蘇南地區三種典型城鄉居住建筑夏季環境實測*

梁　銳，朱軼韻，劉加平，張　群，，慧善康，吳小翔

(1.西安美術學院 建筑環境藝術系，陜西 西安 710065；2.西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055；3.西安理工大學 土木建筑學院，陜西 西安 710048；4.蘇州市建筑科學研究院有限公司 院士工作站，江蘇 蘇州 215104)

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蘇南地區三種典型城鄉居住建筑夏季環境實測*

梁銳1，2，朱軼韻3，劉加平2，張群2，4，慧善康4，吳小翔4

(1.西安美術學院 建筑環境藝術系，陜西 西安 710065；2.西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055；3.西安理工大學 土木建筑學院，陜西 西安 710048；4.蘇州市建筑科學研究院有限公司 院士工作站，江蘇 蘇州 215104)

居住建筑面積由于所占比重大，對于建筑節能和環境改善意義重大。夏熱冬冷地區夏季高溫高濕、冬季濕冷，居住建筑需要同時處理夏季防熱和冬季保暖這一對矛盾，相對嚴寒、寒冷和夏熱冬暖地區單一、明確的任務而言，技術上十分困難，是建筑設計的難點。為掌握解該地區城鄉居住建筑夏季熱環境的實際狀況，在蘇州市選擇了具有代表性的2種鄉村建筑(單層和兩層)和一種城市住宅建筑(高層)，采用實地現場測試的方法，對室內溫濕度、壁面溫度、氣流速度等熱環境指標進行了測試，經過數據統計分析，結果表明3類建筑在室內熱環境營造方面均存在優缺點，提出了改善夏季熱環境質量的設計建議。

蘇南地區；夏熱冬冷地區；居住建筑；夏季熱環境；測試分析

2.SchoolofArchitecture，Xi’anUniv.ofArch.&Tech.，Xi’an710055，China；

3.SchoolofCivilEngineeringandArch.，Xi’anUniv.ofTech.，Xi’an710048，China；

4.AcademicianWorkstation，SuzhouAcademyofBuildingResearch，Suzhou215104，China)

0　引　言

目前，中國既有建筑面積已經超過500億m2[1]，其中居住建筑面積總量占到全社會總存量73%左右[2]，且多數為非綠色建筑，其室內熱環境質量直接關系到居住舒適度、能耗水平和節能減排目標實現。

從綠色建筑基本要求出發，只有對氣候條件做出充分適應，建筑才能實現舒適和節能的目標[3]。嚴寒寒冷和夏熱冬暖地區分別有其明確、單純的氣候設計目標，居住建筑設計只要控制日照朝向、體形系數、窗墻比、圍護結構傳熱系數、遮陽、換氣次數、暖通空調系統效率[4-5]等方面，室內舒適度就可以得到充分保障，研究與工程實踐情況較好。但是，對于中國人口稠密、存量和增量建筑規模巨大的夏熱冬冷地區而言，居住建筑需要同時處理“夏季防熱”和“冬季防寒”這一截然相反的矛盾，兼顧冬夏截然不同的技術需求，問題變得十分困難，在內容上也主要借鑒嚴寒寒冷地區研究思路和工程做法[6-7]，缺乏簡單明確、行之有效的方法，導致夏季室內環境物理并不理想。對此，研究者分別提出了熱冬冷地區村鎮建筑夏季服裝熱阻值和溫濕度滿意度范圍[8]；建立了夏熱冬冷地區熱舒適氣候的適應性模型[9]；就居住建筑夏季自然通風情況開展了實測與分析研究，并給出了設計優化建議[10]；但是還缺少從建筑設計專業對多種類型居住建筑實測與設計要點的比較研究。

選擇蘇南地區的蘇州市開展具體實驗研究。蘇州市位于江蘇省南部(東經120.43°，北緯31.07°)，夏季高溫高濕、持續時間長(太陽輻射年總量為4 651.1 J/m2，8月平均氣溫27.7 ℃，8月平均降水133 mm，8月平均日照時數7.8 h)。居住建筑室內熱環境控制涉及的要素眾多，是建筑設計的難點，對于控制建筑能耗水平也具有重要影響。為了準確了解該地區不同建筑結構、生活方式、空間組織、室內熱環境分布等實際情況，選擇了2種典型村鎮居住建筑和一種城市高層居住建筑，采用熱環境測試的方法，掌握了夏季室內物理環境分布特點，發現典型建筑在熱環境營造方面的優缺點，為改善該地區夏季室內熱環境品質提供了建筑設計建議。

