南京古建筑室内热物理环境评估研究

■ 张军学 Zhang Junxue 王 昭 Wang Zhao 邓开怀 Deng Kaihuai

1 研究背景

南京有众多的民国建筑群，目前这些极具民族特色的建筑群大都已经成为了保护文物，也有部分建筑仍在使用，但近一个世纪的时间，使得这类古建筑室内热环境普遍不佳。由于设计之初技术手段有限，民国建筑群没有保温隔热措施，更加剧了这一现象。

本文选取1923年建成的南京师范大学文学院楼为研究对象（图1），通过室内外各项气象数据采集[1]，分析建筑的整体热环境，通过热舒适软件定量计算室内的热舒适度[2-4]，达到评估建筑热物理环境的目的。

2 测试方法

2.1 室外方式

室外气象是研究的基本外围环境，通过室外气象观测站进行数据采集。气象站是全自动新一代设备，可以实时采集室外空气温度、湿度、风速、露点温度、雨量、风向等数据参数，同时可以通过网络进行数据下载，分析天气状况[5]（图2）。

2.2 室内数据采集

该建筑为两层民族风格的建筑，室内热物理参数的采集通过人工定点测试获得。测点选择5处部位，分别是一层门厅、一层廊左、一层廊右、二层廊中和二层廊道处的部分测点（图3）。

图1 南师大文学院

图4 为室内测试采用的部分设备，包括温湿度仪器、风速仪器和表面温度测试仪等设备。

3 室外气象数据分析

3.1 温湿度

通过室外气象数据的采集，得到图5的空气温度和湿度的变化趋势。图中可以看到温度随着时间推移呈明显增大的趋势，同时空气湿度迅速下降。在14:00，温度增长趋向平稳，同时，湿度也达到基本温度状态。最高温度为36.3℃，最低湿度为51%。分析原因是因为太阳升起，造成室外空气温度急升和湿度骤降，这是炎热夏季的明显特点。

3.2 风速

与室外空气温度和湿度不同的是，室外风速变化趋势不固定，没有明显的规律。最高温度为17:00的3m/s，最低温度为13:00的1m/s。平均室外风速在1m/s以上（图6）。

4 室内数据采集与研究

4.1 温湿度

通过室内的温湿度仪器测试的温度和湿度变化趋势见图7和图8。室内温度变化趋势不一致，出现两类温度变化，一类是一楼门厅处和二层廊道处，由于这两处受室外条件的直接影响，造成其室内和室外温度的变化趋势较一致，并且温度值较高，最高温度为33℃。其它，如一楼廊左、廊右和二层廊中间部位，都是先下降再随着室外温度变化趋势变化，说明这3处开始时刻受到外界的干扰较大。同时，这3处的最高温度也较低，只有31℃。

图2 室外气象观测站（南京）

图3 室内布局及测点布置

图4 室内测试设备

图5 室外温度和湿度变化趋势图

室内湿度变化规律5处测点基本一致，都是随着时间推移湿度先降低，随后再上升。5处测点都出湿度波谷。最低湿度分别为：一层廊右的72.5%、二层廊中的66%、一层门厅的64%、一层廊左的60%和二层廊道处的56%。

4.2 表面温度

室内各处的表面温度是一种重要的热物理评价指标，通过对一层门厅、一层廊左、一层廊右、二层廊中和二层廊处共5处测点分别进行表面温度测试，共屋顶、地面、西面、东面、南面和北面6个测试方向。

一楼门厅的表面温度见图9。图中可以清楚地看到屋顶的表面温度最高，因其直接受太阳的暴晒；其它依次是西面、东面、南面、北面和地面。地面是最少收太阳影响的部位，其室内表面温度最低。

一楼廊道左侧和右侧的表面温度见图10和图11。廊道左侧的最高温度是屋顶的表面温度，为29.5℃，最小的表面温度处为地面温度，为26.7℃。一楼廊道右侧表面温度为南面最高，之后是北面、屋顶、西面、东面和地面。

图6 室外风速变化趋势图

图7 室内温度变化曲线图

图8 室内湿度变化曲线图

图9 一楼门厅表面温度示意图

图10 一楼廊左表面温度示意图

图11 一楼廊右表面温度示意图

图12 二楼廊道中间部位表面温度示意图

二楼廊道中间和其它部位的表面温度见图12和图13。二楼廊道中间部位的表面温度分布明确，最高为西面，其它依次是屋顶、南面、北面、东面和地面。二楼其它部位的表面温度差别不大，基本处于一个水平状态，表面温度在30～31.5℃。

4.3 风速

图14和图15为室内的东西向和南北向的风速变化。图14中，东西向风速最明显的是二层廊道处的风速，明显比其它部位高，最高风速为0.2m/s，其它4处测点部位风速都处于0.1m/s以下。南北风速相较于东西风速偏大，图15中的块图清晰说明了这一点。

图13 二楼其它部位表面温度示意图

图14 5个测点东西方向风速示意图

图15 5个测点南北方向风速示意图

4.4 舒适度定量研究

在室内外的气象数据基础上，通过PMV和PPD软件计算一层和二层定量舒适度值。

一层舒适度参数设置为空气温度31℃，表面温度28℃，风速取值0.1m/s，相对湿度取值65%。计算结果为PMV=1.95，PPD=74.4%。计算结果说明一层室内热环境不佳，即使在有制冷设备的情况下，室内整体仍处于偏热状态。

二层舒适度参数设置为空气温度32℃，表面温度30.5℃，风速取值0.1m/s，相对湿度取值70%。计算结果为PMV=2.41，PPD=91.4%。计算结果说明二层室内热环境不舒适，即使在有制冷设备的情况下，室内整体仍处于热状态，不适宜在二楼办公。

5 结语

综合结果表明，由于设计时技术条件有效，民国建筑群普遍没有进行保温隔热处理，室内热环境急需改善，即使室内安置建筑设备，整体热舒适度依然不佳，需要进一步优化改进。研究结果指出，二楼的热环境比一楼更差，普遍不适合在二楼上课或者办公。

[1]王剑,王昭俊,郭晓男.基于神经网络的哈尔滨高校教室热环境特征模型研究[J].建筑科学,2009, 25(8):89-93.

[2]吕芳,涂光备,李景广.天津地区夏季人体热舒适的测试与分析[C],中国建筑学会,中国制冷学会.全国暖通空调2000 年学术年会论文集, 2000:636-639.

[3]郑有飞,尹继福,吴荣军,等.热气候指数在人体舒适度预报中的适用性[J].应用气象学报,2010(6):709-715.

[4]Niu J, Liu J, Lee T C, et al. A new method to assess spatial variations of outdoor thermal comfort: Onsite monitoring results and implications for precinct planning [J]. Building＆Environment,2015,91: 263-270.

[5]Wang Z, Ning H, Ji Y, et al. Human thermal physiological and psychological responses under different heating environments[J].Journal of Thermal Biology, 2015, 52:177-186.