建筑设计对住宅热状况的影响研究--北京市住宅夏季室温调查分析（2）

Impacts of architectural design on thermal performances of residential buildings

摘要　 根据1999年夏季北京市居民住宅室温实测数据，通过分析比较整个测试期内不同房间室温曲线变化的差异，定量研究分析了建筑设计所确定的房间楼层位置、建筑外围护结构及建筑平面布局等因素对住宅室内热状况的影响程度。研究结果表明：建筑外围护结构良好的保温隔热性能及合理的建筑平面布局是改善住宅内热状况的关键。 关键词　 住宅 室内热状态况 建筑设计 定量 影响 Abstract　 By comparing indoor temperature patterns measured in different residences without air conditioners in Beijing in the summer of 1999, investigates to what extent architectural design influences indoor climates of residential buildings and identifies the relative level of importance for each decision in architectural design which include the number of floor the room locates, insulation of external walls and roofs, window shading, location of fenestration and floor plans. Results show that blockage of solar radiation by insulation of external walls and roofs, by window shading and by proper location of fenestration can substantially improve indoor thermal environment. Results also indicate that good natural ventilation by proper design of floor plans also plays and important role in improving thermal performances of residential buildings. Keywords　 residential building， indoor thermal conditions， architectural design， quantification， influence

0 引言 　　[1]根据室温实测数据研究现有住宅夏季室内热状况变化的同时，还发现描述室内热状况的特征参数如室温平均值、室温波动幅度及延迟时间是随房间所处的楼层位置、建筑外围护结构以及建筑平面布局的不同而变化的。因此，住宅的建筑设计在很大程度上决定了内、外扰量对室内热状况影响程度的大小，从而影响着室内热状况的好坏。 　　对建筑设计所导致各个扰量影响程度变化了解有助于建筑师和工程师灵活地将这些知识运用在住宅建筑设计的过程中，从而在最大限度降低能耗的条件下，确保住宅的室内热状况能够满足人体的热舒适要求。而现有的相关研究还主要局限在理论上的模拟分析或特定条件下的实验室测试分析，对实际住宅内热状况的实测研究并不多见，由于建筑的形式是变化多样的，而各个扰量对住宅室内热状况的影响还受到住户居住行为的调节和控制，因此，有必要了解实际住宅内室内热状况的变化规律。 　　仍然根据若干典型居民住房的室温实测数据，通过分析比较整个测试期内不同房间的室温变化曲线的差异，本文定量研究分析建筑设计中各个因素的变化对实际住宅室内热状况变化的影响以及影响程度的相对大小，并进一步认识建筑设计影响住宅室内热状况的物理机制。 　　 1 分析方法 　　 　　较之室内热状况的特征参数（室温平均值、室温波动幅度及延迟时间），连续时间内的室温变化曲线可以更直观、更详细地反映住宅室内热状况的变化规律，因此，通过分析比较整个测试期内房间室温变化曲线的差异，可定量分析建筑设计中各个因素的变化所导致扰量对住宅热状况影响程度的变化。 　　由于建筑设计中各个因素对住宅室内热状况的作用是相互影响、相互影响制约的，因此，研究分析某个建筑因素的变化对住宅室内热状况变化的影响时，应选取仅针对所分析的建筑因素变化，而在其它因素方面保持一致的房间作为研究对象。这样，通过分析比较研究对象中不同房间室温变化的差异，即可确定所分析建筑因素的变化对住宅室内热状况变化的影响，从而忽略其它建筑因素的影响。 　　根据建筑设计的特性，本文所要讨论影响住宅室内热状况变化的主要建筑因素有：房间所处的楼层位置、建筑外围护结构及建筑平面布局等。 　　 2 房间的楼层位置 　　 　　分析住宅室内热状况的变化规律时发现：由于室内外换热量的不同，顶层房间、中间层房间及底层房间室温平均值的分布呈现明显的差异，顶层房间的室温平均值比底层房间的高3～4℃。这是由于顶层房间通过屋面吸收了大量的太阳辐射得热，而底层房间在外扰和内扰作用下的部分得热则可通过地面传至土壤。本节则通过在整个测试期（7月15日至8月9日）内室温的连续变化曲线，进一步分析顶层、中间层及底层房间的室温变化状况所选取的研究对象为底层、中间层和顶层的所有南向房间，建筑的外围护结构均没有采取保温隔热措施。因此，图1中各个房间的逐时室温为同一时刻、相同楼层房间的室温平均值。另一方面，文献[1]的研究说明：通风量较大时，室温变化主要由房间的通风状况决定；而在室内外通风影响较小的情况下，室温变化则主要由其它扰量的作用所决定，此时，室温的日波幅值基本小于3℃，室温延迟时间则大于6h。因此，研究对象的选择还应使房间室温的日波幅值小于3℃，室温的延迟时间大于6h，从而反映出房间所处楼层位置的变化对其室内热状况变化的主要影响。 　　　　　　　 　　 　　 　　　　　　 　　　　　　 　　　　　　 　　图1 测试期不同楼层房间的室温曲线 　　 　　图1表明：顶层、中间层及底层房间的室温变化曲线基本互相平等，即相比较中间楼层的房间，底层和顶层房间的室温各个时刻几乎以同样的幅度降低或升高，整个测试期内顶层房间的室温平均值比中间层的高1.7℃，而底层的则比中间层的低1.6℃。 　　以上的分析说明：房间所处楼层位置的变化导致了作用于房间扰量大小的变化，从而改变了房间的室内热状况。并且顶层房间的室温变化表明水平面太阳辐射对室内热状况影响的重要性，因此，应加强对住宅建筑屋面的保温隔热处理。

