辽西地区农村典型性住宅热环境研究

2022-05-25禹福涛姜雪莹唐佳丽王鑫磊朱浩林

山西建筑 2022年11期

禹福涛，姜雪莹，唐佳丽，王鑫磊，朱浩林，陈鹏

(辽宁工程技术大学，辽宁阜新 123000)

1 概述

随着国家高速发展，作为世界人口大国，在国民经济水平得到提高的情况下，住宅建设得到了大力发展。中国是农业大国，农村居住地也占了城乡住宅面积的70%以上，所以针对于农村住宅热环境的研究是必不可少的，而随着扶贫攻坚的战略部署接近尾声，农民生活水平逐渐提高，家家户户达到小康生活，农村住宅建设水平提高，农民对于住宅的舒适度要求也相应的提高。农村建筑节能问题是关系国家可持续发展的重要问题，是“碳达峰～碳中和”战略的重要指标之一，面对这样的情况，针对农村住宅热环境的研究任重而道远。

在我国，农村建筑能耗占全国建筑总能耗的37%。根据清华大学的研究显示，北方城镇采暖单位面积能耗为19.8 kgce/(m2·a),南方地区采暖单位面积能耗仅为1.7 kgce/(m2·a)[1]。由于北方地区农村的供暖能耗较高，所以北方地区农村每平方米建筑能耗是南方地区的2倍乃至更高[2]。而针对北方农村的节能改造，需要改善农村住宅,降低采暖负荷;因地制宜,改变传统采暖方式;优化农村用能结构,实现可持续发展;加强适宜新技术在农村的推广和应用[3]。据研究表明，影响辽宁地区住宅建筑能耗的因素很多，其中主要因素有室外热环境、围护结构保温状态以及采暖供热系统的效率[4]。许东等人针对我国辽宁地区农村住宅存在的采暖能耗高而居住热环境差的问题,提出了适合辽宁农村住宅的保温节能措施[5]。住宅的热环境给人提供的热感觉引进了热舒适率，自然通风影响着这一指标[6-7]。能源需求的最大减少是通过改善温带大陆性气候区的通风实现的[8]。基于以上研究，选取辽西地区两栋农村典型性住宅调研，现场实测，对比分析两类房屋内外热环境的差异，总结室内热环境存在的问题，以便为辽西地区典型性住宅室内热环境的改善和新民居设计提供参考。

2 研究方法

2.1 研究对象概况

辽宁地处我国东北地区南部，属于温带季风气候，其气候四季分明，夏短冬长，寒冷期较长，平原风大，北风和西北风是冬季主导风向。辽宁地区农村住宅多为农村居民自己建造的一层独立式建筑。

实测房屋平面图如图1所示，据调研，住宅大小在60 m2左右，房屋墙壁材料为土砖和混凝土，墙壁厚度为40 cm，外墙厚20 cm；窗户为铝制框，由防沙层和玻璃层两层构成。北方地区的住宅通常都有外门窗，而选取合适的外门窗材料，设计合理的窗墙比和外窗开启方式以及减少外门窗空气渗透量是提高门窗保温性能的重要措施[9]。住宅内未安装空调以及暖气设施。住宅坐北朝南，是典型的中国建筑，研究显示，在晴天和阴天，朝东和朝西房屋的TSRs分别比朝南房屋的TSRs低67%和33%，比朝北房屋的TSRs低33%和33%[10]。

2.2 实测仪器

本次实测采用了三种器材，一是华谊数字温湿度计，二是TES红外线测温仪，三是TM856风量风速测量仪。

1)华谊数字温湿度计(见表1)。

表1 华谊数字温湿度计量程及精度

2)TES红外线测温仪(见表2)。

表2 TES红外线测温仪量程及精度

3)TM856风量风速测量仪(见表3)。

表3 TM856风量风速测量仪量程及精度

2.3 实验方案

分两个小组，从早上8点到傍晚7点，一组测量尖顶房，另一组测量平顶房，每隔1 h测一次。从外部开始，使用TES红外线测温仪分别测量住宅外墙东南西北四个方向墙体和地面以及顶棚温度，同时，使用TM856风量风速测量仪测量风速、干温度和相对湿度。然后到住宅内使用TES红外线测温仪分别测量东西厢房东西南北四个方向的墙体和地面以及顶棚的温度，同时使用PM6508数字温湿度计测量住宅内部的温度及湿度。

3 结果与分析

3.1 平顶房与尖顶房东西屋及外部温湿度比较

平顶房与尖顶房东西屋及外部温湿度比较见图2～图18。

如图2所示，通过对测量数据的整理比较，从温度角度来看，尖顶房东西屋的干温度变化大致相同，温度波动幅度不大，变化范围在27 ℃～31 ℃之间，相对于室内温度，室外温度波动幅度较大，变化范围在27 ℃～36 ℃之间，主要的波动在11时～15时之间，温度明显上升，高于室内温度，而这段时间内，太阳直射，推断是由于受到太阳辐射的影响；反观平顶房的温度变化，如图3所示，不论是东西屋室内温度，还是室外温度，其变化规律大体上都是一样的，变化范围在26 ℃～34 ℃之间，变化幅度较大。尖顶房与平顶房室内外温度比较存在差异，在同是砖混结构的条件下，尖顶房的散热能力明显高于平顶房的散热能力。

