夏热冬冷地区居住建筑空气与热湿环境调控设计探讨

摘要

阐述了“通风优先，热湿调控配合”的居住建筑空气与热湿环境调控设计总体思路。在分析夏热冬冷地区城市气候资源，明确建筑所在城市暖通空调季节划分、住户人员结构和住宅使用模式的基础上，指出营造健康舒适的室内环境需要将室内相对湿度作为热湿环境控制的设计指标，根据住宅各功能房间的使用模式分别设定房间使用时段和非使用时段的室内热环境参数，依次进行各房间的负荷计算分析和冷热源设备选型，实现节能的目的。针对夏热冬冷地区居住建筑空气与热湿调控需要，给出了相关的通风、供暖和空调设计技术要点和措施。

关键词

夏热冬冷地区 居住建筑 空气质量 热湿环境 通风优先

重庆大学 重庆海润节能研究院 付祥钊

重庆海润节能研究院 丁艳蕊

0 引言

人居的室内环境，应该以人为本，保障居住者的安全健康、舒适便捷，同时与大环境友好。这也是居住建筑空气与热湿环境调控的任务。暖通空调是建筑空气与热湿环境调控的支撑技术，其节能设计应服从于改善居住条件的要求。依据相关技术文献调研的结果，夏热冬冷地区开展建筑节能时（2000年前后），该地区人民生活处于从脱贫到温饱的发展阶段，受社会经济发展水平的限制，当时编制该地区居住建筑节能设计标准时，重点关注的是夏季居住建筑的可居住性。现在，我国已进入小康社会，夏热冬冷地区普通百姓对居住建筑环境的需求已由初步可居住性的“冬不冻手足，夏不睡大街”，上升到“安全、健康、舒适、环保、节能”的全面要求。建筑空气与热湿环境调控能耗已不限于降温，节能设计不再只是单一的减少降温能耗。

1 夏热冬冷地区居住建筑空气与热湿环境调控的总体思路

JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（以下简称《节能标准》）从关注夏季居住建筑的可居住性出发，重点在于控制夏季室内干球温度，空气与热湿环境调控弱化为温度调控，主要是降温。从节能效果角度，《节能标准》规定该地区居住建筑降温应优先采用通风技术，尤其是自然通风，但由于利用风压和热压自然通风效果的不确定性和有限性，实际普遍采用的降温措施是以机械制冷作为冷源的降温设备——房间空调器。因此，该地区居住建筑节能设计的思路是：在改善建筑热工性能的基础上，提高降温系统的能效，减少降温能耗，即达到《节能标准》中规定的冷热源能效等级。

居住建筑“安全、健康、舒适、环保、节能”的环境控制需求是全年连续性的，各种需求相互关联。在居住建筑空气与热湿环境调控的发展历史上，本应为一个有机整体的建筑环境调控技术体系分离成了相互独立的供暖、通风、空调、制冷等技术系统，分别设计。这使建筑空气与热湿环境控制所需要的各种时空资源、空气资源、冷热资源等难以在这几个系统的设计中协调共用，不能实现高效节约。居住建筑节能需要立足于全年环境质量和调控能耗进行综合的节能设计。根据室内空气品质和热舒适的相对重要性，以及通风和舒适空调使用的时空特点（通风是全空间、全时间需要使用的，供暖和空调是部分空间、部分时间需要的）和技术难度，居住建筑空气与热湿环境控制的基本原则应是“通风优先，热湿调控配合”。暖通空调系统节能设计的基本思路应是：

