基于舒适性目标下军休所冬季室内热环境优化研究

付 洁，王 岩，曹立辉

（天津城建大学 建筑学院，天津300384）

1 研究背景

目前，我国高度重视退役军人的优抚安置工作，退役军人的服务保障问题成为社会热议的焦点[1]，提升离退休干部的生活环境质量是退役军人服务保障体系建设的重要任务，提高室内热环境舒适性是离退休干部拥有良好室内生活环境的基础.由于离退休干部的高平均年龄、高伤残率与高发病率，导致其对室内热环境的热感觉与热期望、可接受温度范围、舒适度模型评价体系与其他老年人不同.

军队离退休干部休养所（以下简称军休所）是居家与社区养老模式相结合的特殊型养老建筑，离退休干部群体作为高伤、残、病率和高社会关注度的特殊群体[2]，军休所建筑室内热环境是否符合现行标准、是否满足离退休干部对室内热环境的舒适性需求，亟需调研与验证. 目前，鲜有针对此问题的分析研究. 天津市成立了市、区、街（镇）三级关爱退役军人协会和村（居）服务站，是关爱退役军人的典型城市，本文选取天津市军休所作为研究对象，为该地区军休所室内热环境舒适性改造提供理论依据.

2 研究对象与方法

天津市地处华北地区，东临渤海，属温带大陆性季风气候，四季分明，夏季炎热、雨水集中，冬季寒冷干燥少雪，年平均气温为14 ℃，最冷月平均温度为-2 ℃，历史最低温度-17.8 ℃，年平均降水量360～970 mm.本调研选取天津市某军休所四户典型住宅进行室内热环境现场测试（测试对象信息详见表1）. 该军休所建于1964 年，建筑层高3.1 m，墙体材料为黏土实心砖，清水砖墙内外墙厚均为240 mm，铝合金单层窗，户内门为实木复合门，采暖方式为集中供暖.

表1 测试对象基本情况

根据GB/T50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》，此次调研涉及的建筑室内实测主要包括建筑室内热环境各影响因素实测、建筑室内使用人群实测、建筑现状实测等.室内热环境各物理参数包括:室内空气温度、相对湿度、空气流速、PMV-PPD 等.所涉及的主要测试仪器为TR-74Ui-H 记录仪（测试室内空气温度与相对湿度）和AM-101 热环境分析仪（预计平均热感觉指标），测试方式为昼夜连续自动记录，间隔1 min[3]. 因测试对象A 与B、C 与D 户型和测点位置相同，图示测试对象B、C 的平面图及测点布置如图1 所示.

图1 平面图及测点布置

3 军休所室内热环境舒适性

3.1 测试结果与分析

2018 年12 月19 日至12 月24 日对天津市军休所建筑室内热环境及离退休干部热舒适性现状进行现场测试与调研，室内外环境测试数据结果见表2.测试期间室内温度范围为6.3～26.8 ℃，平均值为17.7 ℃，比GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中热舒适等级（Ⅰ级）要求的22～24 ℃[4]低3.3℃；室内相对湿度平均值为35.4%，有29.3%的数值低于JGJ/T 40—2019《疗养院建筑设计标准》[5]、JGJ450—2018《老年人照料设施建筑设计标准》[6]中相对湿度≥30%的设计标准；服装热阻值主要集中在1.3～1.6 clo 之间，占有频率为48.4%，高于ASHRAE55—2017 中冬季服装热阻值为1.0 clo 的舒适标准[7].由于受试者每日通风次数与时长不同，室内风速值浮动范围较大，其中有27.7%高于GB/T50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》中冬季室内允许最大空气流速0.2 m/s[3]的评价标准；53.4%超出《室内热环境设计》中我国对室内空气平均流速的计算值冬季0.15～0.3m/s[8]的范围.

表2 冬季室内外环境数据测量结果

3.1.1 室内空气温度与相对湿度数据分析

图2 为典型房间室内温湿度数据分析，测试期间典型房间室内平均温度为17.8 ℃，日气温最大值23.5 ℃，最小值6.3 ℃；测试期间典型房间室内平均相对湿度为27.8%，最大值36.1%，最小值13.4%.