1　測試對象與儀器

1.1測試對象

測試對象與測點布置。測試共有A，B和C3個樣本，建筑主要朝向均為南向，其中A和B位于蘇州市太吳中區新峰村，C位于蘇州市高新區濱河路。為了減小太陽輻射、壁面輻射等對測點的不利影響，測試房間均不臨外墻，保證其東、西和北3側均由其它房間包圍的作為測試對象，最終確定樣本A的一層門廳和二層客廳、B的南向臥室和C的南向臥室布置測點，其套型建筑平面圖與測點布置分別如圖1(a)、1(b)和1(c)所示。為反應實際使用狀態、保證測試數據的有效性，測試期間要求住戶盡量不改變作息時間，不改變門窗開閉、使用空調和風扇等夏季生活習慣。

1.1.1樣本A——二層鄉村磚混結構居住建筑

樣本A建造于2010年，三層磚混結構。為祖孫三代主干家庭，常住人口5人(祖父祖母、兒子兒媳、孫女)。測試日白天僅僅祖父祖母二人在家，傍晚下班后家庭團聚。

該建筑一二層主要設置有起居室、臥室、衛生間及樓梯間等；一層西側布置有雜物間一間，存放農業生產工具和部分農產品；第三層整層作為儲藏空間，存放日常生活用品使用。一層二層建筑面積分別為132.0m2/層。圍護結構墻體為240mm厚實心粘土磚墻、外貼白色瓷磚、內為普通粉刷；鋼筋混凝土樓地面；層高4.0m；三層雜物間，小青瓦坡屋面與三層混凝土地面形成了隔熱通風間層，最低處凈層高約1.2m；木屋架、坡屋頂、瓦屋面(無望瓦、坐漿等做法)，形成密閉性不佳的通風間層；普通木制門窗，無遮陽設施。夏季主要通過自然通風，炎熱天輔以風扇和空調，但是空調的使用頻率和時間都非常有限。

圖1　樣本平面圖及測點分布Fig.1　Test samples plan and the distribution of measuring places (a)樣本A　(b)樣本B　(c)樣本C

1.1.2樣本B——單層鄉村磚混結構居住建筑

建于上世紀70年代末，后改造成內走道式出租房，劃分成單間對外出租。測試日白天，住戶均外出上班，無人滯留；傍晚，住戶下班后返回休息。

建筑墻體下側為卵石砂漿砌筑的條狀基礎防潮層，主體部分為240實心黏土磚墻、水泥白灰粉刷；木制門窗，無遮陽措施；木屋架坡屋頂，木椽子上空鋪望瓦、小青瓦(無坐漿)，屋頂通風條件較好。為適應單間出租隔聲需要，改造時在屋架底部下側、隔墻上部增設了膏板板吊頂，形成行對密閉的空間；各房間凈高2.5 m.夏季以自然通風為主，輔以風扇，無空調等調溫調濕設備。

1.1.3樣本C——城市高層單元式鋼筋混凝土剪力墻結構居住建筑

建于2010年，18層鋼筋混凝土剪力墻結構單元式住宅建筑。測試期間，此套型用房完全閑置，各房間均無人滯留，門窗等基本保持關閉狀態。

測試點位于第3層，上下及左右相鄰套型住戶均有人居住，不臨東西山墻。該建筑圍護結構為鋼筋混凝土和混凝土空心砌塊，外貼EPS保溫板，淺赭石色瓷磚貼面；中空玻璃塑鋼外窗；室內凈高2.85 m.

1.2測試儀器

Swema 3000微風儀，精度±0.1%；Thermo Recorder TR-72U雙通道溫度濕度自記儀，分辨率0.1 ℃，1%RH，精度為±0.5 ℃，±5%RH(25 ℃，50%RH)；Center 309 Date Logger Thermometer熱電偶，分辨率±(0.3% rdg)+1 ℃，精度±0.3% rdg +1 ℃(-200～1 370 ℃)。所有儀器數據記錄間隔均設置為0.5 h.

1.3測試時間與內容

測試時間為2014年8月16日8：00～17日8：00，期間天氣為陰天，伴隨陣性降雨過程。測試記錄了對夏季人體熱感受直接相關的數據，包括太陽輻射強度、室外空氣溫度、室內風速、室內空氣濕度、室內相對濕度、壁面輻射溫度等。文中使用了www.rp5.ru網站提供的8月份氣象歷史數據，該數據庫采集間隔3 h，溫度精度0.1 ℃，相對濕度精度1%.

