现代居住建筑的夏季热状况研究--北京市住宅夏季室温调查分析材料工程学论文

Evaluation of thermal performance of existing residential buildings in Beijing

0 引言 　　 　　近年来，由于气候变暖及人们对居住环境热舒适要求的不断提高，住宅产业迅速发展的同时也加速了家用空调的普及。目前，家用空调已成为大多数住户夏季降低室温、改善住宅热状况的一个重要手段。然而，家用空调的普及也引发了环境、能耗等一系列的问题，如加剧了电力供应的紧张，对小区气候环境造成了不利的影响。鉴于此，人们对可持续发展住宅、生态住宅等的呼声越来越高，以充分利用天然冷源，而减少机械系统的能源消耗，并减轻对环境压力。 　　通过改进建筑设计来满足热舒适要求，首先应充分了解现代居住建筑的夏季室内热状况特性，并从中发现建筑设计对住宅热状况影响的不利方面，而对现有住宅的室温测试调查是了解分析其室内热状况的基本前提。基于此，1999年夏季，清华大学建筑学院建筑技术科学系对北京市98户未安装空调住宅的144间房间，进行了近一个月的室温及外温连续测试，通过对测试数据的处理与分析，对现代居住建筑的夏季热状况特性有了更深入的了解和认识。 　　 1 测试方法及测试对象 　　 　　将国产的Rhlog温度自记仪置于测试房间内，每隔30min自动读取并记录一次室温数据，测试精度为0.3℃。测试时间为1999年7月15日至8月9日。 　　测试对象全部为未安装家用空调居民住宅内的卧室和客厅，测试房间为144间，分布在北京市的海淀区、西城区、宣武区、丰台区等各个城区。 　　测试对象在建筑形式、楼层位置及外墙朝等方面的分布分别为：低层住宅3%，多层住宅73%，高层住宅24%；底层20%，中间层64%，顶层16%；北向18%，东北向5%，东向4%，东南向10%，南向39%，西南向9%，西向5%，西北向3%，无外墙7%。说明测试对象包括了不同楼层、不同朝向及不同建筑形式的各种房间，因此具有一定的代表性和普遍性，符合除传统的四合院以外北京市现有居民住宅的实际分布产况，依此得到的测试数据能够反映现代居住建筑的夏季热状况。 　　 2 室温的分布状况 　　 　　室温在不同温度段的频率分布可从整体上反映现有住宅的夏季室内热状况。按照式（1），计算出室温测试数据在各个温度段的频率值。 　　 　　　　　　　　　　　　（1） 　　式中Fi为同一测试期各对应温度段的室温测试数据频率值；Ci为同一测试期各对应温度段对内室温测试数据的数量；D为对应测试期的测试天数；N为对应测试期的测试房间总数；48为各测试房间一天的室温测试记录数。 　　另一方面，由于夜间（20：00～6：00）是住宅内人居活动最频繁的时间段，此时段的室温高低直接关系到住宅内人体的热舒适。故可从全天和夜间两个时间范围分析室温的分布状况，1999年所有测试房间的全天和夜间室温分布状况分别见图1，图2。　　 图1　一天室温与对应的外温分布 图2　夜间室温与对应的外温分布 　　图1表明：虽然在部分测试时间内外温高达36℃以上，但仍有近50%的测试时间，外温低于28℃。而相对于外温，全天室温的分布则主要集中在28～36℃的范围内，仅在10%的测试时间内，室温低于28℃。因此，室温和外温在满足人体的热舒适性上存在较大的差异。这种差异在夜间的外温和室温分布上更为明显。夜间外温在的70%的时间内低于28%，而夜间的室温分布与全天的室温分布基本一致，同样仅在10%的测试时间内低于28℃。 　　以上室温和外温分布的差异反映了现有住宅的夜间自然通风状况十分不理想，不能利用室外较低的温度环境对建筑进行冷却，反而由于建筑物本身的高热惯性使得室温逐渐升高。若能有效地采用夜间通风，则可在很大程度上改变住宅室内热状况。 　　全天及夜间的室温分布虽然能反映现有住宅室内环境的总体状况，但它们并不能表示出各个房间室温变化特性的不同。图3表示出在测试期内3个典型房间室温与外温的连续变化曲线。 　　 　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3　部分测试房间室温与外温变化图 　　 　　其中，房间1为底层南向房间且外窗遮阳，测试期内其室温最大值仅为30.5℃；房间2为中间层西向房间，但外窗不遮阳，其室温最大值高达38.6℃；而房间3为顶层南向房间，外窗不遮阳，虽然其室温最大值要小于房间2的，为36.0℃，但测试期内该房间的室温均大于28℃。从图3可看出，房间2室温波动的幅度要远大于房间1和房间3的室温波动，外温对其室温变化的影响十分明显；而房间1和房间3的温度变化曲线则较为平缓，近似呈现为两条平等线，其室温变化基本不受外温波动和太阳辐射的影响。以上这些现象表明，现有住宅夏季室内热状况在很大程度上受到房间楼层位置、朝向、遮阳及通风状况等各个方面的影响。此外要注意的是：即使当外温高达40℃以上时，房间1的室温仍不超过30.5℃，且在超过50%的测试期内，其室温低于28℃。这表明通过改进建筑设计而改善住宅室内热状况还是很有潜力的。 　　因此，除了测试房间的室温分布状况外，还需要有能代表各测试房间室内热状况特征参数的分布才能全面反映现有住宅的夏季热状况。采用如下的特征参数作为评价各测试房间室内热状况特性的指标。 　　①室温平均值：是指测试房间所有室温测试数据的平均值； 　　②室温波动幅度：以室温日波幅值表示，取7月24日测试房间室温最大值与最小值的差。 　　③室温日波幅平均值：是指测试期内测试房间室温日波幅值的平均值。 　　④室温延迟时间：取7月24日测试房间室温最大值出现时间与外温最大值出现时间的差。

