徽州民居冬季室內濕環境

黃志甲，劉精晶，張恒，董亞萌，魯月紅

(安徽工業大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243002)

空氣溫度、濕度是室內物理環境兩個重要參數。室內空氣溫度與人體熱舒適以及建筑能耗等息息相關，學者們已經對室內熱物理環境的研究做了大量工作。Yoshino等[1-2]對中國住宅建筑室內熱環境進行了大規模調查，旨在預測室內溫度對熱舒適以及供暖/空調能耗的影響。Han等[3]通過對熱濕地區住宅居民熱舒適調查，旨在得出當地居民熱中性溫度，為南方地區低能耗系統設計提供理論依據。李崢嶸等[4-5]通過研究發現，浙江中部傳統民居的建筑選址、朝向、室內空間布局以及建筑開口設計均有良好的氣候適應性，且“過渡空間”及輕質圍護結構的均有較好的隔熱效果，營造良好的室內熱環境。事實上，室內物理環境由熱濕耦合共同作用，忽視室內濕物理環境會影響對人體熱舒適、建筑能耗、建筑使用壽命等方面的準確評估。室內濕度過低會引起眼睛、鼻腔、呼吸道粘膜、皮膚等部位干燥的不適癥狀，Fanger[6]通過實驗得出室內相對濕度值應不低于20%。室內空氣濕度過高易滋生霉菌，影響室內空氣品質，同時，濕組分在建筑材料中的遷移和積累將嚴重降低圍護結構熱工性能，進而增大建筑能耗[7]。當環境溫度較高時，較高的相對濕度會增加人體熱感[8]。Kalamees等[9]對芬蘭170戶獨立式住宅進行為期兩年的室內溫濕度實測，研究得出通風系統較圍護結構材料對室內溫濕度變化的影響更大。張會波等[10]對中國9個城市的76棟住宅室內濕環境現狀進行實測，研究發現,冬季集中采暖地區的住宅室內空氣干燥，夏季南方城市住宅室內濕度過高，超過ASHRAE規定的上限值，中國住宅室內濕環境問題嚴峻。室內濕度除了和室外濕度有關外，與采暖/制冷系統、人員活動、建筑氣密性等因素密切相關。

徽州地區屬于亞熱帶季風氣候，年降水量達到1 500～2 000 mm，夏季濕熱、冬季濕冷。徽州傳統民居建筑開口尺寸小、建筑布局緊湊、通風不暢等特點造成室內濕環境條件較差。中國學者多關注徽州傳統民居室內熱物理環境特點，研究民居被動式設計技術以及其對室內溫度的影響。林波榮等[11-12]得出徽州傳統民居夏季優先考慮遮陽，并輔助自然通風以改善室內熱環境。宋冰等[13-14]結合實測和主觀問卷調研的方法，得出徽州傳統民居夏季溫度在居民可接受范圍內，主要問題是室內潮濕，冬季溫度低、濕度大，室內熱舒適性較差。陳曉揚等[15]通過研究得出在過渡季徽州傳統民居室內整體熱環境較好，但夜間溫度低、濕度大，影響室內熱舒適性。因此，對徽州傳統民居室內濕環境現狀及其影響因素仍需進一步探索。

本文以徽州民居室內濕環境為研究重點，結合實地考察、測繪、現場實測的方法，對位于安徽省宣城市涇縣査濟村的兩棟典型民居冬季室內外溫度、濕度進行測試，對比傳統民居與現代民居熱濕條件，旨在定量描述徽州民居室內濕環境現狀，為當地民居室內濕環境的改善提供理論資料。

1 實驗

1.1 實驗設備

TR-71Ui/TR-72Ui溫濕度計(北京易購安科技有限公司)，HI9065便攜式溫濕度測定儀(杭州匯爾儀器設備有限公司)。

1.2 實驗方法

測試徽州傳統民居為典型清代民居，坐北朝南，內含狹長的“一字型”天井，屋頂采用望磚結構，外圍護結構為青磚砌筑的空斗磚墻，內圍護結構為木構架體系，1層為生活區，2層為儲藏區。徽州現代民居距離傳統民居約500 m，建筑為磚混結構，平面方正，屋頂具有加裝玻璃頂棚的天窗，1、2層為生活區，3層為儲藏區，具有現代新建民居的典型代表性。

選取民居主要功能區進行測試，傳統民居廳堂(H)與天井連接，直接與室外相通；廂房(WR)屬于單開口空間，鏤空的花格窗朝向天井，兼具采光和通風作用，為防止地下潮氣，廂房地面采用架空鋪設的木板結構；測試的廳堂及廂房均未安裝空調等設備。現代民居客廳(LR)鋪設地板磚，臥室(BR)鋪設木地板且無架空結構；測試的客廳及臥室配置空調。測試建筑具體特點如表1所示。