从湿度角度来看，尖顶房东西房内湿度变化趋势基本上一致，从9时到12时东西屋湿度的大小以及变化基本成一条线，但东厢房在12时～15时之间的湿度变化幅度较西厢房的大，而且这段时间内，东厢房的湿度一直低于西厢房的湿度。从11时开始，湿度逐渐下降，12时～13时下降速率相对较快，而东厢房的下降速率明显大于西厢房的下降速率；在之后的1 h内，室内湿度又突然回升，但仍然低于初始湿度；之后湿度又开始下降，1 h后，湿度再度回升，直至达到初始湿度左右；两次的下降中，东厢房的湿度最低降到55%左右，比室外湿度还低。相对于尖顶房室内来说，室外湿度除在10时～11时之间下降较快，在15时～16时上升较快外，其余时间相对平稳，11时～15时这段时间内室外湿度保持在60%左右。与尖顶房不同，平顶房室内外湿度的变化趋势是一致的，从7时开始到13时，湿度在持续下降，最低至57%，与最高湿度相差18%，之后一直到19时，其湿度在不断的回升，直至初始湿度左右。不论是从温度还是湿度角度看，尖顶房的变化都多于平顶房，且尖顶房的温度跨度在3 ℃左右，湿度跨度在8%左右，而平顶房的温度跨度在5 ℃左右，湿度跨度在18%左右，尖顶房的温湿度变化明显小于平顶房的温湿度变化。

3.2 四墙及顶棚地面温度比较

如图5，图6所示，平顶房东西厢房六面温度变化趋势大体一致，排除操作带来的误差，温度在20 ℃～25 ℃之间来回波动，其中，顶棚基本高于墙体温度，四面墙体温度大体上一致，四面墙体温度又高于地面温度。如图9所示，平顶房外部墙体，在8时，东墙的温度与其余测量点的温度相差10 ℃左右。在8时～12时温度明显高于其余墙面和地面，东墙温度这段时间内有明显波动，先上升至38 ℃左右后又下降至30 ℃左右，此时为13时，除地面温度在25 ℃左右外，其余测量点温度也升至30 ℃左右，在此时间段内，地面温度刚开始时高于除东墙外的其他墙体温度，虽同其他墙体有温度的增幅，但其增幅不大，反有降低；之后测量时间段内，东南北三墙的墙体温度在30 ℃左右徘徊，西墙体温度从8时开始一直呈上升趋势，在13时后，西墙温度明显高于其余测量点温度，在15时达到最高45 ℃左右，之后温度逐渐降低。整体来看，平顶房外墙温度波动较大。如图4，图7所示,尖顶房东西厢房6个测量点温度变化趋势基本一致，地面温度皆低于其他测量点，东厢房6个测量点的温度在25 ℃～30 ℃之间波动；西厢房的6个测量点温度在25 ℃左右波动。如图8所示,尖顶房外墙及地面变化趋势大体一致，温度在20 ℃～30 ℃之间波动，跨度较大；顶棚温度明显高于其他测量点，且在15时达到最高，之前温度持续上升，之后温度下降至与其他测量点温度差不多。

3.3 不同东西屋及外部环境温湿度的比较

如图12所示，尖顶房东厢房的温度略微低于平顶房东厢房，但都在30 ℃左右波动；平顶房屋内的湿度与尖顶房屋内的湿度在70%～60%之间，其湿度变化分为两大部分，前半部分降低至测量时段最低，后半部分由最低点回升至初始湿度左右。平顶房的湿度稍低于尖顶房的湿度，平顶房的湿度变化趋势较尖顶房平缓。如图11所示，同东厢房一样，尖顶房西厢房的温度略微低于平顶房西厢房，也都在30 ℃左右波动；西厢房的湿度变化同东厢房相差无几，唯一不同点在于，尖顶房的湿度变化程度较东厢房湿度变化小。如图10，图13所示，而屋外的湿度与温度的变化基本重合成一条线，变化趋势与东西屋温湿度变化趋势大体一致，尖顶房与平顶房的外部地面温度变化趋势基本都是呈上升趋势，而尖顶房的外部地面温度变化较平缓，平顶房的外部地面温度变化较多。

3.4 平顶房与尖顶房同屋同墙比较

如图17所示，尖顶房与平顶房的东厢房的东墙体温度在测量时段内尖顶房温度明显高于平顶房温度；初始时，尖顶房与平顶房的东墙体温度基本相同，直至17时前，尖顶房东屋东墙体温度增长至30 ℃并在一段时间内保持在这个温度；而平顶房东屋东墙体温度在17时前一直在20 ℃～25 ℃之间来回波动，之后与尖顶房东屋墙体温度一样上升。如图16所示尖顶房西屋东墙体温度在25 ℃左右徘徊，而尖顶房西屋东墙体温度在20 ℃～25 ℃之间波动，尖顶房西屋东墙体温度明显高于平顶房西屋东墙体温度。如图14所示，外部墙体，平顶房的墙体明显高于尖顶房的墙体温度，平顶房外部墙体温度变化幅度大，而尖顶房外部墙体温度变化较平缓，在25 ℃～30 ℃之间来回波动。如图18所示，东屋顶棚的比较中，尖顶房的温度明显高于平顶房的温度，而地面的温度恰恰相反，尖顶房的温度明显高于平顶房的温度。如图15所示，西屋的顶棚比较中，尖顶房的温度高于平顶房的温度且尖顶房的变化趋近于一条直线，在25 ℃左右，而平顶房的温度在20 ℃～25 ℃之间波动；地面温度的变化比较同顶棚差不多。