1） 通风的第一功能是保障建筑内人员的呼吸安全与健康；第二功能是改善建筑内的热舒适。暖通空调节能设计应优先进行贯通全年的通风设计。

2） 设计的通风系统应能保障居住建筑内人员全年的呼吸安全与健康，并在技术经济合理的条件下，在一年尽可能多的时间里，实现室内的热舒适，提高通风能效。

3） 为通风系统的全年运行确定新风源和排风区域。

4） 逐一分析所设计的通风系统不能单独实现室内热舒适的各时间段，为通风系统匹配经济合理的、高能效的热湿调控措施，计算和分析其冷热负荷变化。

5） 为热湿调控措施确定经济合理的、高能效的冷热源。

6） 制定通风系统及与其配合的热湿调控措施的全年联合运行调控逻辑，提高居住建筑环境控制的全年运行能效。

为此，夏热冬冷地区居住建筑空气与热湿调控的节能设计要适应建筑所在地的气候特点和建筑的使用模式，按全年周期性季节变化进行。

2 划分夏热冬冷地区居住建筑节能设计的气候分区与季节

已有相关文献对夏热冬冷地区共性的气候特征进行了探讨，根据该地区的共性特征，将全年划分为通风季节、除湿季节、供暖季节和空调季节，如表1所示。暖通空调节能设计的全年季节转换顺序依次为：供暖季节→通风季节A→除湿季节→空调季节→通风季节B→供暖季节。进一步分析该地区内部的不同，将其分为了东、西2个暖通空调气候分区，如图1所示。

图1 夏热冬冷地区暖通空调气候分区

有关调研内容根据各代表城市室外热湿空气状态变化划分出暖通空调设计的各个季节，进一步分析了东、西气候区各城市间的季节差异。东区城市空调运行调节的重点、难点及节能潜力较大的时间在供暖季节前后的通风时段，而西区城市在除湿、空调季节前后的通风时段。

具体项目设计时，不能将夏热冬冷地区宏观整体的规律性直接照搬至各个城市，需要对建筑所在城市的暖通空调季节作进一步的单独分析。

3 确定夏热冬冷地区居住建筑的使用模式

依据社会学调查和大数据分析，了解到居住建筑典型住户的人员结构，并归纳为2种基本模式：基本模式A，上班人员+不上班人员（老人、小孩、家政工、在家执业人员）；基本模式B，全部是上班人员。对典型住户的居家生活进行特点聚类，得出典型住户的住宅使用模式，如表2所示。

夏热冬冷地区住宅内空气与热湿调控也可分为对应的2个模式：

1） 对于使用模式a， 整套住房内的空气与热湿调控宜全天24h持续进行。

2） 对于使用模式b， 整套住房内的空气与热湿调控宜在18:00—07:00时间段内持续进行。

需要注意的是，各个房间的使用模式和整套住房的使用模式有差异，见表3。不同功能房间的暖通空调系统运行时间是有差异的，这对于暖通空调系统的调控逻辑、末端和冷热源主机设备的选型有很大的影响，设计时应了解住户的人员结构及住宅的使用模式，确定各功能房间的使用时段、在室时间表。

其他各类居住建筑的使用模式应分析确定，不宜直接使用住宅的数据。

4 确定室内空气与热湿环境设计计算参数

室内空气与热湿环境设计参数取决于居住建筑室内健康和舒适程度，也影响到能源消耗，夏热冬冷地区居住建筑节能的初衷和出发点是不断改善该地区居民的居住条件，提高生活质量，这是从脱贫、温饱到小康逐步提升的过程。应在不降低室内人员热舒适要求的基础上，实现节能的目的，根据住户的使用模式及主要功能房间的使用时段，分别设置不同的空气与热环境参数指标。

《节能标准》规定了夏季空调和冬季供暖时的室内空气和热环境设计参数，如冬季供暖卧室、起居室室内设计温度18 ℃、换气次数1 h-1，夏季空调卧室、起居室室内设计温度26 ℃、换气次数1 h-1，仅规定了室内设计计算温度和换气次数。是否控制湿度是控制室内环境方面小康水平高于温饱水平的标志，室内设计参数引入相对湿度限值，才能合理确定高能效的技术方案，提高能效。GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（以下简称《民规》）的舒适标准明确规定了相对湿度的限值：一级热舒适等级，冬季供热工况设计温度22～24 ℃、相对湿度大于等于30%，夏季供冷工况设计温度24～26 ℃、相对湿度40%～60%；二级热舒适等级，冬季供热工况设计温度18～22 ℃（相对湿度没有限制），夏季供冷工况设计温度26～28 ℃、相对湿度小于等于70%。

室内空气与热湿环境设计计算参数是系统方案、控制策略、设备选型计算及节能设计等的依据。夏热冬冷地区居住建筑设计参数的取值，室内空气品质设计为：集中污染源房间（厨房、卫生间（以下简称厨卫））使用时排风换气次数6 h-1，不使用时换气次数不小于1 h-1，控制厨卫内空气不外泄；无集中污染源的房间换气次数1 h-1。室内热舒适设计为：夏季室内设计温度26 ℃、相对湿度60%，冬季室内设计温度20 ℃、相对湿度30%。

