侯書(shū)新， 史永征， 吳秋婷， 趙藝軒， 王立鑫

(北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100044)

夏季室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大、室外溫度高，導(dǎo)致室內(nèi)溫度也很高，一般通過(guò)開(kāi)啟空調(diào)來(lái)改善室內(nèi)熱濕環(huán)境，提高人體熱舒適度. 空調(diào)能耗大，會(huì)帶來(lái)空氣污染. 隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的舒適度要求也越來(lái)越高，同時(shí)國(guó)家提倡節(jié)能減排，因此創(chuàng)造一個(gè)健康、舒適、低能耗的室內(nèi)熱濕環(huán)境是大有必要的. 為了營(yíng)造一個(gè)良好的居室環(huán)境，夏季建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)遮陽(yáng)非常必要. 然而窗簾材質(zhì)不同、懸掛位置不同，遮陽(yáng)效果也不同，為了改善大學(xué)生宿舍夏季室內(nèi)環(huán)境、降低空調(diào)能耗，針對(duì)無(wú)窗簾、使用不同材質(zhì)窗簾懸掛不同位置及開(kāi)啟空調(diào)的宿舍進(jìn)行了室內(nèi)、室外空氣參數(shù)測(cè)試.

1 研究方案

在夏季，由于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，南向玻璃外窗或外門(mén)的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外墻的傳熱系數(shù)，因此，玻璃外窗、外門(mén)的遮陽(yáng)尤為重要. 窗簾作為室內(nèi)光環(huán)境調(diào)控的構(gòu)件，起到了調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境的重要作用. 窗簾靠近外窗、外門(mén)設(shè)置,額外增加了一層窗簾熱阻，形成的空氣層也具有隔熱作用，可減少夏季外窗、外門(mén)的冷負(fù)荷[1].

1.1 測(cè)試工況

2018年夏季，在北京大興區(qū)相同的地理環(huán)境中，選擇五間樓層和面積相同、有外陽(yáng)臺(tái)的南向宿舍，選擇兩種不同材質(zhì)的窗簾作為研究對(duì)象：一種是淺色薄化纖面料(以下簡(jiǎn)稱薄窗簾)、另一種是深色帶遮光涂層的厚滌綸面料(以下簡(jiǎn)稱遮光窗簾)，5間宿舍分別設(shè)置為5個(gè)不同的工況，各工況具體描述見(jiàn)表1，窗簾懸掛位置如圖1、圖2所示. 6月2日和6月23日(室外空氣狀態(tài)為高溫、濕度適中)、7月28日(室外空氣狀態(tài)為高溫高濕)，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高的時(shí)段8:00—18:00進(jìn)行測(cè)試.

表1 工況描述Tab.1 Description of working conditions

1.2 儀器設(shè)置

使用室內(nèi)環(huán)境測(cè)試儀(主機(jī)+微氣候探頭+黑球溫度計(jì))自動(dòng)采集各工況的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，同時(shí)用自動(dòng)氣象站采集室外環(huán)境參數(shù). 測(cè)量?jī)x器參數(shù)見(jiàn)表2.

《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)規(guī)定：“房間或區(qū)域面積小于等于16 m2的，測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在測(cè)試房間的中心”[2]. 宿舍面積是16.5 m2，接近16 m2，又由于儀器設(shè)置好后人員撤離宿舍，儀器自動(dòng)記錄，因此測(cè)試時(shí)宿舍內(nèi)無(wú)人,室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)穩(wěn)定、環(huán)境參數(shù)分布均勻，故以室內(nèi)中心作為測(cè)點(diǎn).

將微氣候探頭A1091和黑球溫度計(jì)A1131連接在室內(nèi)環(huán)境測(cè)試儀主機(jī)MI6401上，測(cè)頭處于室內(nèi)中心的開(kāi)放區(qū)域，且距離地面1.1 m處(《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的人站立時(shí)的腹部平均高度)，確保來(lái)自任何方向熱源和風(fēng)力都不受遮擋，所有熱源都移走，使儀器測(cè)頭裸露在空氣中，避免與其他物品接觸.

