辽西地区典型性住宅热环境研究

林叶童 庹万利 钱治杰

（辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000）

1 绪论

1.1 研究目的和意义

随着社会生产水平的进步和人民生活水平的不断提高，居民们对住宅建筑室内环境热舒适节能减排的需求也在不断提高。因此，我们在满足人们对住宅建筑室内热环境舒适需求的同时，环境保护便是重要举措。地域气候、建筑类型、室内环境、生活习惯等诸多因素影响人们对热舒适需求，并且在不同地区存在明显差异。高标准的热舒适水平不仅是居住者的向往和憧憬，也是建筑热环境调节的最终目标，建筑的热工性能往往与室内热环境紧密联系,而室内热环境又与人的健康、舒适乃至工作效率密切相关[1]。目前，环境污染已经成为当今世界必须解决的问题之一，所以人们都开始逐渐追求绿色建筑。建筑能耗已经成为衡量一个国家总能耗的重要指标，发达国家的建筑能耗占其总能耗30%-40%，我国建筑能耗约占全国总能耗的25%左右[2]，在寒冷、严寒地区，已经占当地总能耗的30%-40%，建筑节能减排已倍受全国人民的注意。正是如今这样一个提倡节能减排的大环境下，人们已经不局限于人工稳态的空调环境下，而是期望通过使用现有的、已经成熟的技术手段达到自然和热舒适的双赢模式。地球表面的大气层每时每刻都是变幻莫测的，人类的进化和个人的成长一直处于周围的变幻莫测的温度、湿度等诸多因素的变化中。但人天生具有一定的热波动适应能力，在一直处于稳态的环境中，人体的热适应力将会削弱，如同缺乏体育锻炼容易导致体质下降一样，热适应能力的下降将会直接导致抗疾病能力直线下降。对比前者，大部分一直生活在自然通风条件下的人，对热舒适的适应能力较好，最终得到了该部分人群会有更大的适应能力的结果[3]。因此改善建筑室内外热环境，提高舒适性，降低建筑的能耗，是我国急需解决的重要问题之一。

1.2 研究内容和方法

1.2.1 研究内容

建筑的实际构造是多种多样、相当复杂的，实际的居住情况也是千差万别的。因此，本文采用对典型建筑按典型模式运算，实际测试也严格按照标准的规定操作。本文通过对辽宁省阜新市某村镇不同居民建筑屋顶和建筑结构的室内外热环境的实地测量分析，对比得出夏季典型性住宅内外热环境的特点。

首先我们先收集所选地区往年的室内外环境的热环境参数，即空气温度、空气湿度、气流速度、太阳辐射等实测参数，作为实地测量的参考数据。然后选取合适的实验仪器，制定严格规范的实验步骤和操作方法。最后将收集到的这些热环境参数，进行汇总，整理和分析，最终得到关于不同居民建筑屋顶和建筑结构的室内外热环境的特点，初步提出辽西地区典型性居民住宅优化意见。

1.2.2 研究方法

本次研究主要以定量分析和定性相结合为主，文献研究法和实地调研法为辅的研究方法，最终为该村镇提供优化建议：

（1）实验测试与数据分析对测量结果进行对比分析，得出建筑环境布局和空气温度，空气湿度之间的关系。

（2）文献研究法

阅读国内外有关室内外热环境，对研究内容有一个整体的把握。

（3）居民实际情况调研法

通过对居民实际居住感受进行调研，分析PMV 和PPD 的值，得出实际温度值与实测值进行校验，确定实验可靠和可实施性。

2 实测数据分析

2.1 实测住宅结构

实测住宅建筑位置是根据不同房屋屋顶类型和是否具有门斗结构进行研究，选取四间具有不同类型和结构的典型性住宅。房屋朝向均为坐北朝南，除门斗外房屋结构基本相似，建造结构为砖混结构，周围没有较高遮挡物，建筑群落较稀疏。选取的典型性住宅建筑不存在空调，从而减小因为改变建筑室内温度对实测数据的影响，保证结果的相对准确性。结合居民住宅的建筑格局，将研究区域分类划分5-6 个区域，对测点位置的距离地面1.5 米高处墙体温度，以及室内空气湿度进行24 小时的实时测量。

如图1 为实测住宅建筑结构平面分布图，地点为阜新市某村镇，住宅建筑内主要包含卧室、厨房、卫生间、储物间四个功能房间以及一个走廊。住宅建筑层高约为2.8 米，住宅面积大小均为100 平方米左右。具体的围护结构参数见表1。

图1 住宅建筑平面图

表1 围护结构参数

2.2 实测仪器

本实验所选用仪器为HOBO UX100-003 便携式高精度温湿度自动数据采集记录仪。电子仪器的优点是其性能可靠，数据准确，记录时间长。具体参数如表2所示。

表2 使用仪器型号及参数

2.3 实测数据分析

实测地点为辽宁省阜新市某村镇标准居民住宅建筑，实测时间为2021 年7 月20 日至7 月27 日早0：00至晚24：00，以下为逐时记录实测数据的整体汇总整理，以及具体研究分析。

