基于建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的室內(nèi)熱環(huán)境比較研究

陳麗華， 陳科迪

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.杭州市園林設(shè)計(jì)院股份有限公司，浙江 杭州 310007）

0 引 言

隨著《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》、《民用建筑節(jié)能管理規(guī)定》、《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》以及《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)實(shí)施細(xì)則》等一系列有關(guān)建筑節(jié)能法規(guī)法令、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的頒布實(shí)施，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)已成為建筑設(shè)計(jì)工作的必備環(huán)節(jié)。建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的根本目的是在盡可能減少能源消耗的前提下改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境的品質(zhì)，由此更好地滿足人對(duì)建筑室內(nèi)熱舒適度的要求。目前，對(duì)于建筑節(jié)能設(shè)計(jì)以及建筑室內(nèi)熱環(huán)境已進(jìn)行了廣泛研究［1－4］，但是關(guān)于建筑節(jié)能設(shè)計(jì)對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境改善效果的研究則較為缺乏。同時(shí)，住宅建筑作為最為常見的一種建筑類型，不僅是降低建筑能耗的重點(diǎn)對(duì)象，更是建筑節(jié)能研究的一大類別［5］。

基于此，本文以住宅建筑為研究對(duì)象，分別選取未進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)和已進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)的住宅作為典型樣本，對(duì)其室內(nèi)熱環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)測(cè)并相互比較，直觀、準(zhǔn)確地揭示建筑節(jié)能設(shè)計(jì)對(duì)住宅室內(nèi)熱環(huán)境的影響，由此對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)給住宅室內(nèi)熱環(huán)境帶來(lái)的改善效果進(jìn)行實(shí)證研究，進(jìn)而為進(jìn)一步宣傳建筑節(jié)能設(shè)計(jì)理念、加強(qiáng)新建建筑節(jié)能設(shè)計(jì)以及推進(jìn)既有建筑節(jié)能改造提供科學(xué)的決策支持。

1 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)概述

總體上看，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成部件主要包括墻體、屋面和門窗，其節(jié)能設(shè)計(jì)能對(duì)建筑能耗、環(huán)境性能、室內(nèi)空氣質(zhì)量與用戶所處的視覺和熱舒適有根本的影響［6］。

通過(guò)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，改善其熱工性能，夏季可以減少室外熱量傳入室內(nèi)，冬季則保持室內(nèi)熱量不流失，從而減少建筑冷熱消耗，由此能在滿足人對(duì)建筑室內(nèi)熱舒適度要求的同時(shí)有效降低建筑能耗，進(jìn)而為真正實(shí)現(xiàn)低能耗建筑、零能耗建筑提供了可能。

墻體節(jié)能技術(shù)主要是指在墻體中增加保溫隔熱層，通過(guò)減少墻體內(nèi)外熱能傳遞而達(dá)到室內(nèi)冬暖夏涼的效果，主要有外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫、外墻夾芯保溫、外墻自保溫等幾種技術(shù)形式。近年來(lái)，隨著我國(guó)建筑節(jié)能工作的不斷深入和用于外墻外保溫的材料與技術(shù)不斷改進(jìn)，外墻外保溫由于其優(yōu)越性正日益受到重視。

屋面節(jié)能技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)屋面結(jié)構(gòu)的保溫隔熱處理達(dá)到降低室內(nèi)建筑能耗的目的，常用的技術(shù)方法包括架空層保溫隔熱屋面、倒置式保溫屋面、種植屋面等。

門窗的保溫隔熱性能通常是指在冬夏季節(jié)，門窗結(jié)構(gòu)阻止室內(nèi)和室外熱交換而使室內(nèi)保持適當(dāng)溫度的能力。門窗的保溫隔熱效果取決于門窗的所用框料和玻璃以及墻體與門窗的連接密封狀況，其節(jié)能設(shè)計(jì)主要考慮玻璃的層數(shù)和間距、窗框的材性和截面以及窗型設(shè)計(jì)等幾個(gè)因素。

2 室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)

