严寒地区室内多层贯通空间热湿环境实测研究

刘晓倩，许国强，迈力斯

（1.内蒙古工业大学建筑学院，呼和浩特 010021；2.内蒙古工业大学，内蒙古自治区绿色建筑重点实验室，呼和浩特 010021）

0 引言

随着建筑形式与空间的不断丰富，目前很多公共建筑中存在多层贯通空间，这类空间一般是指中庭在垂直方向上与各楼层联通，空气可在楼层和中庭间流动，建筑师经常用这种方式改善建筑自然通风。然而在贯通空间中，热湿环境会出现水平、垂直方向不均匀的现象，这种现象如果充分利用可对建筑整体热环境进行调节，如果利用不好可能会出现局部过冷或过热情况。

很多学者在相关领域开展了研究，如向艳在研究中得出:严寒地区冬夏季中庭室温空间分布均具有一定的垂直温度梯度和水平不均匀性[1]；彭小云对5 种类型中庭的热环境进行了调查研究，发现中庭不同楼层边缘空间的温度相差很大这主要是由于中庭空间较高，由于热空气上升而造成的温度分层；以及上面接受太阳辐射的时间又早又长,而边缘空间的温度变化会造成人体的热不舒适和热疲劳[2]；并且提出了一些热环境改善和节能的措施，通过一些建筑措施和手段可以改善中庭的热环境，降低中庭的能耗[3]；李传成等[4]通过对武汉地区某教学楼中庭内的温度场与室外微气候进行了现场实测与模拟,发现中庭内的垂直温度梯度对自然通风影响很大,中庭外窗的充分开启有利于夏季自然通风和节能；邱龄仪等[5]发现了该空间的两个气候特点温室效应和烟囱效应，如果考虑不当，贯通空间不仅使用效果差，而且增加建筑能耗；王崇杰等[6]在研究中发现热环境是评价室内环境优劣的重要方面，建筑设计起着主导作用，如果考虑不周，对于中庭这样的大空间会更多能源。这些研究成果对中庭空间的现状进行了很好地总结，对贯通空间的热湿环境的研究提供了重要参考[7，8]。

建筑内部贯通空间热湿环境分布问题与气候条件有关，不同的气候条件下贯通空间热湿环境分布规律具有很大的差异性。因此，文中在通过对严寒地区典型案例进行热环境实测，从而解析贯通空间热湿环境规律，为同类型建筑设计提供借鉴。

1 研究方法

文中选取呼和浩特某高校教学场馆为研究对象，采取现场实测的方法对室内贯通空间热湿环境进行测试。一般情况下，严寒地区建筑在夏季室内热湿环境能比较容易的满足实用要求，过渡季和冬季如设计不合理容易出现室内热湿环境不满足使用要求的情况，而学生大通常在贯通空间等公共区域活动。因而，研究过渡季、冬季贯通空间的热环境更有意义。

1.1 测试对象

测试对象为呼和浩特市某高校教学场馆，朝向如图1 所示，场馆内部为3 层，层高3.5m。入口处为玻璃门厅中庭则靠近玻璃门厅，与建筑1、2、3 层贯通。建筑全部采用钢筋混凝土桁架组成的排架结构和清水砖墙外立面。1 层建筑面积2746m2，采用地板辐射采暖；2 层建筑面积1634m2，3 层建筑面积1420m2，采用散热器采暖。

1.2 测试时间与仪器

呼和浩特地区冬季主导西北风，供暖期为每年10月15 日～次年4 月15 日，供暖对室内热环境有很大影响。因此过渡季测试室选择在供暖前（10 月1 日～10 月8 日）进行，冬季测试在最冷月（12 月22 日～12月29 日）进行。测试设备采用温湿度记录仪，具体参数见表1。

表1 测量仪器性能参数

1.3 测试内容与方案

根据建筑内部贯通空间的位置，分别在门厅、贯通空间布置测点,遵循测点垂直对应，便于上下层的温湿度对比。场馆的测点布置见图1。各测点距地面的高度为1.5m，数据采样间隔为1min，数据储存间隔为1h。在这个范围内测出的数据作为场馆贯通空间的空气温度、空气相对湿度的分布状况，并对测点的数据进行水平方向及垂直方向的分析。

