夏熱冬冷地區近零能耗住宅室內濕特性分析

蘇 醒，田少宸

（1. 同濟大學機械與能源工程學院，上海201804；2. 同濟大學工程結構性能演化與控制教育部重點實驗室，上海200092）

隨著建筑節能的要求不斷提高，近零能耗建筑在我國迅速發展，但是對近零能耗建筑技術路線的探索必須考慮氣候適應性的問題，其技術體系需針對不同地區的氣候特征進行深入研究。嚴寒及寒冷地區住宅能耗主要來源于冬季采暖；但對于夏熱冬冷地區，不僅要考慮夏季空調、除濕以及冬季采暖的需求，而且更需重視過渡季節的除濕問題。夏熱冬冷地區夏季高溫潮濕，冬季陰冷，該氣候區夏季氣溫高于35 ℃以上的時間大概在20 d左右，最熱時氣溫高達41 ℃以上，年平均相對濕度在70%～80 %左右，除濕期長。在過渡季節時盡管室外空氣溫度相對適宜，但通常相對濕度可高達95%～100%［1-2］。

相比于常規建筑，近零能耗建筑通過提高圍護結構的熱工性能和建筑氣密性可以減少室內外的熱量傳遞，有效降低建筑的夏季冷負荷和冬季熱負荷，減少空調和采暖能耗。但對于濕負荷的降低效果不如顯熱負荷。另一方面，室內濕環境與人體的舒適性和健康密切相關，過高的相對濕度會降低人體的舒適性，影響室內空氣品質，有助于如霉菌、細菌以及塵螨等微生物的生長和繁殖［3］，同時還會增加建材和家具中揮發性有機物（VOC）的散發，增加臭氧、微粒和丙烯醛氣體的刺激性［4-5］。因此，對夏熱冬冷地區近零能耗建筑的室內濕環境進行研究有助于選擇和設計適用的空調和除濕系統形式。

許多學者對住宅的濕負荷和除濕量進行過相關研究，但關于夏熱冬冷地區近零能耗居住建筑的相關研究較少。劉拴強等［6］對室內濕負荷的構成以及計算方法進行了研究，指出人體散濕量和新風滲透產濕量是必須考慮的，新風和圍護結構滲透引入的濕負荷同樣不可忽略，尤其是在夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區。Walker等［7］研究了不同標準的通風換氣次數對常規住宅濕度的影響。夏熱冬冷地區間歇運行住宅的開窗換氣次數也會影響濕負荷和室內濕環境，徐小群等［8］通過研究圍護結構內表面的吸放濕特性指出非連續運行的空調系統應考慮圍護結構內表面吸放濕作用對濕負荷的影響。曾憲純等［9］提出除濕濕日數的概念并計算出上海除濕濕日數天數為125 d，全年總濕日數為562.63 g·d·kg-1。余曉平等［10］對夏熱冬冷地區典型城市除空調期以外的除濕期進行了統計，在室內相對濕度設定值為60%時，除濕期長度在80～120 d左右。

夏熱冬冷地區近零能耗居住建筑的除濕問題和除濕能耗問題逐漸引起重視。Schnieders 等［11］指出上海等潮濕氣候區近零能耗建筑設計時應重點防止濕度過大而引起發霉的問題，且夏季極端情況下需對制冷和除濕分開控制。Langer 等［12］發現近零能耗建筑采暖季室內相對濕度比常規建筑低，但夏季和過渡季節的室內濕度問題還未明確。O'Kelly等［13］指出近零能耗建筑在潮濕氣候區的近零能耗居住建筑中使用傳統的壓縮式空調系統難以很好地對室內的濕環境進行控制。Firlag 等［14］研究發現對近零能耗建筑能耗需求影響最大的是室內、外相對濕度引起的除濕需求和冬季的采暖需求。張強［15］通過對夏熱冬冷地區高層住宅的仿真指出年除濕能耗指標應控制在20 kWh·m-2·年-1以內。

綜上，目前針對夏熱冬冷地區近零能耗住宅在濕特性的研究較少，本文以上海為例，采用DeST軟件模擬計算近零能耗住宅和常規住宅的熱、濕負荷和室內相對濕度狀態，分析比較兩種類型住宅人員在室期間和人員不在室期間以不同換氣次數使用的熱濕比特性及室內高濕度時長，以期為該地區近零能耗住宅的室內濕環境控制提供數據支撐。

