支出。此種設備運行特點與相關節能標準能耗計算所采用的設備運行條件不一致，造成標準中規定的居住建筑節能指標往往與現實節能效果差別較大[8]。良好的室內熱環境意味著出現過冷或者過熱的情況較少，使用暖通空調設備的時間也會減少，設備能耗也會相應降低，為此，本文作者提出室內熱環境評價指標，并研究建筑圍護結構方面對此指標的影響因素，以便更符合夏熱冬冷地區居住建筑的實際情況。

1 熱環境評價指標

20世紀初，發達國家的學者就開始了對室內熱環境的研究，研究成果主要體現在熱環境評價指標、人體與環境傳熱模型等方面[9]。現有的熱環境評價指標主要有有效溫度、PMV-PPD指標、熱應力指標、冷風效應指數（如WCI）等[10]，但這些指標往往只能評價單一時刻或若干時刻建筑室內熱環境，難以評價建筑圍護結構設計對室內熱環境性能的長期影響。

建筑圍護結構設計直接影響到室內的熱環境，當前利用已有的熱環境評價指標研究室內熱環境性能的較多[11?14]，但受研究對象數量和采樣時間的限制，研究結論的普遍性和可推廣性不強。

1.1 獲得室內熱舒適的溫度范圍

本文作者分別于 2007年冬季和夏季在湖南省北部進行了2次調研，每次持續時間為7 d。調查內容包括2個方面：一是室內外溫度客觀觀測量，二是受試者對室內溫度的主觀評價調查結果。采用實驗儀器測量及問卷調查的方式。冬季調查住宅建筑樣本30戶，50位居民接受熱環境問卷調查；夏季調查住宅建筑樣本55戶，81位居民接受熱環境問卷調查。調查結果見表1。

表1 冬季和夏季室內溫度統計Table 1 Winter and summer indoor temperature ℃

表1中：tai為室內空氣溫度；tao為室外空氣溫度；tgi為室內黑球溫度；tgo為室外黑球溫度；toi為室內操作溫度；too為室外操作溫度。操作溫度出現的頻率是反映溫度對熱環境影響持續性的重要指標。通過統計得出：在所測住宅建筑內和所測期間，冬季室內操作溫度主要分布在8～10 ℃，占總樣本的70%左右，6～8℃的溫度占 20%；而室外操作溫度則有 50%集中于6～8 ℃，30%集中在8～12 ℃。夏季室內操作溫度主要分布在29～31 ℃，占總樣本的50%；而室外操作溫度分布范圍很廣，各溫度段的頻率相差不是很大。

在獲得當地冬夏季室內溫度的分布狀況，并在此基礎上對受訪的居民進行熱感覺投票后得出：冬季可接受的熱舒適操作溫度范圍為9.61～16.72 ℃，夏季可接受的熱舒適操作溫度范圍為 16.72～30.95 ℃。夏、冬季節分別是1年中的最熱和最冷季節，因此，分別取冬季的下限和夏季的上限得到全年可接受的熱舒適操作溫度范圍為9.61～30.95 ℃。

1.2 室內熱環境評價指標

根據實測調查結果，該地區實測平均室內操作溫度范圍分別為：冬季8～10 ℃，夏季29～31 ℃。可以看出：冬夏季平均室內操作溫度介于可接受的熱舒適操作溫度范圍內。冬夏季是1年中最冷和最熱的季節，其他季節的室內操作溫度更應該集中在可接受的熱舒適溫度范圍以內。同樣，全年中絕大部分時間內室內的操作溫度是介于可接受熱舒適溫度范圍內的。既然溫度已經處于可接受的熱舒適狀態，那么，在此范圍內再研究熱環境和人體熱舒適度無太大意義。需要關注的是在可接受熱舒適溫度范圍以外的溫度分布。可接受熱舒適溫度范圍以外的高溫或低溫出現的頻率越小，則室內的熱環境越好。

當室內操作溫度toi＜9.61 ℃或toi＞30.95 ℃時，定義為熱不舒適溫度范圍。記tL=9 ℃，tH=31 ℃，tL為熱舒適溫度下限值；tH為熱舒適溫度上限值。則當toi＜tL或 toi＞tH時，室內操作溫度位于熱不舒適溫度范圍。

