石國(guó)兵 余曉平 黃雪 吳曉林

重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院

隨著人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的美好生活需要，營(yíng)造健康和舒適的住宅環(huán)境已受到居住者和相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注。重慶地區(qū)夏季室內(nèi)高濕情況嚴(yán)重，住宅空調(diào)能耗的急劇增長(zhǎng)已經(jīng)威脅到城市能源系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為此急需尋找該地區(qū)夏季住宅熱環(huán)境低能耗運(yùn)行策略[1-2]。自然通風(fēng)作為一種被動(dòng)式的節(jié)能措施，不僅可以降低空調(diào)能耗，緩解日益嚴(yán)峻的能源環(huán)境問(wèn)題，還能在改善室內(nèi)熱環(huán)境的同時(shí)，減少對(duì)機(jī)械設(shè)備的依賴(lài)，做到與自然和諧相處。目前關(guān)于重慶地區(qū)夏季自然通風(fēng)的研究主要是夏季自然通風(fēng)的節(jié)能效果評(píng)價(jià)，對(duì)于自然通風(fēng)改善室內(nèi)人體熱舒適的實(shí)測(cè)研究還較少[3-4]。因此，筆者在結(jié)合重慶地區(qū)夏季自然氣候資源的基礎(chǔ)上，對(duì)該地區(qū)夏季自然通風(fēng)潛力及其對(duì)人體熱舒適的影響因素進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究。

1 重慶地區(qū)住宅自然通風(fēng)可利用率分析

依據(jù)夏熱冬冷地區(qū)非人工冷熱源熱濕環(huán)境的評(píng)價(jià)方法，利用重慶地區(qū)典型氣象年逐時(shí)氣象參數(shù)[5]，以室外溫度低于（含）30 ℃作為重慶地區(qū)夏季可以利用自然通風(fēng)的適應(yīng)性熱舒適溫度的指標(biāo)[6-7]，對(duì)重慶地區(qū)2013～2017年夏季各月的逐時(shí)溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到重慶近五年夏季各月自然通風(fēng)可利用時(shí)長(zhǎng)，如圖1所示。

圖1 重慶近五年夏季各月自然通風(fēng)可利用時(shí)長(zhǎng)

近五年夏季6、7、8月可利用自然通風(fēng)的平均小時(shí)數(shù)為620.8h、400.2h、482.2h，分別占當(dāng)月總時(shí)長(zhǎng)的86.22%、53.79%、64.81%。其中以2014年的6月最多，690小時(shí)，占當(dāng)月總時(shí)長(zhǎng)的95.83%，2017年7月最少，271小時(shí)，占當(dāng)月總時(shí)長(zhǎng)的36.42%?？紤]每一年天氣過(guò)程不同，當(dāng)月平均溫度和降雨時(shí)間對(duì)自然通風(fēng)可利用時(shí)長(zhǎng)的影響，對(duì)該地區(qū)近五年夏季天氣情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各月自然通風(fēng)可利用時(shí)長(zhǎng)與平均溫度和下雨天數(shù)的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 重慶夏季自然通風(fēng)可利用時(shí)長(zhǎng)與平均溫度和下雨天數(shù)的關(guān)系

近五年夏季6、7、8月平均下雨天數(shù)為19.4、12.4、17天，分別占當(dāng)月總天數(shù)的64.66%、40.00%、54.84%。從圖2可知，當(dāng)月自然通風(fēng)可利用時(shí)長(zhǎng)受到降雨天數(shù)和平均溫度的影響。當(dāng)月降雨天數(shù)越少，平均溫度越高，自然通風(fēng)可利用時(shí)長(zhǎng)相應(yīng)減少。反之，則增多。

結(jié)合圖2所示，對(duì)重慶地區(qū)近五年夏季各月的自然通風(fēng)可利用時(shí)長(zhǎng)與下雨天數(shù)和平均溫度進(jìn)行綜合分析，當(dāng)月下雨天數(shù)對(duì)自然通風(fēng)的可利用時(shí)長(zhǎng)影響比平均溫度更大。重慶地區(qū)夏季6月多雨，氣溫較低，7月和8月少雨，氣溫較高[8]，因此可選擇6月自然通風(fēng)可利用時(shí)長(zhǎng)占當(dāng)月總時(shí)長(zhǎng)的比例和7月、8月下雨天數(shù)所占當(dāng)月總天數(shù)的比例作為重慶地區(qū)夏季各月自然通風(fēng)的可利用率。同時(shí)，考慮到該地區(qū)夏季濕度大、風(fēng)速小的氣候特點(diǎn)，以及考慮濕度、風(fēng)速對(duì)人體熱舒適的影響。當(dāng)其他條件一定，室外溫度28 ℃時(shí)，相對(duì)濕度每升高10%，PMV隨之約增加0.1[9]。所以，考慮高濕環(huán)境對(duì)自然通風(fēng)的限制，夏季三月自然通風(fēng)可利用時(shí)長(zhǎng)乘以0.9的影響因子，則重慶地區(qū)夏季6、7、8月的自然通風(fēng)可利用率分別為77.59%、36.00%、49.35%。相關(guān)研究成果同樣表明，重慶夏季部分時(shí)間可以采用被動(dòng)空調(diào)方式，主要的被動(dòng)空調(diào)方式是自然通風(fēng)，采用自然通風(fēng)技術(shù)后，熱舒適時(shí)間比例分別可以達(dá)到73.31%，34.88%和30.95%[10]，與本文中自然通風(fēng)可利用率基本一致。

