唐山市供暖期前后室内热环境研究分析

刘宇佳

【摘要】本文以唐山地区为例，使用Weathertool软件模拟分析唐山市供暖期前后气候特点。选取典型既有居住建筑为测试对象进行热环境测试。对供暖期前后的室内四种热环境物理参数进行现场实测，总结该时间内唐山市居住建筑的热环境特点与不足，计算室内PMV值，提出对建筑围护结构的改善建议，为建筑优化设计提供研究基础。

【关键词】寒冷地区;供暖期前后;室内热环境;热舒适;现场测试

1、研究背景

居住建筑作为人类重要的生活场所，在人们生活中扮演着重要的角色。调查研究表明，我国住宅建筑存在供暖期前后室内热舒适较差的问题，居民普遍反映室内寒冷，相对湿度普遍偏高，容易引起身体不适等问题。人们需要进行人工干预性取暖，即人为增加空调、电暖气等设备。同时这种人为干预造成了能源浪费、环境破坏和热岛效应严重等一系列不良影响。室内热环境较差，与建筑自身围护结构的热工性能较差有较大关系，可见居住建筑在室内热环境设计时仍有不足之处与误区。从以人为本的建筑设计角度出发，研究供暖期前后居住建筑的室内热环境现状，对建筑围护结构进行优化设计，符合我国建筑节能的发展需要。

2、唐山市供暖期前后气候分析

使用Ecotect软件中子软件Weathertool和CTYW（ChineseTypicalYearWeather）数据分析总结唐山市供暖期前后期间的气候特点。对唐山地区供暖期前后的气象参数：太阳辐射、干球温度、相对湿度、风环境进行总结。唐山市集中供暖时间通常为当年11月15日至次年3月15日。研究时间界定区间为：供暖期后期3月15日至4月15日，供暖期前期10月15日至11月15日。

2.1太阳辐射

通过图1所示，可以知道唐山地区的供暖期前后平均太阳辐射值约为3000kwh/㎡，唐山地区太阳辐射量较高，可利用太阳辐射的相关设计策略提高室内热环境水平。

2.2干球温度

由逐时干球温度分析图可知，供暖期后期（图2）室外最低温度为-4.6℃，最高温度为25.6℃，平均温度为9.5℃;供暖期前期（图3），最低温度为-3.3℃，最高温度为27.8℃，平均温度为8℃。图中绿色粗线段是软件计算出该温度环境下，室内热舒适温度。供暖期后期的热舒适温度范围为17.5℃至23.5℃;供暖期前的热舒适温度范围为16.5℃至24℃。则由Weathertool软件模拟的唐山市采暖期前后的热舒适温度范围为16.5℃-24℃。

2.3相对湿度

人体在处于舒适空气温度的条件下，相对湿度的舒适范围为30%-60%，供暖期后期（图4）的平均相对湿度约为50%，供暖期前期（图5）的平均相对湿度约为62%。

2.4风环境分析

如图为唐山地区春季（图6）、秋季（图7）风向频率图。圆环的坐标代表风的方向，纵向坐标表示风速，颜色深、浅对应风的频率低、高。通过此气象数据，唐山地区春季主要风向为西南向，最大风速超过50km/h，其余各向风速较均匀，30-40km/h。唐山地区秋季主要风向为东南向，最大风速超过50km/h，其余各向风速较均匀，25-35km/h。唐山全年风向盛行东北，东南，西南风。

3、唐山地区供暖期前后热环境测试

论文通过现场测试分析住宅中各因素对于使用者在热舒适方面的影响。选取典型的、有实际研究意义的住宅户型进行实地测量。测量的内容包括居住建筑的空间形式与尺度，空气温度、空气湿度、平均辐射温度及空气流速温等物理量的数值及变化规律。分析人的活动特点、作息规律等各种可能影响室内内热舒适的因素。

