现代居住建筑的夏季热状况研究--北京市住宅夏季室温调查分析

    Evaluation of thermal performance of existing residential buildings in Beijing
   

   
    0 引言
   
    近年来，由于气候变暖及人们对居住环境热舒适要求的不断提高，住宅产业迅速发展的同时也加速了家用空调的普及。目前，家用空调已成为大多数住户夏季降低室温、改善住宅热状况的一个重要手段。然而，家用空调的普及也引发了环境、能耗等一系列的问题，如加剧了电力供应的紧张，对小区气候环境造成了不利的影响。鉴于此，人们对可持续发展住宅、生态住宅等的呼声越来越高，以充分利用天然冷源，而减少机械系统的能源消耗，并减轻对环境压力。（参考《建筑中文网》）
    通过改进建筑设计来满足热舒适要求，首先应充分了解现代居住建筑的夏季室内热状况特性，并从中发现建筑设计对住宅热状况影响的不利方面，而对现有住宅的室温测试调查是了解分析其室内热状况的基本前提。基于此，1999年夏季，清华大学建筑学院建筑技术科学系对北京市98户未安装空调住宅的144间房间，进行了近一个月的室温及外温连续测试，通过对测试数据的处理与分析，对现代居住建筑的夏季热状况特性有了更深入的了解和认识。
   
    1 测试方法及测试对象
   
    将国产的Rhlog温度自记仪置于测试房间内，每隔30min自动读取并记录一次室温数据，测试精度为0.3℃。测试时间为1999年7月15日至8月9日。
    测试对象全部为未安装家用空调居民住宅内的卧室和客厅，测试房间为144间，分布在北京市的海淀区、西城区、宣武区、丰台区等各个城区。
    测试对象在建筑形式、楼层位置及外墙朝等方面的分布分别为：低层住宅3%，多层住宅73%，高层住宅24%；底层20%，中间层64%，顶层16%；北向18%，东北向5%，东向4%，东南向10%，南向39%，西南向9%，西向5%，西北向3%，无外墙7%。说明测试对象包括了不同楼层、不同朝向及不同建筑形式的各种房间，因此具有一定的代表性和普遍性，符合除传统的四合院以外北京市现有居民住宅的实际分布产况，依此得到的测试数据能够反映现代居住建筑的夏季热状况。
   
    2 室温的分布状况
   
    室温在不同温度段的频率分布可从整体上反映现有住宅的夏季室内热状况。按照式（1），计算出室温测试数据在各个温度段的频率值。
    （1）
    式中Fi为同一测试期各对应温度段的室温测试数据频率值；Ci为同一测试期各对应温度段对内室温测试数据的数量；D为对应测试期的测试天数；N为对应测试期的测试房间总数；48为各测试房间一天的室温测试记录数。
    另一方面，由于夜间（20：00～6：00）是住宅内人居活动最频繁的时间段，此时段的室温高低直接关系到住宅内人体的热舒适。故可从全天和夜间两个时间范围分析室温的分布状况，1999年所有测试房间的全天和夜间室温分布状况分别见图1，图2。

    图1表明：虽然在部分测试时间内外温高达36℃以上，但仍有近50%的测试时间，外温低于28℃。而相对于外温，全天室温的分布则主要集中在28～36℃的范围内，仅在10%的测试时间内，室温低于28℃。因此，室温和外温在满足人体的热舒适性上存在较大的差异。这种差异在夜间的外温和室温分布上更为明显。夜间外温在的70%的时间内低于28%，而夜间的室温分布与全天的室温分布基本一致，同样仅在10%的测试时间内低于28℃。
    以上室温和外温分布的差异反映了现有住宅的夜间自然通风状况十分不理想，不能利用室外较低的温度环境对建筑进行冷却，反而由于建筑物本身的高热惯性使得室温逐渐升高。若能有效地采用夜间通风，则可在很大程度上改变住宅室内热状况。
    全天及夜间的室温分布虽然能反映现有住宅室内环境的总体状况，但它们并不能表示出各个房间室温变化特性的不同。图3表示出在测试期内3个典型房间室温与外温的连续变化曲线。
   
    图3 部分测试房间室温与外温变化图
   
    其中，房间1为底层南向房间且外窗遮阳，测试期内其室温最大值仅为30.5℃；房间2为中间层西向房间，但外窗不遮阳，其室温最大值高达38.6℃；而房间3为顶层南向房间，外窗不遮阳，虽然其室温最大值要小于房间2的，为36.0℃，但测试期内该房间的室温均大于28℃。从图3可看出，房间2室温波动的幅度要远大于房间1和房间3的室温波动，外温对其室温变化的影响十分明显；而房间1和房间3的温度变化曲线则较为平缓，近似呈现为两条平等线，其室温变化基本不受外温波动和太阳辐射的影响。以上这些现象表明，现有住宅夏季室内热状况在很大程度上受到房间楼层位置、朝向、遮阳及通风状况等各个方面的影响。此外要注意的是：即使当外温高达40℃以上时，房间1的室温仍不超过30.5℃，且在超过50%的测试期内，其室温低于28℃。这表明通过改进建筑设计而改善住宅室内热状况还是很有潜力的。
    因此，除了测试房间的室温分布状况外，还需要有能代表各测试房间室内热状况特征参数的分布才能全面反映现有住宅的夏季热状况。采用如下的特征参数作为评价各测试房间室内热状况特性的指标。
    ①室温平均值：是指测试房间所有室温测试数据的平均值；
    ②室温波动幅度：以室温日波幅值表示，取7月24日测试房间室温最大值与最小值的差。
    ③室温日波幅平均值：是指测试期内测试房间室温日波幅值的平均值。
    ④室温延迟时间：取7月24日测试房间室温最大值出现时间与外温最大值出现时间的差。
   

   
    图4 测试房间室温平均值的分布

   
    图5 不同楼层房间室温平均值的分布

   
    图7 室温延迟时间的分布

   
    图8 室温日波幅值的分布