廈門地區(qū)典型農(nóng)村住宅夏季室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)與分析

袁炯炯， 孟慶林， 袁彥峰

(1. 華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院， 廣東 廣州 510641；2. 華僑大學(xué) 建筑學(xué)院， 福建 廈門 361021)

廈門地區(qū)典型農(nóng)村住宅夏季室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)與分析

袁炯炯1,2， 孟慶林1， 袁彥峰2

(1. 華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院， 廣東 廣州 510641；2. 華僑大學(xué) 建筑學(xué)院， 福建 廈門 361021)

實(shí)地測(cè)試廈門地區(qū)具有代表性農(nóng)村住宅的夏季室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.結(jié)果表明：受測(cè)農(nóng)宅的室內(nèi)空氣溫度變化趨勢(shì)與室外溫度變化趨勢(shì)基本相同，低于室外空氣溫度，室內(nèi)空氣溫度與黑球溫度差別小；海拔高度高、建筑密度低的農(nóng)宅室內(nèi)空氣溫度低、熱穩(wěn)定性差，靜風(fēng)狀態(tài)下的熱舒適性較高；混合結(jié)構(gòu)的農(nóng)宅室內(nèi)溫度比采用傳統(tǒng)建材的高，但穩(wěn)定性更好，建筑材料對(duì)農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性影響相對(duì)較大. 關(guān)鍵詞： 農(nóng)村住宅; 室內(nèi)熱環(huán)境; 統(tǒng)計(jì)分析; 廈門地區(qū); 夏季

廈門市地處福建省東南部沿海，背靠漳泉平原，與臺(tái)灣島隔海相望.廈門全市陸地面積1 699.39 km2，海域面積約390 km2.廈門市主要的城市片區(qū)由廈門島向周邊區(qū)域輻射，截至2014年，廈門市市區(qū)建成區(qū)301 km2，環(huán)繞廈門島的城區(qū)周邊仍然還有眾多以農(nóng)村居住形態(tài)為主的農(nóng)村地區(qū).廈門地區(qū)農(nóng)村地區(qū)的建筑形態(tài)以住宅為主，農(nóng)村人均居住面積達(dá)62.79 m2，平均每百戶空調(diào)使用量達(dá)123臺(tái)，農(nóng)村建筑節(jié)能以農(nóng)村住宅節(jié)能為主[1].在我國建筑熱工氣候劃分中，廈門為夏熱冬暖地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫約21 ℃，建筑熱工和建筑節(jié)能設(shè)計(jì)主要考慮夏季防熱，可不考慮冬季保暖[2-3].從近年的建筑能耗情況看，住宅能耗達(dá)到整個(gè)社會(huì)能耗的46%，成為社會(huì)能耗的主體之一[4].隨著生活水平的逐年提高，夏季居室空調(diào)普遍使用導(dǎo)致空調(diào)能耗成為住宅能耗的重要組成部分.住宅室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性直接關(guān)系到空調(diào)使用能耗和住宅節(jié)能效果[5].農(nóng)村住宅的使用情況較城市住宅的單一居住功能更為復(fù)雜，不能單純地將城市住宅的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和措施實(shí)施于農(nóng)村住宅.本文對(duì)廈門地區(qū)典型農(nóng)村住宅夏季室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)與分析.

1 實(shí)測(cè)對(duì)象概況

同一地區(qū)內(nèi)農(nóng)宅的建筑特性對(duì)其室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)劣起決定性作用.依據(jù)廈門地區(qū)農(nóng)宅的建筑特性和產(chǎn)業(yè)類型，分別選擇后田村、兌山村、后溪村和軍營村的典型農(nóng)戶進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè).農(nóng)宅的建筑特性指住宅海拔高度(h)、周邊住宅群落的布局、建筑密度、建材和建造方式等.產(chǎn)業(yè)類型指農(nóng)戶所從事的工作性質(zhì)，由于一般農(nóng)戶工作和生活空間的共存和使用，不同的工作性質(zhì)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有較大的影響.

實(shí)測(cè)對(duì)象的基本特點(diǎn)，如表1所示.實(shí)測(cè)對(duì)象測(cè)試處的平面圖，如圖1所示.圖1中：平面示意圖指北針方向在南偏東15°至南偏西15°以內(nèi).由于客廳是人們行為的主要區(qū)域，因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析均以客廳數(shù)據(jù)為主.

