嚴寒地區室內多層貫通空間熱濕環境實測研究

劉曉倩，許國強，邁力斯

（1.內蒙古工業大學建筑學院，呼和浩特 010021；2.內蒙古工業大學，內蒙古自治區綠色建筑重點實驗室，呼和浩特 010021）

0 引言

隨著建筑形式與空間的不斷豐富，目前很多公共建筑中存在多層貫通空間，這類空間一般是指中庭在垂直方向上與各樓層聯通，空氣可在樓層和中庭間流動，建筑師經常用這種方式改善建筑自然通風。然而在貫通空間中，熱濕環境會出現水平、垂直方向不均勻的現象，這種現象如果充分利用可對建筑整體熱環境進行調節，如果利用不好可能會出現局部過冷或過熱情況。

很多學者在相關領域開展了研究，如向艷在研究中得出:嚴寒地區冬夏季中庭室溫空間分布均具有一定的垂直溫度梯度和水平不均勻性[1]；彭小云對5 種類型中庭的熱環境進行了調查研究，發現中庭不同樓層邊緣空間的溫度相差很大這主要是由于中庭空間較高，由于熱空氣上升而造成的溫度分層；以及上面接受太陽輻射的時間又早又長,而邊緣空間的溫度變化會造成人體的熱不舒適和熱疲勞[2]；并且提出了一些熱環境改善和節能的措施，通過一些建筑措施和手段可以改善中庭的熱環境，降低中庭的能耗[3]；李傳成等[4]通過對武漢地區某教學樓中庭內的溫度場與室外微氣候進行了現場實測與模擬,發現中庭內的垂直溫度梯度對自然通風影響很大,中庭外窗的充分開啟有利于夏季自然通風和節能；邱齡儀等[5]發現了該空間的兩個氣候特點溫室效應和煙囪效應，如果考慮不當，貫通空間不僅使用效果差，而且增加建筑能耗；王崇杰等[6]在研究中發現熱環境是評價室內環境優劣的重要方面，建筑設計起著主導作用，如果考慮不周，對于中庭這樣的大空間會更多能源。這些研究成果對中庭空間的現狀進行了很好地總結，對貫通空間的熱濕環境的研究提供了重要參考[7，8]。

建筑內部貫通空間熱濕環境分布問題與氣候條件有關，不同的氣候條件下貫通空間熱濕環境分布規律具有很大的差異性。因此，文中在通過對嚴寒地區典型案例進行熱環境實測，從而解析貫通空間熱濕環境規律，為同類型建筑設計提供借鑒。

1 研究方法

文中選取呼和浩特某高校教學場館為研究對象，采取現場實測的方法對室內貫通空間熱濕環境進行測試。一般情況下，嚴寒地區建筑在夏季室內熱濕環境能比較容易的滿足實用要求，過渡季和冬季如設計不合理容易出現室內熱濕環境不滿足使用要求的情況，而學生大通常在貫通空間等公共區域活動。因而，研究過渡季、冬季貫通空間的熱環境更有意義。

1.1 測試對象

測試對象為呼和浩特市某高校教學場館，朝向如圖1 所示，場館內部為3 層，層高3.5m。入口處為玻璃門廳中庭則靠近玻璃門廳，與建筑1、2、3 層貫通。建筑全部采用鋼筋混凝土桁架組成的排架結構和清水磚墻外立面。1 層建筑面積2746m2，采用地板輻射采暖；2 層建筑面積1634m2，3 層建筑面積1420m2，采用散熱器采暖。

1.2 測試時間與儀器

呼和浩特地區冬季主導西北風，供暖期為每年10月15 日～次年4 月15 日，供暖對室內熱環境有很大影響。因此過渡季測試室選擇在供暖前（10 月1 日～10 月8 日）進行，冬季測試在最冷月（12 月22 日～12月29 日）進行。測試設備采用溫濕度記錄儀，具體參數見表1。

表1 測量儀器性能參數

1.3 測試內容與方案

根據建筑內部貫通空間的位置，分別在門廳、貫通空間布置測點,遵循測點垂直對應，便于上下層的溫濕度對比。場館的測點布置見圖1。各測點距地面的高度為1.5m，數據采樣間隔為1min，數據儲存間隔為1h。在這個范圍內測出的數據作為場館貫通空間的空氣溫度、空氣相對濕度的分布狀況，并對測點的數據進行水平方向及垂直方向的分析。

