基于建筑节能设计的室内热环境比较研究

陈丽华， 陈科迪

（1.合肥工业大学 建筑与艺术学院，安徽 合肥 230009；2.杭州市园林设计院股份有限公司，浙江 杭州 310007）

0 引 言

随着《中华人民共和国节约能源法》、《民用建筑节能管理规定》、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》、《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》以及《绿色建筑评价标识实施细则》等一系列有关建筑节能法规法令、标准规范的颁布实施，建筑节能设计已成为建筑设计工作的必备环节。建筑节能设计的根本目的是在尽可能减少能源消耗的前提下改善建筑室内热环境的品质，由此更好地满足人对建筑室内热舒适度的要求。目前，对于建筑节能设计以及建筑室内热环境已进行了广泛研究［1－4］，但是关于建筑节能设计对建筑室内热环境改善效果的研究则较为缺乏。同时，住宅建筑作为最为常见的一种建筑类型，不仅是降低建筑能耗的重点对象，更是建筑节能研究的一大类别［5］。

基于此，本文以住宅建筑为研究对象，分别选取未进行节能设计和已进行节能设计的住宅作为典型样本，对其室内热环境各项指标进行实测并相互比较，直观、准确地揭示建筑节能设计对住宅室内热环境的影响，由此对建筑节能设计给住宅室内热环境带来的改善效果进行实证研究，进而为进一步宣传建筑节能设计理念、加强新建建筑节能设计以及推进既有建筑节能改造提供科学的决策支持。

1 建筑节能设计概述

总体上看，建筑节能设计的重点在于建筑围护结构的节能设计。建筑围护结构组成部件主要包括墙体、屋面和门窗，其节能设计能对建筑能耗、环境性能、室内空气质量与用户所处的视觉和热舒适有根本的影响［6］。

通过对建筑围护结构进行节能设计，改善其热工性能，夏季可以减少室外热量传入室内，冬季则保持室内热量不流失，从而减少建筑冷热消耗，由此能在满足人对建筑室内热舒适度要求的同时有效降低建筑能耗，进而为真正实现低能耗建筑、零能耗建筑提供了可能。

墙体节能技术主要是指在墙体中增加保温隔热层，通过减少墙体内外热能传递而达到室内冬暖夏凉的效果，主要有外墙外保温、外墙内保温、外墙夹芯保温、外墙自保温等几种技术形式。近年来，随着我国建筑节能工作的不断深入和用于外墙外保温的材料与技术不断改进，外墙外保温由于其优越性正日益受到重视。

屋面节能技术主要是通过对屋面结构的保温隔热处理达到降低室内建筑能耗的目的，常用的技术方法包括架空层保温隔热屋面、倒置式保温屋面、种植屋面等。

门窗的保温隔热性能通常是指在冬夏季节，门窗结构阻止室内和室外热交换而使室内保持适当温度的能力。门窗的保温隔热效果取决于门窗的所用框料和玻璃以及墙体与门窗的连接密封状况，其节能设计主要考虑玻璃的层数和间距、窗框的材性和截面以及窗型设计等几个因素。

2 室内热环境评价指标

建筑室内热环境评价主要由室内空气温度、湿度、空气速度和平均辐射温度4个要素综合组成，以人的热舒适程度作为评价标准［7］。目前国际上常用的建筑室内热环境评价模型是丹麦学者Fanger提出的PMV－PPD评价指标，其中，PMV即预测平均投票数（Predicted Mean Vote），PPD即预测不满意百分数（Predicted Percentage of Dissatisfied），两者合称 PMV－PPD 评价指标［8］。PMV值是表征人体热反应（冷热感）的评价指标，代表了同一环境中大多数人的冷热感觉的平均值。ISO7730对PMV的推荐值为－0.5～＋0.5之间，PMV＝0时意味着室内热环境为最佳热舒适状态。但是，按照Fanger的观点，人在一定活动状态下通过适当的皮肤湿度和排汗也能够达到热舒适，因此，PMV值在（－1～＋1）之间均可以评定为“舒适”，高于或低于此值均评定为“不舒适”。

人体的建筑室内热舒适感觉（PMV值）被分为7级，即7点标度［9］，包括冷（－3）、凉（－2）、稍凉（－1）、中性（0）、稍暖（1）、暖（2）和热（3）。相应地，PPD与PMV之间的对应关系如图1所示。

