吳 迪 張恒鈺 唐 麗 呂紅醫(yī) 付孟澤

(1.鄭州大學(xué)建筑學(xué)院， 鄭州 450001； 2.河南省生態(tài)住區(qū)與創(chuàng)新技術(shù)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450001)

歷史城鎮(zhèn)普遍存在活力衰退、更新改造不及時等嚴(yán)峻問題，大量位于其中的傳統(tǒng)民居仍承擔(dān)著居住功能，但建造年代久遠(yuǎn)、建筑質(zhì)量不佳。對其熱環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行評價，是針對性展開適宜性更新改造的重要前提。

目前熱舒適評價模型主要有預(yù)計(jì)平均熱感覺(PMV)模型、預(yù)計(jì)適應(yīng)性平均熱感覺(APMV)模型、清華大學(xué)修正PMV模型、PMV線性修正模型、ASHRAE55適應(yīng)性模型、國內(nèi)學(xué)者建立的適應(yīng)性模型等多個熱舒適評價模型[1-4]。各類模型在用于評價自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱舒適性時各有優(yōu)缺點(diǎn)，熱環(huán)境評價尚未形成統(tǒng)一的體系。

除了客觀評價模型，居民對熱環(huán)境的主觀感受和適應(yīng)性調(diào)節(jié)也是影響熱舒適的重要因素。Cheng等發(fā)現(xiàn)，穿厚衣服、喝熱水、封堵窗戶縫隙等是四川冬季農(nóng)村居民常用的適應(yīng)性調(diào)節(jié)行為[5]。Zhang等發(fā)現(xiàn)，黑龍江農(nóng)村居民由于穿著厚衣服、熱期望低，并未對較涼的室內(nèi)熱環(huán)境表達(dá)不適[6]。Zhao等對低收入農(nóng)宅中的熱舒適狀況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)通過增加衣物，可以降低采暖時間并保證熱舒適[7]。

本文以豫北滑縣道口古鎮(zhèn)傳統(tǒng)磚木民居為例，對冬季室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬、室內(nèi)物理環(huán)境實(shí)測與居民主觀感受調(diào)研，分析冬季熱環(huán)境現(xiàn)狀；使用典型熱舒適模型進(jìn)行熱環(huán)境評價，并將結(jié)果與居民實(shí)際熱感覺進(jìn)行對比。期望通過研究為寒冷地區(qū)歷史城鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居建筑環(huán)境提升與節(jié)能改造設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)研究資料。

1 研究對象基本信息

1.1 區(qū) 位

道口鎮(zhèn)隸屬于河南省安陽市滑縣(緯度：35.57°，經(jīng)度：114.52°)，位于大運(yùn)河(永濟(jì)渠段)國家文化公園區(qū)域。道口鎮(zhèn)始于宋朝，是我國中東部地區(qū)典型的運(yùn)河城鎮(zhèn)。研究對象為道口鎮(zhèn)順北街某住宅，該住宅位于一處三進(jìn)院落中的廂房位置，共兩層(一層為居住空間，二層空置)，磚木結(jié)構(gòu)風(fēng)貌保留得較為完整(圖1、圖2)。

圖1 順北街鳥瞰及研究對象位置Fig.1 An aerial view of Shunbei Street and the location of the research object

圖2 研究對象鳥瞰Fig.2 An aerial view of the research object

研究對象圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)見表1，根據(jù)構(gòu)造參數(shù)查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)獲得傳熱系數(shù)數(shù)值，對于無對應(yīng)參照的則將構(gòu)造參數(shù)輸入Energyplus計(jì)算得到傳熱系數(shù)值。

表1 研究對象圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)Table 1 Thermal performance parameters of the enclosure structure of the research object

a—外墻； b—屋面； c—地面； d—外窗。圖3 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Enclosure structure

1.2 氣候條件

道口鎮(zhèn)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。根據(jù)我國GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，道口鎮(zhèn)屬于寒冷地區(qū)，建筑以冬季防寒為主，兼顧夏季防熱。道口鎮(zhèn)年平均氣溫13.9 ℃，1月平均氣溫-1.0 ℃，極端最低氣溫-16.4 ℃(1990年1月31日)；7月平均氣溫26.9 ℃，極端最高氣溫40.6 ℃(1986年7月14日)。

