石國兵 余曉平 黃雪 吳曉林

重慶科技學院建筑工程學院

隨著人們日益增長的美好生活需要，營造健康和舒適的住宅環(huán)境已受到居住者和相關研究人員的廣泛關注。重慶地區(qū)夏季室內高濕情況嚴重，住宅空調能耗的急劇增長已經威脅到城市能源系統(tǒng)的正常運轉，為此急需尋找該地區(qū)夏季住宅熱環(huán)境低能耗運行策略[1-2]。自然通風作為一種被動式的節(jié)能措施，不僅可以降低空調能耗，緩解日益嚴峻的能源環(huán)境問題，還能在改善室內熱環(huán)境的同時，減少對機械設備的依賴，做到與自然和諧相處。目前關于重慶地區(qū)夏季自然通風的研究主要是夏季自然通風的節(jié)能效果評價，對于自然通風改善室內人體熱舒適的實測研究還較少[3-4]。因此，筆者在結合重慶地區(qū)夏季自然氣候資源的基礎上，對該地區(qū)夏季自然通風潛力及其對人體熱舒適的影響因素進行了實測研究。

1 重慶地區(qū)住宅自然通風可利用率分析

依據夏熱冬冷地區(qū)非人工冷熱源熱濕環(huán)境的評價方法，利用重慶地區(qū)典型氣象年逐時氣象參數[5]，以室外溫度低于（含）30 ℃作為重慶地區(qū)夏季可以利用自然通風的適應性熱舒適溫度的指標[6-7]，對重慶地區(qū)2013～2017年夏季各月的逐時溫度進行統(tǒng)計分析，得到重慶近五年夏季各月自然通風可利用時長，如圖1所示。

圖1 重慶近五年夏季各月自然通風可利用時長

近五年夏季6、7、8月可利用自然通風的平均小時數為620.8h、400.2h、482.2h，分別占當月總時長的86.22%、53.79%、64.81%。其中以2014年的6月最多，690小時，占當月總時長的95.83%，2017年7月最少，271小時，占當月總時長的36.42%?？紤]每一年天氣過程不同，當月平均溫度和降雨時間對自然通風可利用時長的影響，對該地區(qū)近五年夏季天氣情況進行統(tǒng)計，得到各月自然通風可利用時長與平均溫度和下雨天數的關系，如圖2所示。

圖2 重慶夏季自然通風可利用時長與平均溫度和下雨天數的關系

近五年夏季6、7、8月平均下雨天數為19.4、12.4、17天，分別占當月總天數的64.66%、40.00%、54.84%。從圖2可知，當月自然通風可利用時長受到降雨天數和平均溫度的影響。當月降雨天數越少，平均溫度越高，自然通風可利用時長相應減少。反之，則增多。

結合圖2所示，對重慶地區(qū)近五年夏季各月的自然通風可利用時長與下雨天數和平均溫度進行綜合分析，當月下雨天數對自然通風的可利用時長影響比平均溫度更大。重慶地區(qū)夏季6月多雨，氣溫較低，7月和8月少雨，氣溫較高[8]，因此可選擇6月自然通風可利用時長占當月總時長的比例和7月、8月下雨天數所占當月總天數的比例作為重慶地區(qū)夏季各月自然通風的可利用率。同時，考慮到該地區(qū)夏季濕度大、風速小的氣候特點，以及考慮濕度、風速對人體熱舒適的影響。當其他條件一定，室外溫度28 ℃時，相對濕度每升高10%，PMV隨之約增加0.1[9]。所以，考慮高濕環(huán)境對自然通風的限制，夏季三月自然通風可利用時長乘以0.9的影響因子，則重慶地區(qū)夏季6、7、8月的自然通風可利用率分別為77.59%、36.00%、49.35%。相關研究成果同樣表明，重慶夏季部分時間可以采用被動空調方式，主要的被動空調方式是自然通風，采用自然通風技術后，熱舒適時間比例分別可以達到73.31%，34.88%和30.95%[10]，與本文中自然通風可利用率基本一致。

