夏季窗帘对大学生宿舍室内热湿环境影响分析

侯书新， 史永征， 吴秋婷， 赵艺轩， 王立鑫

(北京建筑大学 环境与能源工程学院， 北京 100044)

夏季室外太阳辐射强度大、室外温度高，导致室内温度也很高，一般通过开启空调来改善室内热湿环境，提高人体热舒适度. 空调能耗大，会带来空气污染. 随着人民生活水平的提高，人们对室内热湿环境的舒适度要求也越来越高，同时国家提倡节能减排，因此创造一个健康、舒适、低能耗的室内热湿环境是大有必要的. 为了营造一个良好的居室环境，夏季建筑外围护结构遮阳非常必要. 然而窗帘材质不同、悬挂位置不同，遮阳效果也不同，为了改善大学生宿舍夏季室内环境、降低空调能耗，针对无窗帘、使用不同材质窗帘悬挂不同位置及开启空调的宿舍进行了室内、室外空气参数测试.

1 研究方案

在夏季，由于外围护结构中，南向玻璃外窗或外门的传热系数远远高于外墙的传热系数，因此，玻璃外窗、外门的遮阳尤为重要. 窗帘作为室内光环境调控的构件，起到了调节室内热湿环境的重要作用. 窗帘靠近外窗、外门设置,额外增加了一层窗帘热阻，形成的空气层也具有隔热作用，可减少夏季外窗、外门的冷负荷[1].

1.1 测试工况

2018年夏季，在北京大兴区相同的地理环境中，选择五间楼层和面积相同、有外阳台的南向宿舍，选择两种不同材质的窗帘作为研究对象：一种是浅色薄化纤面料(以下简称薄窗帘)、另一种是深色带遮光涂层的厚涤纶面料(以下简称遮光窗帘)，5间宿舍分别设置为5个不同的工况，各工况具体描述见表1，窗帘悬挂位置如图1、图2所示. 6月2日和6月23日(室外空气状态为高温、湿度适中)、7月28日(室外空气状态为高温高湿)，在太阳辐射强度较高的时段8:00—18:00进行测试.

表1 工况描述Tab.1 Description of working conditions

1.2 仪器设置

使用室内环境测试仪(主机+微气候探头+黑球温度计)自动采集各工况的室内环境参数，同时用自动气象站采集室外环境参数. 测量仪器参数见表2.

《民用建筑室内热湿环境评价标准》(以下简称《标准》)规定：“房间或区域面积小于等于16 m2的，测点应选在测试房间的中心”[2]. 宿舍面积是16.5 m2，接近16 m2，又由于仪器设置好后人员撤离宿舍，仪器自动记录，因此测试时宿舍内无人,室内环境状态稳定、环境参数分布均匀，故以室内中心作为测点.

将微气候探头A1091和黑球温度计A1131连接在室内环境测试仪主机MI6401上，测头处于室内中心的开放区域，且距离地面1.1 m处(《标准》中规定的人站立时的腹部平均高度)，确保来自任何方向热源和风力都不受遮挡，所有热源都移走，使仪器测头裸露在空气中，避免与其他物品接触.

在前人的热舒适研究中，被国际标准认可和采用的是Fanger提出的预计平均热感觉指标PMV和预计不满意者的百分比PPD.PMV-PPD指标被国际热舒适标准ASHRAE Standard 55- 2017和国内《标准》所采用[3].PMV-PPD指标综合考虑了人体活动程度、衣服热阻(衣着情况)、空气温度、平均辐射温度、空气流动速度和空气湿度6个因素[4]. 由于PMV-PPD指标是室内环境测试仪通过计算得到，因此测试前要对仪器及测量人员参数进行设置. 仪器中的测量人员参数限定为：新陈代谢率0.8～4.0 met、衣服热阻0.1～2.5 clo，又根据人体轻微活动时代谢率为2～3.4 met，北方夏季衣服热阻一般取为0.5 clo，故在主机中设置代谢率M=2.0 met、衣服热阻Icl=0.5 clo(当空气流速va≤0.25 m/s时)，且仪器设置成“气流测量总是打开”，自动记录时间间隔设置为10 min. 根据ISO 7730和ISO 7243标准，PMV指标计算公式如公式(1)所示[5]，PPD指标与PMV之间的关系如公式(2)所示[5].