建筑室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)主要由室內(nèi)空氣溫度、濕度、空氣速度和平均輻射溫度4個(gè)要素綜合組成，以人的熱舒適程度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［7］。目前國(guó)際上常用的建筑室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)模型是丹麥學(xué)者Fanger提出的PMV－PPD評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中，PMV即預(yù)測(cè)平均投票數(shù)（Predicted Mean Vote），PPD即預(yù)測(cè)不滿意百分?jǐn)?shù)（Predicted Percentage of Dissatisfied），兩者合稱 PMV－PPD 評(píng)價(jià)指標(biāo)［8］。PMV值是表征人體熱反應(yīng)（冷熱感）的評(píng)價(jià)指標(biāo)，代表了同一環(huán)境中大多數(shù)人的冷熱感覺的平均值。ISO7730對(duì)PMV的推薦值為－0.5～＋0.5之間，PMV＝0時(shí)意味著室內(nèi)熱環(huán)境為最佳熱舒適狀態(tài)。但是，按照Fanger的觀點(diǎn)，人在一定活動(dòng)狀態(tài)下通過(guò)適當(dāng)?shù)钠つw濕度和排汗也能夠達(dá)到熱舒適，因此，PMV值在（－1～＋1）之間均可以評(píng)定為“舒適”，高于或低于此值均評(píng)定為“不舒適”。

人體的建筑室內(nèi)熱舒適感覺（PMV值）被分為7級(jí)，即7點(diǎn)標(biāo)度［9］，包括冷（－3）、涼（－2）、稍涼（－1）、中性（0）、稍暖（1）、暖（2）和熱（3）。相應(yīng)地，PPD與PMV之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV和PPD之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

PMV指標(biāo)代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的熱感覺，但由于人與人之間存在生理差別，PMV并不一定能夠代表所有人的感覺，為此，F(xiàn)anger又提出用預(yù)測(cè)不滿意百分比即PPD指標(biāo)來(lái)衡量這種差別。Fanger對(duì)大量的PMV指標(biāo)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，由此得出PPD和PMV之間的定量關(guān)系，即

其中，M為人體新陳代謝率；W 為人體活動(dòng)需熱率；H為干熱損失；Ec為皮膚蒸發(fā)換熱為呼吸對(duì)流換熱；為呼吸蒸發(fā)換熱。

（2）式給出了PPD和PMV之間的定量關(guān)系，表示人群對(duì)熱環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù)，PMV的絕對(duì)值越大，PPD值則越大，即對(duì)熱環(huán)境不滿意的比例越高。

本文用熱環(huán)境評(píng)價(jià)的PMV－PPD模型來(lái)分析合肥市住宅室內(nèi)的熱環(huán)境狀況。

3 案例研究

3.1 研究對(duì)象選取

本文選取合肥市作為研究地區(qū)，選取合肥市區(qū)2個(gè)有代表性的住宅作為研究對(duì)象。合肥市在建筑氣候區(qū)劃中屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，夏季悶熱，冬季陰冷潮濕。

夏季最高月平均溫度超過(guò)28℃，極端最高溫為41℃；冬季最冷月平均溫度為2.6℃，極端最低溫為－20.6℃。

2個(gè)住宅的基本情況見表1所列。

表1 住宅樣本基本情況

1號(hào)住宅為一未進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的5層住宅。該住宅外墻結(jié)構(gòu)層為240厚黏土實(shí)心磚，外墻和屋面均無(wú)保溫隔熱處理，外窗為塑鋼單層玻璃窗，樓梯間和陽(yáng)臺(tái)均為開敞式。

2號(hào)住宅為一進(jìn)行了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的6層住宅。該住宅內(nèi)外墻體選用陶?；炷列⌒涂招钠鰤K，外墻外保溫采用EPS膨脹聚苯板保溫方式，以聚苯乙烯泡沫塑料為保溫材料，耐堿玻纖網(wǎng)格布為增強(qiáng)層，水泥聚合物膠漿作為黏結(jié)劑和抹面層，外飾面為高彈性面層涂料，組成集保溫和裝飾功能于一體的外圍護(hù)體系。屋面保溫隔熱為滿鋪50mm厚擠塑聚苯保溫板，門窗做法為塑鋼中空窗玻璃和保溫隔音防盜進(jìn)戶門。樓梯間為封閉式樓梯間，陽(yáng)臺(tái)為開敞式陽(yáng)臺(tái)。