表1 實(shí)測(cè)對(duì)象的基本特點(diǎn)Tab.1 Basic situation of test residential building

(a) 后田村467號(hào) (b) 城內(nèi)村24號(hào) (c) 潘涂社44號(hào) (d) 軍營村160號(hào)圖1 實(shí)測(cè)對(duì)象的測(cè)試處平面圖Fig.1 Plan of test residential building

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

空氣溫度是判斷室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)劣最重要的指標(biāo)數(shù)據(jù)；輻射溫度表示人真實(shí)感受到周邊環(huán)境的冷熱感.故文中主要采用空氣溫度和輻射溫度表達(dá)室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)劣，并利用數(shù)值統(tǒng)計(jì)及計(jì)算的方法，采用平均熱感覺投票指標(biāo)(PMV)數(shù)值對(duì)比分析各個(gè)測(cè)試對(duì)象的室內(nèi)熱舒適性[6-8].

2.2 實(shí)驗(yàn)時(shí)間

選擇廈門地區(qū)最熱月的集中時(shí)間，即一年中氣候最不利的時(shí)間為實(shí)驗(yàn)時(shí)間段，以突出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定向性和對(duì)比性.最熱月一般為夏至日之后的一個(gè)月左右，且這段時(shí)間是全年空調(diào)使用最頻繁、最長的時(shí)間，即為廈門地區(qū)農(nóng)村住宅能耗最大的時(shí)間段.具體實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2013年7月31日午09：00～2013年8月2日09：00，2015年6月25日18：00～2015年6月28日18：00，2015年的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取6月26日09：00～2015年6月28日09：00之間的數(shù)據(jù)，兩年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充、對(duì)比.實(shí)驗(yàn)室外氣候數(shù)據(jù)由距離最近的官方氣候數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)(廈門市集美大道1 799號(hào))提供.

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器選擇自動(dòng)記錄溫濕度計(jì)、黑球溫度計(jì)和室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，溫濕度計(jì)和黑球溫度計(jì)用于采集室內(nèi)外實(shí)時(shí)空氣溫度、空氣濕度、輻射溫度.各個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器在實(shí)驗(yàn)之前均進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的科學(xué)性和可比性.由于熱舒適儀可同時(shí)采集空氣溫度、空氣濕度、輻射溫度和風(fēng)速，故用于采集室內(nèi)外氣候參數(shù)和室內(nèi)熱舒適度.測(cè)點(diǎn)位置選擇的標(biāo)準(zhǔn)為：1) 不影響住戶的正常生活；2) 盡量放置在符合靜風(fēng)條件的區(qū)域.實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的基本數(shù)據(jù),如表2所示.表2中：t為采樣記錄時(shí)間.

表2 實(shí)驗(yàn)儀器的基本數(shù)據(jù)Tab.2 Basic situation of experimental apparatus

3 結(jié)果及分析

整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的室外氣候狀況基本相似，室外氣候基本數(shù)據(jù)采集自集美區(qū)距離實(shí)測(cè)對(duì)象最近的氣象觀測(cè)點(diǎn).氣候數(shù)據(jù)表明：2013年和2015年,室外氣候數(shù)據(jù)變化基本相似，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可相互印證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性.其中：2013年室外空氣溫度最高值為34.3 ℃，最低值為23.6 ℃，24 h內(nèi)平均值為29.07 ℃；2015年室外空氣溫度最高值為33.6 ℃，最低值為26.1 ℃，24 h內(nèi)平均值為28.9 ℃.2013年實(shí)測(cè)對(duì)象1，2客廳處的室內(nèi)空氣溫度和黑球溫度變化,如圖2所示.由圖2可知：黑球溫度與空氣溫度差別極小，可用空氣溫度替代黑球溫度以表達(dá)室內(nèi)環(huán)境中人的熱感覺.

(a) 實(shí)測(cè)對(duì)象1 (b) 實(shí)測(cè)對(duì)象2圖2 2013年室內(nèi)空氣溫度和黑球溫度數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Comparison between indoor air temperature and black ball temperature in 2013