表2 测量仪器参数Tab.2 Measurement instrument parameters

PMV=[0.303×exp(-0.036M)+0.027 5]×

{M-W-3.05×[5.733-0.007(M-W)-Pa]-

0.42(M-W-58.15)-1.73×10-2M(5.867-Pa)-

0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-

(ts+273)4]-fclhc(tcl-ta)}

(1)

PPD=100- 95exp[-(0.033 53PMV4+0.217 9PMV2)]

(2)

公式(1)中的某些物理量计算公式如下：

(3)

fcl=1.05+0.645Icl

(4)

(5)

hc=2.7+8.7v0.67

(6)

ΔT=ts-20

(7)

ts=tg+40.5v(tg-ta)

(8)

公式(1)～公式(8)中：M为新陈代谢率，W/s，仪器中已设M=2.0 met(1 met=58 W/m2)；W为人体做功率，W/s，一般取W=0；Pa为环境空气中水蒸气分压力，Pa；Ps为相同温度下空气饱和水蒸气分压力，Pa；φa为相对湿度，%；ta为空气温度，℃；fcl为穿衣人体与裸体表面积之比；Icl为衣服热阻，km2/W，仪器中已设Icl=0.5 clo(1 clo=0.155 km2/W)；tcl为穿衣人体外表面平均温度，℃；hc为对流热交换系数，W/sm2℃；v为空气流速，m/s；ts为平均辐射温度，℃；tg为黑球温度，℃.

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因此，只要测出室内空气温度ta、相对湿度φa、空气流速v和黑球温度tg，用以上公式就能计算PMV-PPD指标. 热感觉指标PMV的评价标准是：+3表示热、+2表示暖和、+1表示稍暖和、0表示适中(舒适)、-1表示稍凉快、-2表示凉快、-3表示冷[6].

1.3 测试前准备

将室外自动气象站连接电源以自动记录室外温度和相对湿度等参数.

为了尽量减少因阳台的蓄热量对室内的影响，至少在测试前2 h开启阳台的所有外窗；至少在测试前1 h关闭宿舍门和阳台玻璃推拉门；各宿舍分别按表1设置工况，连接放置好所有仪器，并设置仪器及测量人员参数，在相同自然环境下保持室内环境稳定至少1 h. 测试过程中保持门窗关闭，禁止人员进出宿舍以带动空气流动，影响数据的准确性. 8:00室内人员撤离，所有仪器开始自动记录. 仪器自动采集室内温度、相对湿度、空气流速和流量、黑球温度、露点温度及湿球温度指数的瞬时值、最大值、最小值及平均值.

2 数据处理及分析

2.1 数据处理

由于3个测试日的数据众多，在湿度适中的两天中，选取室外温湿度略高的6月23日每隔40分钟的室内外温度、相对湿度及PMV-PPD指标的瞬时值绘制图表，如图3～图6所示.

《实用供热空调设计手册》中规定，夏季室内空调计算参数：温度为25 ℃、相对湿度40%～65%、风速0.15 m/s≤v≤0.3 m/s，ISO 7730标准中对PMV指数的要求为-0.5≤PMV≤+0.5、PPD指数的推荐值为PPD≤10%[6]. 以上参数标准要求列于表3；计算6月23日各工况测试阶段内的平均温度、平均相对湿度及平均PMV-PPD指标列入表3；表3中还列出了各工况的温度、相对湿度、空气流速及PMV-PPD指标的瞬时值变化范围.

6月2日和7月28日各工况的温度、相对湿度、PMV-PPD指标的瞬时值变化范围及各参数测试阶段的平均值分别见表4、表5.

2.2 数据分析

由图3～图6、表3可得，在6月23日前4个工况中，室内温度及PMV-PPD指标的平均值从大到小依次为：工况一、工况二、工况三、工况四. 工况四的室温变化范围24.1 ℃～26.2 ℃、平均室温25.13 ℃，PMV指标0.4～0.9、平均值0.63，PPD指标7.9%～22.6%、平均值14.09，最接近(甚至低于)工况五的室温24.7 ℃～26.0 ℃、平均值25.54 ℃，PMV指标0.5～0.8、平均值0.68，PPD指标9.7%～19.5%、平均值14.46. 由表4可看出，6月2日也是工况四的室内温度及PMV-PPD指标最小(温度24.0 ℃～26.1 ℃、平均值24.79 ℃；PMV指标0.4～0.9、平均值0.61；PPD指标7.3%～21.9%、平均值14.05%). 说明6月2日和23日遮光窗帘悬挂于阳台门外侧的室内热舒适度最高，也最接近开启空调(设定为节能温度26 ℃)宿舍的室温和PMV-PPD指标，平均热感觉介于适中和稍暖之间，不满意率最低，遮光窗帘悬挂在阳台门内侧次之. 因此，遮光窗帘隔热降温效果明显高于薄窗帘，悬挂于阳台门外侧室温下降更明显.

