湘南地区多层住宅夏季室内热环境实测分析与改善研究

尹东衡

(南华大学 设计艺术学院，湖南 衡阳 421001)

湘南位于亚热带季风性湿润区域，夏季阳光强烈，日照时间长，空气湿度大.按据《民用建筑热工设计规范》GB50176-93规定，湘南地区属夏热冬冷地区，根据湖南省气象公布的数据显示，近五年湘南地区夏季最热月平均气温29.6 ℃，平均相对湿度接近80%，夏季住宅室内温度与湿度较高，热舒适性差，采取适宜的气候设计来改善室内热环境极为必要.

目前国外针对住宅气候设计的研究已有较多的成果.印度建筑师柯里亚[1]针对当地湿热气候，在帕里克住宅的设计中运用了“管式”住宅的理念，利用烟囱效应的原理将住宅剖面设计成钝三角形，热空气通过不断减小的顶棚上升，并通过通风口排到室外，解决了当地平均风速低，通风量不足的问题；马来西亚建筑师杨经文[2]在私宅的设计中，结合当地热带海洋性气候特点，采用了“生物气候设计”的低耗能技术，利用屋顶水池来调节进入室内的风的温度与湿度，将共享空间作为通风井，实现了连续的通风，屋顶设置固定的遮阳格片，根据太阳各季节运行的轨迹，将格片做成不同的角度，以控制不同季节的日照程度.

国内诸多学者也进行了大量卓有成效的研究.一是针对某种具体气候因素的效用研究，如张群[3]等针对苏南气候特点和当地民居基本形态条件，提出了以厅堂为中心展开平面布局，周围辅以廊道，利用辅助性空间营造良好的局部通风廊道，形成室内“峡谷效应”，强化风压通风的思路.冯林东[4]等以华南地区现代住宅建筑为研究对象，分析其防太阳辐射的做法、遮阳方式、构造做法等，并以典型的建筑遮阳为例利用阴影法、透光系数等来分析其遮阳的效果，总结出适宜该地区的建筑遮阳方法；二是侧重于对建筑构件性能改善的研究，如李百战[5]等将相变蓄热材料和夜间自然通风结合，通过实验研究发现，不同级别的蓄热体对室温有显著的调节作用，对室内舒适度可起到很好的改善作用，相变材料应用于轻质房间，能显著增强围护结构的热惰性，提高室内的热舒适性.白贵平[6]等引入了围护结构的“热稳定性度时数(DH)”和“反应系数(BER)”的概念，分析了不同形式的围护结构对室内空气热稳定性的影响，研究结论对如何针对不同的使用条件下合理选择围护结构的隔热形式有参考意义.尽管已有大量文献从不同视角对如何改善住宅室内热学环境作了分析研究，然而专门针对湘南地区气候条件下的多层住宅设计研究却并不多见，而且目前国内对于住宅气候设计的研究大多限于某种影响因素的定性研究，没有综合分析各影响因素的作用方式和相互关系.

为进一步研究湘南地区多层住宅夏季室内热环境特征及其成因，本文选取了衡阳市两栋不同年代建造的住宅建筑作为样本进行实地测试，重点测试了起居室、卧室等建筑空间，对室内风速、空气温湿度、壁面温度等数据进行比较及分析，借助模型，结合软件进行定量计算和模拟综合研究，从提高室内通风效率、改善围护结构性能等方面探讨改善居住建筑室内热环境的适宜性技术措施，以期为湘南地区的新建多层住宅设计提供参考.

表1 测试样本的建筑特点

1 测试基本情况

本次测试分A与B两个样本，均位于衡阳市珠晖区凤凰街道，位置相邻.前者于1996年建造，砖混结构，后者于2007年建造，部分框架结构.样本A 与B都为南北朝向，样本B东向外墙有窗户开口.具体建筑特点如表1所示.为体现测试数据的可比性，本次测试只针对建筑的六层进行，测点布置在样本的客厅及主卧室，其中，样本B为复式户型，测点主要布置在底层.样本A与B的平面图与测点布置分别见图1.

时间为2016年7月22日8:00—24日18:00，天气晴，实测期为湘南地区典型夏季,测试期间住户窗户处于全开启状态.实测用的设备仪器如表2所示.考虑到住户下班后在夜间使用空调降温、开动风扇通风，为了提高测试的有效性，本文仅截取7月22 日 8:00 —18:00 无人在家逗留期间的数据进行分析研究.