5 优先设计通风系统

前面已说明通风的第一功能是保障建筑内人员的呼吸安全与健康，简称卫生通风；第二功能是改善建筑内的热舒适，简称热舒适通风。实践表明，在住宅供暖、除湿、空调时，若住户不满意室内空气品质，会开窗供暖或空调，大量冷热空气直接进入室内，增加了末端的冷热负荷和主机能耗。居住建筑是住户自己管理使用的，各种规章制度、经济手段（阶梯电价等）都不能阻止住户在感到室内空气品质不好时开启外门窗。唯一正确可行的路线就是作好通风设计，提高通风能效，控制室内空气污染源，提供住户满意的室内空气品质。即居住建筑的暖通空调节能设计应通风优先，热湿调控与之匹配，达到全年室内空气品质、热湿环境质量最佳和能源利用效率最高，减少供暖、除湿、空调季节的新风能耗。

通风同时具有卫生和热舒适2个功能的季节称为通风季节，只具有卫生功能的季节称为非通风季节（含供暖、供冷、除湿等季节）。这2类季节的通风量差异很大，往往需要设计不同的系统。全年通风设计应适应建筑所在地的暖通空调气候分区和季节划分，适应住户的使用模式，宜先作卫生通风设计，再作热舒适通风设计。

5.1 卫生通风系统设计

根据居住建筑的使用模式，划分各房间的空气卫生等级为：一级保障区（如卧室区）、二级保障区（如起居区）、污染区（如厨卫、污染设备区等）。卫生通风设计的要点是首先将居住建筑内厨卫、洗涤、污染设备等固定的空气污染源控制好，再计算各建筑空间的全年卫生通风需求，设计能保障这一需求的卫生通风系统。居住建筑卫生通风系统设计主要包括厨卫通风系统设计和卧室、起居室卫生通风系统设计。居住建筑节能设计宜先结合全年各季节的卫生通风设计进行。

厨卫通风系统设计，全年各季节都宜用局部机械排风控制厨卫的污染空气和湿源，并维持厨卫相对于卧室、起居室的负压。不论厨卫是否在使用都需要控制厨卫内的空气不外泄，这有利于减少整套住房的新风需求、减少新风能耗，具体措施有：

1） 卫生间换气扇设置在卫生间顶部，排放到室外容许的排风区域，控制卫生间污染空气和湿源的机械排风，宜采用双速风机，卫生间有人使用时大风量（3 h-1）运行，无人使用时小风量（1 h-1）运行。市场上已有能进行智能转换的成熟产品。

2） 控制厨房空气污染源的机械排风宜24 h持续运行。在厨房不使用时，其换气次数不小于1 h-1，控制厨房内空气不外泄，由厨房换气扇单独承担，换气扇宜设置在厨房洗涤区域顶部，排放到室外容许的排风区域；厨房使用时排风换气次数6 h-1，由厨房抽油烟机和厨房换气扇共同承担，抽油烟机靠近炊具设置，须有效控制炊事油烟，炊事油烟应经处理达标后排放。

卧室、起居室等功能房间卫生通风系统设计，不论是否在使用，按房间换气次数不小于1 h-1设置系统，持续送新风，宜采用机械送风且24 h持续运行，经房间门窗缝隙和厨卫排放到室外可排风区域，宜按一套住房或一栋住宅构建卧室、起居室等功能房间卫生通风系统，并配置新风净化与热湿处理功能。

每套住房应进行卫生通风的空气平衡和空气流动分析，以户为单元进行卫生通风的空气平衡设计计算，保证户内空气流线满足新风→卧室、起居室→厨卫→室外。应分别按厨卫使用和不使用2种工况进行分析。空气平衡要保障厨卫处于负压，卧室、起居室等功能房间处于正压；宜适当对厨卫区补风，防止起居区室外空气渗入，减少起居区热湿调控能耗。