1.3 居民居住習(xí)慣

研究對象的使用者是一對年過六旬的夫婦，室內(nèi)主要進(jìn)行生活起居活動，有做飯、看電視、看書、打掃等。其室內(nèi)主要家用電器有電磁爐、冰箱、電視機(jī)、兩個LED燈。自2018年12月安陽開始推進(jìn)清潔取暖工作，道口鎮(zhèn)禁止住宅使用散煤取暖，實(shí)行“以電代煤”。因此住戶目前采用電熱毯和電暖扇(輻射式取暖器)取暖，除此之外無其他取暖設(shè)備。

2 研究方法

2.1 院落風(fēng)環(huán)境模擬

使用Phoenics對合院室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析。根據(jù)安陽市的氣象參數(shù)，將風(fēng)環(huán)境模擬相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2，表中取值來源于GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》。模擬時，區(qū)域下墊面有效粗糙度的不同會對近地面風(fēng)速衰減產(chǎn)生不同程度影響。研究對象周邊2 km范圍均為低、多層建筑，故本次模擬設(shè)置中下墊面有效粗糙度取值0.75。

表2 風(fēng)環(huán)境模擬基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of wind environment simulations

2.2 室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測

根據(jù)ASHRAE55，運(yùn)行溫度與PMV應(yīng)按照0.6 m坐姿高度處的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。因此，室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測時，在距地高度0.6 m處布置溫濕度、黑球溫度和風(fēng)速測點(diǎn)。根據(jù)GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》，所有測點(diǎn)均位于室內(nèi)人員座位處附近(不影響住戶日常起居)。測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 室內(nèi)熱環(huán)境測點(diǎn)位置Fig.4 Locations of measuring points for the indoor thermal environment

測試儀器的型號、范圍及精確度如表3所示。空氣溫度、相對濕度、黑球溫度和風(fēng)速的實(shí)測時間為采暖期2020-11-15—2021-03-15。

表3 測試儀器的型號和參數(shù)Table 3 Models and parameters of test instruments

2.3 主觀熱感覺調(diào)查問卷

主觀熱感覺是熱舒適研究的重要方法之一。在實(shí)測期間，對順北街住戶進(jìn)行隨機(jī)調(diào)查，調(diào)查問卷分為兩大部分，第一部分是人口學(xué)參數(shù)，包括受訪者的年齡、性別、著裝與活動情況。第二部分是主觀熱感覺參數(shù)，包括受訪者對于熱感覺(TSV)、熱接受度(TAC)、熱舒適度(TCV)、熱期望(TPV)。上述指標(biāo)的量表構(gòu)成如表4所示。

表4 主觀熱感覺調(diào)查量Table 4 The survey scale of subjective thermal sensations

134位受訪者的年齡如圖5所示，以30～40歲的中年人和60～70歲的老年人為主。由于老年受訪識讀問卷與量表具有一定的困難，故采用由訪員向老年人念讀問卷題目并進(jìn)行解釋的方式進(jìn)行調(diào)查。訪員均經(jīng)過培訓(xùn)，以保證問卷內(nèi)容傳達(dá)的準(zhǔn)確性。

圖5 受訪者年齡分布Fig.5 Age distribution of respondents

2.4 計(jì)算公式

2.4.1平均輻射溫度

(1)

式中:D為黑球溫度計(jì)直徑，取0.15 m；εg為黑球發(fā)射率；εg=0.95。

2.4.2PMV

根據(jù)Fanger實(shí)驗(yàn)回歸公式進(jìn)行計(jì)算，如式(2)：

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.027 5]TL

(2)

式中:M為人體能量代謝率;TL為人體熱負(fù)荷。

APMV按式(3)計(jì)算：

(3)

式中:λ為自適應(yīng)系數(shù)，對于寒冷地區(qū)居住建筑，λ在PMV<0時取值-0.5，λ在PMV≥0時取值0.24。

2.4.3室外平滑周平均溫度Trm

Trm根據(jù)GB/T 50785—2012第5.4.2條計(jì)算：

Trm=(1-α)(Tod-1+αTod-2+α2Tod-3+α3Tod-4+

α4Tod-5+α5Tod-6+α6Tod-7)

(4)

