徽州民居冬季室內(nèi)濕環(huán)境

黃志甲，劉精晶，張恒，董亞萌，魯月紅

(安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

空氣溫度、濕度是室內(nèi)物理環(huán)境兩個重要參數(shù)。室內(nèi)空氣溫度與人體熱舒適以及建筑能耗等息息相關(guān)，學(xué)者們已經(jīng)對室內(nèi)熱物理環(huán)境的研究做了大量工作。Yoshino等[1-2]對中國住宅建筑室內(nèi)熱環(huán)境進行了大規(guī)模調(diào)查，旨在預(yù)測室內(nèi)溫度對熱舒適以及供暖/空調(diào)能耗的影響。Han等[3]通過對熱濕地區(qū)住宅居民熱舒適調(diào)查，旨在得出當(dāng)?shù)鼐用駸嶂行詼囟?，為南方地區(qū)低能耗系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。李崢嶸等[4-5]通過研究發(fā)現(xiàn)，浙江中部傳統(tǒng)民居的建筑選址、朝向、室內(nèi)空間布局以及建筑開口設(shè)計均有良好的氣候適應(yīng)性，且“過渡空間”及輕質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)的均有較好的隔熱效果，營造良好的室內(nèi)熱環(huán)境。事實上，室內(nèi)物理環(huán)境由熱濕耦合共同作用，忽視室內(nèi)濕物理環(huán)境會影響對人體熱舒適、建筑能耗、建筑使用壽命等方面的準(zhǔn)確評估。室內(nèi)濕度過低會引起眼睛、鼻腔、呼吸道粘膜、皮膚等部位干燥的不適癥狀，F(xiàn)anger[6]通過實驗得出室內(nèi)相對濕度值應(yīng)不低于20%。室內(nèi)空氣濕度過高易滋生霉菌，影響室內(nèi)空氣品質(zhì)，同時，濕組分在建筑材料中的遷移和積累將嚴(yán)重降低圍護結(jié)構(gòu)熱工性能，進而增大建筑能耗[7]。當(dāng)環(huán)境溫度較高時，較高的相對濕度會增加人體熱感[8]。Kalamees等[9]對芬蘭170戶獨立式住宅進行為期兩年的室內(nèi)溫濕度實測，研究得出通風(fēng)系統(tǒng)較圍護結(jié)構(gòu)材料對室內(nèi)溫濕度變化的影響更大。張會波等[10]對中國9個城市的76棟住宅室內(nèi)濕環(huán)境現(xiàn)狀進行實測，研究發(fā)現(xiàn),冬季集中采暖地區(qū)的住宅室內(nèi)空氣干燥，夏季南方城市住宅室內(nèi)濕度過高，超過ASHRAE規(guī)定的上限值，中國住宅室內(nèi)濕環(huán)境問題嚴(yán)峻。室內(nèi)濕度除了和室外濕度有關(guān)外，與采暖/制冷系統(tǒng)、人員活動、建筑氣密性等因素密切相關(guān)。

徽州地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量達(dá)到1 500～2 000 mm，夏季濕熱、冬季濕冷?；罩輦鹘y(tǒng)民居建筑開口尺寸小、建筑布局緊湊、通風(fēng)不暢等特點造成室內(nèi)濕環(huán)境條件較差。中國學(xué)者多關(guān)注徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱物理環(huán)境特點，研究民居被動式設(shè)計技術(shù)以及其對室內(nèi)溫度的影響。林波榮等[11-12]得出徽州傳統(tǒng)民居夏季優(yōu)先考慮遮陽，并輔助自然通風(fēng)以改善室內(nèi)熱環(huán)境。宋冰等[13-14]結(jié)合實測和主觀問卷調(diào)研的方法，得出徽州傳統(tǒng)民居夏季溫度在居民可接受范圍內(nèi)，主要問題是室內(nèi)潮濕，冬季溫度低、濕度大，室內(nèi)熱舒適性較差。陳曉揚等[15]通過研究得出在過渡季徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)整體熱環(huán)境較好，但夜間溫度低、濕度大，影響室內(nèi)熱舒適性。因此，對徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)濕環(huán)境現(xiàn)狀及其影響因素仍需進一步探索。

本文以徽州民居室內(nèi)濕環(huán)境為研究重點，結(jié)合實地考察、測繪、現(xiàn)場實測的方法，對位于安徽省宣城市涇縣査濟村的兩棟典型民居冬季室內(nèi)外溫度、濕度進行測試，對比傳統(tǒng)民居與現(xiàn)代民居熱濕條件，旨在定量描述徽州民居室內(nèi)濕環(huán)境現(xiàn)狀，為當(dāng)?shù)孛窬邮覂?nèi)濕環(huán)境的改善提供理論資料。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備