1 研究方法

1.1 季節性建筑設計參數

本文以上海市一典型戶型的標準層住宅為例，采用DeST軟件對建筑建模并仿真計算近零能耗住宅和常規住宅的動態熱、濕負荷和室內溫、濕度狀態。住宅面積為100 m2，高2.9 m。住宅平面如圖1所示。

圖1 住宅平面圖Fig.1 Plan of the residence

近零能耗建筑相關設計參數根據GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》［16］選取；常規建筑相關設計參數根據上海市的DGJ 08-205—2015《居住建筑節能設計標準》［17］選取。建筑圍護結構基本信息及室內熱擾的相關參數如表1所示，表中，RH為相對濕度。張慧玲［18］基于熱舒適和建筑節能的角度并結合上海市典型年氣象數據對上海建筑節能季節進行了劃分。除濕期為6月5日～6月24日和8月24日～9月22日；空調期為6月25日至8月23日。

用于仿真計算的上海市典型氣象年數據在除濕期和空調期的室外逐時溫度和相對濕度如圖2 所示。除濕期室外空氣溫度較低，存在室內空氣溫度低于夏季室內設計溫度（26 ℃）的情況。相關標準綜合建筑節能和人體熱舒適兩方面考慮，給出了夏季和冬季的室內溫、濕度設計參數。但并未明確過渡季節的室內溫、濕度設計參數。根據等效溫度的概念，滿足人體熱舒適要求的室內相對濕度可高于夏季的設定值。另一方面，相對濕度過高會增加室內微生物滋生的風險。因此，除濕期室內相對濕度設定狀態點應綜合人體熱舒適和降低室內微生物生長繁殖兩方面進行確定。

表1 建筑基本信息Tab.1 Basic information of building

圖2 室外溫度和相對濕度Fig.2 Outdoor temperature and relative humidity

相同溫度下，相對濕度越低越不利于室內微生物的生長繁殖。另一方面，室內相對濕度的設定值會影響濕負荷和空調的除濕能耗。相同溫度下，相對濕度設定值越低，需要的送風狀態點含濕量就越低，除濕能耗也就越高。根據陳國杰［19］對南方地區墻體內表面霉菌滋生風險的研究結果，夏熱冬冷地區應用加氣混凝土墻體在室內溫度低于26℃時，相對濕度低于73%即可有效降低墻體內表面霉菌滋生的風險。因此，在除濕期室內空氣溫度低于26℃的期間，室內相對濕度設定狀態點為70%。

多數住宅的空調運行模式為間歇運行，本文人員在室時間按周一至周五晚18：00至次日8：00和周末全天進行設置。住宅新風量和換氣次數也是影響空調及除濕能耗的重要參數。人員不在室期間通常會對房間進行開窗通風，人員在室期間通常以最小新風量送風（機械新風）或保持關窗。上海市常規住宅換氣次數實測研究結果顯示：大多數住宅關窗時的平均換氣次數高于0.35 h-1；開窗通風時換氣次數集中于0.5～4.5 h-1，最高可達9 h-1以上，平均值為2 h-1［20-21］。人員在室期間，近零能耗住宅的機械新風量根據室內衛生需求確定，同時窗戶保持關閉。人員不在室期間，計算并比較換氣次數為0.035 h-1至8 h-1時的負荷和室內溫濕度。常規住宅的關窗時的換氣次數按0.35 h-1計算；開窗時的自然通風量分別按0.5，1，2，5，8 h-1進行計算。考慮到近零能耗住宅機械新風一般采用熱回收型，房間同時存在排風。實際滲透風量受熱壓和風壓的共同影響，有人時段以機械新風送風時，也應考慮滲透風的影響，為簡化計算，滲透風引起的換氣次數按關窗的換氣次數考慮。

1.2 濕負荷計算方法

人體散濕量可根據勞動強度、室內溫度和室內人員數量計算。除人體散濕量外，新風濕負荷和滲透風濕負荷也是住宅濕負荷的主要組成部分。為簡化計算，住宅總濕負荷僅考慮以上三部分濕負荷。住宅總濕負荷按公式（1）計算：