式中：α為系數(shù)，取0.8；Tod-n為評價日前7 d室外平均溫度。

3 結(jié)果與討論

3.1 院落風(fēng)環(huán)境分析

從1.5 m高度風(fēng)速矢量圖(圖6)可以看出：人行高度風(fēng)速在5 m/s以下，風(fēng)速全部處于0.31～3.12 m/s范圍之內(nèi)。根據(jù)GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》要求，該風(fēng)速范圍不會對人體舒適度產(chǎn)生影響，不用采取過多的防風(fēng)措施。

圖6 1.5 m高度風(fēng)速矢量 m/sFig.6 The vectors of wind speeds at 1.5 m high

從1.5 m水平面風(fēng)壓云圖(圖7)可以看出：除迎風(fēng)第一排建筑外，其余建筑前后風(fēng)壓差低于5 Pa。但是，觀察建筑表面風(fēng)壓分布可知，5.3 m水平面(建筑二層位置)風(fēng)壓差為5.1 Pa(圖8)，6.5 m水平面風(fēng)壓差達(dá)到了6.88 Pa(圖9)，可知冷風(fēng)滲透嚴(yán)重。在進(jìn)行寒冷地區(qū)歷史城鎮(zhèn)傳統(tǒng)磚木民居更新改造時，應(yīng)特別注意加強(qiáng)傳統(tǒng)磚木民居二層處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性。

圖7 1.5 m水平面風(fēng)壓云圖 PaFig.7 The contours of horizontal wind pressure at a height of 1.5 m

圖8 5.3 m水平面風(fēng)壓云圖 PaFig.8 The contours of horizontal wind pressure at a height of 5.3 m

圖9 6.5 m水平面風(fēng)壓云圖 PaFig.9 The contours of horizontal wind pressure at a height of 6.5 m

3.2 室外熱環(huán)境分析

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象網(wǎng)中河南滑縣氣象站(編號53995)，是距離研究對象最近的氣象站。11月15日至3月15日溫度、濕度情況如圖10、圖11所示，室外日平均溫度區(qū)間為-10.8～18.2 ℃；室外日平均濕度為11.8%～97.3%。

圖10 采暖季室外平均溫度Fig.10 Average outdoor temperatures in the heating season

圖11 采暖季室外平均相對濕度Fig.11 Average outdoor relative humidity in the heating season

3.3 室內(nèi)熱環(huán)境分析

根據(jù)11月15日至3月15日的實(shí)測數(shù)據(jù)，將采暖季室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表5所示。室內(nèi)空氣溫度最高18 ℃，最低0.1 ℃，平均值為8.4 ℃，平均輻射溫度描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果與空氣溫度基本一致。相對濕度最高83.6%，最低32.9%，平均值為56.2%。從標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值來看，室內(nèi)相對濕度數(shù)據(jù)的離散程度大于溫度。

表5 室內(nèi)熱環(huán)境的實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of measured data of the indoor thermal environment

3.3.1溫 度

從溫度整體變化(圖12、13)可知：11月15日至1月7日受測住宅室內(nèi)空氣溫度局部波動、整體下降，在1月7日達(dá)到最低；1月7日至3月15日溫度局部波動、整體上升。此趨勢走向與室外溫度一致，可見受測住宅由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺乏保溫隔熱措施，室內(nèi)溫度的變化受室外溫度的影響較大。

圖12 采暖季室內(nèi)空氣溫度Fig.12 Indoor air temperatures in the heating season

從溫度一日變化(圖14)來看(以最冷日1月7日為例)，發(fā)現(xiàn)：0：00—9：00室內(nèi)空氣溫度一直下降，最低低至0 ℃左右；9：00—12：30室內(nèi)空氣溫度迅速回升；下午室內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定在2.5～3 ℃并開始緩慢降低，從22:45開始至次日9：00，室內(nèi)溫度降低迅速。幾個溫度驟升的時間分別是12：00—12：30和17：30—18：30，這是由于住戶使用電磁爐開展炊事活動造成的。在22：45時室內(nèi)空氣溫度也出現(xiàn)了小幅升高，這是住戶入睡前采取了電暖扇取暖造成的?？梢娛覂?nèi)溫度的局部波動受室內(nèi)住戶生活行為影響較大(圖14)。針對這種“部分時間、部分空間”[8]用能模式，增設(shè)內(nèi)保溫既能夠維持歷史風(fēng)貌，又有助于留存室內(nèi)得熱，是適合歷史城鎮(zhèn)傳統(tǒng)磚木民居的改造方式。

