被動房冬季運行室溫響應(yīng)實測分析
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孔文憭，龔延風(fēng)，于昌勇，王立華，王杰村
（1．南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，南京210009；
2．江蘇省綠色建筑工程技術(shù)研究中心，南京210009；
3．上海朗綠建筑科技有限公司，上海200000）
[摘要]德國被動房在我國夏熱冬冷地區(qū)的試點和推廣已陸續(xù)展開，但具體運行效果尚未給出明確結(jié)論。本文通過對夏熱冬冷地區(qū)某實際運行的德國被動房冬季運行情況進行實測，分析了被動房在機械通風(fēng)系統(tǒng)不開啟，僅憑借其良好的保溫隔熱性和氣密性條件下的室溫響應(yīng)情況。結(jié)果表明，在室內(nèi)無人且無任何輔助供熱措施條件下，被動房在寒潮期間的室溫能穩(wěn)定在18℃左右；在室內(nèi)有人長期居住條件下，測試期間室內(nèi)溫度高于18℃以上的時間從無人狀態(tài)的55. 1%提高到了100%；冬季可進行短時間開窗通風(fēng)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，短時間開窗對室溫影響不大。
[關(guān)鍵詞]被動房；自然室溫；室內(nèi)發(fā)熱量；自然通風(fēng)；室溫響應(yīng)
0 引言
根據(jù)德國被動房標(biāo)準(zhǔn)，我們將年供暖耗熱量不超過15 kW.h/mz．年總能耗不超過120 kW．h/mz的建筑定義為“被動房”。由于被動房圍護結(jié)構(gòu)具有良好的保溫隔熱性和氣密性，使其冬季可以僅憑借太陽輻射得熱、燈光散熱、電視等家用設(shè)備散熱和人體散熱維持室內(nèi)溫度20℃以上，保證90%以上的室內(nèi)供暖需求。但由此也導(dǎo)致需要依靠新風(fēng)熱回收系統(tǒng)來維持室內(nèi)空氣衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和極端氣候情況下室內(nèi)熱環(huán)境要求，使得新風(fēng)系統(tǒng)能耗在全年總能耗中占據(jù)很大比例。根據(jù)歐洲學(xué)者對被動房的研究指出，被動房由于其圍護結(jié)構(gòu)的高節(jié)能性，使得其室內(nèi)發(fā)熱量對能耗和室溫的影響程度要遠大于一般節(jié)能建筑，故利用室內(nèi)發(fā)熱量來保障室溫效果更顯著。國內(nèi)學(xué)者也指出，夏熱冬冷地區(qū)被動房冬季室溫保障能力將好于歐洲寒冷地區(qū)，故需探索適合該地區(qū)的被動房運行策略。因此，研究被動房在夏熱冬冷地區(qū)氣候條件下的自然室溫保障能力，探討在新風(fēng)系統(tǒng)不承擔(dān)室內(nèi)負荷的條件下，被動房冬季的室溫極限，盡可能降低新風(fēng)系統(tǒng)能耗，對制定被動房在夏熱冬冷地區(qū)冬季合理的新風(fēng)系統(tǒng)運行控制策略具有重要意義。以往的研究大多停留在理論研究階段，針對夏熱冬冷地區(qū)實際氣候條件進行的被動房室內(nèi)熱環(huán)境實測的研究更少。為了避免新風(fēng)對室內(nèi)溫度的影響，實驗將在新風(fēng)熱回收系統(tǒng)不開啟情況下進行。通過對被動房冬季自然室溫情況進行實測，探討以下3種工況下的被動房室溫響應(yīng)情況。
工況1（自然室溫工況）：室內(nèi)無人員及其它熱源，在典型冬季氣候（室外均溫5℃）和冬季寒潮氣候（室外均溫0℃）的條件下，室內(nèi)溫度隨自然氣候的波動情況。