图2 典型房间室内温湿度实测数据分析

如图2a 典型房间室内温度数据分析所示，测试对象B 的客厅在7:00（±30 min）出现室内温度最低值6.3 ℃，主要原因是测试对象B 的入户门为单层玻璃铝合金门连窗构造.图3 为典型房间门窗热像分析结果，由图3a 可知，供热源周边最高温度为35.2 ℃，与其水平距离为200 mm 的入户门周边温度仅为14.3 ℃，即热损失严重，保温性能较差.测试对象A、D 的北卧在1:30（±30 min）出现日气温最低值10.8、7.5 ℃，与测试对象A 同栋、同朝向、同时段、不同楼层的B 北卧日气温差值为6.7 ℃，由于A、D 为顶层，且夜晚受室外空气温度影响较大；测试对象C 的阳台与A 北卧的温度波动范围在22.3～12.7 ℃之间，与室外温度波幅相似，受室外温度影响较大.如图3b、3c 所示，外围护结构、窗框温度分别与供热源温度相差19.4、22.3 ℃，通过计算，北向房间的窗墙比分别为0.46，0.42，0.45，根据JGJ 26—20108《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中北向窗墙面积比最大值为0.40[9]，即外围护结构的保温材料层热阻系数较低，窗墙面积比值超过设计标准.如图2b 典型房间室内湿度数据分析所示，室内相对湿度低于30%的房间集中在南卧与客厅，主要原因是其室内空气温度相对较高.其中，测试对象D的南卧在12:30（±30min）出现室内湿度最低值13.4%，主要原因是该时段为日气温峰值（如图2a 所示）且该房间受室外相对湿度影响较大；测试对象C 的客厅与南卧在测试期间相对湿度变化幅度较小，集中在16.7%～25.8%之间，室内湿环境较为不舒适.

图3 典型房间门窗热像分析结果

3.1.2 空气流速

图4 为军休所冬季室内吹风感投票值与风速分布期望频率分析.如图4a 所示，有45.1%的受试者投票为0（无风），有38.7%的人认为1（有吹风感），有16.2%的人投票2（有明显吹风感），无人选择3（有比较强烈的吹风感）.如图4b 所示，有28.2%的人期望风速变小，37.9%的投票希望风速变大，33.9%的人希望室内风速不变.根据JGJ 450—2018《老年人照料设施建筑设计标准》中提到的，寒冷地区老年人照料设施建筑，冬季室外冷风不宜直接吹向人体，往往长时间关闭外窗，这对空气质量极为不利且每日新风量不足，老年人长期生活在室内且体弱多病抵抗力差，需增设自然通风设施或机械通风设施，以提高室内空气品质[6].

图4 军休所冬季室内吹风感投票值与室内风速期望频率分析

3.1.3 服装热阻

图5 为离退休干部冬季服装热阻分布频率分析.如图5 所示，离退休干部平均服装热阻值为1.5 clo，最大为2.3 clo，最小为0.7 clo. 服装热阻值主要集中在1.3～1.6 clo（厚棉衣+厚棉裤，绒衣+绒裤，厚针织衣+厚长裤）之间[10]，占有频率为48.4%. 主要原因是离退休干部由于伤病、室内外温差大、无电梯的原因外出活动量较少，且对冷空气极为敏感，需要增加衣物来减少冷风入侵和散热量.

3.2 离退休干部的热感觉与舒适性评价

3.2.1 热感觉与热期望

图5 离退休干部冬季服装热阻分布频率分析

为研究离退休干部对室内热环境的热感觉与热期望值，对军休所离退休干部进行主观问卷调查. 调研对象共124 人，其中男性55 人（占44.4%），女性69人（占55.6%）.根据调查问卷可知，受测者平均年龄为72.85 岁，伤残率为27.6%，高危病率为75.6%，能够自理的老人占67.72%，不能自理的老人为32.28%；88.5%的受试者认为冬季是各类病症（流感、中风、心脑血管、骨科等疾病）的高发期[11]；54.33%的人认为寒冷的室内环境是冬季诱发疾病的主要原因之一；65.8%的受试者对当前相对湿度较为满意. 图6 为离退休干部对室内热感觉投票的统计分析. 由图6 可知，热感觉以微凉和中性为主，有59.1%的受试者期望当前热环境变暖.图7 为热期望与热感觉交叉分析，可见，当热感觉为凉和微凉时，分别有100%、81%的受试者期望变暖，并感觉到寒冷，且身体出现不舒适现象.