在前人的熱舒適研究中，被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可和采用的是Fanger提出的預(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)指標(biāo)PMV和預(yù)計(jì)不滿意者的百分比PPD.PMV-PPD指標(biāo)被國(guó)際熱舒適標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE Standard 55- 2017和國(guó)內(nèi)《標(biāo)準(zhǔn)》所采用[3].PMV-PPD指標(biāo)綜合考慮了人體活動(dòng)程度、衣服熱阻(衣著情況)、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流動(dòng)速度和空氣濕度6個(gè)因素[4]. 由于PMV-PPD指標(biāo)是室內(nèi)環(huán)境測(cè)試儀通過(guò)計(jì)算得到，因此測(cè)試前要對(duì)儀器及測(cè)量人員參數(shù)進(jìn)行設(shè)置. 儀器中的測(cè)量人員參數(shù)限定為：新陳代謝率0.8～4.0 met、衣服熱阻0.1～2.5 clo，又根據(jù)人體輕微活動(dòng)時(shí)代謝率為2～3.4 met，北方夏季衣服熱阻一般取為0.5 clo，故在主機(jī)中設(shè)置代謝率M=2.0 met、衣服熱阻Icl=0.5 clo(當(dāng)空氣流速va≤0.25 m/s時(shí))，且儀器設(shè)置成“氣流測(cè)量總是打開(kāi)”，自動(dòng)記錄時(shí)間間隔設(shè)置為10 min. 根據(jù)ISO 7730和ISO 7243標(biāo)準(zhǔn)，PMV指標(biāo)計(jì)算公式如公式(1)所示[5]，PPD指標(biāo)與PMV之間的關(guān)系如公式(2)所示[5].

表2 測(cè)量?jī)x器參數(shù)Tab.2 Measurement instrument parameters

PMV=[0.303×exp(-0.036M)+0.027 5]×

{M-W-3.05×[5.733-0.007(M-W)-Pa]-

0.42(M-W-58.15)-1.73×10-2M(5.867-Pa)-

0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-

(ts+273)4]-fclhc(tcl-ta)}

(1)

PPD=100- 95exp[-(0.033 53PMV4+0.217 9PMV2)]

(2)

公式(1)中的某些物理量計(jì)算公式如下：

(3)

fcl=1.05+0.645Icl

(4)

(5)

hc=2.7+8.7v0.67

(6)

ΔT=ts-20

(7)

ts=tg+40.5v(tg-ta)

(8)

公式(1)～公式(8)中：M為新陳代謝率，W/s，儀器中已設(shè)M=2.0 met(1 met=58 W/m2)；W為人體做功率，W/s，一般取W=0；Pa為環(huán)境空氣中水蒸氣分壓力，Pa；Ps為相同溫度下空氣飽和水蒸氣分壓力，Pa；φa為相對(duì)濕度，%；ta為空氣溫度，℃；fcl為穿衣人體與裸體表面積之比；Icl為衣服熱阻，km2/W，儀器中已設(shè)Icl=0.5 clo(1 clo=0.155 km2/W)；tcl為穿衣人體外表面平均溫度，℃；hc為對(duì)流熱交換系數(shù)，W/sm2℃；v為空氣流速，m/s；ts為平均輻射溫度，℃；tg為黑球溫度，℃.

為倡導(dǎo)優(yōu)良學(xué)風(fēng)，規(guī)范學(xué)術(shù)行為，凈化學(xué)術(shù)空氣，凡向本刊投稿的作者均須嚴(yán)格遵守《中華人民共和國(guó)著作權(quán)法》等國(guó)家有關(guān)法律、法規(guī)，杜絕學(xué)術(shù)不端行為。

因此，只要測(cè)出室內(nèi)空氣溫度ta、相對(duì)濕度φa、空氣流速v和黑球溫度tg，用以上公式就能計(jì)算PMV-PPD指標(biāo). 熱感覺(jué)指標(biāo)PMV的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是：+3表示熱、+2表示暖和、+1表示稍暖和、0表示適中(舒適)、-1表示稍涼快、-2表示涼快、-3表示冷[6].

1.3 測(cè)試前準(zhǔn)備

將室外自動(dòng)氣象站連接電源以自動(dòng)記錄室外溫度和相對(duì)濕度等參數(shù).

為了盡量減少因陽(yáng)臺(tái)的蓄熱量對(duì)室內(nèi)的影響，至少在測(cè)試前2 h開(kāi)啟陽(yáng)臺(tái)的所有外窗；至少在測(cè)試前1 h關(guān)閉宿舍門(mén)和陽(yáng)臺(tái)玻璃推拉門(mén)；各宿舍分別按表1設(shè)置工況，連接放置好所有儀器，并設(shè)置儀器及測(cè)量人員參數(shù)，在相同自然環(huán)境下保持室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定至少1 h. 測(cè)試過(guò)程中保持門(mén)窗關(guān)閉，禁止人員進(jìn)出宿舍以帶動(dòng)空氣流動(dòng)，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性. 8:00室內(nèi)人員撤離，所有儀器開(kāi)始自動(dòng)記錄. 儀器自動(dòng)采集室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、空氣流速和流量、黑球溫度、露點(diǎn)溫度及濕球溫度指數(shù)的瞬時(shí)值、最大值、最小值及平均值.

2 數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

由于3個(gè)測(cè)試日的數(shù)據(jù)眾多，在濕度適中的兩天中，選取室外溫濕度略高的6月23日每隔40分鐘的室內(nèi)外溫度、相對(duì)濕度及PMV-PPD指標(biāo)的瞬時(shí)值繪制圖表，如圖3～圖6所示.