3 外围护结构的设计
　　
　　以上的研究分析说明了太阳辐射对住宅夏季室内热状况影响的重要性，因此，为改善住宅室内热状况，应在外围护结构的设计上采取相应的措施，主要包括外墙和屋面的保温隔热、外窗的遮阳以及合理的外窗朝向设置。
　　
　　3．1 外墙和屋面的保温隔热 　　
　　房间楼层位置的不同导致了影响室内热状况外扰的变化，而房间的热传递过程最终是通过室内空气和建筑围护结构内表面的热量交换来完成的，因此，即使在相同的外扰作用下，建筑围护结构对扰量的不同反应也会导致室内热状况的变化。外墙及屋面热阻的增加可以减少室外扰量通过围护结构向室内空气的热量传递。图2表示出两个西南向顶层房间整个测试期内的室温变化状况。与不同楼层房间研究对象的研究确定原则一致，通风对这两个房间室温变化的影响同样较小，但房间A为符合现行规范标准的节能住宅，外墙和屋面外保温，而房间B为传统的砖混结构住宅。
　　　　　　　 　　　　　
　　　　　　 　　　　　　 　　　　　　 　　图2 测试期保温和非保温房间的室温曲线
　　
　　图2中保温和非保温房间室温变化的差异基本类似于顶层和中间层房间的室温变化差异，因此，外墙保温、尤其屋面保温的效果在于可以减少太阳辐射热对住宅室内热状况的影响，从而从整体上降低了房间逐时室温及室温平均值的大小。与非保温房间相比较，整个测试期内保温房间室温最大值和平均值的降低幅度基本一致，分别为1.1℃和1.0℃。
　　
　　3．2 外窗遮阳 　　
　　良好的遮阳设施可能效地控制进入至室内的太阳辐射热，从而改变房间的室温变化趋势，因此，与房间楼层位置变化的影响类似，外窗遮阳也是导致了影响房间室内热状况外扰的变化。图3表示出两个西南的中间层房间整个测试期内的室温变化趋势。两个房间的外墙均无保温隔热措施，但对房间A的西窗同时采取了内遮阳和外遮阳措施；而房间B的西窗没有采取任何形式的遮阳措施，同样，这两个房间的室温变化也不受通风换气的影响。
　　　　　　　 　 　　
　　　　　　　 　　　　　　 　　　　　图3 测试期遮阳和非遮阳房间的室温画曲线
　　
　　为了进一步说明外窗遮阳导致房间室内热状况变化的物理机制，图4表示出整个测试期内，垂直西向太阳总辐射的变化。
　　 　　　　　 　　　
　　　　　　 　　　　　　 　　　　　　 　　图4　测试期西向太阳总辐射照度
　　
　　分析图3遮阳和非遮阳房间的室温变化趋势以及图4西向太阳总辐射照度的变化趋势，可看出：在太阳辐射强烈的条件下，外窗遮阳所导致房间A与房间B室温变化的差异十分明显：而在太阳辐射照度较低的情况下，房间A与房间B的室温变化则基本一致。因此，较之外墙和屋面的保温隔热，住宅室内热状况对外窗遮阳后的反应更为灵敏。这是由于太阳辐射通过外窗对室内热状况的影响与通过外墙的影响规律有所不同，太阳辐射通过外墙是以导热方式逐渐影响到围护结构内表面，进而与室内空气发生热量交换的，而太阳辐射通过外窗则是以对流和辐射的方式立即影响室内空气的热量交换。因此，外窗遮阳可有效降低室温的最大值，并相应降低室温平均值；另一方面，由于太阳辐射照度是逐日变化的，因而外窗对室温平均值变化的影响程度要低于对室温最大值变化的影响程度。在整个测试期内外窗遮阳导致室温最大值降低了1.2℃，而室温平均值降低的幅度却不超过0.5℃。
　　由于太阳辐射通过外窗对室内热状况的影响规律与通过外墙的影响规律不同，因此，在不同的朝向设置外窗也会导致扰量对室内热状况的影响程度有所不同，从而改变室内热状况。图5表示出在整个测试期内，中间层西南向两个房间的室温变化趋势，两个房间的外围护结构均没有采取保温隔热措施，且它们的室温变化同样不受通风换气的影响，不同的是房间A的南外墙和西外墙个均设置外窗，而房间B的西外墙上未设置外窗。
　　 　　　　　 　　　
　　　　　　　 　　　　　　 　　　　　　图5 测试期设置和未设置西窗房间的室温曲线
　　
　　图5所表示的不同房间室温变化的差异与图1所表示的基本一致，但图5同时表示出在太阳辐射照度较低的条件下，房间A与房间B室温变化基本一致的趋势。由于夏季的西向太阳辐射照度较大，因而西窗的设置极大增强了太阳辐射对室内热状况的影响程度，从而从整体上提高了房间逐时室温及室温平均值。整个测试期内室温最大值和室温平均值均提高了1.1℃。因此，除了外墙和屋面的保温隔热处理外，同时应通过遮阳和合理的外窗朝向设置减少透过外窗进入室内的太阳辐射得热。
　　
4 建筑平面布局
　　
　　以上的分析均是按照通风对房间室内热状况的影响可以忽略的原则选取研究对象，在受室内外通风换气影响较小的情况下，室温日波幅值低于3℃，室温的延迟时间大于6h。而在所有的测试对象中，存在室温波动幅度相关较大的房间，如图6所示，两个房间均为顶层南向的房间，并且建筑的外围护结构均没有采取保温隔热措施。同时，为了进一步说明自然通风状况对室内热状况的影响，通过比较分析的实测值与模拟结构，图7表示出在整个测试期内所分析房间的逐时通风换气次数。
　　 　　　　　　　 　　
　　　　　　　 　　　　　　 　　　　　图6　测试期不同自然通风状况房间的室温曲线
　　 　　　　　　　 　　
　　　　　　　 　　　　　　 　　　　图7　测试期不同自然通风状况房间的逐时换气次数
　　
　　分析图6和图7房间A与房间B室温和换气次数的变化趋势发现：在房间自然通风状况相关较大的情况下，自然通风状况的差异是导致房室内热状况变化的主要原因。较之房间B的室温变化趋势，在室内外通风换气量足够大的条件下，房间A室温的波动幅度明显加大，室温最大值上升，而室温最小值也急剧降低。
　　根据已有的经验，建筑室内平面布局及外部环境的不同是造成房间自然通风状况变化的主要原因，图8中房间A和房间B所处户型的平面图可用来证实这一点。房间A的平面户型设计有利于形成穿堂风，而房间B的平面户型设计却为室内外的空气流动造成了较大的阻力。
　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图8　房间A与房间B住户的平面户型图