3.2 測(cè)試設(shè)備和條件

室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試儀器選擇的是丹麥INNOVA公司生產(chǎn)的INNOVA 1221熱舒適度記錄儀。該儀器能夠測(cè)量所有評(píng)估熱壓和熱舒適度的物理參數(shù)，并通過(guò)這些參數(shù)計(jì)算出PMV、PPD、等效溫度（Equivalent Temperature，簡(jiǎn)稱ET）等熱舒適度參數(shù)。使用INNOVA 1221測(cè)量時(shí)需要設(shè)置測(cè)試環(huán)境中人體的服裝熱阻和新陳代謝率。

夏季測(cè)試時(shí)，儀器參數(shù)設(shè)定為夏季典型服裝（短袖襯衫、短褲、內(nèi)褲、短襪和涼鞋），參考相關(guān)研究［10］，服 裝 的 總 熱 阻 為 0.14＋0.05＋0.11＋0.02＋0.02＝0.34clo，坐著活動(dòng)時(shí)的人體新陳代謝率M＝1.2met，測(cè)試時(shí)房間為自然通風(fēng)狀態(tài)，室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)等未運(yùn)行。

冬季測(cè)試時(shí)，儀器參數(shù)設(shè)定為冬季典型服裝（長(zhǎng)褲、長(zhǎng)袖襯衫毛衣、長(zhǎng)內(nèi)褲毛褲、夾克、長(zhǎng)褲、長(zhǎng)襪和厚底鞋），服裝的總熱阻為0.25＋0.37＋0.32＋0.35＋0.25＋0.05＋0.04＝1.33clo，坐著活動(dòng)時(shí)的人體新陳代謝率M＝1.2met，測(cè)試時(shí)房間的外門窗處于關(guān)閉狀態(tài)，室內(nèi)未運(yùn)行空調(diào)等設(shè)備。同時(shí)，考慮室內(nèi)壁面輻射以及空氣流速的影響，室內(nèi)氣溫用等效溫度 ET 表示［4，11］，由此更為直觀地進(jìn)行對(duì)比分析。

3.3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

夏季測(cè)試時(shí)間為2011年8月18日的0：00至24：00，冬季測(cè)試時(shí)間為2011年12月26日的0：00至24：00，數(shù)據(jù)記錄為每30min記錄1次。對(duì)1號(hào)住宅和2號(hào)住宅的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各個(gè)住宅樣本在夏季、冬季的PMV、PPD和ET。

3.3.1 夏季室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)比分析住宅室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)比分析結(jié)果見表2所列。夏季住宅室內(nèi)PMV、PPD、室內(nèi)等效溫度變化曲線對(duì)比如圖2所示。

綜合表2、圖2a和圖2b進(jìn)行對(duì)比分析，1號(hào)住宅客廳的夏季PMV最大值為3.804，對(duì)應(yīng)的PPD最大值為99.996%，出現(xiàn)在15：00；PMV最小值為2.513，對(duì)應(yīng)的PPD最小值為93.703%，出現(xiàn)在18：30。2號(hào)住宅客廳的夏季PMV最大值為2.101，對(duì)應(yīng)的PPD最大值為81.117%，出現(xiàn)在14：00；PMV最小值為1.104，對(duì)應(yīng)的 PPD最小值為30.682%，出現(xiàn)在8：30。進(jìn)一步計(jì)算分析，1號(hào)住宅客廳的夏季24hPMV平均值為2.937，PPD平均值為98.175%；2號(hào)住宅客廳的夏季24hPMV平均值為1.625，PPD平均值為57.540%。由此可見，進(jìn)行了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的2號(hào)住宅夏季室內(nèi)PMV比無(wú)節(jié)能設(shè)計(jì)的1號(hào)住宅更接近室內(nèi)熱舒適狀態(tài)，對(duì)應(yīng)地，2號(hào)住宅的夏季室內(nèi)PPD則明顯低于1號(hào)住宅。

