313夏热冬冷地区既有居住建筑热环境与能耗测评方法

夏热冬冷地区既有居住建筑热环境与能耗测评方法重庆大学孙婵娟付祥钊摘要：现存的对夏热冬冷地区既有居住建筑热环境和能耗的测评方法还很少，而居民对居住环境的舒适性和节能的要求，需要根据该地区的气候特征、建筑的具体形式，研究提出适合该地区既有居住建筑的热环境与能耗测评方法。本文即是在现有的基础上，结合实际情况，针对夏热冬冷地区既有居住建筑分别提出夏季和冬季热环境和能耗测评方法。对热环境和能耗方面存在问题或综合未能达标的，即可判断该既有建筑为热环境恶劣或者不节能（高能耗）建筑，应提出对该建筑进行节能改造或室内热环境改造。关键词：夏热冬冷地区既有居住建筑热环境与能耗测评1测评的意义随着建筑技术的发展和人民生活水平的不断提高，人们越来越关注室内环境的舒适性问题，如何创造更加舒适、更加健康的人居环境以及探讨建筑-环境-能源之间的关系已成为越来越多的研究者的课题。夏热冬冷地区处于中国长江流域，包括17个省、自治区以及直辖市，是一个人口密集、经济发达的地区，累年最冷月平均温度高于10℃，最热月平均温度25-29℃，其气候特征表现为夏季闷热，冬季湿冷。改革开放以来，随着社会和经济的发展，为了满足人们的居住要求，建筑的数量急剧增加，但由于没有一个完整的标准或者规范的指导，早期的建筑仅仅给人们提供了一个居住的场所，其室内外的热环境并未达到人体生理健康所要求的舒适程度，且大多数既有建筑中未装设空调设备，以致于在夏、冬季节会出现室内环境恶劣或者是居住性差的情况，因此需对既有建筑进行实测，分析室内外热环境，进行改造。另一方面，随着人民生活水平的提高，在一部分建筑中采用空调设备进行室内的空气调节，改善室内热环境，满足人们对居住环境的质量更高的要求的同时，出现了既有建筑中有些不符合《公共建筑节能设计标准》的要求，对围护结构的热工性能重视不够，致使空调系统的能耗大大增加等问题，因此要对其进行现场测试，分析其室内环境质量以及能耗状况，改造不合理的建筑形式。2热环境测评方法研究2.1要求对既有建筑热环境的测试不同于实验，也不同于研究型的实验现场，其随意性比较小，根据不同的建筑形式和功能，选择不同的测试方法，布置测试地点，因此，在满足普通测试所要求的客观性（测得的数据即为真实数据，不得随意更改）和科学性（即采用科学的方法进行测试，测试的每一步都有据可依）之外，还要满足其可操作性，因时而异，因地制宜。在进行热环境的测评时，选取温度作为主要的依据，这是因为一方面温度具有很大的代表性，测试起来方便灵活，测试工具简单，可以简便进行；另一方面在暖通空调系统中，温度也是调控的主要依据。选择温度作为主要依据符合客观性，科学性以及可操作性。2.2夏季热环境测评方法研究2.2.1夏季室内热环境测评夏季天气炎热，其温度高于人体舒适所需要的温度，测定在最炎热的情况下的室内热环境，对其进行评价，能客观地反映该建筑在夏季最不利情况下的室内环境质量和能耗情况，因此实测在连晴天气进行。应选取室外最高气温超过35℃的连续3天开展实测。对不同的建筑朝向，其所受的太阳辐射强度不同，且由于风向和风速的影响，通过围护结构所传导热量以及辐射换热量就会有差别，直接导致室内的温度差异。因此对室内热环境进行测评时，从居住建筑各套住房中确定实测对象，东、南、西、北、东南、东北、西南、西北8个方向，每个方向各抽取一户，以及各端头户和转角户为实测户，分别测量各个住户室内1.5m（此高度为居住环境中人们集中活动的区域）处的温度。为对在无空调设备条件下的室内环境进行测试和评价，在测试的前两天以及测试中均将空调等降温设备保持关闭，这样可以保证测试的准确性；为测定白天围护结构的隔热使得室内热环境抵御室外不利热环境影响能力的大小，以及测定晚上围护结构的通风使得室内热环境接近室外有利热环境能力的大小，保证测得各住户室内温度的稳定性和可靠性，需要在实测时9：00～21：00保持户门和外门窗关闭；21：00～9：00开启外门窗和户内门，户门继续保持关闭；此外还需使得室内人员密度、家电等室内负荷，符合夏热冬冷气候区《居住建筑节能设计标准》的规定，在保证同等条件下，评价室内热环境。