合理的自然通風可以減少空調運行時間，從而降低住宅空調能耗。而自然通風下影響住宅的熱舒適水平的因素較多，筆者通過現場實測對不同天氣過程，門窗開關及房間朝向影響進行分析。

2 現場實測方法

根據前面的分析，重慶夏季住宅具有良好的自然通風潛力。為研究重慶地區(qū)夏季自然通風對室內熱舒適的影響，筆者進行了現場實測。選擇該地區(qū)典型氣象年月平均氣溫最高和自然通風可利用率最低的7月作為測試時間。測試對象為一戶位于重慶市沙坪壩區(qū)大學城的普通居民住宅，測試樓層為4樓,三室兩廳戶型,坐北朝南，套內建筑面積為100 m2。根據《民用建筑室內熱濕環(huán)境評價標準》（GB/T 50785-2012）中的測試規(guī)范要求，在各測點中心處布置測試探頭，選擇Y-BOAT多功能室內環(huán)境測試無線傳輸系統(tǒng)為測試工具，對室內外溫度、濕度情況進行了測試，每3分鐘記錄一組數據。實驗期間關閉其他房門，維持室內無其他熱源和濕源。圖3為該住宅的測點平面布置圖，表1為測點布置說明。

表1 測點布置說明

圖3 平面布置圖

為將客觀測試結果和主觀感受相結合，綜合分析自然通風對室內熱舒適的影響，筆者分別計算了不同天氣過程多個時段的室內各房間PMV和PPD。由于重慶夏季7月已非常炎熱，室內人員一般習慣穿T恤，短褲或長褲，涼鞋，人員活動一般為靜坐或輕體力勞動，因此室內人員服裝的基本熱阻Icl取為0.5 clo，0.0775 m2·K/W，人體能量代謝率M取為58.15 W/m2。考慮到實驗期間雷雨天氣較多，因此風速取為1 m/s，平均輻射溫度與空氣溫度相同[11-12]。

由于PMV和PPD為人工冷熱源的熱濕環(huán)境評價標準，因此筆者根據非人工冷熱源的熱濕環(huán)境評價標準，繼續(xù)計算了自然通風情況下的預計適應性平均熱感覺指標APMV（預計適應性平均熱感覺指標）和APPD（預計適應性不滿意者的百分數），與PMV和PPD進行對比分析。APMV-APPD計算公式具體如下所示：

式中：λ為自適應系數，當PMV＜0時，取-0.49，當PMV＞0時，取0.21[13-14]。

3 實測結果分析

3.1 不同天氣過程影響

目前，關于室外熱舒適和熱適應的研究還比較少，國內的研究相對比較匱乏，可以查閱和參考的文獻資料也比較有限，研究方法大多是借鑒室內熱舒適的研究方法[15]。因此，筆者直接以室外氣象參數計算不同天氣各時段的室外平均熱舒適指標，結果具體如表2所示。

由表2可知，夏季連續(xù)陰雨天氣時室外平均溫度約26 ℃左右，比較涼爽，但濕度較高，平均濕度達到85.53%，因此在夏季陰雨天氣采用自然通風滿足人體熱舒適的同時，需要考慮除濕。連續(xù)晴天時，夜晚室外平均溫度隨著晴天的連續(xù)，室外空氣溫度不斷增加，連續(xù)晴天的第三個夜間已無法采用自然通風來滿足人體熱舒適。此外，重慶夏季天氣轉換速度快，高溫晴天和雷暴天氣交替，下雨前后，即雨天轉晴天和晴天轉雨天時，高溫高濕情況非常嚴重，雷暴天氣時，平均濕度達到93.39%，人們常感覺悶熱難耐。然而居民習慣性的打開門窗會導致室外高溫高濕空氣進入室內，人體悶熱感更強。