式中：W為總濕負荷，g·h-1；Wp為人體散濕量，g·h-1；Wf為新風濕負荷，g·h-1；Wi為滲透風濕負荷，g·h-1。

新風濕負荷和滲透風濕負荷取決于室、內外溫、濕度差值。夏季室外高溫高濕，需要計算新風和滲透風的濕負荷與冷負荷，空調的除濕與降溫同步進行。在過渡季節，室外溫度常低于夏季的室內設計溫度，但相對濕度較高，只需要計算新風和滲透風的濕負荷，同時考慮室內濕度的控制。除濕期室溫低于夏季室內設計溫度時不對室內溫度進行控制，室內溫度不是固定值，會隨室外空氣溫度變化。因此，過渡季節保持室內相對濕度設定點不變時，室內含濕量設定狀態點應隨室內溫度變化。綜上，室內濕度設定狀態點應以相對濕度表示，新風和滲透風除濕量采用含濕量進行計算。新風除濕量按式（2）計算。滲透風除濕量計算公式與新風量計算公式相同，僅風量不同。

式中：Wf為新風除濕量，g·h-1；Mf為新風量，kg·h-1；tN為室外空氣溫度，℃；do為室外空氣含濕量，g·kg-1；φN為除濕期室內相對濕度設定點，取70%；PN為室內溫度對應的飽和水蒸氣分壓力，Pa；B 為大氣壓力，101 325 Pa。

為研究住宅不同使用方式分別對夏季和除濕期濕負荷的影響，采用季節性總除濕量進行分析。季節總除濕量計算公式為

式中：Wtotal為夏季/除濕期的總除濕量，g；Wj為夏季/除濕期人員在室且需除濕的時間段1 h內的除濕量，g；n為夏季/除濕期人員在室且需除濕的小時數。

1.3 住宅熱濕比

傳統住宅中的制冷和除濕均由空調的蒸發器完成。住宅在不同季節，甚至是1d 內不同時段的熱、濕負荷波動較大，這種溫、濕度耦合控制的空調難以同時滿足室內的溫、濕度設計參數。對室內濕度的控制是通過蒸發器的性能與住宅的熱、濕負荷的關系間接控制的，因此，住宅的室內濕環境通常難以滿足要求。在近零能耗住宅中，熱、濕負荷不等比例的降低會使房間的熱、濕負荷特性發生很大變化。換氣次數變化和新風是否經過熱、濕處理也會影響住宅的熱、濕負荷特性。本文采用熱濕比的概念研究分析近零能耗住宅和常規住宅在不同使用方式下的熱、濕負荷特征，可以為近零能耗住宅空調系統的設計提供一定的參考，熱濕比按式（4）進行計算：

式中：ε為建筑熱濕比，J·g-1；Q為冷負荷，W。

1.4 仿真結果驗證

為驗證模擬方法的正確性，將常規建筑的室內溫度、濕度仿真計算結果與文獻［22］中對上海市常規住宅室內溫、濕度8 月4 日和8 月5 日的實測數據進行比較。仿真計算的室內溫、濕度隨空調間歇運行情況和室外溫、濕度的變化趨勢與實測結果一致性較高。由于典型氣象年溫、濕度數據與實測數據略有偏差，實際情況下住宅的使用方式也具有一定隨機性。因此，室內溫、濕度仿真計算結果與實測數據存在一定誤差。根據實測室外氣象參數修正后的室內溫度仿真值與實測值的最大相對誤差為6.8%；室內相對濕度仿真值與實測值的最大相對誤差為9.6%。可以認為該仿真計算方法能用于預測實際使用情況。

2 結果與討論

2.1 總除濕量

近零能耗住宅、常規住宅在有人時間段不開窗通風（常規-有人時段關窗）和常規住宅在有人時間段以1 h-1換氣次數運行（常規-有人時段換氣次數1 h-1）空調系統間歇運行時白天無人時段不同換氣次數下的夏季和除濕期的總除濕量分別如圖3 和圖4所示。不同建筑類型的住宅中，有人時段換氣次數變化對總除濕量的影響均高于無人時段換氣次數的影響。