TR-71Ui/TR-72Ui溫濕度計(北京易購安科技有限公司)，HI9065便攜式溫濕度測定儀(杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司)。

1.2 實驗方法

測試徽州傳統(tǒng)民居為典型清代民居，坐北朝南，內(nèi)含狹長的“一字型”天井，屋頂采用望磚結(jié)構(gòu)，外圍護結(jié)構(gòu)為青磚砌筑的空斗磚墻，內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)為木構(gòu)架體系，1層為生活區(qū)，2層為儲藏區(qū)?；罩莠F(xiàn)代民居距離傳統(tǒng)民居約500 m，建筑為磚混結(jié)構(gòu)，平面方正，屋頂具有加裝玻璃頂棚的天窗，1、2層為生活區(qū)，3層為儲藏區(qū)，具有現(xiàn)代新建民居的典型代表性。

選取民居主要功能區(qū)進行測試，傳統(tǒng)民居廳堂(H)與天井連接，直接與室外相通；廂房(WR)屬于單開口空間，鏤空的花格窗朝向天井，兼具采光和通風(fēng)作用，為防止地下潮氣，廂房地面采用架空鋪設(shè)的木板結(jié)構(gòu)；測試的廳堂及廂房均未安裝空調(diào)等設(shè)備。現(xiàn)代民居客廳(LR)鋪設(shè)地板磚，臥室(BR)鋪設(shè)木地板且無架空結(jié)構(gòu)；測試的客廳及臥室配置空調(diào)。測試建筑具體特點如表1所示。

2015年12月至2016年2月進行為期3個月自動測試，測試間隔為15 min。室外測點(O)位于傳統(tǒng)民居庭院內(nèi)，為防止太陽輻射影響溫濕度計采用鋁箔包裹。在進行自動測試前，對各功能區(qū)空氣溫濕度進行均勻性測試，各功能區(qū)域布置5個平面測點如圖1所示。利用便攜式溫濕度測定儀在每個平面測點垂直高度0.5、1.5、2.0 m處進行人工測量，測量結(jié)果表明，各測點溫濕度值差值均小于±5%，說明室內(nèi)外空氣溫濕度分布均勻，可用中間測點1.5 m處測量數(shù)值代表該功能區(qū)域全局測量數(shù)值進行長期連續(xù)測試。

圖1 徽州民居首層平面示意圖及測點布置Fig.1 Plan view and measurement points of Huizhou dwellings

2 結(jié)果與討論

2.1 傳統(tǒng)民居與現(xiàn)代民居室內(nèi)熱濕條件對比

徽州民居冬季室內(nèi)溫濕度測量結(jié)果如圖2所示，包括溫度、相對濕度、含濕量3組參數(shù)的最小值、最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。廂房相對濕度水平最高，平均值為84%，且數(shù)據(jù)分布集中。廂房平均溫度與客廳、臥室平均溫度相差較小，平均含濕量高于其他房間約1 g/kg。分析形成原因，廂房為單開口空間，建筑體量緊湊，在冬季散熱量小，使得溫度相對廳堂溫度較高，但這也造成了廂房內(nèi)通風(fēng)效果差濕氣無法及時排除。廳堂內(nèi)平均相對濕度為79%，與室外平均相對濕度相差較小。由于廳堂屬于半開放空間，通過天井與室外環(huán)境直接連通，廳堂內(nèi)熱濕環(huán)境受室外環(huán)境變化影響明顯，使得室內(nèi)溫度較低，相對濕度較高?，F(xiàn)代民居中客廳、臥室平均相對濕度在70%左右，數(shù)據(jù)分布離散程度大，客廳、臥室平均溫度均高于廳堂平均溫度2 ℃左右?，F(xiàn)代民居保溫性能較傳統(tǒng)民居好，但室內(nèi)濕度波動較大。

為進一步分析圖2，選取2016年2月6日至2月8日連續(xù)3天數(shù)據(jù)進行典型日溫濕度分析。選取時間段日平均溫度在0～10 ℃，溫低濕重，且無極端天氣，屬于夏熱冬冷地區(qū)的冬季典型氣候。

圖2 傳統(tǒng)民居與現(xiàn)代民居室內(nèi)溫濕度值Fig.2 Temperature and humidity conditions in Huizhou dwelling