3.1测试对象

测试对象选取唐山市路北区山西南里小区2号楼，由四单元组成，一梯三户，共五层，建筑高度：14.9m，占地面积：679.5㎡，建筑面积：3397.5㎡，结构类型：砖混结构。建筑详情：该建筑建于1986年，于2019年完成二次改造。改造后建筑圍护结构做法见表1，楼梯间窗材质为白色推拉塑钢5mm厚单玻窗。测试房间位置位于第三单元四层东户（图8）。

3.2 测试内容及方法

3.2.1测点布置

根据老旧小区的户型特征，选取南向卧室，北向卧室，北向客餐厅三个房间进行测试，均无辅助供暖与加湿设备。测点A、B、C、D，用于室内空气温度测试，相对湿度测试及空气流速测试，测点E用于室外空气温度测试和相对湿度测试（图9）。测点高度定为距地600mm处位置，且保证所有测点距离建筑墙体500mm以上。

3.2.2测试时间

测试时间按照唐山市供热供暖期进行安排。唐山市2019年春季停暖日期为3月18日，2019年冬季供暖时间为11月7日。热环境第一阶段测试时间选取为2019年3月19日至4月10日，共23日。第二阶段测试时间为2019年10月30日至11月6日，共8日。

3.2.3测试仪器

本次测试采用台湾TES-1362自记录温湿度测试仪、台湾TES-1341热敏式风速计、建通R09辐射热计。测试周期以一天24小时计。

3.2.4供暖期前后期测试结果及分析

室外天气情况：1）供暖期后期期间天气情况多为晴天，共计12日，阴天10日，降雨2日。供暖期后期室外平均空气温度约为9.91℃，最高空气温度为28℃;室外最低空气为-2℃，日较差为12.55℃。室外日平均相对湿度约为34.33%。供暖期后期室外空气温度、相对湿度变化趋势由图10、图11可见。2）供暖期前期期间天气情况为晴天5日，阴天3日，无降水。供暖期前期室外平均温度约为11.04℃，室外最高空气温度为23℃;室外最低温度出为1℃。日较差约为13.75℃。室外日平均相对湿度为33.91%。供暖期前期室外空气温度、相对湿度变化趋势由图12、图13可见。

室内空气温度：供暖期后期测试时间内，室内平均空气温度约为19.2℃。室内最高空气温度为24.3℃最低空气温度为16.2℃。供暖期前期室内平均空气温度约为18.16℃。室内最高空气温度为21.3℃，最低空气温度为16.3℃。供暖期前后各房间空气温度变化趋势见图14、图15。

室内空气温度分析：1）寒冷地区舒适性空气调节室内计算温度为18～24℃。从结果中可见，在供暖期前后期该户室内平均空气温度为在规范要求内。供暖期前后期测试中有1/2的时间，室内空气温度低于18℃。2）室外空气温度对室内的影响较小，建筑内部热稳定性较优，建筑外墙的蓄热性较优。室外空气温度日温差约为13℃，室内空气温度差仅在1.24℃上下浮动。空气温度日波动幅度情况为室外>南卧室>客餐厅>北卧室。南卧室温度波动较大主要受太阳辐射影响，室内温度随太阳辐射强度变化，日间空气温度达到最大值，夜间则通过辐射向室外释放大量热量，体现围护结构保温性能较差。北卧室温度波动最小，主要因为卧室无通风，人员生活行为影响较小，围护结构热惰性较大。客餐厅的空气温度受盥洗和炊事等人为影响较大。3）南向房间空气温度总体高于北向房间，南北朝向房间平均温差约为1.87℃，南卧室>北卧室>客餐厅。

相对湿度：供暖期后期室内相对湿度整体范围处于19.3%～77.5%之间，平均值约为48.65%。供暖期前期室内相对湿度整体范围处于49.4%～74%之间，平均值约为62%。供暖期前后各房间相对湿度变化趋势见图16、图17。