圖14 采暖季室內(nèi)一日空氣溫度Fig.14 Indoor air temperatures of the day in the heating season

統(tǒng)計(jì)采暖季室內(nèi)空氣溫度分布可知：6～8 ℃占24.7%，8～10 ℃占23.3%，即有近一半時間(48%)室內(nèi)空氣溫度位于6～10 ℃區(qū)間。室內(nèi)空氣溫度最高是18 ℃，且16～18 ℃僅占3.5%(圖13)。經(jīng)計(jì)算，研究對象室內(nèi)空氣溫度平均值為8.4 ℃，與城市住宅冬季采暖溫度標(biāo)準(zhǔn)18 ℃差距很大。若按照城市標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱環(huán)境提升所需代價較大，需要因地制宜地考慮針對性策略。

圖13 采暖季室內(nèi)空氣溫度分布Fig.13 Distribution of indoor air temperatures in heating season

3.3.2濕 度

在采暖季，受測住宅室內(nèi)相對濕度在32.9%～83.2%區(qū)間內(nèi)波動(圖15、16)?？梢姡合鄬穸仍?0%～60%區(qū)間的共占63.69%，平均相對濕度為56.2%；相對濕度60%以上共占36.32%，30%以下共占2.1%?？梢姴膳臼軠y住宅室內(nèi)環(huán)境并不存在過于干燥的問題，反而存在部分時間濕度偏高的問題。

圖15 采暖季室內(nèi)空氣濕度Fig.15 Indoor air humidity in the heating season

圖16 采暖季室內(nèi)空氣濕度分布Fig.16 Distribution of indoor air humidity in the heating season

3.3.3風(fēng) 速

采暖期內(nèi)室內(nèi)風(fēng)速均為0 m/s，這是由于室內(nèi)風(fēng)速小于風(fēng)速儀記錄的最小風(fēng)速0.1 m/s導(dǎo)致。原因與采暖季住戶很少開窗有關(guān)。此外通過模擬可知，一層室內(nèi)外風(fēng)壓差較小，即使門窗開啟后室內(nèi)風(fēng)速也非常低。

3.4 熱舒適

3.4.1PMV模型

繪制室內(nèi)PMV的頻率直方圖，可知在采暖季，受測住宅PMV計(jì)算值分布在[-3,0]區(qū)間，PMV的平均值為-1.45，眾數(shù)為-1.62，標(biāo)準(zhǔn)差為0.716，個案數(shù)為13.479。評價為微涼或涼(圖17)。

圖17 采暖季PMV分布Fig.17 PMV distribution in the heating season

3.4.2APMV模型

繪制室內(nèi)APMV的頻率直方圖，可知在采暖季，APMV計(jì)算值分布在[-1,0]區(qū)間，APMV的平均值為-0.78，眾數(shù)為-0.9，標(biāo)準(zhǔn)差為0.305，個案數(shù)為13.479。評價為微涼(圖18)。相較于PMV，APMV的評價更為溫暖，評價更接近于居民實(shí)際熱感覺。

圖18 采暖季APMV分布Fig.18 APMV distribution in the heating season

3.4.3熱適應(yīng)模型

繪制室內(nèi)體感溫度散點(diǎn)圖，并將室內(nèi)體感溫度與GB/T 50785—2012中嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)非人工冷熱源熱濕環(huán)境舒適度區(qū)間進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)研究對象室內(nèi)體感溫度只有極少數(shù)位于熱適應(yīng)模型的舒適區(qū)中，大量狀態(tài)點(diǎn)低于舒適區(qū)域，即室內(nèi)體感溫度屬于偏涼環(huán)境(圖19)。

圖19 室內(nèi)體感溫度與熱適應(yīng)模型的舒適區(qū)間Fig.19 Indoor somatosensory temperatures and comfort zones simulated by the thermal adaptation model

3.4.4實(shí)際熱感覺

根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果(圖20～23)，得到以下結(jié)論。

1)熱感覺。大多數(shù)受訪者感到室內(nèi)熱環(huán)境適中(28%)或暖(22%)，僅有4%的受訪者感到冷(圖20)。

圖20 熱感覺投票統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.20 Statistical results of TSV