工況2（持續(xù)熱擾工況）：有1人進入房間自由活動并開啟室內(nèi)燈光和電視設(shè)備等熱源，通過短期尺度和長期尺度測試室內(nèi)溫度在有發(fā)熱量影響下的波動情況。
工況3（自然通風(fēng)工況）：有1人進入房間自由活動并開啟室內(nèi)燈光和電視設(shè)備等熱源，分別通過短時間開窗（僅有一天開窗th）和長時間開窗（連續(xù)Sd每天開窗1 h）測試室內(nèi)溫度的波動情況。
具體技術(shù)路線見圖1。
1 實驗內(nèi)容
1.1 實驗條件
實測建筑為浙江省長興市某被動房，是我國與德國合作在夏熱冬冷地區(qū)建造的被動房項目，地理位置處于北緯30。43'~ 31。11’，東經(jīng)119 033’~120006 ’之間，被動房參數(shù)見表1。本次實驗房間為三室一廳型居住戶型，平面布置見圖2。由于室內(nèi)溫度影響因素較多，為盡可能避免天空背景輻射、地面輻射和太陽輻射等條件對室內(nèi)溫度的影響，選取被動房標(biāo)準(zhǔn)層（第3層）的朝北臥室（人員滯留時間最長）作為測試對象，如圖中標(biāo)記處。臥室三面為內(nèi)墻，一面為外墻，外墻有窗。本次實驗主要包括三個工況，為進行對比，選取3個完全相同的朝北臥室（分別為房間A、B和C）進行實驗，實驗工況具體情況見表2。
1.2實驗儀器布置
實驗儀器參數(shù)見表3，儀器測量范圍及精度滿足國際標(biāo)準(zhǔn)IS07726的要求。實驗時，室內(nèi)溫度的測試根據(jù)GB/T 18204. 13 -2000《公共場所空氣溫度測定辦法》和GB 50243-2002《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》中對監(jiān)測點的布置要求，將測量點布置在離地面1.5 m平面上，離開壁面和熱源不小于0.5 m，并以空間對角的方式進行分布。房間平均布置4個溫度測點，采用四通道溫度自記儀自行記錄溫度變化，取4個點的平均溫度作為室內(nèi)房間的空氣溫度，見圖4。建筑室外四周布置4個溫度自記儀，取4個點的平均溫度作為室外平均溫度。開窗工況下，窗口布置4個風(fēng)速測點，取4個點的平均值作為窗口平均風(fēng)速，窗口風(fēng)速儀布置見圖5。實驗測試嚴(yán)格按照規(guī)范要求。
2 實驗結(jié)果分析
2.1 自然室溫工況（工況1實驗結(jié)果分析）
在冬季氣候條件下，朝南房間由于得到較多的太陽輻射故室內(nèi)溫度顯然會高于朝北房間，故只有通過檢測被動房朝北房間室溫處于哪個范圍，才能檢驗被動房冬季室溫保障能力，以及對被動房在惡劣寒潮氣候下的室溫極限作出判斷。自然室溫實驗在房間A進行，室溫數(shù)據(jù)既作為對自然室溫工況下的室內(nèi)熱環(huán)境進行評價，也與工況2和工況3的試驗數(shù)據(jù)進行對比。通過對被動房冬季連續(xù)14 d的檢測，室內(nèi)溫度波動情況如圖6所示，將測試結(jié)果劃分為兩個階段進行討論，分別為典型冬季工況（室外均溫5℃，圖中1月10~16日）和寒潮工況（室外均溫0℃，圖中1月17~ 21日）。
從曲線總體趨勢看，室內(nèi)溫度在典型冬季氣候條件下（寒潮來臨前）能保持較好的數(shù)值，基本在20.6℃左右，在寒潮期間室溫逐漸下降至18℃左右，在寒潮走后，室溫保持穩(wěn)定在18℃左右。因而可以看出即使在寒潮來臨時，被動房由于自身良好的保溫性能，室內(nèi)平均溫度也能維持18.1℃，能達到規(guī)范GB 50736-2012中供暖房間18℃的要求。寒潮過后，雖然室外溫度逐漸回升到正常的冬季氣候條件水平，但由于被動房大慣性體系的存在，使得其室內(nèi)溫度受前一時段基礎(chǔ)室溫影響較大，室溫回升緩慢。這為被動房的室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計提供了理論依據(jù)。