《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中規(guī)定，夏季室內(nèi)空調(diào)計(jì)算參數(shù)：溫度為25 ℃、相對(duì)濕度40%～65%、風(fēng)速0.15 m/s≤v≤0.3 m/s，ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)PMV指數(shù)的要求為-0.5≤PMV≤+0.5、PPD指數(shù)的推薦值為PPD≤10%[6]. 以上參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求列于表3；計(jì)算6月23日各工況測(cè)試階段內(nèi)的平均溫度、平均相對(duì)濕度及平均PMV-PPD指標(biāo)列入表3；表3中還列出了各工況的溫度、相對(duì)濕度、空氣流速及PMV-PPD指標(biāo)的瞬時(shí)值變化范圍.

6月2日和7月28日各工況的溫度、相對(duì)濕度、PMV-PPD指標(biāo)的瞬時(shí)值變化范圍及各參數(shù)測(cè)試階段的平均值分別見(jiàn)表4、表5.

2.2 數(shù)據(jù)分析

由圖3～圖6、表3可得，在6月23日前4個(gè)工況中，室內(nèi)溫度及PMV-PPD指標(biāo)的平均值從大到小依次為：工況一、工況二、工況三、工況四. 工況四的室溫變化范圍24.1 ℃～26.2 ℃、平均室溫25.13 ℃，PMV指標(biāo)0.4～0.9、平均值0.63，PPD指標(biāo)7.9%～22.6%、平均值14.09，最接近(甚至低于)工況五的室溫24.7 ℃～26.0 ℃、平均值25.54 ℃，PMV指標(biāo)0.5～0.8、平均值0.68，PPD指標(biāo)9.7%～19.5%、平均值14.46. 由表4可看出，6月2日也是工況四的室內(nèi)溫度及PMV-PPD指標(biāo)最小(溫度24.0 ℃～26.1 ℃、平均值24.79 ℃；PMV指標(biāo)0.4～0.9、平均值0.61；PPD指標(biāo)7.3%～21.9%、平均值14.05%). 說(shuō)明6月2日和23日遮光窗簾懸掛于陽(yáng)臺(tái)門(mén)外側(cè)的室內(nèi)熱舒適度最高，也最接近開(kāi)啟空調(diào)(設(shè)定為節(jié)能溫度26 ℃)宿舍的室溫和PMV-PPD指標(biāo)，平均熱感覺(jué)介于適中和稍暖之間，不滿意率最低，遮光窗簾懸掛在陽(yáng)臺(tái)門(mén)內(nèi)側(cè)次之. 因此，遮光窗簾隔熱降溫效果明顯高于薄窗簾，懸掛于陽(yáng)臺(tái)門(mén)外側(cè)室溫下降更明顯.

表3 6月23日測(cè)試數(shù)據(jù)變化范圍與主要參數(shù)的平均值Tab.3 Change range of test data and average of main parameters on June 23

注：括號(hào)里的數(shù)值是平均值

表4 6月2日主要參數(shù)變化范圍與平均值Tab.4 Change range and average of main parameters on June 2

注：括號(hào)里的數(shù)值是平均值

表5 7月28日主要參數(shù)變化范圍與平均值Tab.5 Change range and average of main parameters on July 28

注：括號(hào)里的數(shù)值是平均值.

窗簾掛在陽(yáng)臺(tái)玻璃門(mén)內(nèi)側(cè)是在太陽(yáng)輻射熱量已經(jīng)到達(dá)室內(nèi)之后再進(jìn)行遮擋，這樣在窗簾與玻璃之間很容易形成熱島效應(yīng)，并且熱量會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)室內(nèi)影響室內(nèi)熱濕環(huán)境，大大降低遮陽(yáng)效果. 窗簾掛在陽(yáng)臺(tái)門(mén)外側(cè)能夠在太陽(yáng)輻射熱量到達(dá)門(mén)窗前就被遮擋在外，在夏季能有效阻擋由于太陽(yáng)熱輻射進(jìn)入室內(nèi)的熱量，使室內(nèi)熱環(huán)境保持一定的熱舒適度.