為避免住戶下班后及夜間使用空調降溫、風扇機械通風及人員活動對通風測試的影響、反應建筑的實際使用狀態、提高數據的有效性和準確性，測點盡量分布在人較少去的房間；在實在無法避免的情況下，僅使用白天時段的有效數據。

2　測試結果與分析

2.1當月大氣溫濕度變化情況

測試之前，即8月7日蘇州地區結束了平均溫度超過30 ℃的連續晴朗、高溫天氣，在下行趨勢期中呈現出不規則變化的狀態。在8月7日至18日期間，天氣為陰、多云和降雨交叉不定，云層較厚，直接影響了水平面太陽輻射強度和空氣溫度變化，如圖2所示(數據采樣頻率5 h)。8月7日至21日期間，日平均溫度相較7日之前有明顯降低；同時8月3日至6日期間相對濕度規則性的起伏變化(極大值95%，極小值50%左右)情況消失，取而代之的是75%～95%左右的微幅不規則波動。這是因為，測試期間陰雨和晴間多云天氣交叉出現、變化不斷，氣溫和相對濕度隨太陽輻射強度出現了不確定的同步變化。

圖2　8月份室外溫濕度變化曲線圖Fig.2　Outdoor temperature and humidity in Aug 左側為溫度　右側為相對濕度

測試期間，雖然不是典型的蘇州夏季氣象條件，沒有出現高溫高濕天氣狀況。但是，前期建筑圍護結構內部積存的熱量并沒有完全散失，以壁面輻射的形式散發到室內，與空氣溫濕度和風速共同對人體熱感覺產生作用。

2.2水平面太陽輻射強度

圖3　測試日水平面太陽輻射強度變化曲線Fig.3　Horizontal solar radiation intensity of the test day

由于測試期間天氣條件不典型，總體輻射強度低、輻照時間短是基本特征，如圖3所示。測試日水平面輻射強度極大值出現在上午10：30，讀數為55 W/m2，下午18時后讀數趨近于0.測試期間太陽輻射對建筑圍護結構的影響較小，樣本A，B和C內表面壁面溫度值的時間分布也證明了這一判斷，因此壁面溫度、室內空氣溫度更多的反應出建筑圍護結構材料的熱惰性、蓄熱性能等指標的影響和作用。

由于建筑的調節作用，室內環境并非完全與室外天氣條件，尤其是太陽輻照強度同步變化，這是因為不同建筑圍護結構與材料的蓄熱能力和熱惰性指標存在差異，加上自然通風因素，導致室內空氣溫度和壁面輻射溫度可以直接地反映出建筑對天氣變化的衰減與緩沖、對舒適室內環境營造水平，也就是說能夠反映出建筑應對和調節氣候的能力。

2.3室內空氣溫度

圖4　空氣溫度變化曲線Fig.4　Air temperature of curve the test day

測試日，室外空氣溫度極大值出現在12：20，讀數為29.6 ℃；極小值出現在3：30至6：30，讀數為22 ℃.對比圖3，圖4可知，室外空氣溫度的波動及極大值出現的位置和太陽輻射強度波動基本一致，時間滯后2～3 h.

在室內空氣溫度變化方面，高層住宅的波動幅度明顯大于三層和單層鄉村住宅建筑，而三層和單層住宅的溫度值和變化趨勢基本一致。具體而言，樣本A極大值26.6 ℃(出現時間為14：30～18：30)、極小值25.3 ℃(出現時間為17日8：00)、平均值26.3 ℃、極大值和極小值的差1.0 ℃；樣本B極大值27.0 ℃(出現時間為12：40～13：50)、極小值24.0 ℃(出現時間為17日8：00)、平均值為26.2 ℃、極大值和極小值的差3 ℃；樣本C空氣溫度極大值27.4 ℃(出現時間為12：30～12：40)、極小值23.2 ℃(出現時間為17日4：10～4：20)、平均值25.8 ℃，極大值和極小值的差為4.2 ℃.具體統計和分析見表1.

