遼西地區典型性住宅熱環境研究

林葉童 庹萬利 錢治杰

（遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000）

1 緒論

1.1 研究目的和意義

隨著社會生產水平的進步和人民生活水平的不斷提高，居民們對住宅建筑室內環境熱舒適節能減排的需求也在不斷提高。因此，我們在滿足人們對住宅建筑室內熱環境舒適需求的同時，環境保護便是重要舉措。地域氣候、建筑類型、室內環境、生活習慣等諸多因素影響人們對熱舒適需求，并且在不同地區存在明顯差異。高標準的熱舒適水平不僅是居住者的向往和憧憬，也是建筑熱環境調節的最終目標，建筑的熱工性能往往與室內熱環境緊密聯系,而室內熱環境又與人的健康、舒適乃至工作效率密切相關[1]。目前，環境污染已經成為當今世界必須解決的問題之一，所以人們都開始逐漸追求綠色建筑。建筑能耗已經成為衡量一個國家總能耗的重要指標，發達國家的建筑能耗占其總能耗30%-40%，我國建筑能耗約占全國總能耗的25%左右[2]，在寒冷、嚴寒地區，已經占當地總能耗的30%-40%，建筑節能減排已倍受全國人民的注意。正是如今這樣一個提倡節能減排的大環境下，人們已經不局限于人工穩態的空調環境下，而是期望通過使用現有的、已經成熟的技術手段達到自然和熱舒適的雙贏模式。地球表面的大氣層每時每刻都是變幻莫測的，人類的進化和個人的成長一直處于周圍的變幻莫測的溫度、濕度等諸多因素的變化中。但人天生具有一定的熱波動適應能力，在一直處于穩態的環境中，人體的熱適應力將會削弱，如同缺乏體育鍛煉容易導致體質下降一樣，熱適應能力的下降將會直接導致抗疾病能力直線下降。對比前者，大部分一直生活在自然通風條件下的人，對熱舒適的適應能力較好，最終得到了該部分人群會有更大的適應能力的結果[3]。因此改善建筑室內外熱環境，提高舒適性，降低建筑的能耗，是我國急需解決的重要問題之一。

1.2 研究內容和方法

1.2.1 研究內容

建筑的實際構造是多種多樣、相當復雜的，實際的居住情況也是千差萬別的。因此，本文采用對典型建筑按典型模式運算，實際測試也嚴格按照標準的規定操作。本文通過對遼寧省阜新市某村鎮不同居民建筑屋頂和建筑結構的室內外熱環境的實地測量分析，對比得出夏季典型性住宅內外熱環境的特點。

首先我們先收集所選地區往年的室內外環境的熱環境參數，即空氣溫度、空氣濕度、氣流速度、太陽輻射等實測參數，作為實地測量的參考數據。然后選取合適的實驗儀器，制定嚴格規范的實驗步驟和操作方法。最后將收集到的這些熱環境參數，進行匯總，整理和分析，最終得到關于不同居民建筑屋頂和建筑結構的室內外熱環境的特點，初步提出遼西地區典型性居民住宅優化意見。

1.2.2 研究方法

本次研究主要以定量分析和定性相結合為主，文獻研究法和實地調研法為輔的研究方法，最終為該村鎮提供優化建議：

（1）實驗測試與數據分析對測量結果進行對比分析，得出建筑環境布局和空氣溫度，空氣濕度之間的關系。

（2）文獻研究法

閱讀國內外有關室內外熱環境，對研究內容有一個整體的把握。

（3）居民實際情況調研法

通過對居民實際居住感受進行調研，分析PMV 和PPD 的值，得出實際溫度值與實測值進行校驗，確定實驗可靠和可實施性。

2 實測數據分析

2.1 實測住宅結構

實測住宅建筑位置是根據不同房屋屋頂類型和是否具有門斗結構進行研究，選取四間具有不同類型和結構的典型性住宅。房屋朝向均為坐北朝南，除門斗外房屋結構基本相似，建造結構為磚混結構，周圍沒有較高遮擋物，建筑群落較稀疏。選取的典型性住宅建筑不存在空調，從而減小因為改變建筑室內溫度對實測數據的影響，保證結果的相對準確性。結合居民住宅的建筑格局，將研究區域分類劃分5-6 個區域，對測點位置的距離地面1.5 米高處墻體溫度，以及室內空氣濕度進行24 小時的實時測量。

如圖1 為實測住宅建筑結構平面分布圖，地點為阜新市某村鎮，住宅建筑內主要包含臥室、廚房、衛生間、儲物間四個功能房間以及一個走廊。住宅建筑層高約為2.8 米，住宅面積大小均為100 平方米左右。具體的圍護結構參數見表1。

圖1 住宅建筑平面圖

表1 圍護結構參數

2.2 實測儀器

本實驗所選用儀器為HOBO UX100-003 便攜式高精度溫濕度自動數據采集記錄儀。電子儀器的優點是其性能可靠，數據準確，記錄時間長。具體參數如表2所示。

表2 使用儀器型號及參數

2.3 實測數據分析

實測地點為遼寧省阜新市某村鎮標準居民住宅建筑，實測時間為2021 年7 月20 日至7 月27 日早0：00至晚24：00，以下為逐時記錄實測數據的整體匯總整理，以及具體研究分析。