图1 热环境评价指标PMV和PPD之间的对应关系

PMV指标代表了同一环境下绝大多数人的热感觉，但由于人与人之间存在生理差别，PMV并不一定能够代表所有人的感觉，为此，Fanger又提出用预测不满意百分比即PPD指标来衡量这种差别。Fanger对大量的PMV指标进行概率统计分析，由此得出PPD和PMV之间的定量关系，即

其中，M为人体新陈代谢率；W 为人体活动需热率；H为干热损失；Ec为皮肤蒸发换热为呼吸对流换热；为呼吸蒸发换热。

（2）式给出了PPD和PMV之间的定量关系，表示人群对热环境不满意的百分数，PMV的绝对值越大，PPD值则越大，即对热环境不满意的比例越高。

本文用热环境评价的PMV－PPD模型来分析合肥市住宅室内的热环境状况。

3 案例研究

3.1 研究对象选取

本文选取合肥市作为研究地区，选取合肥市区2个有代表性的住宅作为研究对象。合肥市在建筑气候区划中属于典型的夏热冬冷地区，夏季闷热，冬季阴冷潮湿。

夏季最高月平均温度超过28℃，极端最高温为41℃；冬季最冷月平均温度为2.6℃，极端最低温为－20.6℃。

2个住宅的基本情况见表1所列。

表1 住宅样本基本情况

1号住宅为一未进行建筑节能设计的5层住宅。该住宅外墙结构层为240厚黏土实心砖，外墙和屋面均无保温隔热处理，外窗为塑钢单层玻璃窗，楼梯间和阳台均为开敞式。

2号住宅为一进行了建筑节能设计的6层住宅。该住宅内外墙体选用陶粒混凝土小型空心砌块，外墙外保温采用EPS膨胀聚苯板保温方式，以聚苯乙烯泡沫塑料为保温材料，耐碱玻纤网格布为增强层，水泥聚合物胶浆作为黏结剂和抹面层，外饰面为高弹性面层涂料，组成集保温和装饰功能于一体的外围护体系。屋面保温隔热为满铺50mm厚挤塑聚苯保温板，门窗做法为塑钢中空窗玻璃和保温隔音防盗进户门。楼梯间为封闭式楼梯间，阳台为开敞式阳台。

3.2 测试设备和条件

室内热环境测试仪器选择的是丹麦INNOVA公司生产的INNOVA 1221热舒适度记录仪。该仪器能够测量所有评估热压和热舒适度的物理参数，并通过这些参数计算出PMV、PPD、等效温度（Equivalent Temperature，简称ET）等热舒适度参数。使用INNOVA 1221测量时需要设置测试环境中人体的服装热阻和新陈代谢率。

夏季测试时，仪器参数设定为夏季典型服装（短袖衬衫、短裤、内裤、短袜和凉鞋），参考相关研究［10］，服 装 的 总 热 阻 为 0.14＋0.05＋0.11＋0.02＋0.02＝0.34clo，坐着活动时的人体新陈代谢率M＝1.2met，测试时房间为自然通风状态，室内空调系统等未运行。

冬季测试时，仪器参数设定为冬季典型服装（长裤、长袖衬衫毛衣、长内裤毛裤、夹克、长裤、长袜和厚底鞋），服装的总热阻为0.25＋0.37＋0.32＋0.35＋0.25＋0.05＋0.04＝1.33clo，坐着活动时的人体新陈代谢率M＝1.2met，测试时房间的外门窗处于关闭状态，室内未运行空调等设备。同时，考虑室内壁面辐射以及空气流速的影响，室内气温用等效温度 ET 表示［4，11］，由此更为直观地进行对比分析。

3.3 测试结果对比分析

夏季测试时间为2011年8月18日的0：00至24：00，冬季测试时间为2011年12月26日的0：00至24：00，数据记录为每30min记录1次。对1号住宅和2号住宅的实测数据进行统计分析，得到各个住宅样本在夏季、冬季的PMV、PPD和ET。