表2 检测所需仪表及其精度范围

图1 测试样本平面及测试点分布图Fig.1 The test samples plan and the distribution map of measuring places

2 实测结果及分析

2.1 室内风速

如图2所示，样本A起居室厅的风速平均值为0.10 m/s；样本B客厅的风速平均值为0.25 m/s；样本B2客厅的风速平均值为0.15 m/s.样本A主卧室的风速平均值为0.17 m/s；样本B主卧室的风速平均值为0.21 m/s.

图2 样本A与B室内风速对比图Fig.2 The difference in indoor wind speed of samples A and B

其中， 样本A起居室对置门窗开口的有效通风面积之比为：南向卧室门有效通风面积/餐厅北面推拉窗有效通风面积=3.65 m2/1.13 m2=3.24；样本B对置的门窗开口的有效通风面积之比为：客厅南向推拉门有效通风面积/餐厅北面推拉门有效通风面积=3.47 m2/2.1 m2=1.65；样本B对置开口的有效通风面积较为接近.另外，样本B的窗墙比较样本A的窗墙比要大6%，意味着通风量更大，风速平均值比样本A要高0.15 m/s.

2.2 室内温度

如图3温度横向比较图所显示，样本A 的起居室室内测试期间的平均气温为31.4 ℃，样本B的客厅室内平均气温29.8 ℃；样本A 的卧室室内平均气温31.9 ℃，样本B的卧室室内平均气温30.4 ℃.

一般来说，建筑朝向、日照辐射、通风状况和围护结构的蓄热性能对室内气温的表现影响较大[7].比较两个样本的平面图可以看出，样本A处于所在楼层单元的西侧，样本B位于单元的东侧.相较而言，样本A受到日光照射的时间和强度均大于样本B，加上样本A西向墙体材料隔热性能一般，缺少西向遮阳设施等，使之更易受到日照辐射和外界气温的影响.

图3显示，室内最高气温均出现在下午15:00点左右，而非中午日射角最大、日照强度最大的12:00，这是因为上午时段太阳入射位置在建筑南向，处在建筑北面日照阴影内的空气没有被阳光加热，气温较低，室外南面的热空气和北面凉爽的空气在房间室内形成对流，带走了室内房间部分的热量，可以使房间在上午10:00前的时段保持适宜的室温，而随着太阳入射角增大，建筑北面的空气也被逐渐加热，经过一段时间的冷热空气热量交换和室内构件受热及蓄热过程，室内气温才会逐步达到最高点.在15:00以后，太阳辐射逐步减弱，室内气温缓慢降低.

图3 样本A与B室内温度对比图Fig.3 The difference in indoor air temperature of samples A and B

由于样本A楼层屋顶为轻质预制板，隔热性能差，在直射阳光长时间照射下，表面温度较高,屋顶楼板传递下来的热辐射直接作用于房间，加之层高较矮，通风效果一般，室内整体气温较高,而样本B由于上方有二层及屋顶充当垂直热缓冲层，室内气温较A为低，见图4.

图4 实测点温度范围Fig.4 The range of the measured place temperature

2.3 空气相对湿度

如图5卧室湿度比较显示,样本A 室内空气相对湿度略低于B，但是样本B的曲线变化较A要稍显稳定.建筑室内空气的相对湿度大小主要取决于室外相对湿度、室内温度以及维护结构的热工性能[8].可以认为，样本A 与B 在室外气候条件相同的情况下，样本A较高的室内空气温度造成相对湿度的降低，而对于样本B而言，得益于墙体、窗户等界面材料更高(相对A而言)的热惰性能及热容，内表面对温度响应时间较长[9]，室内湿度的变化曲线较后者更为平缓.

图5 样本A与B相对湿度对比图Fig.5 The difference in indoor humidity of samples A and B

3 室内热环境的适宜性改善措施

3.1 室内通风改善设计

对于夏热冬冷地区而言，适时的夏季建筑自然通风是降低室内温度、相对湿度、提高人体热舒适满意度PMV的必要的技术措施[10].一个完整的通风体系包括进风口、风道与出风口，进、出风口的位置、大小也对建筑室内通风效果有很大的影响[11].组织室内自然通风，即合理安排布置建筑的门、窗、墙体及屋顶洞口，形成有效的通风系统.