表2 不同天氣各時段的室外平均熱舒適指標

3.2 門窗開關影響

門窗開關狀態(tài)對自然通風工況下的房間熱舒適有重要影響。筆者結合不同天氣和不同時段的室外溫度濕度情況，對房間門窗開關狀態(tài)對室內熱舒適的影響進行分析，計算結果如表3所示。

表3 各房間門窗不同開關狀態(tài)的平均熱舒適指標

由表3可知，當室外平均溫度較低時，如連續(xù)陰雨天氣，或雨天轉晴天后的夜間和白天，開窗的熱舒適度更高，APPD約比關閉門窗低15%。而連續(xù)晴天的下午室外溫度較高時，開窗導致熱空氣入侵，室內溫度比關窗時更高，APPD約比關閉門窗時高15%。因此夏季陰雨天氣和夜間低溫時段，可以開啟門窗進行自然通風，而晴天白天，尤其是下午時分，需要關閉門窗，利用機械設備進行制冷。當前重慶地區(qū)的居民習慣表明，夏季不超過35 ℃的高溫天氣時，居民普遍采用風扇不使用空調進行降溫[16]。而如何利用風扇，更高效的改善室內熱舒適，如對夏季高溫氣流的擾動和控制，以及不同風速的局部降溫效果還需要進一步研究。

3.3 房間朝向影響

針對不同朝向對房間熱舒適的影響，筆者選取南向-客廳和北向餐廳的熱環(huán)境數據進行對比分析。為了方便比較，圖5中PMV和APMV的數值轉換為百分比。

圖4 室內外溫度

圖5 南北向房間熱舒適指標差異

從圖4、圖5可以看出，北向房間的平均溫度比南向房間高出約0.5 ℃，熱舒適性也比南向房間更差，APPD約高8%，同樣可利用自然通風的時間也更少，APMV小于1的時間占實驗期間總時長的比例比南向房間少28%。考慮是由于重慶沙坪壩區(qū)的緯度為北緯N29°33’9.08”，夏季此時太陽在北回歸線徘徊，北向房間，下午太陽光直射進房與一天中高溫時段重疊，加上房間圍護結構蓄熱等因素的影響，因此北向房間的熱舒適性較南向房間更差[17]。因此，可考慮適當減小北向房間圍護結構的傳熱系數，同時提高北向房間的夏季遮陽系數。

4 結論

隨著當下空調能耗不斷升高，自然通風作為一種被動式的節(jié)能技術，應當合理利用。筆者結合重慶地區(qū)近五年夏季逐時氣象參數，依據民用建筑室內熱濕環(huán)境評價標準，通過現場實測和數據分析，得到以下的結論：

1）以夏季室外溫度低于30 ℃和下雨天數作為熱舒適區(qū)間的指標，重慶地區(qū)夏季6、7、8月的自然通風可利用率分別可以達到77.59%、36.00%、49.35%。

2）門窗開關應結合天氣、時段綜合考慮，連續(xù)陰雨天氣和低溫夜間可以開啟門窗利用自然通風，而連續(xù)晴天的夜間需利用機械設備進行降溫通風，下雨前后應進行降溫除濕。

3）重慶地區(qū)夏季晴天自然通風情況下，北向房間的熱舒適性低于南向房間。可考慮適當減小北向房間圍護結構的傳熱系數，同時夏季合理遮陽。

綜合考慮居民的生活習慣和當前室內熱環(huán)境的調控手段，筆者認為，合理自然通風有利于降低空調運行能耗。在人工冷熱源環(huán)境時以PMV-PPD為熱舒適指標，在非人工冷熱源時以APMV-APPD為熱舒適指標，可以從用戶熱舒適需求出發(fā)，開發(fā)自然通風和空調設備的復合控制系統(tǒng)，結合實時天氣、溫濕度變化情況，將門窗狀態(tài)和空調開關聯(lián)動控制，優(yōu)化空調與通風運行時間，充分發(fā)揮住宅自然通風的節(jié)能潛力。