室内相对湿度分析：供暖期前后住宅建筑在无自然通风状态下，室内相对湿度受室外相对湿度影响较小。1）寒冷地区舒适性湿度应符合30%～60%。在供暖期后期该户室内平均相对湿度为在规范要求内，供暖期前期相对湿度不满足规范要求。2）南向房间的平均相對湿度较低，存在洗衣晾晒行为影响但房间仍较为干燥。南卧室室内相对湿度主要受空气温度影响，变化随室内空气温度变化呈负相关状态。同理可见，北卧室无加湿措施以及活动影响相对湿度的行为，空气温度较低，室内相对湿度较高，北卧室的体感较为阴冷，与南向房间日间温和干燥的情况存在明显差异。客餐厅相对湿度由于住户日常盥洗、炊事等生活习惯影响，变化较大无规律。4）供暖期前期建筑整体情况较稳定，室内湿度较大。供暖期前期与供暖期后期相对湿度存在明显差异性的原因，是由于供暖期室内空气温度较高使室内相对湿度较低。供暖期前期室内空气温度较稳定，南北向房间的相对湿度较平均。

空气流速分析：供暖期后期室内三个测试房间总体呈无风状态，南卧室平均空气流速为0.05m/s，北卧室平均空气流速为0.07m/s，客餐厅平均空气流速为0.08m/s。供暖期前期南卧室平均空气流速为0.03m/s，北卧室平均空气流速为0.04m/s，客餐厅平均空气流速为0.06m/s。测试房间无开窗行为，气密性较好，室内风速不大于《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）中空气流速v≤0.2m/s的要求。

4、唐山市供暖期前后室内热舒适评价

分析评价供暖期前后室内热舒适计算，以Fanger教授建立的热舒适模型为基础，用PMV（PredietedMeanVote）作为热舒适的评价。热感觉根据ASHRAE的7级指标表示，即-3（冷），-2（凉），-1（稍凉），0（适中），1（稍暖），2（暖），3（热）。本次测试中，住户在房间主要行为是静坐休息，按冬季着装处理，根据热舒适模型，PMV计算需设定参数有：人体的新陈代谢率M为58.15W/㎡，机械效率η为0，所穿衣服的热阻值Icl为1.0clo，人体室内活动量代谢率为1met，空气流速v为0.05m/s。

供暖期后期室内平均PMV值约为-1.10（图18），供暖期前期室内平均PMV值约为-1.29（图19），供暖期后期室内热舒适度较优于供暖后前期室内舒适度。供暖期后期三个测试房间的PMV值差距不大，三个房间的热舒适情况相当，原因在于供暖期各房间温度较平均。供暖期前期，南卧室的舒适度远优于北卧室和客餐厅，且供暖期前期南卧室的舒适度最好，可见在无供暖设备等干扰因素时，建筑本身南北向房间有明显舒适度差异。供暖期前期后期，室内实测的热环境都是稍冷、冷的，均不满足的PMV热舒适在-0.5～+0.5的标准范围。

5、结论与建议

室外空气温度对室内的影响较小，建筑内部热稳定性较优，建筑外墙的蓄热性较优。南向房间空气温度总体高于北向房间，南卧室温度波动较大主要受太阳辐射影响，可利用太阳辐射进行相对应的建筑优化设计。测试期间无开窗通风行为，室内相对湿度受室外相对湿度影响较小，该围护结构下建筑整体气密性较好。建议供暖期前后室内可进行简单通风，避免换气量较少、空气不流通、室内相对湿度较高影响房间舒适质量。供暖期前期后期室内实测的热环境都是稍冷、冷的，均不满足的PMV热舒适标准。该住宅建筑围护结构做法不满足建筑保温性能要求，需在此基础上加强围护结构保温措施，提升外围护结构的热工性能，避免冷辐射造成室内温度较低较的现象。在二次装修时，不建议住户将阳台原有门窗拆除，建议在室内加装保温窗帘，日间开启夜间闭合，防止夜间热量散失。

参考文献：

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