　　进一步比较分析房间A与房间B的室温变化趋势，虽然房间A夜间的室内热状况会由于夜间通风得到改善，但白天的通风不仅没有将蓄积在建筑围护结构和家具内的热量散发到室外，反而将室外空气的热量带入室内，使得房间A的室温高于对应时刻房间B的室温。
　　综合上述的分析，房间建筑平面布局的不同导致了房间自然通风状况的变化，从而影响室内热状况的变化；但需要注意的一点是：只有当外温低于室温时的自然通风才是对住宅夏季室内热状况的改善有利的。
　　
5 结论
　　
　　通过对连续时间内不同房间室温变化趋势的分析比较，定量研究分析了建筑设计中各因素的变化对住宅室内热状况影响程度，其中，建筑外围护结构良好的保温隔热性能及合理的建筑平面布局是改善住宅室内热状况的关键。
　　


　　1 简毅文，江亿，居住建筑的夏季热状况研究--北京市住宅夏季室温调查分析（1），暖通空调，2002，32（3）：7-10
　　2 彦启森，等。建筑热过程，北京：建筑出版社，1986。
　　3 Baruch Givoni. Effectiveness of mass and night ventilation in lowering the indoor daytime temperatures, Pat I: 1993 experimental periods. Energy and Buildings , 1998 (28): 25-32