此時,可以定義 1個熱不舒適度指標（TUCI）。熱不舒適度指標TUCI的計算過程如下。

（1）通過軟件建立模型模擬，得出某實例建筑標準氣象年中全年室內逐時操作溫 toik（k=1，2，…，8 760）。

（2）計算全年室內逐時操作溫度的出現頻率，最低溫度記為toimin，最高溫度記為toimax，步長為1 ℃，各溫度 tj出現的頻率記為 fj（j=1，2，…，n），n=toimax?toimin+1。其中：T1=toimin；T2= toimin+1；…；Tn=toimax。

（3）當 Tj∈[ toimin,tL]時，可以得到冬季室內熱不舒適度指標TUCIiw:

（4）當 tj∈[ tH,toimax]時，可以得到夏季室內熱不舒適度指標TUCIis:

（5）考慮到不同氣候區的室外氣候條件相差很大，需要考慮室外的氣候因素。可采用同樣方法，得到室外熱不舒適度指標：冬季室外熱不舒適度指標TUCIow,夏季室外熱不舒適度指標TUCIos，通過冬夏季室內外熱不舒適度指標之比，可以得到冬、夏季室內熱環境評價指標Iw和Is：

式中：Iw為冬季室內熱環境評價指標；Is為夏季室內熱環境評價指標。從計算公式可以得出：I一般介于0到1之間，當I等于0時，表示室內熱不舒適度指標為0，即沒有超過熱舒適范圍以外的溫度出現；I等于1表示室內熱不舒適溫度出現的頻率與室外的相同；I越接近 0，表示室內熱不舒適溫度出現的頻率越少，室內的熱環境狀況越好；I越接近1，表示室內熱不舒適溫度出現的頻率越接近室外出現的頻率，室內的熱環境狀況越差。在某些極端情況下，I有可能大于1，說明室內熱不舒適溫度出現的頻率比室外的還要高。由于I直接反映了室內的熱環境狀況，因此，可以作為室內熱環境評價指標進行研究。

2 模擬分析

通過對湖南省長沙市1棟住宅建筑軟件模擬，研究冬季熱環境評價指標Iw及夏季熱環境評價指標Is在建筑采用不同被動式節能技術時的變化情況，并以此對比各被動式節能技術對室內熱環境的影響。模擬采用DesignBuilder，它是專門針對Energyplus開發的用戶圖形界面軟件，包括所有EnergyPlus的建筑體型、構造、材料、人員活動、內部設備等系統數據的輸入部分，是1個針對EnergyPlus建筑能耗動態模擬引擎開發的綜合用戶圖形界面模擬軟件。

原型建筑模型為1棟單層平屋頂住宅、磚混結構，層高為3 m，建筑面積為64.8 m2，室內共3間房，各房間尺寸相同：長為5.5 m，寬為3.4 m，內門長×寬為2.7 m×0.9 m，外門長×寬為2.7 m×1.4 m。窗臺高為0.9 m，窗高為1.8 m。圖1所示為模型立面圖。

圖1 原型模型透視圖Fig.1 Perspective picture of prototype model

采用不同被動式技術的算例如下：

（1）窗墻比。算例case_01～case_10的窗墻比分別為10%，20%，…，100%（依次增加10%）。圖2所示為窗墻比為10%的模型透視圖。

（2）屋面鋪貼 EPS板。算例 case_01～case_08的EPS板厚度分別為30，40，…，100 mm（依次增加10 mm）。圖3所示為屋面鋪貼30 mm厚EPS板的模型透視圖。

（3）外墻黏貼 EPS板。算例 case_01～case_08的EPS板厚度分別為30，40，…，100 mm（依次增加10 mm）。圖4所示為外墻黏貼30 mm厚EPS板的模型透視圖。

（4）外窗水平遮陽。算例case_01～case_11遮陽板的出挑長度分別為0.5，0.6，…，1.5 m（依次增加0.1 m）。圖5所示為外窗水平遮陽出挑0.5 m時模型透視圖。