圖1 場館各層測點布置圖

2 水平方向熱濕環境分析

2.1 供暖前各層溫濕度分析

通過現場實測發現，該建筑在過渡季只利用自然通風排除室內余熱余濕，非供暖期各測點水平溫度波動趨于穩定，觀察選取2017 年10 月3 日，發現最高溫度出現在下午14:00～16:00 之間，最低溫度出現在凌晨06:00～07:00 之間。過渡期貫通空間的空氣溫度呈先高后低再高趨勢，而供暖期貫通空間的溫度一直在恒定的值上下波動。

由圖2 可知3 層空氣溫度波動一直處于最小，這是由于測點距門廳較遠，受到室內外空氣對流的影響較小，而在午間時出現峰值，是因為部分測點靠近透光圍護結構，陽光輻射使測點的溫度升高，后隨著輻射熱減少而溫度降低。而首層的空氣溫度波動與2 層相近，稍低于2 層。而位于首層門廳周圍的測點一直較低且波動較大，產生波動的原因主要和建筑的門廳有關。門廳人員流動最大，與室外空氣對流，使大空間內儲存的熱量會損失。靠近透明圍護結構的的測點的溫度幅度較大，這是因為透明圍護結構的保溫性能較差，受到外界溫度影響較大。當受到陽光輻射時高于別的測點溫度。綜上所述，各層空氣溫度走勢基本一致，其中首層空氣溫度明顯低于2、3 層，首層與2 層溫度均值較為接近。建筑的開口以及太陽輻射影響貫通空間空氣溫度，處于貫通空間的頂層保溫效果越好，而位于貫通空間的底層，空氣溫度越低。該建筑貫通空間空氣溫度大小排序為:1 層＞2 層＞3 層。

圖2 過渡季（2017 年10 月3 日供暖前）各層溫度曲線

相對濕度的變化趨勢與空氣溫度有明顯的負相關關系。首層的相對濕度最高主要原因是受到水景、植物種植以及衛生間等對濕度影響較大。部分測點距離水源較遠，且受室內外空氣換流引起的散濕影響，相對濕度較低。3 層的濕度相比首層較低，呈“單峰單谷”型。除了受溫度影響外，在室內外空氣換流最強時以及太陽輻射最強時濕度也明顯發生變化見圖3。

圖3 過渡季（2017 年10 月3 日供暖前）各層濕度曲線

2.2 供暖期間各層溫濕度分析

供暖期主要受到供暖設備影響，測點溫度波動較大，但總體趨勢接近。首層空氣溫度在06：00 之前一直趨于平穩，之后出現頻繁波動，由于06：00 之前門窗緊閉，幾乎沒有室內外空氣換流，溫度只受到供暖設備的影響，所以溫度保持平穩。之后由于人員頻繁進入，門廳出現冷熱空氣替換，靠近門窗的測點溫度出現大幅度起伏，且相對較低。3 層空氣溫度一直處于最高值，原因是距離門廳較遠，較少了室內外空氣的換熱。部分測點距離熱源設備較近，溫度隨著熱源溫度變化。在15：00～17：00 時溫度達到峰值，在該時間段太陽輻射逐漸升高，測點溫度也逐漸達到頂峰。而3 層出現高于首層與2 層的平均溫度是由于首層大部分是地熱采暖，由于“煙囪”效應，使得熱空氣上升，在頂部聚集，使得上層的溫度高于下層的溫度。2 層空氣溫度與3 層相近，且稍低于3 層。說明建筑的開口，采暖，以及太陽輻射都會影響貫通空間空氣溫度。綜上所述貫通空間空氣溫度大小排序為:3 層＞2 層＞1 層。

圖4 冬季（2017 年10 月3 日供暖期間）各層溫度曲線

在供暖期相對濕度的變化趨勢與空氣溫度也呈負相關關系。供暖期首層的相對濕度相對于過渡季的濕度較低，主要原因是受到供暖設備和室外空氣的影響，冬季室外空氣的濕度相對較高。相比于同時刻的2、3 層是濕度而言較高，主要是受室外空氣、水景、植物以及衛生間等因素對濕度有較大影響。2、3 層的相對濕度均低于首層，是由于受到水源的影響較小，但受陽光輻射影響較大，在太陽輻射減少時濕度上升，反之情況見圖5。

圖5 冬季（2017 年10 月3 日供暖期間）各層濕度曲線

3 垂直方向熱濕環境分析

3.1 供暖前垂直方向測點溫濕度分析

由圖6 可已看出，過渡季垂直方向上對應各測點變化規律相似，在09:00 之前出現溫度下降的現象后呈現出逐漸上升的趨勢，因為該時間段人員流動較多，各層都受到室內外空氣換流的影響，但明顯首層溫度最低，反之頂層受到的影響最小。