表3 6月23日测试数据变化范围与主要参数的平均值Tab.3 Change range of test data and average of main parameters on June 23

注：括号里的数值是平均值

表4 6月2日主要参数变化范围与平均值Tab.4 Change range and average of main parameters on June 2

注：括号里的数值是平均值

表5 7月28日主要参数变化范围与平均值Tab.5 Change range and average of main parameters on July 28

注：括号里的数值是平均值.

窗帘挂在阳台玻璃门内侧是在太阳辐射热量已经到达室内之后再进行遮挡，这样在窗帘与玻璃之间很容易形成热岛效应，并且热量会扩散到整个室内影响室内热湿环境，大大降低遮阳效果. 窗帘挂在阳台门外侧能够在太阳辐射热量到达门窗前就被遮挡在外，在夏季能有效阻挡由于太阳热辐射进入室内的热量，使室内热环境保持一定的热舒适度.

但是，在表3的前4个工况中，相对湿度的平均值从大到小依次为：工况四、工况三、工况二、工况一，工况四的相对湿度变化范围54.3%～59.2%、平均值57.07%，在前4个工况中最高，表4中也是工况四的相对湿度最高(49.2%～58.5%、平均值53.82%)，说明遮光窗帘悬挂在阳台门外侧室内相对湿度最高. 这是因为，测试阶段室内外空气压力变化很小，使含湿量变化很小，通过焓湿图可知，宿舍内含湿量在12.5 g/kg干空气左右. 使用遮光窗帘的宿舍温度低，当温度降低时，空气饱和水蒸气分压力降低，相对湿度就会升高. 由于工况四的相对湿度低于60%，满足夏季空调室内计算湿度40%～65%，通过表3、表4的测试数据也可以看出，室内温度在25 ℃(夏季室内空调计算温度)左右时，只要相对湿度不大于60%，室内就比较舒适.

由表5可看出，7月20日高温高湿，白天室外平均温度33.31 ℃、平均湿度50.63%，挂窗帘比不挂窗帘的工况平均室温都略有降低，但高于29 ℃，且都高于室内空调计算温度25 ℃；平均相对湿度都高于50%；PMV指标平均值在1.75左右，人体感觉暖和；PPD指标在63%左右，多数人对室内热湿环境不满意. 说明夏季室外高温高湿时，悬挂窗帘后室内温湿度仍然较高，宿舍采用窗帘遮阳已不能满足人体热舒适要求，需要开启空调.

3 结论

在我国北方，六月份的室外气候特点是温度高(白天平均温度34 ℃左右)、相对湿度适中且夜高昼低(白天平均湿度30%左右). 综合6月2日和6月23日的数据：

1)对于有南向外阳台的宿舍，遮光窗帘方便安装于阳台玻璃门外侧. 6月2日和6月23日宿舍平均温度24.79 ℃，25.13 ℃，满足室内空调计算温度25 ℃；平均相对湿度53.82%，57.07%，满足室内空调计算湿度40%～65%；PMV指标平均值0.61，0.63，略高于标准要求的+0.5，即人体热感觉介于适中和稍暖之间；PPD指标平均值14.05%，14.09%，略高于推荐值10%，少数人对室内热湿环境不满意. 其室内温度和PMV-PPD指标最接近空调开启(设定温度26 ℃)时的室内热环境(平均温度25.05 ℃，25.54 ℃；PMV指标平均值0.64，0.68，PPD指标平均值14.28、14.46). 当学生在宿舍内处于轻微活动状态时可以不开空调，减少空调能耗，达到节能效果. 因此，有南向外阳台的大学生宿舍不用开启空调，将遮光窗帘悬挂在阳台玻璃推拉门外侧可以有效地遮挡太阳辐射热量，降低室内温度，PMV-PPD指标能够满足大多数人的需求，宿舍热舒适度较高.

2)对于没有南向外阳台的宿舍，窗帘不便于悬挂在窗外，在窗户内侧悬挂遮光窗帘之后，6月2日和6月23日宿舍平均温度26.26 ℃，26.60 ℃，略高于室内空调计算温度25 ℃；平均相对湿度51.17%，54.61%，满足室内空调计算湿度40%～65%；PMV指标平均值0.91，0.93，高于标准要求的+0.5不多，人体热感觉接近稍暖；PPD指标22.47%，22.86%，高于推荐值10%不多，对室内热湿环境不满意的人不多. 因此，没有南向外阳台的大学生宿舍将遮光窗帘悬挂在外窗内侧，并减少空调开启时间，也可以降低空调能耗.

总之，夏季白天室外空气相对湿度较低时，大学生宿舍采用深色带遮光涂层的厚涤纶窗帘遮阳，可以提高室内热舒适度，降低空调能耗，实现节能减排.