典型日傳統(tǒng)民居與現(xiàn)代民居溫濕度逐時變化如圖3所示，相對濕度變化規(guī)律與溫度變化規(guī)律相反。夜間，各測點相對濕度中，廂房、臥室相對濕度水平較高，客廳相對濕度最低且低于室外相對濕度,原因是，夜間居民休息，廂房、臥室門窗關(guān)閉，主要濕源為人員散濕，導(dǎo)致廂房、臥室含濕量高于廳堂、客廳含濕量。白天，現(xiàn)代民居室內(nèi)相對濕度大幅下降至接近室外相對濕度水平，傳統(tǒng)民居室內(nèi)相對濕度下降幅度較小，仍保持較高水平,原因是，廳堂、廂房通過天井、花格窗等開口與室外環(huán)境保持連通，含濕量全天波動幅度小?？蛷d、臥室夜間門窗緊閉濕氣聚集，白天開窗通風(fēng)濕氣排出造成含濕量大幅下降。

圖3 傳統(tǒng)民居與現(xiàn)代民居典型日溫濕度逐時變化Fig.3 Hourly temperature and humidity profiles

典型日傳統(tǒng)民居與現(xiàn)代民居溫濕度日較差如圖4所示。相對濕度波動受溫度波動、含濕量波動影響，相對濕度日較差達(dá)到20%會影響某些合成材料性能，達(dá)到40%會破壞大部分有機材料強度[16]。各功能區(qū)相對濕度日較差均超過20%，其中，客廳、臥室相對濕度日較差最大，個別天數(shù)超過40%。除2月6日臥室空調(diào)開啟導(dǎo)致溫度日較差較大，其他時間段現(xiàn)代民居溫度日較差均小于傳統(tǒng)民居溫度日較差。說明造成現(xiàn)代民居室內(nèi)相對濕度日較差較大的主要原因是現(xiàn)代民居室內(nèi)含濕量日較差相對較大。分析形成原因，現(xiàn)代民居氣密性良好，且墻體磚混材料較傳統(tǒng)民居內(nèi)墻木質(zhì)材料調(diào)濕性能弱，導(dǎo)致現(xiàn)代民居室內(nèi)濕環(huán)境穩(wěn)定性較傳統(tǒng)民居室內(nèi)濕環(huán)境穩(wěn)定性差。

進一步分析圖3、圖4，將臥室2月6日空調(diào)開啟工況與2月7日、8日空調(diào)不開工況進行對比，空調(diào)開啟有效提高室內(nèi)溫度，并降低空氣相對濕度，舒適性相對提高；但造成室內(nèi)溫度日較差大，相對濕度日較差達(dá)到55%，長期較大的室內(nèi)溫、濕度波動會對建筑材料造成破壞。

圖4 傳統(tǒng)民居與現(xiàn)代民居溫濕度日較差對比Fig.4 Daily amplitude of temperature, relative humidity and humidity ratio in Huizhou dwelling

2.2 不同功能區(qū)域濕度特點

相對濕度是影響人體舒適度的一項重要參數(shù)，室內(nèi)相對濕度應(yīng)設(shè)定在30%～70%[17]。將濕環(huán)境分為4個等級：不潮濕(RH≤70%)、稍微潮濕(70%90%)。

各功能區(qū)域相對濕度等級占比如圖5所示。傳統(tǒng)民居超過60%時間段處于潮濕及非常潮濕等級，廂房有31%時間段分布在非常潮濕等級，占比時間段高于其他房間。現(xiàn)代民居超過60%時間段屬于不潮濕及稍微潮濕等級，臥室僅2%時間段位于非常潮濕等級。傳統(tǒng)民居相對濕度水平高于現(xiàn)代民居相對濕度水平，廂房相對濕度水平最高，臥室相對濕度水平最低。

各功能區(qū)域含濕量累計頻率如圖6所示。各功能區(qū)域室內(nèi)含濕量均在12 g/kg以下，滿足ASHRAE[18]含濕量上限為12 g/kg且無下限的規(guī)定。廂房累計80%時間段含濕量在6.35 g/kg以下，客廳累計80%時間段含濕量在5.95 g/kg以下，臥室、廳堂累計80%時間段含濕量分別在5.45 g/kg以下及5.65 g/kg以下。廂房含濕量水平最高，臥室含濕量水平最低。