2.3.1 尖顶房、平顶房室内整体温度

图2 为尖顶房、平顶房室内温度变化图，数据是由实测七天内两个不同屋顶住宅室内整体数据汇总计算得出。平顶房建造材料是空心板，尖顶房房顶是钢筋混凝土或木梁搭建而成。（具体数据可参考表1）由图可见，尖顶房室内的整体温度比平顶房室内的整体温度较低，是因为尖顶以下存在一定空间，具有一定的保温隔热效果，对室内温度影响较少。尖顶房外观比较漂亮时尚，且具有一定的坡度，流水比较好，排水方便。平顶房在夏季受到太阳光线直射，整个屋顶温度较高，导致对室内传热较多，室内温度较高。平顶房之所以在农村住宅建筑中普遍应用也存在一定的优点，平坦的屋顶可以用来晾晒衣物和农作物，相对尖顶房来说造价便宜的同时还便于后期设计改造。

图2 尖顶房、平顶房室内温度变化图

2.3.2 有门斗、无门斗走廊温度

门斗是辽西地区乃至东北地区普遍应用的与房屋的外房门相结合的方形建筑过渡空间，具有分割、挡风、御寒等。在冬季寒冷的北方，门斗的过渡空间可以很好的避免外面寒冷的空气直接进入屋内，屋内的热气向外流出，从而起到保温隔热的作用[4]。但是在夏季门斗又称为一种“负担”，阻挡了空气的流通。由图3 可见，有门斗的住宅比无门斗的住宅走廊的整体温度会高一些。同时，门斗的存在还会对太阳直射有一定的影响,从而导致室内走廊的光线变暗。

图3 有门斗、无门斗走廊温度变化图

2.3.3 每个房间温度值

图4 为卧室、厨房以及走廊温度变化图，由图可见卧室整体温度比厨房及走廊的温度高1-2 度，卧室作为靠东南方向的房间，最早受到太阳的直线照射的影响，且照射时间较长，属于朝阳面，温度在7：00 时最先开始上升。厨房位于住宅建筑的西北方向，会在下午甚至傍晚受到太阳直线照射其余时间是辐射温度的影响，属于背阴面，温度上升幅度比卧室较小，整体温度比走廊较高。且辽西地区农村住宅以火炕为主要的做饭和采暖设备，在17：00 到18：00 的做饭时间，厨房温度和卧室温度会有一定的上升，对于冬季温度变化会更加明显。走廊的前后都有门，是作为空气流通最主要的空间，会有穿堂风出现，对夏季降低温度有明显效果，故整体温度相对较低，比较凉爽。

图4 不同方位房间温度变化图

2.3.4 人体PMV 和PPD 变化图

由热舒适方程（Fanger[5]研究提出人体热感觉模型PMV-PPD）, 可以得到人们在不同环境状态下的热舒适度, 共分为7 级（见表3）, 即预测平均热感觉指标（PMV）。PMV 指标代表同一环境下绝大多数人的感觉，用来评价一个热环境舒适与否。预测不满意百分比（PPD）指标表示人群对热环境不满意的百分数，二者之间存在一定的定量关系。国际标准化组织推荐的热舒适环境的PMV 范围在-0.5～0.5 之间，相当于人群中有10%的人感觉不满意，即PPD 小于10%。通过对当地住宅居住者的实际居住情况调查询问，以及对当地建筑住宅热环境相关资料研究对比，得出以下人体PMV 和PPD变化图。图中可以看出，在上午10：00，人们会明显感觉到室内空气温度相对增加，人们开始出现热的感觉，在下午13：00 到14：00，人们对热感觉继续增加，会感觉到炎热，这时往往是太阳照射最强烈的时候。在晚间到凌晨的时间里，人们会处于睡眠状态，而且晚间伴随着温度降低，会有微风出现，人们往往感觉比较舒适，不满意程度也会随之降低，见图5-6。

表3 人体舒适度指数

3 结论和展望

根据夏季阜新市某村镇居住区建筑热环境的研究，得到住宅建筑的温度数据和人们体感温度等与房屋建筑结构的关系，分析研究了空气温度、空气湿度、气流速度、太阳辐射等实测参数。结合实测参数分析与居住区能耗情况，得到关于不同居民建筑屋顶和建筑结构的室内外热环境的以下几个特点：

3.1 平房顶与尖房顶相比，平房顶的住宅温度会比尖顶房住宅温度整体偏高。因为尖顶房房顶与顶棚之间存在一定空间，能够起到一定的保温隔热效果。

3.2 有门斗与无门斗走廊温度相比，无门斗的走廊温度较低，有门斗的走廊温度较高。因为门斗的过渡空间可以很好的避免外面寒冷的空气直接进入屋内，屋内的热气向外流出，从而起到保温隔热的作用。

图5PMV 变化图

图6PPD 变化图

3.3 通过住宅建筑不同方位房间温度对比，靠近东面的房间会最先开始升温，并且整体温度会比西面的房间高一些，是由于东面房间的墙体最早受到太阳的直线照射的影响，且照射时间较长。

3.4 通过PPD 值和PMV 值的对比，可以得出夏季人们往往在下午13：00-15：00 时会有热甚至炎热的感觉，这时PMV 可以达到较大值。同时，人体的不满意度百分比PPD 也会随之升高，不满意程度增加。数据以辽宁省阜新市某村镇标准居民住宅建筑室内外热环境为主，对附近复杂住宅建筑研究相对较少，主要是因为周围建筑室内热环境与热舒适的影响因素较多，机理复杂。在今后的研究中，我们将扩大研究范围和区域，丰富我们的研究内容。因为此次研究只是在夏季进行，并没有与其他季节进行对比，所以具有一定局限性。在之后更深入的研究中，我们将考虑不同季节情况的影响，得出更严谨的结论。