圖3 夏季總除濕量Fig.3 Total dehumidification capacity in summer

圖4 除濕期總除濕量Fig.4 Total dehumidification capacity in dehumidification period

近零能耗住宅夏季的總除濕量約為1 820 kg，除濕期總除濕量約為620 kg。標準規定新風量的常規住宅夏季總除濕量約為3 600 kg，除濕期總除濕量約為990 kg。關窗使用的常規住宅夏季總除濕量約為1 670 kg，除濕期總除濕量約為530 kg。不同建筑類型的住宅中，室內人體散濕量較穩定且相差不大。因此，除濕量的差異主要取決于新風和滲透風量。近零能耗住宅的新風和滲透風量之和高于常規住宅關窗的滲透風量，低于常規住宅標準換氣次數下的風量。夏季室外空氣含濕量高于除濕期。夏季不同新風及滲透風量下住宅的除濕量差值高于除濕期住宅除濕量的差值。

無人時段開窗通風對住宅除濕量的影響主要體現在開窗通風量對室內蓄濕量的影響。常規住宅中，當無人時段次數從0.35 h-1增加至8 h-1，在標準新風換氣次數和關窗滲透風換氣次數情況下，人員在室期間的夏季總除濕量分別從3 572 和1 663 kg上升至3 648 和1 691 kg；除濕期總除濕量分別從978和533 kg上升至1 020和542 kg。近零能耗住宅中，隨無人時段換氣次數從0.035 h-1增加至8 h-1，人員在室期間以標準新風量運行的夏季總除濕量，從1 809 kg 增加至1 841 kg；除濕期總除濕量從611 kg增加至625 kg。

2.2 熱濕比

近零能耗住宅和常規住宅在無人時段以不同換氣次數開窗通風的夏季和除濕期的熱濕比如圖5和圖6所示。隨著無人時段換氣次數的增加，兩種住宅的熱濕比均有小幅度升高，但變化不明顯。以近零能耗住宅為例，夏季0.035 h-1換氣次數下熱濕比的中位數為4 710 J·g-1，2 h-1換氣次數下熱濕比的中位數為5 061 J·g-1，5 h-1換氣次數下熱濕比的中位數為5 329 J·g-1。除濕期0.035 h-1換氣次數下熱濕比的中位數為4 601 J·g-1，2 h-1換氣次數下熱濕比的中位數為4 876 J·g-1，5 h-1換氣次數下的中位數為5 185 J·g-1。

圖5 夏季不同換氣次數熱濕比Fig.5 Angle scale of different air exchange rate in summer

無人時段的換氣次數會影響室內蓄熱量和蓄濕量，進而影響空調開啟時刻的冷負荷和濕負荷。兩種類型住宅的熱濕比均隨無人時段換氣次數的增加而升高，主要原因是換氣次數增加，室內蓄熱量上升幅度高于室內蓄濕量。熱濕比隨無人時段開窗換氣次數變化較小。以無人時段不開窗工況為例分析不同住宅類型在新風熱、濕處理后送入室內和新風直接送入室內的熱濕比。該工況下的夏季熱濕比和除濕期熱濕比分別如圖7和圖8所示。

圖6 除濕期不同換氣次數熱濕比Fig.6 Angle scale of different air exchange rate in dehumidification period

圖7 無人時段不開窗夏季熱濕比Fig.7 Angle scale in summer during uninhabited-period without opening window

圖8 白天不開窗除濕期熱濕比Fig.8 Angle scale in dehumidification period in day time without opening window

熱濕比受室內熱、濕負荷和新風熱、濕負荷的綜合影響。新風不經過熱、濕處理直接送入室內時，近零能耗住宅的熱濕比略低于常規住宅的熱濕比且更接近標準規定換氣次數下常規住宅的熱濕比。主要原因是夏季的室外空氣溫濕度和除濕期的室外空氣濕度與室內溫濕度設定點相差較大，新風熱濕負荷對熱濕比的影響大于室內熱濕負荷。

新風經過熱濕處理后送入室內的熱濕比高于新風不處理工況，且近零能耗住宅室內熱濕比的升高程度低于常規住宅。夏季新風處理后近零能耗住宅熱濕比中位數由4 710 J·g-1上升至8 352 J·g-1；常規住宅熱濕比中位數由4 373 J·g-1上升至18 418 J·g-1。除濕期新風處理后的近零能耗住宅熱濕比中位數由4 601 J·g-1上升至5 525 J·g-1；常規住宅熱濕比中位數由5 455 J·g-1上升至14 349 J·g-1。