根据生理学上分析，人体的热综合温度为28℃，使人体皮肤温度保持在34℃最为舒适，在室内温度高于34℃时，就会出现一部分人身体上的不舒适，甚至是生病、中暑等不适症状，因此34℃是一个重要的分界线。经过对室内各种温度下人体热感觉的调查，得到室内热环境舒适标准为：冬季室内温度高于16℃，夏季室内温度不高于28℃，以及可居住标准为：冬季室内温度高于10℃，夏季室内温度不高于30℃。由此对测试的结果进行分析，评价实测户的室内热环境的质量。列出3天的逐日室内最高温度，tmax，i(i=1，2，3)，最低温度tmin，i，按以下标准诊断：以3天室内气温最高的一天的实测数据为主要诊断依据，tmax≥34℃为夏季室内热环境恶劣，不具备居住性；32℃≤tmax＜34℃，为室内热环境差，居住性差；30℃≤tmax＜32℃，为可接受的夏季室内热环境，具备可居住性；tmax＜30℃，夏季室内热环境良好，可居住性好。影响室内热环境最重要的就是围护结构的好坏，可以根据各天室内外最高温度和最低温度之差来判定围护结构的质量。其中，△tmax,i=twmax，i-tmax,i；△tmin,i=tmin，i-twmin,i。实测中，白天太阳辐射存在，室外温度高于室内温度，热量由室外传向室内；夜晚，室外降温，由于围护结构的蓄热能力和延迟作用，室内会积蓄一定的热量，此时室内温度高于室外温度。白天，若△tmax≤3℃，室内外温差小，说明围护结构的传热系数大，故隔热性差，应进行隔热改造；夜晚，由于低温差，由室内向室外传递的热量很少，此时，主要依靠通风将热量由室内传向室外，故低温差下，需要足够大的风量才能将热量带出室内，若△tmin≥2℃，说明通风量未能达到足够大（即将室内的热量带到室外所需要的风量），诊断为围护结构通风不良，应进行通风改造。2.2.2夏季室外热环境测评室外热环境的测评是将实际测得的室外1.5m高度，距墙外表面2m处的日平均温度与当地气象站该日的日平均温度作比较，即△tpO=tw，p-tOw，其中tOw为当地气象站该日的日平均气温；由于建筑的朝向不同，导致的太阳辐射强度，风向、风速有所不同，如果只测量某一点或集中的几点，不能保证测量的全面性和准确性，所以分别取东、西、南、北四个方向的测点进行测量，按照下式计算室外日平均温度，41,,41iiwpwtt，其中tw，i（i=1，2，3，4）为建筑周围东、南、西、北4点的日平均温度。对结果进行分析，若△tpO≥1℃，表明室外可能存在热岛效应，此时室外环境质量差，影响人的舒适性，另外，中部地区大部分居住建筑中的空调系统采用风冷冷凝形式，室外的温度分布会影响风冷冷凝器的冷凝温度，不利于设备的运行。若△tpO≤0℃，说明室外温度分布均匀，质量好。0℃＜△tpO＜1℃，建筑周围热环境质量合格。2.3冬季热环境测评方法研究冬季的环境条件和夏季相反，自然状况下，其室内外温度均低于人体舒适所要求的温度，因此，和夏季采用同样的方法，选取室外日平均温度twp≤10℃的连续3天，逐时检测室内外干球温度。检测时，关闭全部外门窗，室内热源总发热量与节能设计标准相符。检测前两天和检测中，供暖设备保持关闭。计算这3天的逐日平均温度和最高最低温度。根据计算出来的逐日平均温度，评价室内热环境的好坏。如前所述，可居住性标准，冬季室内温度要高于10℃，在室内温度低于10℃时，同样会出现一些人身体不适等寒冷症状，因此，10℃是冬季热环境一个很重要的温度分界线。实测结果即要按照以下规定进行评价诊断：室内日平均温度：tnp≥12℃，良好；10℃≤tnp＜12℃，可接受，可居住性；5℃≤tnp＜10℃，可居住性差；tnp＜5℃，恶劣。