3.3.1 夏季室内热环境对比分析住宅室内热环境对比分析结果见表2所列。夏季住宅室内PMV、PPD、室内等效温度变化曲线对比如图2所示。

综合表2、图2a和图2b进行对比分析，1号住宅客厅的夏季PMV最大值为3.804，对应的PPD最大值为99.996%，出现在15：00；PMV最小值为2.513，对应的PPD最小值为93.703%，出现在18：30。2号住宅客厅的夏季PMV最大值为2.101，对应的PPD最大值为81.117%，出现在14：00；PMV最小值为1.104，对应的 PPD最小值为30.682%，出现在8：30。进一步计算分析，1号住宅客厅的夏季24hPMV平均值为2.937，PPD平均值为98.175%；2号住宅客厅的夏季24hPMV平均值为1.625，PPD平均值为57.540%。由此可见，进行了建筑节能设计的2号住宅夏季室内PMV比无节能设计的1号住宅更接近室内热舒适状态，对应地，2号住宅的夏季室内PPD则明显低于1号住宅。

表2 住宅室内热环境对比分析结果

图2 夏季住宅室内PMV、PPD、等效温度变化曲线对比

由表2、图2c可知，夏季1号住宅客厅等效温度在测试时间段内均高于2号住宅。1号住宅客厅夏季室内等效温度最大值为34.10℃（15：00）；最小值为 31.07 ℃ （18：30），平均值则为32.08℃。2号住宅客厅夏季室内等效温度最大值 为 30.30 ℃ （14：00），最 小 值 为 28.20 ℃（8：30），平均值则为29.29℃。可见夏季2号住宅的室内等效温度要明显低于1号住宅。

3.3.2 冬季室内热环境对比分析

冬季住宅室内PMV、PPD、等效温度变化曲线对比如图3所示。

综合表2、图3a和图3b进行对比分析，1号住宅客厅的冬季PMV最低值为－2.059，对应的PPD最大值为79.346%，出现在10：00；PMV最高值为－1.549，对应PPD最小值为53.554%，出现在24：00。2号住宅客厅的冬季PMV最低值为－1.085，对应的PPD最大值为29.817%，出现在20：00；PMV 最高值为－0.698，对应的PPD最小值为15.246%，出现在0：00。进一步计算分析，1号住宅客厅的冬季24hPMV平均值为－1.763，PPD平均值为64.916%；2号住宅客厅的冬季24hPMV平均值为－0.966，PPD平均值为24.880%。

显然，进行了建筑节能设计的2号住宅冬季室内PMV平均值已经进入了（－1～＋1）之间的“舒适”状态，比无节能设计的1号住宅具有明显的优势。

由表2、图3c可知，冬季1号住宅客厅等效温度在测试时间段内均低于2号住宅。1号住宅客厅冬季室内等效温度最大值为10.30℃（24：00）；最 小 值为 7.60 ℃ （10：00），平 均 值 则 为9.19℃。2号住宅客厅冬季室内等效温度最大值为14.70 ℃（0：00），最小值为12.70 ℃（20：00），平均值则为13.32℃。可见冬季2号住宅的室内等效温度要明显高于1号住宅。

图3 冬季住宅室内PMV、PPD、等效温度变化曲线对比

4 结束语

本文基于KMV－PPD室内热环境评价模型，以合肥市住宅为典型样本，具体测试了样本住宅在夏季和冬季的室内热环境指标并进行了对比分析，结果表明：进行建筑节能设计的住宅室内热环境指标明显优于未进行节能设计的住宅，特别在冬季自然状态下，进行节能设计的住宅室内PMV值达到了（－1～＋1）之间的“舒适”状态，充分体现了建筑节能设计的显著优势和重要性，也证明了建筑外围护结构有无节能设计能够对室内热舒适度产生重要影响。同时研究结果进一步表明，未采取节能设计的住宅室内热环境较差，为提高室内热环境质量就必须使用空调设备进行调节，在满足和达到相同热舒适度的情况下其必然比进行了节能设计的住宅消耗更多的能源。为此，对于那些大量未进行节能设计的既有住宅有必要对其外围护结构进行节能改造，从而改善其室内热环境质量，有效降低住宅建筑能耗。

尽管节能设计可以显著提高室内热环境的质量，但也应看到其与文献［12］要求的夏季室内空气温度26℃、冬季室内空气温度18℃仍有相当大的差距。这也说明目前的建筑节能设计仍有很多需要继续改进的地方，例如建筑设计、构造设计可以进一步优化，积极采用更先进高效的外围护保温隔热材料等。

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［2］李 铌，李 亮，赵明桥，等.城市既有建筑节能改造关键技术研究［J］.湘潭大学自然科学学报，2009，31（3）：104－111.

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［12］JGJ 134－2010，夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准［S］.