表2 住宅室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)比分析結(jié)果

圖2 夏季住宅室內(nèi)PMV、PPD、等效溫度變化曲線對(duì)比

由表2、圖2c可知，夏季1號(hào)住宅客廳等效溫度在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)均高于2號(hào)住宅。1號(hào)住宅客廳夏季室內(nèi)等效溫度最大值為34.10℃（15：00）；最小值為 31.07 ℃ （18：30），平均值則為32.08℃。2號(hào)住宅客廳夏季室內(nèi)等效溫度最大值 為 30.30 ℃ （14：00），最 小 值 為 28.20 ℃（8：30），平均值則為29.29℃?？梢娤募?號(hào)住宅的室內(nèi)等效溫度要明顯低于1號(hào)住宅。

3.3.2 冬季室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)比分析

冬季住宅室內(nèi)PMV、PPD、等效溫度變化曲線對(duì)比如圖3所示。

綜合表2、圖3a和圖3b進(jìn)行對(duì)比分析，1號(hào)住宅客廳的冬季PMV最低值為－2.059，對(duì)應(yīng)的PPD最大值為79.346%，出現(xiàn)在10：00；PMV最高值為－1.549，對(duì)應(yīng)PPD最小值為53.554%，出現(xiàn)在24：00。2號(hào)住宅客廳的冬季PMV最低值為－1.085，對(duì)應(yīng)的PPD最大值為29.817%，出現(xiàn)在20：00；PMV 最高值為－0.698，對(duì)應(yīng)的PPD最小值為15.246%，出現(xiàn)在0：00。進(jìn)一步計(jì)算分析，1號(hào)住宅客廳的冬季24hPMV平均值為－1.763，PPD平均值為64.916%；2號(hào)住宅客廳的冬季24hPMV平均值為－0.966，PPD平均值為24.880%。

顯然，進(jìn)行了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的2號(hào)住宅冬季室內(nèi)PMV平均值已經(jīng)進(jìn)入了（－1～＋1）之間的“舒適”狀態(tài)，比無(wú)節(jié)能設(shè)計(jì)的1號(hào)住宅具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

由表2、圖3c可知，冬季1號(hào)住宅客廳等效溫度在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)均低于2號(hào)住宅。1號(hào)住宅客廳冬季室內(nèi)等效溫度最大值為10.30℃（24：00）；最 小 值為 7.60 ℃ （10：00），平 均 值 則 為9.19℃。2號(hào)住宅客廳冬季室內(nèi)等效溫度最大值為14.70 ℃（0：00），最小值為12.70 ℃（20：00），平均值則為13.32℃?？梢姸?號(hào)住宅的室內(nèi)等效溫度要明顯高于1號(hào)住宅。

圖3 冬季住宅室內(nèi)PMV、PPD、等效溫度變化曲線對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于KMV－PPD室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)模型，以合肥市住宅為典型樣本，具體測(cè)試了樣本住宅在夏季和冬季的室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)并進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的住宅室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)明顯優(yōu)于未進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)的住宅，特別在冬季自然狀態(tài)下，進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)的住宅室內(nèi)PMV值達(dá)到了（－1～＋1）之間的“舒適”狀態(tài)，充分體現(xiàn)了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的顯著優(yōu)勢(shì)和重要性，也證明了建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)有無(wú)節(jié)能設(shè)計(jì)能夠?qū)κ覂?nèi)熱舒適度產(chǎn)生重要影響。同時(shí)研究結(jié)果進(jìn)一步表明，未采取節(jié)能設(shè)計(jì)的住宅室內(nèi)熱環(huán)境較差，為提高室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量就必須使用空調(diào)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，在滿足和達(dá)到相同熱舒適度的情況下其必然比進(jìn)行了節(jié)能設(shè)計(jì)的住宅消耗更多的能源。為此，對(duì)于那些大量未進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)的既有住宅有必要對(duì)其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造，從而改善其室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，有效降低住宅建筑能耗。

盡管節(jié)能設(shè)計(jì)可以顯著提高室內(nèi)熱環(huán)境的質(zhì)量，但也應(yīng)看到其與文獻(xiàn)［12］要求的夏季室內(nèi)空氣溫度26℃、冬季室內(nèi)空氣溫度18℃仍有相當(dāng)大的差距。這也說(shuō)明目前的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)仍有很多需要繼續(xù)改進(jìn)的地方，例如建筑設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步優(yōu)化，積極采用更先進(jìn)高效的外圍護(hù)保溫隔熱材料等。

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