重庆夏季自然通风对住宅热舒适的影响分析

石国兵 余晓平 黄雪 吴晓林

重庆科技学院建筑工程学院

随着人们日益增长的美好生活需要，营造健康和舒适的住宅环境已受到居住者和相关研究人员的广泛关注。重庆地区夏季室内高湿情况严重，住宅空调能耗的急剧增长已经威胁到城市能源系统的正常运转，为此急需寻找该地区夏季住宅热环境低能耗运行策略[1-2]。自然通风作为一种被动式的节能措施，不仅可以降低空调能耗，缓解日益严峻的能源环境问题，还能在改善室内热环境的同时，减少对机械设备的依赖，做到与自然和谐相处。目前关于重庆地区夏季自然通风的研究主要是夏季自然通风的节能效果评价，对于自然通风改善室内人体热舒适的实测研究还较少[3-4]。因此，笔者在结合重庆地区夏季自然气候资源的基础上，对该地区夏季自然通风潜力及其对人体热舒适的影响因素进行了实测研究。

1 重庆地区住宅自然通风可利用率分析

依据夏热冬冷地区非人工冷热源热湿环境的评价方法，利用重庆地区典型气象年逐时气象参数[5]，以室外温度低于（含）30 ℃作为重庆地区夏季可以利用自然通风的适应性热舒适温度的指标[6-7]，对重庆地区2013～2017年夏季各月的逐时温度进行统计分析，得到重庆近五年夏季各月自然通风可利用时长，如图1所示。

图1 重庆近五年夏季各月自然通风可利用时长

近五年夏季6、7、8月可利用自然通风的平均小时数为620.8h、400.2h、482.2h，分别占当月总时长的86.22%、53.79%、64.81%。其中以2014年的6月最多，690小时，占当月总时长的95.83%，2017年7月最少，271小时，占当月总时长的36.42%。考虑每一年天气过程不同，当月平均温度和降雨时间对自然通风可利用时长的影响，对该地区近五年夏季天气情况进行统计，得到各月自然通风可利用时长与平均温度和下雨天数的关系，如图2所示。

图2 重庆夏季自然通风可利用时长与平均温度和下雨天数的关系

近五年夏季6、7、8月平均下雨天数为19.4、12.4、17天，分别占当月总天数的64.66%、40.00%、54.84%。从图2可知，当月自然通风可利用时长受到降雨天数和平均温度的影响。当月降雨天数越少，平均温度越高，自然通风可利用时长相应减少。反之，则增多。

结合图2所示，对重庆地区近五年夏季各月的自然通风可利用时长与下雨天数和平均温度进行综合分析，当月下雨天数对自然通风的可利用时长影响比平均温度更大。重庆地区夏季6月多雨，气温较低，7月和8月少雨，气温较高[8]，因此可选择6月自然通风可利用时长占当月总时长的比例和7月、8月下雨天数所占当月总天数的比例作为重庆地区夏季各月自然通风的可利用率。同时，考虑到该地区夏季湿度大、风速小的气候特点，以及考虑湿度、风速对人体热舒适的影响。当其他条件一定，室外温度28 ℃时，相对湿度每升高10%，PMV随之约增加0.1[9]。所以，考虑高湿环境对自然通风的限制，夏季三月自然通风可利用时长乘以0.9的影响因子，则重庆地区夏季6、7、8月的自然通风可利用率分别为77.59%、36.00%、49.35%。相关研究成果同样表明，重庆夏季部分时间可以采用被动空调方式，主要的被动空调方式是自然通风，采用自然通风技术后，热舒适时间比例分别可以达到73.31%，34.88%和30.95%[10]，与本文中自然通风可利用率基本一致。

合理的自然通风可以减少空调运行时间，从而降低住宅空调能耗。而自然通风下影响住宅的热舒适水平的因素较多，笔者通过现场实测对不同天气过程，门窗开关及房间朝向影响进行分析。

2 现场实测方法

根据前面的分析，重庆夏季住宅具有良好的自然通风潜力。为研究重庆地区夏季自然通风对室内热舒适的影响，笔者进行了现场实测。选择该地区典型气象年月平均气温最高和自然通风可利用率最低的7月作为测试时间。测试对象为一户位于重庆市沙坪坝区大学城的普通居民住宅，测试楼层为4楼,三室两厅户型,坐北朝南，套内建筑面积为100 m2。根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》（GB/T 50785-2012）中的测试规范要求，在各测点中心处布置测试探头，选择Y-BOAT多功能室内环境测试无线传输系统为测试工具，对室内外温度、湿度情况进行了测试，每3分钟记录一组数据。实验期间关闭其他房门，维持室内无其他热源和湿源。图3为该住宅的测点平面布置图，表1为测点布置说明。

表1 测点布置说明

图3 平面布置图

为将客观测试结果和主观感受相结合，综合分析自然通风对室内热舒适的影响，笔者分别计算了不同天气过程多个时段的室内各房间PMV和PPD。由于重庆夏季7月已非常炎热，室内人员一般习惯穿T恤，短裤或长裤，凉鞋，人员活动一般为静坐或轻体力劳动，因此室内人员服装的基本热阻Icl取为0.5 clo，0.0775 m2·K/W，人体能量代谢率M取为58.15 W/m2。考虑到实验期间雷雨天气较多，因此风速取为1 m/s，平均辐射温度与空气温度相同[11-12]。