一套住房的卫生通风空气平衡方程为

式中 ∑Voi为各房间的卫生新风送风量，不随时间变化；∑Vsi（τ）为起居区各房间渗透风量，随时间变化；∑Voj（τ）为厨卫等区域的补风量或渗入风量，随时间变化；∑Vpj（τ）为厨卫等区域的排风量，随时间变化。

5.2 热舒适（降温）通风系统设计

热舒适通风量V可用下式计算：

式中 Q为需通风消除的室内余热，W；Cp为空气单位体积热容，J/（m3·℃）；tn为室内空气温度，℃；tw为室外空气温度，℃。

其中，室外空气温度的取值对热舒适通风系统的技术经济性和节能性有重大影响，室外温度取值高，热舒适通风季节长，节能量大，但需要的通风量大，热舒适通风系统造价和运行费高，二者需要合理地平衡。室外温度的设计取值范围是一个重要而复杂的问题，需要较大的篇幅进行专题讨论，此处不过多介绍。由于缺少必要资料，难以进行分析平衡时，一套住房的热舒适通风换气次数可取3～6 h-1，必要时可增强厨卫排风系统或辅以机械送风系统获得需要的热舒适通风量。

热舒适通风系统设计从自然通风开始，利用卧室、起居室可开启外门窗和厨卫机械排风形成保证室内空气品质和热舒适的复合通风系统。应以户为单元分别进行热舒适通风时的空气平衡设计计算，包含厨卫机械排风，卧室、起居室等的新风及通风季节的自然通风。热舒适通风要注意室外风向，避免造成厨卫大量进风而变为正压，破坏正确气流路线，损害室内空气品质。

很多研究成果表明，充分利用自然通风可改善室内热环境，减少空调能耗。但湿度也是影响人体热舒适的重要因素。根据相关文献对室外热环境气象参数的分析，夏热冬冷地区空调季节7—8月，01:00和07:00的静风率很高，同时7—8月室外空气含湿量基本在15～20 g/kg之间，甚至在20g/kg以上，超出人体舒适的湿度范围，空调季节利用降温通风的潜力并不大，不必专为此设计复合通风系统，必要时可利用通风季节的热舒适通风系统。

6 匹配热湿调控措施

完成全年通风设计之后，即可设计全年热湿调控的匹配措施。前面设计的热舒适通风系统已能保障通风季节建筑内的空气和热舒适要求，而全年运行的卫生通风系统不能达到冬夏和除湿季节的热舒适要求。匹配热湿调控措施，只需分析卫生通风条件下各居住建筑空间的冷、热、湿负荷变化规律，确定热湿处理末端的形式和大小。

6.1 冬季热舒适调控匹配设计

匹配冬季热舒适调控（即供暖）方案应与当地气候和居住建筑使用模式相适应，不应影响卫生通风系统的独立运行。供暖室内末端应与热源特性相适应。地板辐射供暖系统有较强的热稳定性及热舒适性，适合于使用模式a的住宅。已有研究表明，使用模式b的住宅也适合使用。当热源为太阳能、需除霜的空气源热泵等，不稳定或可靠性差时，供暖末端宜采用地板辐射供暖。有稳定热源时，宜选择地板辐射供暖（低温辐射供暖）或散热器供暖（自然对流供暖），也可与供冷季共用末端，但应兼顾供暖与供冷气流组织的不同要求。同时要注意避免供暖送、回风气流破坏卫生通风的气流组织效果。

是否采用通风热回收，应通过技术经济分析确定。在全寿命期内有经济效益时，采用带热回收的机械通风装置。根据东西区城市供暖季节室外温度情况分析，东区宜采用通风热回收，西区可不采用通风热回收。

在进行模拟分析、权衡比较时，住宅各主要房间的室内设计计算参数宜根据各功能房间的使用模型，在使用时段和非使用时段分别设定不同的参数。典型住户主要功能房间的室内热环境设计计算参数可按表4确定。

6.2 夏季热舒适调控匹配设计

匹配夏季热舒适调控（供冷）方案应与当地气候和居住建筑使用模式相适应，不应影响卫生通风系统的独立运行。鉴于夏热冬冷地区是热湿同季的高湿地区，住宅的空气和热湿调控由住户自己进行，a、b类使用模式的住宅，都要谨慎采用低温辐射供冷末端；采用冷风末端要注意避免供冷的送回风气流破坏卫生通风的气流组织效果。供冷系统节能设计的具体措施有：