合理的自然通風(fēng)可以減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)間，從而降低住宅空調(diào)能耗。而自然通風(fēng)下影響住宅的熱舒適水平的因素較多，筆者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)不同天氣過(guò)程，門(mén)窗開(kāi)關(guān)及房間朝向影響進(jìn)行分析。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法

根據(jù)前面的分析，重慶夏季住宅具有良好的自然通風(fēng)潛力。為研究重慶地區(qū)夏季自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)熱舒適的影響，筆者進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。選擇該地區(qū)典型氣象年月平均氣溫最高和自然通風(fēng)可利用率最低的7月作為測(cè)試時(shí)間。測(cè)試對(duì)象為一戶位于重慶市沙坪壩區(qū)大學(xué)城的普通居民住宅，測(cè)試樓層為4樓,三室兩廳戶型,坐北朝南，套內(nèi)建筑面積為100 m2。根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50785-2012）中的測(cè)試規(guī)范要求，在各測(cè)點(diǎn)中心處布置測(cè)試探頭，選擇Y-BOAT多功能室內(nèi)環(huán)境測(cè)試無(wú)線傳輸系統(tǒng)為測(cè)試工具，對(duì)室內(nèi)外溫度、濕度情況進(jìn)行了測(cè)試，每3分鐘記錄一組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)期間關(guān)閉其他房門(mén)，維持室內(nèi)無(wú)其他熱源和濕源。圖3為該住宅的測(cè)點(diǎn)平面布置圖，表1為測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明。

表1 測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明

圖3 平面布置圖

為將客觀測(cè)試結(jié)果和主觀感受相結(jié)合，綜合分析自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)熱舒適的影響，筆者分別計(jì)算了不同天氣過(guò)程多個(gè)時(shí)段的室內(nèi)各房間PMV和PPD。由于重慶夏季7月已非常炎熱，室內(nèi)人員一般習(xí)慣穿T恤，短褲或長(zhǎng)褲，涼鞋，人員活動(dòng)一般為靜坐或輕體力勞動(dòng)，因此室內(nèi)人員服裝的基本熱阻Icl取為0.5 clo，0.0775 m2·K/W，人體能量代謝率M取為58.15 W/m2?？紤]到實(shí)驗(yàn)期間雷雨天氣較多，因此風(fēng)速取為1 m/s，平均輻射溫度與空氣溫度相同[11-12]。

由于PMV和PPD為人工冷熱源的熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此筆者根據(jù)非人工冷熱源的熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)計(jì)算了自然通風(fēng)情況下的預(yù)計(jì)適應(yīng)性平均熱感覺(jué)指標(biāo)APMV（預(yù)計(jì)適應(yīng)性平均熱感覺(jué)指標(biāo)）和APPD（預(yù)計(jì)適應(yīng)性不滿意者的百分?jǐn)?shù)），與PMV和PPD進(jìn)行對(duì)比分析。APMV-APPD計(jì)算公式具體如下所示：

式中：λ為自適應(yīng)系數(shù)，當(dāng)PMV＜0時(shí)，取-0.49，當(dāng)PMV＞0時(shí)，取0.21[13-14]。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.1 不同天氣過(guò)程影響

目前，關(guān)于室外熱舒適和熱適應(yīng)的研究還比較少，國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)比較匱乏，可以查閱和參考的文獻(xiàn)資料也比較有限，研究方法大多是借鑒室內(nèi)熱舒適的研究方法[15]。因此，筆者直接以室外氣象參數(shù)計(jì)算不同天氣各時(shí)段的室外平均熱舒適指標(biāo)，結(jié)果具體如表2所示。

由表2可知，夏季連續(xù)陰雨天氣時(shí)室外平均溫度約26 ℃左右，比較涼爽，但濕度較高，平均濕度達(dá)到85.53%，因此在夏季陰雨天氣采用自然通風(fēng)滿足人體熱舒適的同時(shí)，需要考慮除濕。連續(xù)晴天時(shí)，夜晚室外平均溫度隨著晴天的連續(xù)，室外空氣溫度不斷增加，連續(xù)晴天的第三個(gè)夜間已無(wú)法采用自然通風(fēng)來(lái)滿足人體熱舒適。此外，重慶夏季天氣轉(zhuǎn)換速度快，高溫晴天和雷暴天氣交替，下雨前后，即雨天轉(zhuǎn)晴天和晴天轉(zhuǎn)雨天時(shí)，高溫高濕情況非常嚴(yán)重，雷暴天氣時(shí)，平均濕度達(dá)到93.39%，人們常感覺(jué)悶熱難耐。然而居民習(xí)慣性的打開(kāi)門(mén)窗會(huì)導(dǎo)致室外高溫高濕空氣進(jìn)入室內(nèi)，人體悶熱感更強(qiáng)。