表1　測試期間室外及樣本空氣溫度比較

從表中可以看出，樣本C(高層建筑)的空氣溫度極小值和平均值在所有測試樣本中都最小，反映出其在夏季具有較好的控制室內溫度的能力；樣本A(3層)和樣本B(單層)的極小值和平均值較大，證明了這類建筑夏季控制室溫能力的不足，與通常的認識存在不同。這是因為，樣本C(高層建筑)圍護結構直接暴露在空氣中的面積比例較鄉村建筑小、白天關閉門窗以及外墻設置的保溫層均提高了夏季隔熱能力；另外，B和C為自然通風狀態，更易受外界溫度波動的影響。

2.4室內空氣相對濕度

圖5　空氣相對濕度變化曲線Fig.5　Curve on air humidity

室內空氣相對濕度變化方面，從極大值、極小值和平均值等方面看，城市住宅C明顯優于鄉村住宅建筑A和B，而A和B的溫度值和變化趨勢基本一致，且A在數值上略低于B，如圖5所示。從曲線線形變化方面看，A和B的線性較為平直，而C的變化較為劇烈。樣本ABC的平均值依次為77.5%，78.6%和76.9%，極大值依次為82.4%，84.6%和88%，極小值依次為73.2%，74.8%和66.0%，極大值和極小值的差依次為9.2%，9.8%和22.0%.出現在下午13：00和14：10，讀數為69.0%，濕度波動值達22%.具體見表2.

表2　測試期間室外及樣本空氣相對濕度比較

從表2中可以看出，在所有測試樣本中，C的空氣相對極小值和平均值都最小、波幅最大，反映出C在夏季具有較好的控制室內濕度的能力。A和B的平均值較大，證明了這類建筑夏季控制室內濕度能力存在不足。分析原因，可能是因為在測試期間，C住戶外出上班，關閉了門窗，從而形成相對封閉的空間、受室外相對濕度的影響較小，室內空氣濕度變化與空氣溫度變化存在顯著的負相關。而A和B在測試期間有人逗留，且開啟門窗對流空氣，因此其室內空氣相對濕度平均值較大。

2.5室內風速

圖6　風速變化曲線Fig.6　Anemograph curve of the test day

為避免傍晚下班后住戶居住生活行為(如：開啟風扇等)對室內風速的影響，本研究僅對16日白天室外和室內風速進行了測試和人工數據記錄，如圖6所示。氣象臺站數據表明，測試期間風向主要為“東南偏南”，研究記錄到的室外風速極大值0.29 m/s(出現在14：00)、極小值0.07 m/s，平均值0.17 m/s.具體見表3.

A和B2個測試樣本室內風速值及變化沒有明確規律。測試期間，樣本A風速極大值0.27 m/s，極小值0.04 m/s，平均值為0.13 m/s；B風速極大值0.25 m/s，極小值0.05 m/s，平均值為0.13 m/s.

受到高層居住建筑標準層套型平面布置的限制，樣本C北側均為實墻面、無法開窗，僅在南向立面上設置有窗戶，因此不具備形成風壓自然通風的條件；并且在測試期間由于門窗關閉，基本不具備自然通風條件；另外且由于測試儀器設備故障，數據丟失，因此數據暫缺。

從表3中可以看出，樣本A和B室內自然通風風速參數基本相同，其與室外風速及變化之間不存在明確關聯關系，且各測點數據分布表現出較強的離散性。反應出，盡管鄉村住宅夏季宜以自然通風降溫手段為主，但是在設計和建造階段由于缺乏科學合理的分析工具，在建筑朝向、周邊風環境組織、房間分布與空間組織等方面尚存在極大的提升空間。

表3　測試期間室內風速比較

2.6室內壁面溫度

測試期間，天氣為陰間多云、偶爾出現降雨，太陽輻射不強、作用時間不連續，各測試房間內表面溫度受太陽影響不大，因此3個樣本各個方向墻面的壁面溫度分布的變化基本一致，如圖7所示。需要說明的是，受套型位置的限制，C的南向窗墻比很大，墻面面積小，難以保證平壁傳熱，故沒有對其進行壁面溫度測試。

樣本A和B平時采用自然通風方式，測試期間室外平均空氣溫度25.6 ℃，因此其壁面溫度較低，且變化趨勢基本接近；而C由于白天門窗關閉，形成了相對密閉的空間，不能通過自然通風降低圍護結構溫度，因此C測得的幾個方向的壁面溫度普遍高于A和B.

圖7　測試日白天室內墻面壁面溫度曲線Fig.7　Curves on indoor wall temperature of the test day

為簡化問題，文中選取東和北向壁面溫度進行統計分析。就室內東向壁面溫度而言，ABC的平均溫度依次為26.5，26.0和27.7 ℃，極大值溫度依次為26.9(出現時間16：00)、26.6(出現時間12：30)和27.8 ℃(出現時間15：00及之后)，極小值溫度依次為26.2(出現時間8：00)、25.6(出現時間9：30及以前)和27.5 ℃出現時間8：30；C較A和B的平均溫度分別高出1.2和1.2攝氏度。就室內北向壁面溫度而言，ABC的平均溫度依次為26.5，26.2和28.1 ℃，極大值依次為26.8(出現時間12：30～16：00)、26.9(出現時間16：00)和28.3 ℃(出現時間14：30～17：30)，極小值依次為25.8(出現時間8：00)、25.6(出現時間9：30)和27.7 ℃(出現時間8：00)。數據分析見表4和表5.