图1 场馆各层测点布置图

2 水平方向热湿环境分析

2.1 供暖前各层温湿度分析

通过现场实测发现，该建筑在过渡季只利用自然通风排除室内余热余湿，非供暖期各测点水平温度波动趋于稳定，观察选取2017 年10 月3 日，发现最高温度出现在下午14:00～16:00 之间，最低温度出现在凌晨06:00～07:00 之间。过渡期贯通空间的空气温度呈先高后低再高趋势，而供暖期贯通空间的温度一直在恒定的值上下波动。

由图2 可知3 层空气温度波动一直处于最小，这是由于测点距门厅较远，受到室内外空气对流的影响较小，而在午间时出现峰值，是因为部分测点靠近透光围护结构，阳光辐射使测点的温度升高，后随着辐射热减少而温度降低。而首层的空气温度波动与2 层相近，稍低于2 层。而位于首层门厅周围的测点一直较低且波动较大，产生波动的原因主要和建筑的门厅有关。门厅人员流动最大，与室外空气对流，使大空间内储存的热量会损失。靠近透明围护结构的的测点的温度幅度较大，这是因为透明围护结构的保温性能较差，受到外界温度影响较大。当受到阳光辐射时高于别的测点温度。综上所述，各层空气温度走势基本一致，其中首层空气温度明显低于2、3 层，首层与2 层温度均值较为接近。建筑的开口以及太阳辐射影响贯通空间空气温度，处于贯通空间的顶层保温效果越好，而位于贯通空间的底层，空气温度越低。该建筑贯通空间空气温度大小排序为:1 层＞2 层＞3 层。

图2 过渡季（2017 年10 月3 日供暖前）各层温度曲线

相对湿度的变化趋势与空气温度有明显的负相关关系。首层的相对湿度最高主要原因是受到水景、植物种植以及卫生间等对湿度影响较大。部分测点距离水源较远，且受室内外空气换流引起的散湿影响，相对湿度较低。3 层的湿度相比首层较低，呈“单峰单谷”型。除了受温度影响外，在室内外空气换流最强时以及太阳辐射最强时湿度也明显发生变化见图3。

图3 过渡季（2017 年10 月3 日供暖前）各层湿度曲线

2.2 供暖期间各层温湿度分析

供暖期主要受到供暖设备影响，测点温度波动较大，但总体趋势接近。首层空气温度在06：00 之前一直趋于平稳，之后出现频繁波动，由于06：00 之前门窗紧闭，几乎没有室内外空气换流，温度只受到供暖设备的影响，所以温度保持平稳。之后由于人员频繁进入，门厅出现冷热空气替换，靠近门窗的测点温度出现大幅度起伏，且相对较低。3 层空气温度一直处于最高值，原因是距离门厅较远，较少了室内外空气的换热。部分测点距离热源设备较近，温度随着热源温度变化。在15：00～17：00 时温度达到峰值，在该时间段太阳辐射逐渐升高，测点温度也逐渐达到顶峰。而3 层出现高于首层与2 层的平均温度是由于首层大部分是地热采暖，由于“烟囱”效应，使得热空气上升，在顶部聚集，使得上层的温度高于下层的温度。2 层空气温度与3 层相近，且稍低于3 层。说明建筑的开口，采暖，以及太阳辐射都会影响贯通空间空气温度。综上所述贯通空间空气温度大小排序为:3 层＞2 层＞1 层。

图4 冬季（2017 年10 月3 日供暖期间）各层温度曲线

在供暖期相对湿度的变化趋势与空气温度也呈负相关关系。供暖期首层的相对湿度相对于过渡季的湿度较低，主要原因是受到供暖设备和室外空气的影响，冬季室外空气的湿度相对较高。相比于同时刻的2、3 层是湿度而言较高，主要是受室外空气、水景、植物以及卫生间等因素对湿度有较大影响。2、3 层的相对湿度均低于首层，是由于受到水源的影响较小，但受阳光辐射影响较大，在太阳辐射减少时湿度上升，反之情况见图5。

图5 冬季（2017 年10 月3 日供暖期间）各层湿度曲线

3 垂直方向热湿环境分析

3.1 供暖前垂直方向测点温湿度分析

由图6 可已看出，过渡季垂直方向上对应各测点变化规律相似，在09:00 之前出现温度下降的现象后呈现出逐渐上升的趋势，因为该时间段人员流动较多，各层都受到室内外空气换流的影响，但明显首层温度最低，反之顶层受到的影响最小。