圖6 過渡季（供暖前）垂直方向測點實際溫度值隨時間的變化

由圖7 可已看出，在垂直方向上供暖前的濕度大小與溫度呈相反的趨勢，各個垂直測點的濕度也呈現“單峰單谷”型，各層濕度并沒有出現很大的差別。由于人員出入頻繁起到了散濕的作用，首層由于距離門廳較近受到的影響最大，同時也受到水景，植物以及衛生間的影響增大了首層的相對濕度。相同位置的2、3 層測點，部分靠近透明圍護結構受門廳的影響最小，濕度沒有補充，相反卻受到太陽輻射的影響，濕度相對較小。最高點出現在凌晨04:00～05:00 和夜間21:00～22:00，在午后溫度高時，濕度下降約5～7%RH。由上所述室內濕度也受到太陽輻射、建筑開口的影響，呈現上層濕度較低底層濕度較高的現象。

圖7 過渡季（供暖前）垂直方向測點濕度值隨時間的變化

之后由于人員流動減少，室內人員散發熱量以及受到太陽輻射，室內溫度緩慢上升。測點均分布在同位置的1～3 層，且部分測點在門廳附近，對溫度的影響最大，而相同位置測點位于3 層，受到建筑開口的影響較小。其他對應測點的變化規律相似。綜上所述非采暖期貫通空間垂直方向上溫差范圍在2～3℃左右，各組垂直測點溫度波動狀況一致，最低溫度出現在上午09:00，最高溫度出現在14:00～16:00 之間，這是由于太陽輻射的影響以及地面的蓄放熱有一定的延遲現象。

3.2 供暖期間垂直方向測點溫濕度分析

由圖8 可已看出，冬季垂直方向上對應各測點變化規律相似，在場館開放時間內有人員流動溫度呈現出上下浮動的現象。1～3 層同位置的測點，與過渡季相比浮動更小，但是上下層溫度出現明顯的差異，溫差范圍在3～7℃左右，這是由于在冬季首層采用地板輻射供暖，熱量一部分通過門廳、透明圍護結構等散失，另一部分時由于熱空氣本身的性質，上升聚集在貫通空間的上層。2、3 層采用散熱器采暖，靠近熱源的測點溫度隨著熱源溫度而變化。綜上所述可知供暖期溫度也呈現上層溫度高于下層溫度的現象。

圖8 冬季（供暖期間）垂直方向測點溫度值隨時間的變化

供暖期的濕度大小也與溫度呈相反的趨勢。由于進行供暖，濕度的波動范圍不大，但是不穩定性強。首層濕度受到室外空氣、植物以及衛生間等濕度較大的因素影響，部分測點靠近門廳通過室外空氣濕度的補充，濕度相對于2、3 層同位置的測點較高；而部分測點在空間內部，且距離門廳較遠，濕度得不到補充，濕度相對較低。在場館開放時，濕度也出現不規律的波動，這是由于測點受到室外空氣與太陽輻射等的影響，濕度相差1.5～4%RH。由上所述采暖期貫通空間濕度也受到供暖與門廳等因素的影響，也呈現上層濕度較低而底層濕度較高的現象依托于測試結果對建筑貫通空間進行綜合對比分析，表明其空間的熱濕環境變化與太陽輻射、建筑開口、供暖等因素密切相關，是其綜合作用的結果。貫通空間的空氣溫度、相對濕度受建筑開口、太陽輻射，供暖等多方面因素的影響;在供暖前，建筑開口、太陽輻射對貫通空間溫濕度影響最大。供暖期間，貫通空間內的溫濕度受到供暖因素影響較大。因此，在建筑設計中，應充分考慮建筑開口與建筑貫通空間二者之間的交互作用，應重點考量建筑開口所對應方向上的貫通空間的關系，使冷空氣能夠平緩流通，避免形成明顯的氣流通道，造成熱量的大量散失。

圖9 冬季（供暖期間）垂直方向測點濕度值隨時間的變化

4 結語

通過對建筑內部貫通空間分別進行的實測,比較了貫通空間的空氣溫濕度變化規律,得到如下結論：

（1）嚴寒地區貫通空間的溫濕度在水平與垂直方向上有明顯的差異。供暖期前太陽輻射、建筑開口的影響較大，溫濕度波動明顯；供暖期間受供暖以及建筑的開口的影響，波動不穩定但幅度小。

（2）貫通空間在水平方向上首層溫差較大，非供暖期最大溫差為2℃，供暖期最大溫差為8℃；垂直方向上的溫差主要由于“煙囪”效應，熱空氣上升，造成頂部溫度升高，非供暖期的最大溫差為3℃，采暖期最大溫差為7℃。

（3）貫通空間垂直方向的濕度呈現上低下高，非供暖期濕度在5%～7%RH 之間波動，供暖期濕度相差1.5%～4.5%RH 之間波動。