相比于新風直接送入室內的運行方式，新風經過熱、濕處理后送入室內的熱濕比不包括新風顯熱負荷和濕負荷，僅由室內顯熱負荷、散濕量以及滲透風顯熱負荷和濕負荷決定。相比于常規住宅，近零能耗住宅室內顯熱負荷降低程度高于濕負荷。因此，新風不處理時近零能耗住宅的室內熱濕比明顯低于常規住宅。

2.3 室內濕度狀態

室內相對濕度會影響人體的舒適性和健康，不同住宅類型在不同換氣次數下使用均會影響室內相對濕度。夏季室內相對濕度超過70%和80%的總時長統計如圖9 和圖10 所示；除濕期室內相對濕度超過70%和80%的總時長統計如圖11和12所示。

圖9 夏季室內濕度超70%時長Fig.9 Duration of indoor relative humidity over 70%in summer

圖10 夏季室內濕度超80%時長Fig.10 Duration of indoor relative humidity over 80%in summer

圖11 除濕期室內濕度超70%時長Fig.11 Duration of indoor relative humidity over 70%in dehumidification period

圖12 除濕期室內濕度超80%時長Fig.12 Duration of indoor relative humidity over 80%in dehumidification period

夏季近零能耗住宅室內相對濕度超過70%的小時數低于常規住宅，但超過80%的小時數高于常規住宅。以新風經過熱、濕處理后送入室內且無人時段換氣次數為2 h-1為例，近零能耗住宅室內相對濕度超過70%的小時數為641 h，其中430 h 超過80%；常規住宅超過70%的小時數為715 h，其中396 h超過80%。相比于常規住宅，夏季近零能耗住宅更容易出現高濕問題。主要原因是控制空調啟停的參數為室內溫度，當室內溫度滿足要求時空調停止運行，無法繼續除濕。

除濕期近零能耗住宅室內相對濕度超過70%和80%的小時數均高于常規住宅，且新風經過熱、濕處理后送入室內時室內高濕度時長最長。無人時段換氣次數為2 h-1時，近零能耗住宅室內相對濕度超過70%的小時數為756 h，超過80%的小時數為427 h；常規住宅室內相對濕度超過70%的小時數為504 h，超過80%的小時數為197 h。除濕期室外空氣濕度高且溫度低，近零能耗住宅的顯熱負荷很小，以溫度作為控制參數的常規空調難以滿足近零能耗住宅的室內除濕需求。

夏季無人時段保持關窗的情況下，近零能耗住宅和常規住宅的室內相對濕度超過70%的小時數最少，且隨著無人時段換氣次數的升高先增大，后減小。在除濕期內，無人時段換氣次數對近零能耗住宅室內相對濕度超過70%的小時數影響較小，但室內相對濕度超過80%的小時數隨無人時段的換氣次數的增加而先減小，后增加。常規住宅室內相對濕度受無人時段換氣次數影響較大，且室內高相對濕度時長隨換氣次數的升高而增加。近零能耗住宅在夏季無人時段保持關窗，除濕期無人時段進行適當的開窗通風有助于降低室內高濕度時長。

3 結論

為分析夏熱冬冷地區氣候環境下近零能耗住宅的室內高濕度問題和除濕需求，本文對一典型住宅進行了熱、濕負荷特征計算并與常規住宅進行比較，主要結論如下：

（1）兩種住宅夏季和除濕期的總除濕量主要受到人員在室期間房間換氣次數的影響，無人時段換氣次數對總除濕量的影響較小。夏季和除濕期，新風和滲透風量對住宅總除濕量影響較大。

（2）住宅熱濕比隨無人時段換氣次數增加而增大，但影響較小。新風不經過熱濕處理時，近零能耗住宅的熱濕比更接近于標準規定換氣次數下常規住宅的熱濕比。在不考慮新風顯熱負荷和濕負荷的情況下，夏季和除濕期近零能耗住宅熱濕比分別降低至常規住宅的45.3%和38.5%。

（3）當空調采用溫度作為控制參數時，夏季和除濕期近零能耗住宅室內相對濕度比常規住宅更高，室內濕環境更差。空調間歇運行的近零能耗住宅夏季應減小無人時段的開窗換氣量，除濕期的無人時段應進行適當的開窗換氣。