2015年12月至2016年2月進行為期3個月自動測試，測試間隔為15 min。室外測點(O)位于傳統民居庭院內，為防止太陽輻射影響溫濕度計采用鋁箔包裹。在進行自動測試前，對各功能區空氣溫濕度進行均勻性測試，各功能區域布置5個平面測點如圖1所示。利用便攜式溫濕度測定儀在每個平面測點垂直高度0.5、1.5、2.0 m處進行人工測量，測量結果表明，各測點溫濕度值差值均小于±5%，說明室內外空氣溫濕度分布均勻，可用中間測點1.5 m處測量數值代表該功能區域全局測量數值進行長期連續測試。

圖1 徽州民居首層平面示意圖及測點布置Fig.1 Plan view and measurement points of Huizhou dwellings

2 結果與討論

2.1 傳統民居與現代民居室內熱濕條件對比

徽州民居冬季室內溫濕度測量結果如圖2所示，包括溫度、相對濕度、含濕量3組參數的最小值、最大值、平均值和標準差。廂房相對濕度水平最高，平均值為84%，且數據分布集中。廂房平均溫度與客廳、臥室平均溫度相差較小，平均含濕量高于其他房間約1 g/kg。分析形成原因，廂房為單開口空間，建筑體量緊湊，在冬季散熱量小，使得溫度相對廳堂溫度較高，但這也造成了廂房內通風效果差濕氣無法及時排除。廳堂內平均相對濕度為79%，與室外平均相對濕度相差較小。由于廳堂屬于半開放空間，通過天井與室外環境直接連通，廳堂內熱濕環境受室外環境變化影響明顯，使得室內溫度較低，相對濕度較高。現代民居中客廳、臥室平均相對濕度在70%左右，數據分布離散程度大，客廳、臥室平均溫度均高于廳堂平均溫度2 ℃左右。現代民居保溫性能較傳統民居好，但室內濕度波動較大。

為進一步分析圖2，選取2016年2月6日至2月8日連續3天數據進行典型日溫濕度分析。選取時間段日平均溫度在0～10 ℃，溫低濕重，且無極端天氣，屬于夏熱冬冷地區的冬季典型氣候。

圖2 傳統民居與現代民居室內溫濕度值Fig.2 Temperature and humidity conditions in Huizhou dwelling

典型日傳統民居與現代民居溫濕度逐時變化如圖3所示，相對濕度變化規律與溫度變化規律相反。夜間，各測點相對濕度中，廂房、臥室相對濕度水平較高，客廳相對濕度最低且低于室外相對濕度,原因是，夜間居民休息，廂房、臥室門窗關閉，主要濕源為人員散濕，導致廂房、臥室含濕量高于廳堂、客廳含濕量。白天，現代民居室內相對濕度大幅下降至接近室外相對濕度水平，傳統民居室內相對濕度下降幅度較小，仍保持較高水平,原因是，廳堂、廂房通過天井、花格窗等開口與室外環境保持連通，含濕量全天波動幅度小。客廳、臥室夜間門窗緊閉濕氣聚集，白天開窗通風濕氣排出造成含濕量大幅下降。

圖3 傳統民居與現代民居典型日溫濕度逐時變化Fig.3 Hourly temperature and humidity profiles

典型日傳統民居與現代民居溫濕度日較差如圖4所示。相對濕度波動受溫度波動、含濕量波動影響，相對濕度日較差達到20%會影響某些合成材料性能，達到40%會破壞大部分有機材料強度[16]。各功能區相對濕度日較差均超過20%，其中，客廳、臥室相對濕度日較差最大，個別天數超過40%。除2月6日臥室空調開啟導致溫度日較差較大，其他時間段現代民居溫度日較差均小于傳統民居溫度日較差。說明造成現代民居室內相對濕度日較差較大的主要原因是現代民居室內含濕量日較差相對較大。分析形成原因，現代民居氣密性良好，且墻體磚混材料較傳統民居內墻木質材料調濕性能弱，導致現代民居室內濕環境穩定性較傳統民居室內濕環境穩定性差。

進一步分析圖3、圖4，將臥室2月6日空調開啟工況與2月7日、8日空調不開工況進行對比，空調開啟有效提高室內溫度，并降低空氣相對濕度，舒適性相對提高；但造成室內溫度日較差大，相對濕度日較差達到55%，長期較大的室內溫、濕度波動會對建筑材料造成破壞。

圖4 傳統民居與現代民居溫濕度日較差對比Fig.4 Daily amplitude of temperature, relative humidity and humidity ratio in Huizhou dwelling

2.2 不同功能區域濕度特點

相對濕度是影響人體舒適度的一項重要參數，室內相對濕度應設定在30%～70%[17]。將濕環境分為4個等級：不潮濕(RH≤70%)、稍微潮濕(70%90%)。

各功能區域相對濕度等級占比如圖5所示。傳統民居超過60%時間段處于潮濕及非常潮濕等級，廂房有31%時間段分布在非常潮濕等級，占比時間段高于其他房間。現代民居超過60%時間段屬于不潮濕及稍微潮濕等級，臥室僅2%時間段位于非常潮濕等級。傳統民居相對濕度水平高于現代民居相對濕度水平，廂房相對濕度水平最高，臥室相對濕度水平最低。

