装配式民居冬季室内热环境测试研究

■ 朱晓琳 ZHU Xiaolin 胡冗冗 HU Rongrong 刘加平 LIU Jiaping

0 引言

装配式住宅是由工厂预制构件、在现场进行装配而成的住宅。与传统现浇住宅相比，装配式住宅具有工业化程度高、施工质量易保证、建造速度快和经济效益高等优点。2016年9月30日，国务院常务会议审议通过《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，“力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%”。

本文测试的民居所使用的复合墙结构体系，是一种集耗能减震、生态环保、节能保温、快速建造、经济实用为一体的新型建筑结构体系。它主要由预制的生态复合墙板和混凝土隐形框架（外框柱和暗梁）及楼板装配现浇而成（图1）。生态复合墙板是以截面和配筋较小的钢筋混凝土框格，内嵌以工农业废料为主的生态块材组成。该结构体系自上世纪90年代以来，经过一系列相关的研究[1-2]，证实其在结构抗震方面具有良好的性能，并在诸多实际项目中得到应用推广。在国家大力推动装配式建筑发展的当下，研究装配式住宅的热舒适状况，对于装配式住宅的广泛推广应用具有举足轻重的作用。本文的相关测试调研内容便是基于此基础上进行的。通过对该装配式民居进行热环境测试，得到该装配式民居热环境现状的一手资料，并对其存在的问题提出相应的改进意见，为促进该装配式民居在该地区的推广应用提供支持。

1 测试对象

测试对象为2层独栋装配式民居，位于陕西省渭南市富平县孝义村，地处关中平原，海拔1 400m，年平均气温13.1℃，最冷月平均气温 -1.4℃，极端最低气温-15.7℃，属暖温带大陆性季风气候。常年盛行风向为东风，降水量集中在春夏季，年均降水量约为600mm。热工分区属于寒冷地区的ⅡA分区，建筑设计中应满足冬季保温、防寒的要求。为考察该结构体系建筑在冬季的室内热环境状况，在冬季最寒冷的1月份，对该民居进行热环境测试与热舒适状况评价。

图1 生态复合墙板基本构造图

图2 测试民居南向外观

该民居为徽派风格房屋（图2），在测试阶段较少使用，各房间均无采暖设施。主要使用房间位于南向，周边无遮挡。屋顶形式为平屋顶，二层西南侧有可上人室外平台。房屋层高为3.3m，东西宽13.2m，南北进深10.6m。主入户门位于北侧，次入户门位于西南侧，门上无亮子。窗台高度为900mm，采用双玻塑钢窗，规格为900mm×2 100mm及1 500mm×2 100mm。住宅整体为全装配式复合墙结构，围护结构主体构造及热工性能指标见表1。根据热工参数的计算结果，该民居围护结构各部分传热系数均满足《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824—2013）中关于寒冷地区农村居住建筑围护结构传热系数限值的规定。对屋面和夹心保温外墙的热惰性指标进行计算，得到其热惰性指标D值分别为3.018和3.219。热惰性指标大，说明温度波在其间衰减快，围护结构的热稳定性好。

2 测试方案

2017年1月17～19日，连续48h对该房屋进行现场测试。主要测试房间为2层东南侧的主卧F（图3），使用四通道热电偶对该房间6个壁面的温度进行记录。测试项目、仪器和记录方式等见表2。①温湿度测点高度为：室内0.6m，室外1.5m；②测点位置：室内为房间平面对角线交点处，室外选择空旷处，并进行遮光处理；③壁面温度测点布置在房间墙面规则部分的对角线交点处，高度约1.5m。

3 测试结果及分析

3.1 空气温度

由图4可以看出，测试期间，该房屋的室外温度波动较大。其中，室外最高温度为10.8℃，出现在17日15:00；最低温度为-2.3℃，出现在19日早上7:00～8:00。室外平均温度为2.2℃；温度波幅为13.1℃。

相较于室外温度，该房屋主要房间的平均室内温度在5℃以上，温度波幅较小。同时，该房屋并未使用采暖设施，且活动人员较少，说明该夹心保温复合墙体具有良好的保温性能。测试中，南向房间平均温度在6.1～7.4℃之间，波幅在3.8～6.1℃之间；北向房间平均温度在3.5～5.9℃之间，波幅在1~3.6℃之间。其中，温度状况综合最优的房间为一层南向房间C，平均温度7.4℃；最差的房间为二层北向房间D，平均温度为3.5℃，温度波幅1℃。