表2 不同天氣各時(shí)段的室外平均熱舒適指標(biāo)

3.2 門(mén)窗開(kāi)關(guān)影響

門(mén)窗開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)自然通風(fēng)工況下的房間熱舒適有重要影響。筆者結(jié)合不同天氣和不同時(shí)段的室外溫度濕度情況，對(duì)房間門(mén)窗開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)室內(nèi)熱舒適的影響進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 各房間門(mén)窗不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)的平均熱舒適指標(biāo)

由表3可知，當(dāng)室外平均溫度較低時(shí)，如連續(xù)陰雨天氣，或雨天轉(zhuǎn)晴天后的夜間和白天，開(kāi)窗的熱舒適度更高，APPD約比關(guān)閉門(mén)窗低15%。而連續(xù)晴天的下午室外溫度較高時(shí)，開(kāi)窗導(dǎo)致熱空氣入侵，室內(nèi)溫度比關(guān)窗時(shí)更高，APPD約比關(guān)閉門(mén)窗時(shí)高15%。因此夏季陰雨天氣和夜間低溫時(shí)段，可以開(kāi)啟門(mén)窗進(jìn)行自然通風(fēng)，而晴天白天，尤其是下午時(shí)分，需要關(guān)閉門(mén)窗，利用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行制冷。當(dāng)前重慶地區(qū)的居民習(xí)慣表明，夏季不超過(guò)35 ℃的高溫天氣時(shí)，居民普遍采用風(fēng)扇不使用空調(diào)進(jìn)行降溫[16]。而如何利用風(fēng)扇，更高效的改善室內(nèi)熱舒適，如對(duì)夏季高溫氣流的擾動(dòng)和控制，以及不同風(fēng)速的局部降溫效果還需要進(jìn)一步研究。

3.3 房間朝向影響

針對(duì)不同朝向?qū)Ψ块g熱舒適的影響，筆者選取南向-客廳和北向餐廳的熱環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。為了方便比較，圖5中PMV和APMV的數(shù)值轉(zhuǎn)換為百分比。

圖4 室內(nèi)外溫度

圖5 南北向房間熱舒適指標(biāo)差異

從圖4、圖5可以看出，北向房間的平均溫度比南向房間高出約0.5 ℃，熱舒適性也比南向房間更差，APPD約高8%，同樣可利用自然通風(fēng)的時(shí)間也更少，APMV小于1的時(shí)間占實(shí)驗(yàn)期間總時(shí)長(zhǎng)的比例比南向房間少28%?？紤]是由于重慶沙坪壩區(qū)的緯度為北緯N29°33’9.08”，夏季此時(shí)太陽(yáng)在北回歸線徘徊，北向房間，下午太陽(yáng)光直射進(jìn)房與一天中高溫時(shí)段重疊，加上房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱等因素的影響，因此北向房間的熱舒適性較南向房間更差[17]。因此，可考慮適當(dāng)減小北向房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，同時(shí)提高北向房間的夏季遮陽(yáng)系數(shù)。

4 結(jié)論

隨著當(dāng)下空調(diào)能耗不斷升高，自然通風(fēng)作為一種被動(dòng)式的節(jié)能技術(shù)，應(yīng)當(dāng)合理利用。筆者結(jié)合重慶地區(qū)近五年夏季逐時(shí)氣象參數(shù)，依據(jù)民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，得到以下的結(jié)論：

1）以夏季室外溫度低于30 ℃和下雨天數(shù)作為熱舒適區(qū)間的指標(biāo)，重慶地區(qū)夏季6、7、8月的自然通風(fēng)可利用率分別可以達(dá)到77.59%、36.00%、49.35%。

2）門(mén)窗開(kāi)關(guān)應(yīng)結(jié)合天氣、時(shí)段綜合考慮，連續(xù)陰雨天氣和低溫夜間可以開(kāi)啟門(mén)窗利用自然通風(fēng)，而連續(xù)晴天的夜間需利用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行降溫通風(fēng)，下雨前后應(yīng)進(jìn)行降溫除濕。

3）重慶地區(qū)夏季晴天自然通風(fēng)情況下，北向房間的熱舒適性低于南向房間。可考慮適當(dāng)減小北向房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，同時(shí)夏季合理遮陽(yáng)。

綜合考慮居民的生活習(xí)慣和當(dāng)前室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)控手段，筆者認(rèn)為，合理自然通風(fēng)有利于降低空調(diào)運(yùn)行能耗。在人工冷熱源環(huán)境時(shí)以PMV-PPD為熱舒適指標(biāo)，在非人工冷熱源時(shí)以APMV-APPD為熱舒適指標(biāo)，可以從用戶熱舒適需求出發(fā)，開(kāi)發(fā)自然通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備的復(fù)合控制系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)時(shí)天氣、溫濕度變化情況，將門(mén)窗狀態(tài)和空調(diào)開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)控制，優(yōu)化空調(diào)與通風(fēng)運(yùn)行時(shí)間，充分發(fā)揮住宅自然通風(fēng)的節(jié)能潛力。