2.2持續(xù)熱擾工況（工況2實驗結(jié)果分析）
持續(xù)熱擾工況實驗在房間B進行，主要討論室內(nèi)發(fā)熱量（人員、燈光和設(shè)備）對室內(nèi)溫度影響的短期效應(yīng)以及在室內(nèi)長期有人居住條件下，室內(nèi)發(fā)熱量對提高被動房冬季室溫的累計貢獻情況。房間B的實驗要求見表2，同時將房間B的室溫數(shù)據(jù)與無人房間A的室溫數(shù)據(jù)進行對比，從而突出室內(nèi)發(fā)熱量對房間室溫的影響。
2.2.1 短期尺度
實驗結(jié)果見圖7，其中曲線1~3參見左坐標(biāo)軸，分別為室外溫度、房間A和房間B的室內(nèi)溫度，曲線4為房間A和B的溫差，參見右坐標(biāo)軸。根據(jù)圖中結(jié)果分析知，在人員進入室內(nèi)，并同時打開臥室內(nèi)所有燈光和設(shè)備的條件下，室內(nèi)顯熱發(fā)熱量達到203 W，從1月10日的18：00 ~1月1 1日18：00這24 h過程中，房間B室內(nèi)溫度持續(xù)上升，上升速率接近0.1℃/h．24 h內(nèi)上升了2.2℃。在人員離開房間后，室內(nèi)溫度持續(xù)下降，由于室內(nèi)熱源與室內(nèi)空氣、墻體和家具之間發(fā)生的對流和輻射換熱，使得部分熱量已被吸收并儲存起來，人員離開后，室內(nèi)溫度下降速率略緩于室溫上升速率，至人員離開后24 h，室內(nèi)溫度相比無人存在的房間A仍有0.8℃的溫差。而在房間實際使用過程中，用戶每天待在臥室的時間往往不超過24 h，且和用戶作息有關(guān)。但總的來說，在被動房良好的氣密性等級和保溫隔熱性能條件下，人員和設(shè)備等發(fā)熱量帶來的溫升會逐漸累積，并最終提高室內(nèi)溫度，這也是被動房相比于一般節(jié)能建筑而言的一大明顯優(yōu)勢，如果充分利用這一優(yōu)勢，利用室內(nèi)發(fā)熱量的作息調(diào)整室內(nèi)溫度將極大減少被動房冬季能耗。
2.2.2長期尺度
人員在臥室內(nèi)滯留的時間是隨機的，這和人員的行為習(xí)慣及工作生活作息有關(guān)。為了使實驗結(jié)果具有代表意義，實驗人員按照一般工作族的生活作息進行了作息安排，臥室內(nèi)人員、燈光和設(shè)備的作息時間見圖3，實驗結(jié)果見圖8。依然將有人居住房間B和無人居住房間A做對比，從而突出室內(nèi)發(fā)熱量對室溫的影響。從圖8結(jié)果分析得，在長期尺度條件下，人員每天按照生活和工作作息進出房間，對室內(nèi)溫度產(chǎn)生了一定的波動，1月10日~ 26日期間，房間的平均溫度從18.9℃提升至20.8℃，平均溫度提高了1.9℃。從累積效果看，至26日，與無人房間A相比，房間B室內(nèi)溫度提高了2.5℃。以18℃為界，被動房在測試期間，室內(nèi)溫度高于18℃以上的時間從無室內(nèi)發(fā)熱量狀態(tài)（房間A）的55. 1010提高到了有室內(nèi)發(fā)熱量狀態(tài)（房間B）的100%。
2.3 自然通風(fēng)工況（工況3實驗結(jié)果分析）
自然室溫工況和持續(xù)熱擾工況的整個實驗過程都是在不開窗的條件下進行的，由于不同用戶的生活習(xí)慣不同，對室內(nèi)空氣品質(zhì)要求和熱環(huán)境要求也不盡相同，所以開窗會是部分被動房用戶的選擇之一。為探討在開窗工況下，被動房室溫波動情況及關(guān)窗后室溫的恢復(fù)能力，需對在自然通風(fēng)工況下的室溫響應(yīng)情況進行探討。自然通風(fēng)工況實驗在房間C進行，并將房間C的室溫與無人房間A的室溫進行對比，從而突出開窗通風(fēng)對室溫的影響。房間C的實驗要求見表2。