表4　東向墻體內表面壁面溫度比較

表5　北向墻體內表面壁面溫度比較

樣本C極值和平均值均較大的原因在于：一是由于門窗關閉，不利于利用室外較低溫度的自然空氣進行通風降溫；二是因為鋼筋混凝土結構的蓄熱能力和熱惰性指標較大的緣故，導致壁面溫度滯后于磚混結構材料；三是因為該建筑做了外墻保溫，阻礙了建筑外墻對外的散熱過程。

3　結　論

1)在白天，相較無隔熱措施、開啟門窗自然通風的建筑而言，外墻有隔熱構造措施，且關閉門窗的居住建筑室內空氣溫度低約0.5 ℃，同時濕度低0.7～1.7%；

2)未經過專門自然通風設計的居住建筑，即使開窗通風，但其室內風速的時空分布也呈現出離散狀態，實際通風效果不佳；

3)常規的外墻外保溫構造不利于建筑圍護結構在室外空氣溫度較低的條件下(如下雨時、夜間等)自然通風降溫，并且圍護結構內表面溫度高出0.3～2 ℃，對室內的輻射散熱相較無保溫措施的建筑嚴重。

分析得到蘇南地區建筑節能設計的優化建議

1)為獲得較好的室內自然通風效果，建筑必須進行專門的自然通風設計，分析熱壓和風壓通風潛力，確定選址、朝向、洞口位置與大小等；

2)就圍護結構自然通風降溫而言，夏熱冬冷地區應放棄外保溫做法，而采取外部遮陽隔熱的措施，減小太陽輻射得熱、強化自然通風降低圍護結構溫度的效果；

3)在白天高溫時間段內，應關閉門窗、減小室外熱濕空氣進入室內。

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第四屆行為安全與安全管理國際會議

暨第二屆安全管理理論與實踐國際會議

由中國職業安全健康協會行為安全專委會、西安科技大學等主辦，西安科技大學等承辦的“第四屆行為安全與安全管理國際會議暨第二屆安全管理理論與實踐國際會議”(會議主席：宋振騏院士，馮長根副主席(中國科協))將于2016年9月24～25日在十三朝古都西安召開，歡迎大家積極投稿、參會，蒞臨指導！會議網址： http://bsm.xust.edu.cn

重要日期：2016年6月10日，全文投稿截止；

2016年7月10日，論文修改稿投稿截止；

2016年9月23日，會議報到；

2016年9月24-25日，會議交流。

Summer thermal environment test on 3 types of residential buildings in southern Jiangsu Province

LIANG Rui1，2，ZHU Yi-yun3，LIU Jia-ping2，ZHANG Qun2，4，HUI Shan-kang4，WU Xiao-xiang4

(1.DepartmentofEnvironmentArt，Xi’anFineArtofAcademy，Xi’an710065，China；

In the cold winter and hot summer zone，the typical weather characteristics is hot and humid in summer，cold and wet in winter.Consequently，residential buildings need to deal with the contradiction at the same time，heat-resistant in summer and keep warm in winter.In this situation，the architecture design become very difficult in technical measurements compared with the unique and definite task，such as in the severe cold and cold zone，hot summer and warm winter.In order to master the actual thermal environment situation in summer about residential buildings in this zone，three kinds of typical residential buildings have been chosen to investigate and measure in Suzhou City of Jiangsu Province，that is two kinds of layers buildings in the village and one kind of high-rise residential building in the city.We measured the thermal environment parameters，including the horizontal solar radiation intensity，the air temperature，air humidity，inner wall temperature of enclosure structure，air flow velocity，etc.The advantages and disadvantages have been discovered upon three kinds of buildings in terms of the indoor thermal environment.Through data statistics，analysis and discussion，architectural design proposals has been provided to emphatically improve the thermal environmental quality in the zone.

southern Jiangsu province；cold winter and hot summer zone；residential buildings；thermal environment in summer；test analysis

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0310

1672-9315(2016)03-0356-08

2016-01-21責任編輯：李克永

國家自然科學基金(51408474，51378424，51278414，51178369)；中國博士后科學基金(2014M552418)；蘇州吳中區創新創業人才計劃項目(WC201507)

梁銳(1977-)，女，湖北武漢人，博士，副教授，E-mail：liangruirui@126.com

TU 241.1

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