图6 过渡季（供暖前）垂直方向测点实际温度值随时间的变化

由图7 可已看出，在垂直方向上供暖前的湿度大小与温度呈相反的趋势，各个垂直测点的湿度也呈现“单峰单谷”型，各层湿度并没有出现很大的差别。由于人员出入频繁起到了散湿的作用，首层由于距离门厅较近受到的影响最大，同时也受到水景，植物以及卫生间的影响增大了首层的相对湿度。相同位置的2、3 层测点，部分靠近透明围护结构受门厅的影响最小，湿度没有补充，相反却受到太阳辐射的影响，湿度相对较小。最高点出现在凌晨04:00～05:00 和夜间21:00～22:00，在午后温度高时，湿度下降约5～7%RH。由上所述室内湿度也受到太阳辐射、建筑开口的影响，呈现上层湿度较低底层湿度较高的现象。

图7 过渡季（供暖前）垂直方向测点湿度值随时间的变化

之后由于人员流动减少，室内人员散发热量以及受到太阳辐射，室内温度缓慢上升。测点均分布在同位置的1～3 层，且部分测点在门厅附近，对温度的影响最大，而相同位置测点位于3 层，受到建筑开口的影响较小。其他对应测点的变化规律相似。综上所述非采暖期贯通空间垂直方向上温差范围在2～3℃左右，各组垂直测点温度波动状况一致，最低温度出现在上午09:00，最高温度出现在14:00～16:00 之间，这是由于太阳辐射的影响以及地面的蓄放热有一定的延迟现象。

3.2 供暖期间垂直方向测点温湿度分析

由图8 可已看出，冬季垂直方向上对应各测点变化规律相似，在场馆开放时间内有人员流动温度呈现出上下浮动的现象。1～3 层同位置的测点，与过渡季相比浮动更小，但是上下层温度出现明显的差异，温差范围在3～7℃左右，这是由于在冬季首层采用地板辐射供暖，热量一部分通过门厅、透明围护结构等散失，另一部分时由于热空气本身的性质，上升聚集在贯通空间的上层。2、3 层采用散热器采暖，靠近热源的测点温度随着热源温度而变化。综上所述可知供暖期温度也呈现上层温度高于下层温度的现象。

图8 冬季（供暖期间）垂直方向测点温度值随时间的变化

供暖期的湿度大小也与温度呈相反的趋势。由于进行供暖，湿度的波动范围不大，但是不稳定性强。首层湿度受到室外空气、植物以及卫生间等湿度较大的因素影响，部分测点靠近门厅通过室外空气湿度的补充，湿度相对于2、3 层同位置的测点较高；而部分测点在空间内部，且距离门厅较远，湿度得不到补充，湿度相对较低。在场馆开放时，湿度也出现不规律的波动，这是由于测点受到室外空气与太阳辐射等的影响，湿度相差1.5～4%RH。由上所述采暖期贯通空间湿度也受到供暖与门厅等因素的影响，也呈现上层湿度较低而底层湿度较高的现象依托于测试结果对建筑贯通空间进行综合对比分析，表明其空间的热湿环境变化与太阳辐射、建筑开口、供暖等因素密切相关，是其综合作用的结果。贯通空间的空气温度、相对湿度受建筑开口、太阳辐射，供暖等多方面因素的影响;在供暖前，建筑开口、太阳辐射对贯通空间温湿度影响最大。供暖期间，贯通空间内的温湿度受到供暖因素影响较大。因此，在建筑设计中，应充分考虑建筑开口与建筑贯通空间二者之间的交互作用，应重点考量建筑开口所对应方向上的贯通空间的关系，使冷空气能够平缓流通，避免形成明显的气流通道，造成热量的大量散失。

图9 冬季（供暖期间）垂直方向测点湿度值随时间的变化

4 结语

通过对建筑内部贯通空间分别进行的实测,比较了贯通空间的空气温湿度变化规律,得到如下结论：

（1）严寒地区贯通空间的温湿度在水平与垂直方向上有明显的差异。供暖期前太阳辐射、建筑开口的影响较大，温湿度波动明显；供暖期间受供暖以及建筑的开口的影响，波动不稳定但幅度小。

（2）贯通空间在水平方向上首层温差较大，非供暖期最大温差为2℃，供暖期最大温差为8℃；垂直方向上的温差主要由于“烟囱”效应，热空气上升，造成顶部温度升高，非供暖期的最大温差为3℃，采暖期最大温差为7℃。

（3）贯通空间垂直方向的湿度呈现上低下高，非供暖期湿度在5%～7%RH 之间波动，供暖期湿度相差1.5%～4.5%RH 之间波动。