2.3.1 短期尺度
短期尺度條件下，僅在1月10日中午12:00~13：00期間開窗換氣1 h。溫度測試時間間隔為5min。開窗期間，窗口平均風(fēng)速為0.8 m/s。從圖9實驗結(jié)果看出，開窗后的15 min內(nèi)，室溫便從21.6℃迅速降至16.2℃，隨后持續(xù)降低，至13：00關(guān)窗時，室溫降至最低的14.2℃。在關(guān)窗后，室溫迅速回升，在關(guān)窗后的15 min內(nèi)，室溫迅速回升至18℃，至13：00室溫穩(wěn)定在20.3 0C。從關(guān)窗前后的室溫變化規(guī)律得，開窗后的溫度下降和關(guān)窗后的溫度回升，基本都在15 min內(nèi)完成，15 min以后是一個穩(wěn)步逐漸改變的過程。關(guān)窗1 h后的室溫與開窗前相比降低了1.3 aC，冬季短時間開窗不會帶來室溫太大的改變，可通過短時間開窗改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。
2.3.2 長期尺度
長期尺度條件下，連續(xù)Sd，每天12：00開窗1h。開窗期間窗口平均風(fēng)速為0.8 m/s。從圖10分析得，在連續(xù)每天定點開窗情況下，室內(nèi)溫度總體趨勢是1個下降的過程。從平均值分析，開窗Sd內(nèi)的室內(nèi)平均溫度為18℃，比房間A平均溫度降低了2.8℃。從累積效果分析，至開窗工況最后一天14日24:00，室內(nèi)溫度為16℃，與未開窗且無人的房間A相比，降低了4.5℃。從長期尺度分析，冬季每天定時開窗工況下，室溫降溫幅度較大，不利于室溫的穩(wěn)定。
3 結(jié)論
1)僅憑借被動房良好的保溫隔熱性和氣密性，在無任何輔助供熱措施和室內(nèi)發(fā)熱量條件下，朝北房間室內(nèi)溫度能維持在20.6℃左右（正常冬季氣候條件），在惡劣寒潮氣候下，室內(nèi)溫度下降至18.1℃，寒潮過后室溫回升緩慢。由此可見，被動房在夏熱冬冷地區(qū)冬季氣候條件下運行時，基本不需其他輔助熱源措施就能達到較好的室內(nèi)熱環(huán)境的要求，這對調(diào)整新風(fēng)系統(tǒng)運行策略，減少新風(fēng)熱回收系統(tǒng)能耗，從而達到被動房能耗指標(biāo)具有重要意義。
2)室內(nèi)發(fā)熱量對被動房室溫提升效果顯著。被動房體系的存在可以將室內(nèi)人員、燈光和設(shè)備等熱擾產(chǎn)生的發(fā)熱量蓄積在室內(nèi)，并通過逐日的累積緩慢提高平均室溫。被動房在測試期間，室內(nèi)溫度高于18℃以上的時間從無室內(nèi)發(fā)熱量狀態(tài)的55. 1%提高到了有室內(nèi)發(fā)熱量狀態(tài)的100%，這為被動房在熱擾條件下的溫度設(shè)計提供了理論依據(jù)。
3)論證了被動房冬季短時間開窗的可行性。在僅開窗1 h的情況下，室溫在關(guān)窗后可以得到迅速回升，關(guān)窗后1 h，室溫能達到穩(wěn)定，與不開窗相比僅降低了1.3℃，由此可見冬季可以通過短時間開窗進行通風(fēng)換氣。但在連續(xù)多天每天定時開窗工況下，室溫降溫幅度較大，不利于室溫的穩(wěn)定。因此，權(quán)衡好冬季利用開窗進行通風(fēng)換氣和利用新風(fēng)系統(tǒng)來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量之間的關(guān)系，達到既滿足室內(nèi)空氣質(zhì)量要求又滿足被動房能耗指標(biāo)要求，是被動房在該地區(qū)冬季運行時值得關(guān)注的問題之一。
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