3 室温平均值分布

　　室温平均值是住宅热状况好坏的一个重要参数。相比较而言，夏季室温平均值越高，室内热状况越差；室温平均值越低，室内热状况越好。图4表示了测试期内房间室平均值的分布状况。图中横坐标轴第一、第二温度段的统计边界值29.3℃表示的是测试期内外温的平均值，纵坐标轴表示室温平均值处在各相应温度段内的房间数占测试房间总数的百分比。

图4　测试房间室温平均值的分布

图5 不同楼层房间室温平均值的分布

　　从图4中可看出，测试房间的室温平均值主要集中在29.3～32℃的范围内，但还有近20%的房间的室温平均值低于外温的平均值。分析室温平均值处在这个温度范围的测试房间特点，发现其中2个分别为处在中间层的北向房间和无外墙房间，而其余25个包括了底层各个朝向的房间；再分析室温平均值大于32℃的测试房间特点，这5个房间全部位于顶层。因此，不同楼层房间的室温平均值差别很大。图5进一步表示出底层、中间层及顶层房间室温平均值的分布。
　　不同楼层房间室温平均值的分布呈现了明显的差异。绝大部分底层房间的室温平均值小于外温平均值；顶层房间的室温平均值则基本比外温的高2～3℃；中间层房间的室温平均值主要分布在30～31℃的范围内。这是由于顶层房间的屋面吸收了大量的太阳辐射热，而底层房间的室内、外的热却能通过楼板向地下传递。因此，底层房间的夏季热状况最好，顶层的最差，中间层的介于两者之间。
　　朝向所导致房间热状况的差别是否如楼层那样明显呢？类似不同楼层房间热状况差民的分析，以下从统计分析的角度，给出所有中间层房间室温平均值随朝向的变化，如图6所示。
　　
　　　　 　　　　 　　　　 　　　　　图6 中间层不同朝向房间室温平均值的分布 　　
　　
　　西向房间的室温平均值在高温段分布的百分比较大，而其它朝向房间的室温平均值的分布则没有明显的变化规律，在29.3～31℃的温度范围内，同时存在各个朝向的房间。因此，从统计分析的角度，除西向房间偏热外，其它不同朝向所造成房间热状况的差别不明显。这是由于房间的热状况除了受太阳辐射得热影响外，还受到房间通风状况、内热源散热以及外围护结构保温隔热性能等多方面的影响。
　　
4 室温波动幅度和延迟时间的分布
　　
　　由于在外温作用下，室内温度波动基本呈周期性变化，故除了室温平均值这个参数外，还需要有反映室温波动幅度和延迟状况的两个参数才能全面描述住宅热状况的变化规律。以7月24日的室温变化为例，分析所有测试房间当天室温日波幅值及室温延迟时间的分布，其间外温的日波幅值为15.5℃，外温最大值出现的时间为14：00。图7和图8分别表示出所有测试房间室温延迟时间及室温日波幅值的分析。