图6 热感觉分布频率分析结果

图7 热期望与热感觉交叉分析结果

3.2.2 室内热舒适评价模型

图8 为PMV-PPD 双Y 曲线图.选取测试对象B、C 进行热舒适评价模型——预计的人体热感觉指数（PMV）和预计不满意者的百分率（PPD）的分析评价.我国现有《民用建筑采暖通风与空气调节设计规范》规定:采暖与空气调节室内的热舒适性应按照《热环境的人类工效学通过计算PMV 和PPD 指数与局部热舒适准则对热舒适进行分析测定与解释》（GB/T18049—2017）采用PMV 和PPD 评价，其值为-1≤PMV≤+1，PPD≤27%[12]. 设定新陈代谢率1.0 met，服装热阻为1.5 clo.国际标准化组织（ISO）规定，PMV 在-0.5～+0.5之间为室内热舒适指标.如图8a、8b 所示，室内日间PMV 集中于-0.6～-1.4 之间，预测热感觉为稍冷，PPD的日均值为42.4%，预测对于室内整体热感觉较为不满意.

图8 PMV-PPD 实测分析与结果

3.2.3 热中性温度与可接受温度

为研究离退休干部的热中性温度与可接受温度，本文根据受试者完成问卷调查时的室内空气温度、相对湿度、平均辐射温度、风速、新城代谢率和服装热阻值等数据对冬季军休所的预测热感觉投票值（PMV）和平均热感觉值（MTS）与室内操作温度（t0）温度分别进行线性回归分析[7]. 由分析得出线性方程式:PMV =0.196 2t0- 4.128，R2=0.913 8；MTS=0.177 t0-8.434 2，R2=0.936 7.令PMV=0，求得预测热中性温度为23.7 ℃；MTS=0，求得实测热中性温度为22.8 ℃；由此可知，受试者对温度的承受能力比预测值高，离退休干部对冬季室内热环境现状已呈现出适应性.

以问卷调查数据结果设置离退休干部的可接受温度范围，令PMV=-0.5～+0.5，预测冬季受试者可接受室内温度为17.2～26.1℃；MTS=-0.5～+0.5，可得实际冬季受试者可接受室内温度为20.4～25.7 ℃，由此可知，军休所冬季室内空气温度在此范围内时，离退休干部具有更高的舒适度.

4 室内热环境优化措施及模拟验证

4.1 改造措施

通过对军休所室内热环境的调研，发现军休所建筑外窗、顶层保温性能较差、客厅与南卧相对湿度较低等问题.针对其问题，以节能环保和经济美观为原则，考虑从围护结构、增设保温层、室内增湿、改善室内通风三个方面进行室内热环境舒适性的优化改造，使其在舒适性目标下达到标准[6].

4.1.1 围护结构

（1）外墙.由于军休所墙体材料为黏土实心砖，清水砖墙，内外墙厚均为240 mm，计算其热阻值R1为:R1=0.24/0.81，R1=0.296 K/W，R1值较低，保温性能较差.现进行外墙改造，外墙表面增设保温层:石墨聚苯乙烯泡沫（50 mm 厚）+水泥砂浆（10 mm），计算改造后热阻值R2为:R2= 0.05/0.042，R2= 1.19 K/W，较改造前热阻值提升0.894 K/W.将R2/R1=4.02，即改造后外墙的保温性能等同于原240 mm 砖墙的4 倍，效果显著.

（2）外窗.由于军休所为单层玻璃的铝合金门窗，保温性能差，气密性低，窗墙比大，夜晚受室外温度影响较大.考虑到军休所有63.7%行动不便的老人，有通过外窗、阳台观赏景色及冬夏季的采光与通风的需求，即保留原有的窗墙面积比，选择将门窗原有铝合金窗框更换为断桥铝合金窗框. 单层玻璃更换为Low-E 玻璃（6 mm 厚）+空气层（12 mm 厚）+Low-E 玻璃（6 mm 厚），传热系数降低至1.76 W/m2·K，提升门窗的保温性能. 针对夜晚受室外温度影响大的问题，考虑在窗内侧安装保温扇，如图9 所示.真空板导热系数低至0.003 W/m·K，具有极强的保温性能. 保温扇采用折叠式，夜间打开，提升窗的保温能力，白天收起，置于窗侧，不影响室内进行有效通风与采光，氧化铝保护板可印刷图案，放置窗侧时可美化室内环境.