通過對采用 5種不同被動式技術算例的軟件模擬，得到典型氣象年中Iw和Is，如表2所示。

表2 I模擬結果Table 2 Simulation results of I

圖2 窗墻比為10%時的模型透視圖Fig.2 Perspective picture of model when glazing ratio is 10%

圖3 屋面鋪貼30 mm的 EPS板模型透視圖Fig.3 Perspective picture of model for 30 mm EPS board

（1）從表 2可以得到：在所列的被動式節能技術中，屋面鋪貼EPS板的算例夏季Is及冬季Iw與其中算例相比都是最小的。說明在單層房屋中，屋頂使用保溫隔熱材料可以使全年的室內熱環境得到明顯改善。Is都為0，說明室內夏季熱不舒適度指標TUCIis為0，室內沒有出現過熱不舒適溫度,即室內熱環境都處于舒適狀態；Iw隨著EPS板的厚度增加而逐漸減小，即熱感覺的不舒適度逐漸減小，說明冬季隨著屋面EPS板增厚，室內熱環境趨于舒適。外墻黏貼EPS板對室內熱感覺的改善效果僅次于屋面鋪貼 EPS板的改善效果，Iw和Is都隨著外墻保溫板厚度增大而減小。

圖4 外墻黏貼30 mm EPS板的模型透視圖Fig.4 Perspective picture of model for 30 mm EPS board on external wall

圖5 外窗水平遮陽、出挑0.5 m時的模型透視圖Fig.5 Perspective picture of model for outdoor horizontal shading when extension length is 0.5 m

（2）在窗墻比的算例中，隨著開窗面積的不斷增大，Is單調增大，而Iw單調減小，兩者呈現相反的發展趨勢。這是因為大面積的玻璃窗增加了入射到室內的陽光，使得冬季的室內更溫暖，熱環境更舒適，而夏季室內更炎熱，熱環境更差。在冬季在開窗面積接近100%時，IS出現大于1的情況，說明室內的熱感覺不舒適度比室外的大。這是由于大面積玻璃的溫室效應導致室內溫度高于室外溫度。

（3）夏、冬2季熱環境指標I呈反向發展趨勢同樣出現在窗戶水平遮陽的算例中。隨著遮陽板長度的增加，入射到室內的陽光量減少，因此，Is單調減小，Iw單調增大，但變化的幅度都比較小。說明與開窗面積相比，遮陽板的長度對室內溫度及熱環境的影響要小。

3 結論

（1）由于生活習慣、氣候特點及經濟因素的影響，夏熱冬冷地區住宅普遍使用隔熱、遮陽、自然通風等被動式手段來改善室內熱環境，減少暖通空調設備的使用，因此，這個地區的暖通空調設備具有使用時間短、間斷不連續、局部運行的特點。這與一些相關建筑節能標準中能耗計算所采用的設備運行條件不一致，使得標準規定的節能指標與實際的節能效果有較大差別。

（2）舒適的室內熱環境意味著暖通空調設備的開啟率和運行時間較低，也意味著設備能耗較少，為此，提出了基于熱舒適的熱環境評價指標 I。該指標以冬夏季熱不舒適溫度出現頻率為基礎，對比冬夏季室內外熱不舒適度來獲得室內熱環境評價。該指標能較準確地反映建筑圍護結構變化對室內熱環境的長期影響，由此可以確定此指標能夠用來評價室內熱環境的長期狀況。住宅內舒適熱環境的時間越長，人們開啟制冷或采暖設備的時間就減短，建筑就越節能。因此，基于熱舒適的熱環境評價指標I也可以用來對比不同圍護結構下的建筑的節能效果。但是，I存在以下不足之處：① 因為人體的熱感覺除了與溫度有關外，還與相對濕度，風速等相關，而這些影響因素并沒有考慮；②不同氣候區的人，其熱舒適的溫度范圍不一定相同，因此，確定這個溫度的范圍需要進行樣本量充足、涵蓋面廣的問卷調查。這有待進一步研究。

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