2)熱舒適度。大多數(shù)受訪者(46%)認(rèn)為熱環(huán)境舒適，認(rèn)為熱環(huán)境有點(diǎn)不舒適的占34%，認(rèn)為熱環(huán)境不舒適和非常不舒適的分別占13%和7%(圖21)。

圖21 熱舒適度投票統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.21 Statistical results of TCV

3)熱接受度。最多的受訪者(42%)認(rèn)為熱環(huán)境可以接受，對熱環(huán)境感到滿意的受訪者占39%，有13%的受訪者認(rèn)為熱環(huán)境難以接受但可以容忍，有7%的受訪者認(rèn)為熱環(huán)境無法忍受(圖22)。

圖22 熱接受度投票統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.22 Statistical results of TAC

4)熱期望。大多數(shù)的受訪者(58%)期望室內(nèi)熱環(huán)境更暖一些，希望室內(nèi)熱環(huán)境維持不變的為39%，還有2%的受訪者期望室內(nèi)熱環(huán)境更涼一些(圖23)。

圖23 熱期望投票統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.23 Statistical results of TPV

分析熱感覺、熱舒適度、熱接受度可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)受訪者表示熱感覺適中、舒適和可接受，這表明當(dāng)?shù)鼐用駥^涼的室內(nèi)環(huán)境有著較好的適應(yīng)性。因?yàn)槌鲇诮?jīng)濟(jì)原因，當(dāng)?shù)亟^大部分建筑外墻并無保溫層，且出于清潔采暖原因，當(dāng)?shù)匾膊辉试S住戶在室內(nèi)燃燒煤球取暖，長此以往，人們已經(jīng)適應(yīng)了這種冬季偏涼的室內(nèi)環(huán)境。實(shí)際熱感覺與客觀熱舒適評價存在較大出入。

但是，從熱期望調(diào)查結(jié)果來看，即使人們感覺熱環(huán)境是舒適或可以接受的，仍然希望熱環(huán)境更加溫暖，可見對于寒冷地區(qū)傳統(tǒng)磚木民居的室內(nèi)熱環(huán)境的改造提升還是必要的。

4 結(jié)束語

本文對豫北道口古鎮(zhèn)某傳統(tǒng)磚木民居的冬季室內(nèi)外環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行模擬、實(shí)測與問卷調(diào)查，并進(jìn)行舒適度評價，研究主要得到如下結(jié)論：

1)居民關(guān)于熱環(huán)境的主觀感受與客觀評價存在較大出入。PMV、APMV與熱適應(yīng)模型均顯示室內(nèi)熱環(huán)境處于不舒適(偏涼、涼)，但是實(shí)際熱感覺卻感到舒適。在PMV、APMV與熱適應(yīng)模型中，APMV的評價結(jié)果與實(shí)際熱感覺更為接近。

2)寒冷地區(qū)歷史城鎮(zhèn)居民對冬季偏涼的室內(nèi)環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，但仍期望更加溫暖的室內(nèi)環(huán)境。應(yīng)在充分考慮當(dāng)?shù)厝巳簾徇m應(yīng)性與熱期望的前提下對室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)提升。

3)寒冷地區(qū)歷史城鎮(zhèn)傳統(tǒng)磚木民居熱環(huán)境現(xiàn)狀與舒適標(biāo)準(zhǔn)偏離較大，室內(nèi)空氣溫度平均值為8.4 ℃，顯著低于城市住宅采暖季室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)因地制宜地考慮針對性策略，按照城市標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱環(huán)境提升所需代價較大。

4)院落人行高度處冬季室外風(fēng)環(huán)境較為舒適，建筑二層存在風(fēng)壓差過大的情況，相較于一層更容易發(fā)生冷風(fēng)滲透。在進(jìn)行寒冷地區(qū)歷史城鎮(zhèn)傳統(tǒng)磚木民居更新改造時，應(yīng)注意加強(qiáng)傳統(tǒng)磚木民居二層處圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性。

5)炊事活動和開啟取暖設(shè)備會導(dǎo)致室內(nèi)溫度出現(xiàn)短時間溫度驟升，“部分時間、部分空間”用能模式明顯，宜通過增設(shè)內(nèi)保溫的方式兼顧性能提升與風(fēng)貌保護(hù)。