3.1.1 调整门窗进风开口与主导风向的角度

用3d软件为样本A建立模型，导入到Ecotect(热学可视模拟分析软件)中，将样本1南向房间开口朝向进风口，以15°为角度单位，模拟房间窗口与夏季主导风向分别成0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°夹角的情形，设置测试切面距楼地面1 500 mm，依据weather tool中衡阳气象数据图，不考虑日照影响和室外障碍物遮挡，室外平均风速v=2 m/s，根据现场实测温度数据，室内温度设为29 ℃，室外温度设为34 ℃，加载Winair4插件进行通风模拟计算，可得到图6所示的水平切面自然通风效果图.

图6 不同风向夹角下水平切面自然通风效果图Fig.6 The natural ventination effect of different wind angle on horizontal section

由图6可见，当南向房间进风口与主导风向的夹角从0°开始逐步变大时，房间内风速、通风区域也随着逐渐增大，当夹角为30°～ 45°时，自然通风效果最佳，室内风速0.3 m/s以上的区域面积占比为45%以上；

当夹角≥50°时，通风效果开始逐步减弱；当夹角为90°时，室内93%的区域无风，且风速≤0.2 m/s，室内通风不畅.

Fig.7 The natural ventination effect of the open wall area ratio图7 不同墙体前后开口面积比下的室内自然通风效果图

据此可见，室内通风效果和门窗朝向与主导风向的夹角有关联，通风区域大小、强度随着夹角的变化而发生改变.湘南地区夏季盛行南风和东南风，在进行住宅平面布局时，应考虑不同风向夹角所形成的通风效果.

3.1.2 考虑通风口面积比

在不改变样本B客厅南向推拉门有效通风面积的情况下，将餐厅北面门洞出风口分别设置为推拉落地门(有效通风面积为2.1 m2，为门洞口面积1/2)和平开落地门(有效通风面积为4.2 m2，等于洞口面积)两种情形，用3d软件为样本2建立模型，导入到Ecotect软件中，室外平均风速v=2 m/s，与南向窗户开口夹角30°，依据weather tool中衡阳气象数据图，不考虑日照影响和室外障碍物遮挡，设置测试切面距楼地面1 500 mm，室内外温度设置同上，加载Winair4插件进行通风模拟计算，结果如图7所示.

依据现场实测门洞尺寸数据，在第一种情形中，前后风口的有效通风面积比为1.65，而在第二种情形中，前后风口的有效通风面积比为0.83，后者面积比接近1.由图可见，通过增加出风口的通风面积，使之与进风口面积相当，在环境条件相同的情况下，样本B客厅和餐厅室内的通风区域有所增加，风速有所提高，可以推断，在进深长度接近、门窗正对设置的情况下，空间通风量与窗墙前后面积比近似地成正相关关系，前后门窗开口面积越近，通风量越大，通风效果越好.

以此为启示，住宅门窗开口的设计应该考虑前后开口面积的比值，并通过改进窗户形式，如采用通风效果较好的平开窗，也能明显提高自然通风效率.

3.2 围护结构的改善措施

根据建筑围护结构夏季得热量分析，住宅顶层屋顶、东西向外墙、窗户吸收的辐射热量占很大比例[12].通过增强屋顶、外墙、窗户等关键围护结构的传热阻及蓄热性，抵抗室外热作用，可以减少热量进入室内.

3.2.1 墙体、屋顶隔热性能的改善

样本A的外墙和屋顶原有各材料的热工参数见表3.依据现行建筑人工设计标准，外墙和屋顶构件的传热系数按以下公式(1)进行计算：

(1)

式中：K为围护结构的导热系数，W·(m·K)-1；R为围护结构的总传热阻，m2·K·W-1；Ri为外墙内表面换热阻, 取Ri=0.11 m2·K·W-1；Re为外墙外表面换热阻，取Re=0.05 m2·K·W-1(夏季；d为材料层的厚度，m；λ为材料层的导热系数W·(m·K)-1.