3能耗测评方法研究既有建筑中除了存在热环境达不到热体舒适甚至可居住性的要求的问题外，设备耗能量大也是其主要问题，其中空调采暖等设备的能耗占大部分，因此评价既有建筑的能耗情况，有必要对其空调、采暖设备的能情况进行测评，看其是否满足《公共建筑节能设计标准》及《夏热冬冷地区民用建筑节能设计标准》的规定。3.1空调能耗测评方法研究调查户的选取与热环境评价相同，即各个方向取一户作为实测户（该户具有空调采暖设备），分别调查实测户的空调采暖设备容量，以及空调采暖设备的使用情况。对设备既有性能参数调查完毕，应对在实际条件下运行中的空调所对应的参数进行测试。测试条件的选定：同样在选测日室外最高温度twmax≥35℃的晴天的条件下关闭外门窗，启动空调，根据《公共建筑节能设计标准》以及人体舒适度的要求，设定室内空气温度为26℃，待室内温度达到稳定后，继续运行24个小时，使空调设备稳定运行，围护结构的内外表面温度均处于空调模式下的状态，计算：总耗电量E(kwh)；被调查户空调能耗水平（每平方米空调面积，单位空调度日数CDD26的耗电数）：CCCCFnEeKWh/(㎡·CDD26)，式中nc为实测日的空调度日数，nc＝tzwp-26℃；tzwp为该日室外综合温度的平均值（取太阳辐射吸收系数为1），iwgizwpJtt241其中，twgi为室外逐时干球温度，℃；J为室外水平面的太阳辐射强度，W/㎡；α为建筑外表面综合换热系数，W/㎡·℃，Fc为房间空调面积，㎡；由于每户所处的环境不同，面积不同，使用情况不同，导致耗电量不同，根据总耗电量并不能准确真实地反映其空调的能耗情况，所以取单位空调度日数、单位面积的耗电量。其中空调度日数nc的含义为：实测日室外日平均温度高于26℃时，将高于26℃的摄氏温度数乘以1天并将此乘积累加，即nc＝tzwp-26℃，单位为℃·d。在计算室外综合温度平均值时，考虑在实际中系数的取定会有一定的误差，因此取最不利情况下太阳辐射吸收系数1，若在该条件下（即室外综合温度最大，室内空调耗电量最大）空调能耗量满足要求，那么就可判定在实际中一定满足。3.2采暖能耗测评方法研究测评方法和空调能耗测评方法相同，其条件的选定：选测日室外日平均温度twp≤10℃的条件下关闭外门窗，启动采暖设备，根据《公共建筑节能设计标准》以及人体舒适度的要求，设定室内空气温度为18℃，待室内温度达到稳定后，继续运行24个小时，使采暖设备稳定运行，围护结构的内外表面温度均处于采暖模式下的状态，计算：总耗电量E(kwh)；被调查户采暖能耗水平（每平方米采暖面积，单位空调度日数HDD18的耗电数）：HHHHFnEekWh/(㎡·HDD18)式中EH为现场实测的被调查户的平均日采暖耗电量，kWh，若是用其它能量采暖，应按当年的发供电效率折算为电量；nH为实测日的采暖度日数，nH＝18℃-tzwp；tzwp为该日室外综合温度的平均值（取太阳辐射吸收系数为1）；iwgizwpJtt241twgi为室外逐时干球温度，℃；J为室外水平面的太阳辐射强度，W/㎡；α为建筑外表面综合换热系数，W/㎡·℃；其中，采暖度日数nH的含义为：实测日室外日平均温度低于18℃时，将低于18℃的摄氏温度数乘以1天并将此乘积累加，即nH＝18℃-tzwp，单位为℃·d。3.3评估以符合节能标准的建筑的能耗水平eC0,eH0为参照，评价既有建筑的能耗水平。eC≤eC0，eH≤eH0，该既有建筑为节能建筑；eC0＜eC≤1.5eC0，eH0＜eH≤1.5eH0，该既有建筑为不节能建筑；eC＞1.5eC0，eH＞1.5eH0，该既有建筑为高耗能建筑。4小结通过对既有居住建筑热环境与能耗的测评，可以判断被测评建筑是否满足要求，如果不符合上述的各项要求，例如热环境为恶劣或居住性差，能耗为不节能或高能耗，那么就需要从个方面分析造成该结果的原因，对其进行改造。根据热舒适条件及建筑热环境的特点，在气候因素难以控制的情况下，造成热舒适环境不良的主要原因有建筑结构保温隔热性能差，室外绿化植被量少，室内通风换气不良，由窗户进入的阳光辐射强等，同时造成能耗大的原因除了设备本身性能参数不匹配、输配