各功能區域含濕量累計頻率如圖6所示。各功能區域室內含濕量均在12 g/kg以下，滿足ASHRAE[18]含濕量上限為12 g/kg且無下限的規定。廂房累計80%時間段含濕量在6.35 g/kg以下，客廳累計80%時間段含濕量在5.95 g/kg以下，臥室、廳堂累計80%時間段含濕量分別在5.45 g/kg以下及5.65 g/kg以下。廂房含濕量水平最高，臥室含濕量水平最低。

圖5 各功能區域相對濕度等級占比Fig.5 Proportion of humidity levels in each zone

圖6 各功能區域含濕量累計頻率Fig.6 Cumulative frequency of humidity ratio in each zon

2.3 室內外濕度相關性

各功能區域室內外含濕量相關性如圖7所示。傳統民居及現代民居室內含濕量均隨室外含濕量升高而增大，且相關性系數在0.8以上。反映了夏熱冬冷地區居民在冬季有開窗通風的行為習慣，良好的通風造成室內外含濕量的相關性較強。廳堂室內外含濕量相關性系數超過0.96，客廳室內外含濕量相關性系數在0.91左右，均高于廂房/臥室室內外含濕量相關性系數。分析形成原因，廳堂/客廳為居民社交場所，開放性較強，與室外氣流交換現象明顯，廂房/臥室開口較小，注重居民隱私性，室內外氣流交換現象較弱。廂房的鏤空花格窗在門窗關閉情況下仍具有一定的室內外氣流交換的作用，而臥室氣密性較好且個別時段使用空調，導致廂房室內外含濕量相關性系數略高于臥室室內外含濕量相關性系數。

圖7 各功能區域室內外空氣含濕量相關性Fig.7 Correlation between indoor humidity ratio and outdoor humidity ratio in each zon

2.4 室內濕環境的熱舒適性評價

各功能區域溫濕度狀態如圖8所示，圖中五邊形區域內為測試地區冬季熱舒適區。根據文獻[19]提供的夏熱冬冷地區氣候適應性模型tn=0.607to+10.092(R2=0.829 5)(tn為熱中性溫度，to為室外平均溫度)，計算得到測試地區冬季熱中性溫度為13.9 ℃。ASHRAE[18]規定80%接受率的熱舒適區范圍為熱中性溫度±3.5 ℃，則測試地區冬季熱舒適溫度范圍為10.4～17.4 ℃。相對濕度下限值為20%[6]，自然通風建筑且室內平均風速在0～0.5 m/s左右，相對濕度上限值可達到90%[18]。據此標準對測試建筑室內舒適度進行評價，廳堂、廂房、客廳、臥室分別有6.51%、7.42%、7.67%、14.52%時間段在熱舒適區內。冬季人體可接受的空氣溫度上限可進行拓展，廳堂、廂房、客廳、臥室由于溫度高于舒適溫度上限而偏離舒適區的時間段占比分別為0.85%、1.35%、0.65%、2.12%。廳堂、廂房、客廳、臥室室內總熱舒適時間段占比分別為7.36%、8.77%、8.32%、16.64%。冬季，廳堂熱舒適性最差，臥室熱舒適性相對較好。

圖8 各功能區域溫濕度狀態Fig.8 Plot of temperature and humidity of psychrometric chart in each zon

傳統民居冬季室內濕冷，進一步分析造成熱不舒適的主要原因為室內溫度遠低于舒適溫度范圍，且相對濕度過高。建議傳統民居冬季采用局部采暖設施，計算可知保持室內含濕量不變，將傳統民居室內溫度由平均溫度6.1 ℃提高至熱中性溫度13.9 ℃，則相對濕度可由80%降低至50%，滿足人體舒適的相對濕度要求。現代民居個別時段使用空調采暖，但冬季室內溫度仍無法完全滿足舒適溫度范圍，需加強采暖設備效率。

3 結論

1)徽州傳統民居冬季室內相對濕度主要分布在潮濕及非常潮濕水平，平均相對濕度在80%左右；徽州現代民居冬季室內相對濕度主要分布在不潮濕及稍微潮濕水平，平均相對濕度在70%左右。

2)徽州傳統民居室內溫度日較差大于現代民居，但徽州傳統民居室內濕度日較差小于現代民居室內濕度日較差，室內濕環境穩定性良好。

3)徽州傳統民居與現代民居冬季室內外含濕量相關性系數均超過0.8，室內濕環境對室外濕環境變化響應明顯。廳堂作為半開放空間室內外含濕量響應現象顯著，相關性系數達到0.96。

4)冬季，徽州傳統民居冬季廳堂、廂房熱舒適的時間占比分別為7.36%、8.77%，室內熱舒適性低于現代民居。造成徽州傳統民居冬季熱不舒適的主要原因為室內濕冷，建議冬季采取局部采暖裝置。

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