依据《湖南省居住建筑节能设计标准》DBJ43/001-2017的规定，外墙导热系数K=1.5 W·(m·K)-1，屋顶导热系数K=1 W·(m·K)-1.由表3和公式(1)计算得出，样本A外墙的导热系数K=2.0 W·(m·K)-1，屋顶的导热系数K=2.92 W·(m·K)-1,均不满足夏季隔热的要求.对样本A外墙进行隔热改造, 如表4所示. 外墙加抹35 mm厚导热系数为0.06 W·(m·K)-1的聚苯颗粒保温砂浆，最外层抹5 mm厚导热系数为0.93 W·(m·K)-1的耐碱玻纤网布抗裂砂浆，计算出改造后的外墙传热系数K=1 W·(m·K)-1；在屋顶防水层上粘贴30 mm厚导热系数为0.03 W·(m·K)-1的挤塑聚苯板，往上再浇筑40 mm厚导热系数为1.51 W·(m·K)-1的细石混凝土，计算出改造后的屋顶传热系数K=0.78 W·(m·K)-1，改造后的样本A外墙和屋顶的隔热设计均满足标准要求，传热系数明显减小，经由外墙和屋顶传递的外部辐射热量也随之大幅减少，室内温度较改造前将有一定程度的下降.

表3 样本A外墙及屋顶各层材料热工参数

表4 样本A屋顶外墙及屋顶改造所用各层材料的热工参数

3.2.2 设置通风架空层

样本B的底层房间得益于二层的垂直热缓冲作用，受到的辐射影响较小，但是二层房间直接受到屋顶辐射传热的作用，室内温度较高，白天不宜居住.以此为启示，将二楼屋顶设置成架空屋面，对屋顶进行隔热改造，如图8.分别计算架空层各部分的传热阻，第1部分(有空气间层部分)，根据空气间层厚度，热阻Rag取0.440 m2·K·W-1，R0.1=1.493 m2·K·W-1，第2部分(无空气间层部分R0.2=1.386 m2·K·W-1，计算两种材料的导热系数比λ2/λ1=0.818,可得修正系数φ=0.98，依据公式(2)算计设置架空层后屋面的平均热阻R=1.263 m2·K·W-1, 得出导热系数K架空= 0.792 W·(m·K)-1，无架空层处理时原屋顶导热

(2)

系数K无架空=0.83 8 W·(m·K)-1，导热系数降低了(K无架空-K架空)×100%/K无架空= 5.4%，隔热效果较之前有所提升.

3.2.3 窗户隔热性能的改善

经由外围护结构传入室内的热量中，窗户传导的热量占25%[13]，样本A的窗墙比为0.25，外窗为铝合金中空玻璃窗，可见改善窗户的隔热性能对于降低夏季室内温度的重要性.要阻挡外窗的热量传导，必须减少外窗的传热系数，已有研究证实，窗框和玻璃的传热系数越小，外窗整体的隔热效果越好[14].运用window 5.2软件对不同窗户类型进行模拟，通过模拟计算的不同窗户的传热系数如表5所示.

图8 架空层剖面构造图(单位：mm)Fig.8 The diagram stilt floor section structure(unit:mm)

窗户类型导热系数/W·(m·K)-1铝合金中空玻璃窗3.6塑钢中空玻璃窗2.8塑钢中空Low-e玻璃窗(e=0.07)1.6塑钢中空Low-e玻璃窗(e=0.12)1.8

从表5可以看出，塑钢窗框比铝合金窗框传热系数更小，采取镀膜处理的玻璃的传热系数比无镀膜玻璃的传热系数有明显降低，结合湘南地区气候特点，选用遮阳型的塑钢中空Low-e玻璃，取代原有的铝合金中空玻璃窗，外窗的隔热性能将会有大的提升.

4 结论

多层住宅建筑的热学环境不仅影响建筑运行过程中的能源消耗，而且直接关系到广大城市居民的居住环境质量[15].本文通过对衡阳地区两栋多层居住建筑进行室内热环境实测，对比分析了住宅夏季室内的风速、温湿度变化特点，并在综合研究分析该地区气候条件、室内通风设置、围护结构热工性能的基础上得出如下结论：

(1) 建筑进出风口与夏季主导风向形成的夹角的大小影响室内通风效果，当夹角为30°～ 45 °时，自然通风效果最佳；当夹角为90°时，室内通风不畅.建筑平面及门窗的开口设计要考虑与夏季主导风向形成夹角，便于充分利用主导风向.

(2) 采取平开门窗时，能调节与控制建筑前后进出风口的面积大小，当前后开口面积的比值接近1时，室内空气通风量最大，平开门窗的通风效果优于推拉门窗.

(3) 较之前没有采取隔热处理，对屋顶、外墙、窗户等关键围护结构采取隔热设计，显著增强了围护结构的传热阻及蓄热性，室内热环境有较大改善；建议不使用铝合金中空玻璃窗.

(4)在屋顶设置通风隔热层，有利于提高屋顶的隔热效果，但隔热效果不明显.