但是，在表3的前4個(gè)工況中，相對(duì)濕度的平均值從大到小依次為：工況四、工況三、工況二、工況一，工況四的相對(duì)濕度變化范圍54.3%～59.2%、平均值57.07%，在前4個(gè)工況中最高，表4中也是工況四的相對(duì)濕度最高(49.2%～58.5%、平均值53.82%)，說(shuō)明遮光窗簾懸掛在陽(yáng)臺(tái)門(mén)外側(cè)室內(nèi)相對(duì)濕度最高. 這是因?yàn)?，測(cè)試階段室內(nèi)外空氣壓力變化很小，使含濕量變化很小，通過(guò)焓濕圖可知，宿舍內(nèi)含濕量在12.5 g/kg干空氣左右. 使用遮光窗簾的宿舍溫度低，當(dāng)溫度降低時(shí)，空氣飽和水蒸氣分壓力降低，相對(duì)濕度就會(huì)升高. 由于工況四的相對(duì)濕度低于60%，滿足夏季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算濕度40%～65%，通過(guò)表3、表4的測(cè)試數(shù)據(jù)也可以看出，室內(nèi)溫度在25 ℃(夏季室內(nèi)空調(diào)計(jì)算溫度)左右時(shí)，只要相對(duì)濕度不大于60%，室內(nèi)就比較舒適.

由表5可看出，7月20日高溫高濕，白天室外平均溫度33.31 ℃、平均濕度50.63%，掛窗簾比不掛窗簾的工況平均室溫都略有降低，但高于29 ℃，且都高于室內(nèi)空調(diào)計(jì)算溫度25 ℃；平均相對(duì)濕度都高于50%；PMV指標(biāo)平均值在1.75左右，人體感覺(jué)暖和；PPD指標(biāo)在63%左右，多數(shù)人對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境不滿意. 說(shuō)明夏季室外高溫高濕時(shí)，懸掛窗簾后室內(nèi)溫濕度仍然較高，宿舍采用窗簾遮陽(yáng)已不能滿足人體熱舒適要求，需要開(kāi)啟空調(diào).

3 結(jié)論

在我國(guó)北方，六月份的室外氣候特點(diǎn)是溫度高(白天平均溫度34 ℃左右)、相對(duì)濕度適中且夜高晝低(白天平均濕度30%左右). 綜合6月2日和6月23日的數(shù)據(jù)：

1)對(duì)于有南向外陽(yáng)臺(tái)的宿舍，遮光窗簾方便安裝于陽(yáng)臺(tái)玻璃門(mén)外側(cè). 6月2日和6月23日宿舍平均溫度24.79 ℃，25.13 ℃，滿足室內(nèi)空調(diào)計(jì)算溫度25 ℃；平均相對(duì)濕度53.82%，57.07%，滿足室內(nèi)空調(diào)計(jì)算濕度40%～65%；PMV指標(biāo)平均值0.61，0.63，略高于標(biāo)準(zhǔn)要求的+0.5，即人體熱感覺(jué)介于適中和稍暖之間；PPD指標(biāo)平均值14.05%，14.09%，略高于推薦值10%，少數(shù)人對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境不滿意. 其室內(nèi)溫度和PMV-PPD指標(biāo)最接近空調(diào)開(kāi)啟(設(shè)定溫度26 ℃)時(shí)的室內(nèi)熱環(huán)境(平均溫度25.05 ℃，25.54 ℃；PMV指標(biāo)平均值0.64，0.68，PPD指標(biāo)平均值14.28、14.46). 當(dāng)學(xué)生在宿舍內(nèi)處于輕微活動(dòng)狀態(tài)時(shí)可以不開(kāi)空調(diào)，減少空調(diào)能耗，達(dá)到節(jié)能效果. 因此，有南向外陽(yáng)臺(tái)的大學(xué)生宿舍不用開(kāi)啟空調(diào)，將遮光窗簾懸掛在陽(yáng)臺(tái)玻璃推拉門(mén)外側(cè)可以有效地遮擋太陽(yáng)輻射熱量，降低室內(nèi)溫度，PMV-PPD指標(biāo)能夠滿足大多數(shù)人的需求，宿舍熱舒適度較高.

2)對(duì)于沒(méi)有南向外陽(yáng)臺(tái)的宿舍，窗簾不便于懸掛在窗外，在窗戶內(nèi)側(cè)懸掛遮光窗簾之后，6月2日和6月23日宿舍平均溫度26.26 ℃，26.60 ℃，略高于室內(nèi)空調(diào)計(jì)算溫度25 ℃；平均相對(duì)濕度51.17%，54.61%，滿足室內(nèi)空調(diào)計(jì)算濕度40%～65%；PMV指標(biāo)平均值0.91，0.93，高于標(biāo)準(zhǔn)要求的+0.5不多，人體熱感覺(jué)接近稍暖；PPD指標(biāo)22.47%，22.86%，高于推薦值10%不多，對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境不滿意的人不多. 因此，沒(méi)有南向外陽(yáng)臺(tái)的大學(xué)生宿舍將遮光窗簾懸掛在外窗內(nèi)側(cè)，并減少空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間，也可以降低空調(diào)能耗.

總之，夏季白天室外空氣相對(duì)濕度較低時(shí)，大學(xué)生宿舍采用深色帶遮光涂層的厚滌綸窗簾遮陽(yáng)，可以提高室內(nèi)熱舒適度，降低空調(diào)能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排.