1） 供冷风系统不应妨碍全年卫生通风系统，在供冷季节独立运行，不应替代卫生通风系统的功能。采用就地回风的，不宜与新风混合后再作热湿处理。

2） 室内设计参数不考虑东、西区差别，宜考虑各功能房间的使用模型，使用时段室内温度设定为26 ℃，非使用时段设定为28 ℃，相对湿度≤60%。

3） 应区别供冷季节室外空气的不同热湿状态，制定运行策略。在室外空气的潮湿时段（干球温度<26 ℃，相对湿度>60%），应具有除湿能力。宜采用新风系统除湿，按潮湿时段的除湿要求适当增大新风系统风量。

4） 整个夏热冬冷地区都宜回收冷凝热和冷凝水。

5） 供冷室内末端宜采用机械对流末端，不宜与供暖共用末端。

6.3 除湿季节热舒适调控匹配设计

除湿通风归属于卫生通风。潮湿是夏热冬冷地区气候的一大特点，除通风季节外，全年很长时间范围内，室内自然温度能满足《民规》的舒适标准要求，但室内自然湿度不能满足要求。经测算分析，该地区室外相对湿度较大，加之室内的散湿，供暖季节一般不需加湿，可保证室内相对湿度达到30%及以上。室外温度舒适、相对湿度高的高湿期，称之为除湿季节。可将经除湿处理后的新风送入室内，承担室内人员产生的湿负荷，可根据承担室内零散湿负荷的需要适当加大新风量；厨卫的产湿由换气扇排风控制排出，不需另加措施，换气扇需保持持续运行。当采用冷冻除湿造成室温偏低时，可将部分湿负荷转移给单独设置的小型除湿机承担。

7 冷热源与冷热输配系统的选择

合理选择冷热源，设计冷热输配系统，形成居住建筑室内空气与热湿环境调控的综合技术体系，负荷计算和分析应按各房间的使用模式逐房间进行。确定房间末端容量时要考虑户间换热和室间传热。确定户式冷热源容量时应根据住宅各主要功能房间的使用模式确定同时使用系统容量。根据国家对环境保护和能源战略的发展规划，居住建筑宜采用太阳能、空气源热泵、地热能等可再生能源并综合应用，当技术经济合理时，居住建筑小区可采用热、电、冷联产技术。相关调研根据空气温度、湿度、太阳辐射等室外气象参数的差异，将夏热冬冷地区划分为东区和西区2个暖通空调气候分区，东区太阳能资源相对丰富，西区冬季室外温度相对较高。因此，东区城市可优先利用太阳能，以其他能源为辅；西区城市供暖热源可优先利用空气源热泵。当优先考虑的气候资源条件不足或受限时，也可利用多源热泵、燃气炉、综合热源等供暖热源。

东西区夏季都宜采用空气作冷源，可与冬季供暖共用冷热源热泵设备。

8 结论

1） 通风是居住建筑最基本的需求，居住建筑节能设计应融入“通风优先，热湿调控配合”的总体思路，从全年运行的卫生通风着手（包括厨卫卫生通风、居室卫生通风设计），然后进行通风季节的热舒适通风设计。按一套住房为单元，进行各种通风工况的空气平衡分析，提高通风对室内空气与热湿环境的调控水平和节能性，在此基础上匹配冷热调控措施，实现全年的热舒适和节能。

2） 湿度是影响人体健康舒适的重要指标，要想营造健康舒适的室内环境，必须进行热湿双控，因此，应将相对湿度作为室内热环境设计计算参数进行控制。夏热冬冷地区居住建筑暖通空调系统设计应明确空调季节和除湿季节相对湿度的控制指标。

3） 居住建筑室内热环境设计参数的确定应根据各功能房间的使用模式，在使用时段和非使用时段设定不同的参数，据此进行负荷分析计算，进行冷热源设备的合理选型，既能满足人体的热舒适需求，又能达到节能的目的。

4） 夏热冬冷地区东西区不仅存在气候差异，更存在社会经济发展水平的差异。应鼓励东部地区制定更高水平的居住建筑空气与热湿环境标准、节能标准，带动全区发展。

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