后田村467號(hào)、城內(nèi)村24號(hào)、潘涂社44號(hào)、軍營村160號(hào)(實(shí)測(cè)對(duì)象1～4)空氣溫度的最高值、最低值、平均值及變化趨勢(shì)，如圖3，4所示.由圖3,4可知：軍營村農(nóng)宅的各項(xiàng)溫度值均最低，后田村農(nóng)宅的平均溫度最高；2013年，城內(nèi)村農(nóng)宅與軍營村農(nóng)宅的溫度變化幅度較為劇烈，后田村農(nóng)宅及潘涂社農(nóng)宅則溫差變化較小；2015年，軍營村農(nóng)宅溫度變化幅度仍較為劇烈，后田村農(nóng)宅及潘涂社農(nóng)宅溫度變化較為穩(wěn)定.由此可知：各個(gè)實(shí)測(cè)對(duì)象的室內(nèi)空氣溫度的變化趨勢(shì)與室外氣候變化趨勢(shì)相同，其各自室內(nèi)空氣溫度和輻射溫度數(shù)值相近；實(shí)測(cè)對(duì)象4的室內(nèi)空氣平均溫度最低，但變化幅度最大，熱穩(wěn)定性較差；實(shí)測(cè)對(duì)象1溫度幅度變化最小，但其室內(nèi)平均溫度最高.

(a) 空氣溫度的極限值和平均值 (b) 空氣溫度變化趨勢(shì)圖 圖3 2013年實(shí)測(cè)對(duì)象空氣溫度數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Data comparison of air temperature in 2013

(a) 空氣溫度的極限值和平均值 (b) 空氣溫度變化趨勢(shì)圖 圖4 2015年實(shí)測(cè)對(duì)象空氣溫度數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Data comparison of air temperature in 2015

圖5 PMV與PPD對(duì)應(yīng)人體的冷熱感數(shù)值圖Fig.5 PMV and PPD corresponding to hot and cold feeling numerical values of human body

PMV可綜合評(píng)價(jià)空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和壁面輻射等因素對(duì)人體室內(nèi)熱感受的影響.PMV數(shù)值與人體熱感覺的關(guān)系，如圖5所示.圖5中：PPD為預(yù)測(cè)不滿意百分?jǐn)?shù)；-4～4分別表示很熱、熱、暖、稍暖、舒適、稍涼、涼、冷、很冷.1984年，PMV-PPD對(duì)應(yīng)人體的冷熱感覺作為ISO-7730《適中的熱環(huán)境： PMV與PPD指標(biāo)的確定及熱舒適條件的確定》被國際所公認(rèn).目前，PMV是國際上最常用的熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo).通常認(rèn)為，-0.15≤PMV≤0.15是使人體感覺最熱舒適的熱環(huán)境狀況；PMV數(shù)值為1.6時(shí)，人體對(duì)此熱環(huán)境狀況感覺到較為不適.PMV可以通過空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、周圍輻射溫度、人體活及動(dòng)量人體衣著量進(jìn)行計(jì)算[9].

(a) 2013年 (b) 2015年圖6 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)夏季PMV計(jì)算值對(duì)比Fig.6 Summer PMV value comparison in two experimental period

代入人體活動(dòng)量為64 W·m2(輕微活動(dòng))和人體衣著熱阻0.15 cloth(夏季短衫薄長褲),計(jì)算室內(nèi)客廳的PMV值.2013年，2015年實(shí)測(cè)對(duì)象客廳的PMV值變化[10]，如圖6所示.由圖6可知：這兩年的PMV平均值中實(shí)測(cè)對(duì)象4最接近熱舒適區(qū)間，且舒適時(shí)間段長于其余實(shí)測(cè)對(duì)象；實(shí)測(cè)對(duì)象1，3變化趨勢(shì)接近，但實(shí)測(cè)對(duì)象1的PMV值均高于其他實(shí)測(cè)對(duì)象，其室內(nèi)熱舒適環(huán)境最差；2013年，實(shí)測(cè)對(duì)象2的PMV浮動(dòng)幅度與實(shí)測(cè)對(duì)象4類似，其PMV平均值低于實(shí)測(cè)對(duì)象1，3，但實(shí)測(cè)對(duì)象2，4的熱穩(wěn)定性較其他實(shí)測(cè)對(duì)象差.

圖7 2015年實(shí)測(cè)對(duì)象PMV累積概率圖Fig.7 Test PMV cumulative probability in 2015

前人提出的“累積分布PMVN”類似于動(dòng)態(tài)噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)累積分布聲級(jí)LN.“累積分布PMVN”表示在實(shí)驗(yàn)時(shí)段內(nèi),有N%的時(shí)間PMV超過的值[11].同時(shí)，根據(jù)熱舒適方程，判斷PMV≯1.67為夏季可接受熱環(huán)境的極限值.以0.5作為一個(gè)標(biāo)度范圍，以前人研究的1.67為1.50和2.00之間的分割指標(biāo)，計(jì)算PMV值從-0.5到2.5標(biāo)度內(nèi)的累計(jì)統(tǒng)計(jì)百分比，得出其累積分布的概率,如圖7所示.