圖5 各功能區(qū)域相對濕度等級占比Fig.5 Proportion of humidity levels in each zone

圖6 各功能區(qū)域含濕量累計頻率Fig.6 Cumulative frequency of humidity ratio in each zon

2.3 室內(nèi)外濕度相關(guān)性

各功能區(qū)域室內(nèi)外含濕量相關(guān)性如圖7所示。傳統(tǒng)民居及現(xiàn)代民居室內(nèi)含濕量均隨室外含濕量升高而增大，且相關(guān)性系數(shù)在0.8以上。反映了夏熱冬冷地區(qū)居民在冬季有開窗通風(fēng)的行為習(xí)慣，良好的通風(fēng)造成室內(nèi)外含濕量的相關(guān)性較強。廳堂室內(nèi)外含濕量相關(guān)性系數(shù)超過0.96，客廳室內(nèi)外含濕量相關(guān)性系數(shù)在0.91左右，均高于廂房/臥室室內(nèi)外含濕量相關(guān)性系數(shù)。分析形成原因，廳堂/客廳為居民社交場所，開放性較強，與室外氣流交換現(xiàn)象明顯，廂房/臥室開口較小，注重居民隱私性，室內(nèi)外氣流交換現(xiàn)象較弱。廂房的鏤空花格窗在門窗關(guān)閉情況下仍具有一定的室內(nèi)外氣流交換的作用，而臥室氣密性較好且個別時段使用空調(diào)，導(dǎo)致廂房室內(nèi)外含濕量相關(guān)性系數(shù)略高于臥室室內(nèi)外含濕量相關(guān)性系數(shù)。

圖7 各功能區(qū)域室內(nèi)外空氣含濕量相關(guān)性Fig.7 Correlation between indoor humidity ratio and outdoor humidity ratio in each zon

2.4 室內(nèi)濕環(huán)境的熱舒適性評價

各功能區(qū)域溫濕度狀態(tài)如圖8所示，圖中五邊形區(qū)域內(nèi)為測試地區(qū)冬季熱舒適區(qū)。根據(jù)文獻(xiàn)[19]提供的夏熱冬冷地區(qū)氣候適應(yīng)性模型tn=0.607to+10.092(R2=0.829 5)(tn為熱中性溫度，to為室外平均溫度)，計算得到測試地區(qū)冬季熱中性溫度為13.9 ℃。ASHRAE[18]規(guī)定80%接受率的熱舒適區(qū)范圍為熱中性溫度±3.5 ℃，則測試地區(qū)冬季熱舒適溫度范圍為10.4～17.4 ℃。相對濕度下限值為20%[6]，自然通風(fēng)建筑且室內(nèi)平均風(fēng)速在0～0.5 m/s左右，相對濕度上限值可達(dá)到90%[18]。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)對測試建筑室內(nèi)舒適度進行評價，廳堂、廂房、客廳、臥室分別有6.51%、7.42%、7.67%、14.52%時間段在熱舒適區(qū)內(nèi)。冬季人體可接受的空氣溫度上限可進行拓展，廳堂、廂房、客廳、臥室由于溫度高于舒適溫度上限而偏離舒適區(qū)的時間段占比分別為0.85%、1.35%、0.65%、2.12%。廳堂、廂房、客廳、臥室室內(nèi)總熱舒適時間段占比分別為7.36%、8.77%、8.32%、16.64%。冬季，廳堂熱舒適性最差，臥室熱舒適性相對較好。

圖8 各功能區(qū)域溫濕度狀態(tài)Fig.8 Plot of temperature and humidity of psychrometric chart in each zon

傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)濕冷，進一步分析造成熱不舒適的主要原因為室內(nèi)溫度遠(yuǎn)低于舒適溫度范圍，且相對濕度過高。建議傳統(tǒng)民居冬季采用局部采暖設(shè)施，計算可知保持室內(nèi)含濕量不變，將傳統(tǒng)民居室內(nèi)溫度由平均溫度6.1 ℃提高至熱中性溫度13.9 ℃，則相對濕度可由80%降低至50%，滿足人體舒適的相對濕度要求?，F(xiàn)代民居個別時段使用空調(diào)采暖，但冬季室內(nèi)溫度仍無法完全滿足舒適溫度范圍，需加強采暖設(shè)備效率。

3 結(jié)論

1)徽州傳統(tǒng)民居冬季室內(nèi)相對濕度主要分布在潮濕及非常潮濕水平，平均相對濕度在80%左右；徽州現(xiàn)代民居冬季室內(nèi)相對濕度主要分布在不潮濕及稍微潮濕水平，平均相對濕度在70%左右。

2)徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)溫度日較差大于現(xiàn)代民居，但徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)濕度日較差小于現(xiàn)代民居室內(nèi)濕度日較差，室內(nèi)濕環(huán)境穩(wěn)定性良好。

3)徽州傳統(tǒng)民居與現(xiàn)代民居冬季室內(nèi)外含濕量相關(guān)性系數(shù)均超過0.8，室內(nèi)濕環(huán)境對室外濕環(huán)境變化響應(yīng)明顯。廳堂作為半開放空間室內(nèi)外含濕量響應(yīng)現(xiàn)象顯著，相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.96。

4)冬季，徽州傳統(tǒng)民居冬季廳堂、廂房熱舒適的時間占比分別為7.36%、8.77%，室內(nèi)熱舒適性低于現(xiàn)代民居。造成徽州傳統(tǒng)民居冬季熱不舒適的主要原因為室內(nèi)濕冷，建議冬季采取局部采暖裝置。

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