图7　室温延迟时间的分布

图8　室温日波幅值的分布

　　图7表明，室温延迟时间的分布范围非常大，有近20%的房间室温延迟时间超过6h，即室温在晚上8：00后达到最大；另外，还有15%左右的房间的室温延迟时间小于0，即其室温达到最大值的时间要比外温的（14：00）早。而图8表明大部房间的室温日波幅值小于3℃。由于房间室温的衰减和延迟状况是相互影响的，因此，有必要分析在每个时间延迟范围内，房间室温日波幅值的分布，见图9。
　　 　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图9　各时间延迟范围内室温日波幅分布　
　　
　　对于室温最大值出现时间比外温早的房间，其室温日波幅值均小于3℃。而对于其它房间，室温日波幅值与室温延迟时间的变化关系表现为：室温延迟时间越大，房间室温日波幅值在小于3℃范围内的分布比例越大，在大于3℃范围内的分布比例越小。并且当室温延迟时间超过6h后，室温日波幅值均小于3℃；进一步当室温延迟时间超过8h后，大部分房间的室温日波幅值小于1℃。因些，根据上述的室温变化状况，可将房间分为三类：室温延迟时间小于0；室温延迟时间大于0但小于等于6h；室温延迟时间大于6h。图10～12分别表示出这三类房间的室温日变化曲线。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图10 室温日变化（延迟时间<0）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图11 室温日变化（0<延迟时间≤6h）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图12室温日变化（0<延迟时间>6h）

　　图10的房间为中间层东向房间，因此，房间的室温变化是由其朝向所决定的。图11中的3个房间均为中间层北向房间，比较它们的室温变化，可看出这类房间的室温变化主要由房间的通风状况决定，通风量越大，室温的日波幅值越大，延迟时间越短。图12所表示房间的室温一天内几乎处在单调上升的状态，这主要是由于室内、外不存在通风换气，再加上房间的高热惯性，使得室温变化基本不受外温和太阳辐射的影响。
　　通过对测试期内所有测试房间室温日变化状况（7月24日）的分析得到：房间室温日波幅值及室温延迟时间的不同反映了房间通风、热惯性、朝向等状况的差别，并且在室内外通风影响较小的情况下，房间的室温日波幅一般小于3℃，室温延迟时间超过6h。

室温日波幅值和延迟时间反映的仅是房间当天的通风状况。对于逐日变化的室温衰减和延迟状况，可用室温日波幅值的平均值以及室温延迟时间超过6h的天数来反映测试房间在整个测试期内的通风状况。26天的测试期内，外温日波幅平均值为10.8℃。图13表示了测试期内房间逐日室温延迟时间超过6h天数的分布，图14表示对应各个天数范围，房间室温日波幅平均值的分布。
　　

图13室温日波幅平均值的分布

图14对应各天数范围室温日波幅平均值分布

　　分析图13和图14可看出：有近30%的房间在一半以上的测试期内其逐日室温延迟时间大于6h，而其室温日波幅平均值小于3℃。再根据由房间室温日变化得出的相关结论可推出，整个测试期内房间室温的衰减和延迟状况反映了现有住宅房间的通风状况基本都不理想，有部分房间在整个测试期内几乎不存在室内外的通风换气。
　　
5 结论
　　
　　总的说来，北京市现代居住建筑的夏季室内热状况远不能满足人们的热舒适要求。房间的室温平均值主要分布在29.3～32℃的范围内；但仍存在少数房间，当外温高达40℃以上时，房间室温不超过30.5℃。这说明通过合理的建筑设计和住宅管理方式可以在很大程度上改善住宅夏季热状况。因此，改善住宅室内热状况还很有潜力。
　　相比较中间层和底层的房间，顶层房间的夏季室内热状况最不能满足人的舒适性要求，其房间的室温平均值一般比外温的高了2～3℃。而不同朝向房间室内热状况的差别则并不明显。因此，应着重加强现有住宅建筑屋面的保温、隔热性能，尽量减小太阳辐射热的影响。
　　室温波动和延迟特性的不同反映了房间通风、热惯性、朝向等状况的差别。现有住宅房间的热惯性均比较大，并且在室内外通风影响较小的情况下，房间室温的日小幅值基本小于3℃，室温延迟时间则大于6h。这种状况非常适合于采用夜间通风。然而现有住宅的通风状况却并不理想，有部分房间在整个测试期内与外界几乎完全没有通风换气。
　　因些，应着重加强对建筑屋面的保温、隔热处理及加大夜间通风量。这是改善现有住宅夏季热状况的重要途径。
　　
参考文献
　　
　　1 彦启森，等，建筑热过程。 北京：中国建筑工业出版社，1986
　　2 Baruch Givoni. Effectiveness of mass and night ventilation in lowering the indoor daytime temperatures, Part I: 1993 experimental periods. Energy and Buildings, 1998, 28:25-32