由圖7可以知道：實(shí)測(cè)對(duì)象4的 PMV≤1.67的概率達(dá)到90%，熱舒適概率最高；而實(shí)測(cè)對(duì)象1的PMV≤1.67的概率為5.5%，實(shí)測(cè)對(duì)象3的PMV≤1.67的概率為26.9%，不可接受標(biāo)準(zhǔn)的概率分布分別為94.5%，73.1%.根據(jù)PMV值的累積概率統(tǒng)計(jì)，2015年,實(shí)驗(yàn)段內(nèi)實(shí)測(cè)對(duì)象4的室內(nèi)熱環(huán)境最好，其次為實(shí)測(cè)對(duì)象3，實(shí)測(cè)對(duì)象1的室內(nèi)熱環(huán)境狀況最差.

4 結(jié)論

通過對(duì)廈門地區(qū)典型農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境的實(shí)測(cè)，可以得出以下3點(diǎn)結(jié)論.

1) 受測(cè)農(nóng)宅的室內(nèi)空氣溫度變化趨勢(shì)與室外溫度變化趨勢(shì)基本相同，且低于室外空氣溫度，室內(nèi)空氣溫度與黑球溫度差別很小.

2) 在基本建筑材料和形式相似的前提下，海拔高度高、村莊建筑密度低的農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定性差，但夏季溫度低，室內(nèi)熱舒適性較高.

3) 采用現(xiàn)代混凝土框架混合結(jié)構(gòu)的農(nóng)宅室內(nèi)溫度比采用當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)建材石材和紅磚的高，但穩(wěn)定性更好，建筑材料對(duì)其室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性影響相對(duì)較大.

[1] 廈門統(tǒng)計(jì)局，國家統(tǒng)計(jì)局.廈門經(jīng)濟(jì)特區(qū)年鑒(2015)[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2015：10.

[2] 江億，林榮波.住宅節(jié)能[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：33-40.

[3] 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告(2012)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：89-92.

[4] 林其標(biāo).廣州地區(qū)住宅室內(nèi)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)及其改善[C]∥中國建筑學(xué)會(huì)建筑熱環(huán)境綜合應(yīng)用與技術(shù)討論會(huì).西安:[出版者不詳],1989：32-35.

[5] 劉念雄，秦佑國.建筑熱環(huán)境[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：32-74.

[6] 住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑熱環(huán)境測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)： JGJ/T 347-2014[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014：12-25.

[7] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定: GB/T 18049-2000[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000：2-8.

[8] 楊柳.建筑氣候?qū)W[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：12-15.

[9] 華南理工大學(xué).建筑物理[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2011：44-49.

[10] 金虹，趙華.嚴(yán)寒地區(qū)村鎮(zhèn)住宅冬季室內(nèi)熱舒適環(huán)境研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(12)：2108-2111.

[11] 冉茂宇,劉曉迅,胡深,等.廈門某海濱住宅夏季自然通風(fēng)與室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)與分析[J].福建建筑，2010(9)：98-101.

(責(zé)任編輯： 錢筠 英文審校： 方德平)

Measurement and Analysis of Indoor Thermal Environment of Typical Rural Residence in Summer Xiamen Area

YUAN Jiongjiong1,2, MENG Qinglin1, YUAN Yanfeng2

(1. School of Architecture, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China;2. College of Architecture, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

Site testing in Xiamen area representative rural residential summer indoor thermal environment parameters was conducted, the test results were analyzed by the statistical method. The main conclusions are as follows: for the tested the farmhouse, indoor air temperature variation is similar to the outdoor variation, indoor temperature is lower than that of outdoor, the difference between indoor temperature and black ball temperature is very small. High altitude and low village building density decrease indoor temperature, degrade the thermal stability, thermal comfort under no wind condition is high. The indoor temperature of mixed structure is higher, the stability is better than those of the traditional building materials, the influence of building materials on the indoor thermal environment of rural housing is significant. Keywords： rural house; indoor thermal environment; statistical analysis; Xiamen area; summer

10.11830/ISSN.1000-5013.201701010

2016-04-29

孟慶林(1963-)，男，教授，博士，主要從事建筑熱環(huán)境與節(jié)能技術(shù)的研究.E-mail:arqlmeng@scut.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51590912, 51208214)； 福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014J01193)

TU 119.22(257)

A

1000-5013(2017)01-0053-05