由于PMV和PPD为人工冷热源的热湿环境评价标准，因此笔者根据非人工冷热源的热湿环境评价标准，继续计算了自然通风情况下的预计适应性平均热感觉指标APMV（预计适应性平均热感觉指标）和APPD（预计适应性不满意者的百分数），与PMV和PPD进行对比分析。APMV-APPD计算公式具体如下所示：

式中：λ为自适应系数，当PMV＜0时，取-0.49，当PMV＞0时，取0.21[13-14]。

3 实测结果分析

3.1 不同天气过程影响

目前，关于室外热舒适和热适应的研究还比较少，国内的研究相对比较匮乏，可以查阅和参考的文献资料也比较有限，研究方法大多是借鉴室内热舒适的研究方法[15]。因此，笔者直接以室外气象参数计算不同天气各时段的室外平均热舒适指标，结果具体如表2所示。

由表2可知，夏季连续阴雨天气时室外平均温度约26 ℃左右，比较凉爽，但湿度较高，平均湿度达到85.53%，因此在夏季阴雨天气采用自然通风满足人体热舒适的同时，需要考虑除湿。连续晴天时，夜晚室外平均温度随着晴天的连续，室外空气温度不断增加，连续晴天的第三个夜间已无法采用自然通风来满足人体热舒适。此外，重庆夏季天气转换速度快，高温晴天和雷暴天气交替，下雨前后，即雨天转晴天和晴天转雨天时，高温高湿情况非常严重，雷暴天气时，平均湿度达到93.39%，人们常感觉闷热难耐。然而居民习惯性的打开门窗会导致室外高温高湿空气进入室内，人体闷热感更强。

表2 不同天气各时段的室外平均热舒适指标

3.2 门窗开关影响

门窗开关状态对自然通风工况下的房间热舒适有重要影响。笔者结合不同天气和不同时段的室外温度湿度情况，对房间门窗开关状态对室内热舒适的影响进行分析，计算结果如表3所示。

表3 各房间门窗不同开关状态的平均热舒适指标

由表3可知，当室外平均温度较低时，如连续阴雨天气，或雨天转晴天后的夜间和白天，开窗的热舒适度更高，APPD约比关闭门窗低15%。而连续晴天的下午室外温度较高时，开窗导致热空气入侵，室内温度比关窗时更高，APPD约比关闭门窗时高15%。因此夏季阴雨天气和夜间低温时段，可以开启门窗进行自然通风，而晴天白天，尤其是下午时分，需要关闭门窗，利用机械设备进行制冷。当前重庆地区的居民习惯表明，夏季不超过35 ℃的高温天气时，居民普遍采用风扇不使用空调进行降温[16]。而如何利用风扇，更高效的改善室内热舒适，如对夏季高温气流的扰动和控制，以及不同风速的局部降温效果还需要进一步研究。

3.3 房间朝向影响

针对不同朝向对房间热舒适的影响，笔者选取南向-客厅和北向餐厅的热环境数据进行对比分析。为了方便比较，图5中PMV和APMV的数值转换为百分比。

图4 室内外温度

图5 南北向房间热舒适指标差异

从图4、图5可以看出，北向房间的平均温度比南向房间高出约0.5 ℃，热舒适性也比南向房间更差，APPD约高8%，同样可利用自然通风的时间也更少，APMV小于1的时间占实验期间总时长的比例比南向房间少28%。考虑是由于重庆沙坪坝区的纬度为北纬N29°33’9.08”，夏季此时太阳在北回归线徘徊，北向房间，下午太阳光直射进房与一天中高温时段重叠，加上房间围护结构蓄热等因素的影响，因此北向房间的热舒适性较南向房间更差[17]。因此，可考虑适当减小北向房间围护结构的传热系数，同时提高北向房间的夏季遮阳系数。

4 结论

随着当下空调能耗不断升高，自然通风作为一种被动式的节能技术，应当合理利用。笔者结合重庆地区近五年夏季逐时气象参数，依据民用建筑室内热湿环境评价标准，通过现场实测和数据分析，得到以下的结论：

1）以夏季室外温度低于30 ℃和下雨天数作为热舒适区间的指标，重庆地区夏季6、7、8月的自然通风可利用率分别可以达到77.59%、36.00%、49.35%。

2）门窗开关应结合天气、时段综合考虑，连续阴雨天气和低温夜间可以开启门窗利用自然通风，而连续晴天的夜间需利用机械设备进行降温通风，下雨前后应进行降温除湿。

3）重庆地区夏季晴天自然通风情况下，北向房间的热舒适性低于南向房间。可考虑适当减小北向房间围护结构的传热系数，同时夏季合理遮阳。

综合考虑居民的生活习惯和当前室内热环境的调控手段，笔者认为，合理自然通风有利于降低空调运行能耗。在人工冷热源环境时以PMV-PPD为热舒适指标，在非人工冷热源时以APMV-APPD为热舒适指标，可以从用户热舒适需求出发，开发自然通风和空调设备的复合控制系统，结合实时天气、温湿度变化情况，将门窗状态和空调开关联动控制，优化空调与通风运行时间，充分发挥住宅自然通风的节能潜力。