2.3.1 尖頂房、平頂房室內整體溫度

圖2 為尖頂房、平頂房室內溫度變化圖，數據是由實測七天內兩個不同屋頂住宅室內整體數據匯總計算得出。平頂房建造材料是空心板，尖頂房房頂是鋼筋混凝土或木梁搭建而成。（具體數據可參考表1）由圖可見，尖頂房室內的整體溫度比平頂房室內的整體溫度較低，是因為尖頂以下存在一定空間，具有一定的保溫隔熱效果，對室內溫度影響較少。尖頂房外觀比較漂亮時尚，且具有一定的坡度，流水比較好，排水方便。平頂房在夏季受到太陽光線直射，整個屋頂溫度較高，導致對室內傳熱較多，室內溫度較高。平頂房之所以在農村住宅建筑中普遍應用也存在一定的優點，平坦的屋頂可以用來晾曬衣物和農作物，相對尖頂房來說造價便宜的同時還便于后期設計改造。

圖2 尖頂房、平頂房室內溫度變化圖

2.3.2 有門斗、無門斗走廊溫度

門斗是遼西地區乃至東北地區普遍應用的與房屋的外房門相結合的方形建筑過渡空間，具有分割、擋風、御寒等。在冬季寒冷的北方，門斗的過渡空間可以很好的避免外面寒冷的空氣直接進入屋內，屋內的熱氣向外流出，從而起到保溫隔熱的作用[4]。但是在夏季門斗又稱為一種“負擔”，阻擋了空氣的流通。由圖3 可見，有門斗的住宅比無門斗的住宅走廊的整體溫度會高一些。同時，門斗的存在還會對太陽直射有一定的影響,從而導致室內走廊的光線變暗。

圖3 有門斗、無門斗走廊溫度變化圖

2.3.3 每個房間溫度值

圖4 為臥室、廚房以及走廊溫度變化圖，由圖可見臥室整體溫度比廚房及走廊的溫度高1-2 度，臥室作為靠東南方向的房間，最早受到太陽的直線照射的影響，且照射時間較長，屬于朝陽面，溫度在7：00 時最先開始上升。廚房位于住宅建筑的西北方向，會在下午甚至傍晚受到太陽直線照射其余時間是輻射溫度的影響，屬于背陰面，溫度上升幅度比臥室較小，整體溫度比走廊較高。且遼西地區農村住宅以火炕為主要的做飯和采暖設備，在17：00 到18：00 的做飯時間，廚房溫度和臥室溫度會有一定的上升，對于冬季溫度變化會更加明顯。走廊的前后都有門，是作為空氣流通最主要的空間，會有穿堂風出現，對夏季降低溫度有明顯效果，故整體溫度相對較低，比較涼爽。

圖4 不同方位房間溫度變化圖

2.3.4 人體PMV 和PPD 變化圖

由熱舒適方程（Fanger[5]研究提出人體熱感覺模型PMV-PPD）, 可以得到人們在不同環境狀態下的熱舒適度, 共分為7 級（見表3）, 即預測平均熱感覺指標（PMV）。PMV 指標代表同一環境下絕大多數人的感覺，用來評價一個熱環境舒適與否。預測不滿意百分比（PPD）指標表示人群對熱環境不滿意的百分數，二者之間存在一定的定量關系。國際標準化組織推薦的熱舒適環境的PMV 范圍在-0.5～0.5 之間，相當于人群中有10%的人感覺不滿意，即PPD 小于10%。通過對當地住宅居住者的實際居住情況調查詢問，以及對當地建筑住宅熱環境相關資料研究對比，得出以下人體PMV 和PPD變化圖。圖中可以看出，在上午10：00，人們會明顯感覺到室內空氣溫度相對增加，人們開始出現熱的感覺，在下午13：00 到14：00，人們對熱感覺繼續增加，會感覺到炎熱，這時往往是太陽照射最強烈的時候。在晚間到凌晨的時間里，人們會處于睡眠狀態，而且晚間伴隨著溫度降低，會有微風出現，人們往往感覺比較舒適，不滿意程度也會隨之降低，見圖5-6。

表3 人體舒適度指數

3 結論和展望

根據夏季阜新市某村鎮居住區建筑熱環境的研究，得到住宅建筑的溫度數據和人們體感溫度等與房屋建筑結構的關系，分析研究了空氣溫度、空氣濕度、氣流速度、太陽輻射等實測參數。結合實測參數分析與居住區能耗情況，得到關于不同居民建筑屋頂和建筑結構的室內外熱環境的以下幾個特點：

3.1 平房頂與尖房頂相比，平房頂的住宅溫度會比尖頂房住宅溫度整體偏高。因為尖頂房房頂與頂棚之間存在一定空間，能夠起到一定的保溫隔熱效果。

3.2 有門斗與無門斗走廊溫度相比，無門斗的走廊溫度較低，有門斗的走廊溫度較高。因為門斗的過渡空間可以很好的避免外面寒冷的空氣直接進入屋內，屋內的熱氣向外流出，從而起到保溫隔熱的作用。

圖5PMV 變化圖

圖6PPD 變化圖

3.3 通過住宅建筑不同方位房間溫度對比，靠近東面的房間會最先開始升溫，并且整體溫度會比西面的房間高一些，是由于東面房間的墻體最早受到太陽的直線照射的影響，且照射時間較長。

3.4 通過PPD 值和PMV 值的對比，可以得出夏季人們往往在下午13：00-15：00 時會有熱甚至炎熱的感覺，這時PMV 可以達到較大值。同時，人體的不滿意度百分比PPD 也會隨之升高，不滿意程度增加。數據以遼寧省阜新市某村鎮標準居民住宅建筑室內外熱環境為主，對附近復雜住宅建筑研究相對較少，主要是因為周圍建筑室內熱環境與熱舒適的影響因素較多，機理復雜。在今后的研究中，我們將擴大研究范圍和區域，豐富我們的研究內容。因為此次研究只是在夏季進行，并沒有與其他季節進行對比，所以具有一定局限性。在之后更深入的研究中，我們將考慮不同季節情況的影響，得出更嚴謹的結論。