表1 围护结构构造做法及热工性能指标

表2 测试所需仪器及参数

图3 各房间使用功能及测点布置平面图

图4 测试期间室内外各测点温度变化图

图5 室内外各测点温度对比图

图5 为室内外各测点温度在峰值、谷值和平均值的对比，图中可见主测试房间F的最高温度相较于其他各测试房间，数值最大。这是由于该装配式复合墙民居的特殊设计，使卧室F在白天时，其东、西、南墙及屋面均可以在不同时段受到日光直射，使得其室内温度最高值高于其他房间。

由于该房屋所在地属于建筑热工分区中的寒冷地区，在实际的使用中，必须使用辅助热源才能满足居住的热舒适需求，而该装配式体系住宅本身良好的保温性能，正好在一定程度上可辅助节约热能耗。在文献3中，通过现场测试、问卷调查及理论分析等方法，提出了适合西北农村建筑冬季热舒适温度不应低于15℃的室内热环境指标，可作为西北地区农村室内热环境设计的参考依据。

图6 测试期间室内外各测点湿度变化图

3.2 相对湿度

从图6可以看出，室外湿度在测试时段的波动范围为27%~74%，变化幅度较大，呈现下午较低、夜晚至凌晨较高的趋势。房间内湿度水平受光照和人的活动影响较大，呈现出北向房间的湿度高于南向房间，且使用频繁的房间湿度变化幅度高于使用率低的房间的特点。位于北向且较少使用的房间D，其平均湿度约77%，全天均维持在较高水平，超出了舒适性相对湿度范围40%～70%的规定[4]。其他房间的平均相对湿度约65%左右，日波幅低于25%，属于舒适的湿度范围。但住宅整体的湿度处于较高水平，冬季室内湿度高会增加人体湿冷的感觉，影响舒适度。造成室内湿度较高的原因，一是室外湿度处于较高水平，对室内湿度造成了较大影响；二是室内无采暖，且冬季门窗关闭，导致室内通风不畅、湿气凝滞。

3.3 平均辐射温度

人的热舒适感主要建立在人和周围环境正常的热交换上，人体热舒适方程为：

式中， Δq—人体得失热量（W）；

qm—人体新陈代谢过程的产热量（W）；

qc—人体与周围空气的对流换热量（W）；

qr—人体与周围表面的辐射换热量（W）；

qe—人体蒸发散热量（W）。

热舒适方程中，占总散热量比重最大的是辐射散热，约为45%～50%[5]。围护结构内壁与人之间的辐射热交换对人体的冷热感具有重要影响。因此，以二层主卧F为测试对象，使用四通道热电偶对其四壁、顶棚及地面的表面温度进行测试记录。

在室内气候中，气温与周围壁面温度相差很大时，热辐射的影响就非常大，形成平均辐射温度（Mean Radiant Temperature，MRT）问题[6]。平均辐射温度 tr是室内辐射换热量的标志，用来反映周围物体表面温度对人体辐射散热强度的影响。平均辐射温度的计算公式为：

式中， tr—平均辐射温度（℃）；

tj—周围环境第j个表面的温度（℃）。

根据上式对该房间的壁面温度进行处理，得到其平均辐射温度的日间变化（图7）。

由图7可以看出，在8:00～19:00时段，房间的平均辐射温度与室内空气温度接近，壁面不会对人体产生较大冷辐射；其他时段高于室内空气温度1.3℃左右，原因在于夜间时段该房间无人使用，同时，也说明该复合墙体有较好的蓄热性能和热稳定性能。

4 结论与建议

（1） 通过本次现场测试，发现该新型装配式夹心保温复合墙民居在保温性能、热稳定性能等方面表现良好，这与围护结构热工计算的结果一致。夹心保温复合墙板、钢桁架叠合楼板、钢桁架叠合屋面板、塑钢双玻窗的使用提高了建筑外围护结构的整体热工性能，改善了室内热环境。鉴于本次冬季测试是在无热源、少人使用的状况下进行的，在实际使用中，通过采暖设施及适当改进使用习惯，可达到预期的舒适热环境状态。

图7 主卧F温度与平均辐射温度对比图

（2） 从测试结果来看，相较于室外温度，该装配式住宅各房间平均温度较高，温度波幅较低，夜间平均辐射温度高于室温，不会对室内产生冷辐射。综合说明该复合墙体具有良好的保温性能和热稳定性能。

（3） 测试显示，在不开窗的状况下，室内各房间湿度值虽能保持在30%～70%的舒适范围内，但住宅整体平均湿度偏高，这在冬季室温较低的情况下会对人体热舒适造成较大影响，使人产生湿冷的感觉。由于建筑密封性较好，长期关门闭窗将造成房间内湿气凝滞，热舒适水平下降。建议在午后适当开窗进行间歇通风，以利房间散湿。