图9 保温扇构造

（3）屋顶保温.因顶层房间有提高温度的需求，考虑到施工的可操作性与经济性，建议在室内采取改造措施，提高屋顶的保温能力，具体构造如图10 所示.岩棉的导热系数为0.04 W/m·K，岩棉（50 mm 厚）与空气层（50 mm 厚）、石膏板（10 mm 厚）形成保温层吊顶，以减少顶层房间受室外空气温度变化的影响.

图10 屋顶保温层构造

4.1.2 室内相对湿度

由于离退休干部肩部、关节等伤病，不喜潮湿环境，需小幅度提升室内相对湿度，并有65.8%的受试者对当前相对湿度较为满意，所以针对客厅与南卧相对湿度较低不符合标准[3]的问题，建议采用植物蒸腾作用达到增湿效果，以此提升室内相对湿度.研究表明，如果蒸腾作用旺盛的植物能占室内空间的5%～10%，就可使冬天房间内的湿度增加20%～30%[13]. 绿萝、万重山的增湿效果明显，可提高平均相对湿度5.47%，增湿程度范围为3.22%～7.5%，增湿率达16.6%[14]，在相对湿度较低的客厅与南卧可选择性放置绿萝、万重山等植物.

4.1.3 室内通风

针对离退休干部室内能够进行有效通风且防止冷风对身体直吹的期望，建议加装窗型长条通风器，根据不同需求装于窗户上方或下方.采用断热型材，内观材料加工为蚊网状，防虫且易于拆装清洗，具有优良的防水、防风性能，内置活叶有四道密封[15]，可根据通风需求选择打开或关闭通风器，调整进风量.

4.2 模拟验证

针对以上对天津市军休所冬季室内热环境舒适性的改造措施，利用Ecotect Analysis 软件进行模拟验证分析，图11 为改造前后室内逐时温度对比分析.如图11 所示，输入测试期间室外最冷月平均温湿度（-2℃，19.7%），改造后室内平均温度为21.4 ℃，较改造前室内平均温度（17.7 ℃）提高3.7 ℃.改造后的室内空气温度进入离退休干部可接受温度范围20.4～25.7 ℃区间内，有效提升军休所室内热环境舒适性，表明以上措施对军休所室内热环境舒适性优化改造有显著作用.

图11 改造前后室内逐时温度对比分析

5 结 语

通过对军休所冬季室内热环境舒适性的研究与分析，得出以下结论.

（1）军休所由于建筑老旧，其外围护结构保温性能较差，首层入户门的门连窗构造导致冬季冷风入侵，降低室内空气温度；外窗材质为断桥铝单层玻璃，导热系数高，无法有效阻隔室外冷空气；顶层典型房间室内平均温度较低，昼夜温差大；客厅和南卧房间普遍相对湿度较低，湿环境现状不理想.

（2）冬季军休所离退休干部预测和实测热中性温度分别为23.7 ℃和22.8 ℃；实际冬季离退休干部可接受室内温度为20.4～25.7 ℃；有59.1%的受试者期望当前热环境变暖，当热感觉为凉时，身体出现不舒适现象，有100%的受试者期望变暖；室内日间PMV集中于-0.6～-1.4 之间，预测热感觉为稍冷，PPD 的日均值为42.4%，预测对于室内整体热感觉较为不满意.

（3）根据节能与经济原则，建议天津市军休所室内热环境舒适性优化改造选择以下做法:选择将门窗原有铝合金窗框更换为断桥铝合金窗框，单层玻璃更换为Low-E 玻璃（6 mm 厚）+空气层（12 mm 厚）+Low-E 玻璃（6 mm 厚），传热系数降低至1.76 W/m2·K，提升门窗的保温性能；针对夜晚受室外温度影响大的问题，建议在窗内侧安装真空板保温扇，真空板导热系数低至0.003 W/m·K，可有效提升窗的保温能力，白天收起，置于窗侧，不影响室内进行有效通风与采光；针对顶层房间提高温度的需求，建议在室内采取改造措施，岩棉（50 mm 厚）+空气层（50 mm 厚）+石膏板（10 mm厚）形成保温层吊顶，减少顶层房间受室外空气温度变化的影响；绿萝、万重山的增湿效果明显，增湿率达16.6%[14]，在相对湿度较低的客厅与南卧可放置绿萝、万重山等植物；加装窗型通风器可提升室内通风效率，并通过打开或关闭通风器来调节进风量. 通过对改善措施的模拟验证，得出室内平均温度比改造前提升3.7 ℃，达到离退休干部可接受温度范围20.4～25.7 ℃，对改善军休所室内热环境舒适性效果显著.