被动房冬季运行室温响应实测分析

孔文憭，龚延风，于昌勇，王立华，王杰村

（1．南京工业大学城市建设学院，南京210009；

2．江苏省绿色建筑工程技术研究中心，南京210009；

3．上海朗绿建筑科技有限公司，上海200000）

 [摘要]德国被动房在我国夏热冬冷地区的试点和推广已陆续展开，但具体运行效果尚未给出明确结论。本文通过对夏热冬冷地区某实际运行的德国被动房冬季运行情况进行实测，分析了被动房在机械通风系统不开启，仅凭借其良好的保温隔热性和气密性条件下的室温响应情况。结果表明，在室内无人且无任何辅助供热措施条件下，被动房在寒潮期间的室温能稳定在18℃左右；在室内有人长期居住条件下，测试期间室内温度高于18℃以上的时间从无人状态的55. 1%提高到了100%；冬季可进行短时间开窗通风改善室内空气质量，短时间开窗对室温影响不大。

 [关键词]被动房；自然室温；室内发热量；自然通风；室温响应

0  引言

 根据德国被动房标准，我们将年供暖耗热量不超过15 kW.h/mz．年总能耗不超过120  kW．h/mz的建筑定义为“被动房”。由于被动房围护结构具有良好的保温隔热性和气密性，使其冬季可以仅凭借太阳辐射得热、灯光散热、电视等家用设备散热和人体散热维持室内温度20℃以上，保证90%以上的室内供暖需求。但由此也导致需要依靠新风热回收系统来维持室内空气卫生标准和极端气候情况下室内热环境要求，使得新风系统能耗在全年总能耗中占据很大比例。根据欧洲学者对被动房的研究指出，被动房由于其围护结构的高节能性，使得其室内发热量对能耗和室温的影响程度要远大于一般节能建筑，故利用室内发热量来保障室温效果更显著。国内学者也指出，夏热冬冷地区被动房冬季室温保障能力将好于欧洲寒冷地区，故需探索适合该地区的被动房运行策略。因此，研究被动房在夏热冬冷地区气候条件下的自然室温保障能力，探讨在新风系统不承担室内负荷的条件下，被动房冬季的室温极限，尽可能降低新风系统能耗，对制定被动房在夏热冬冷地区冬季合理的新风系统运行控制策略具有重要意义。以往的研究大多停留在理论研究阶段，针对夏热冬冷地区实际气候条件进行的被动房室内热环境实测的研究更少。为了避免新风对室内温度的影响，实验将在新风热回收系统不开启情况下进行。通过对被动房冬季自然室温情况进行实测，探讨以下3种工况下的被动房室温响应情况。

 工况1（自然室温工况）：室内无人员及其它热源，在典型冬季气候（室外均温5℃）和冬季寒潮气候（室外均温0℃）的条件下，室内温度随自然气候的波动情况。

 工况2（持续热扰工况）：有1人进入房间自由活动并开启室内灯光和电视设备等热源，通过短期尺度和长期尺度测试室内温度在有发热量影响下的波动情况。

 工况3（自然通风工况）：有1人进入房间自由活动并开启室内灯光和电视设备等热源，分别通过短时间开窗（仅有一天开窗th）和长时间开窗（连续Sd每天开窗1 h）测试室内温度的波动情况。

具体技术路线见图1。

1  实验内容

1.1  实验条件

实测建筑为浙江省长兴市某被动房，是我国与德国合作在夏热冬冷地区建造的被动房项目，地理位置处于北纬30。43'~ 31。11’，东经119 033’~120006 ’之间，被动房参数见表1。本次实验房间为三室一厅型居住户型，平面布置见图2。由于室内温度影响因素较多，为尽可能避免天空背景辐射、地面辐射和太阳辐射等条件对室内温度的影响，选取被动房标准层（第3层）的朝北卧室（人员滞留时间最长）作为测试对象，如图中标记处。卧室三面为内墙，一面为外墙，外墙有窗。本次实验主要包括三个工况，为进行对比，选取3个完全相同的朝北卧室（分别为房间A、B和C）进行实验，实验工况具体情况见表2。

1.2实验仪器布置

实验仪器参数见表3，仪器测量范围及精度满足国际标准IS07726的要求。实验时，室内温度的测试根据GB/T  18204. 13 -2000《公共场所空气温度测定办法》和GB 50243-2002《通风与空调工程施工质量验收规范》中对监测点的布置要求，将测量点布置在离地面1.5 m平面上，离开壁面和热源不小于0.5 m，并以空间对角的方式进行分布。房间平均布置4个温度测点，采用四通道温度自记仪自行记录温度变化，取4个点的平均温度作为室内房间的空气温度，见图4。建筑室外四周布置4个温度自记仪，取4个点的平均温度作为室外平均温度。开窗工况下，窗口布置4个风速测点，取4个点的平均值作为窗口平均风速，窗口风速仪布置见图5。实验测试严格按照规范要求。

2  实验结果分析

2.1  自然室温工况（工况1实验结果分析）

在冬季气候条件下，朝南房间由于得到较多的太阳辐射故室内温度显然会高于朝北房间，故只有通过检测被动房朝北房间室温处于哪个范围，才能检验被动房冬季室温保障能力，以及对被动房在恶劣寒潮气候下的室温极限作出判断。自然室温实验在房间A进行，室温数据既作为对自然室温工况下的室内热环境进行评价，也与工况2和工况3的试验数据进行对比。通过对被动房冬季连续14 d的检测，室内温度波动情况如图6所示，将测试结果划分为两个阶段进行讨论，分别为典型冬季工况（室外均温5℃，图中1月10~16日）和寒潮工况（室外均温0℃，图中1月17~ 21日）。

 从曲线总体趋势看，室内温度在典型冬季气候条件下（寒潮来临前）能保持较好的数值，基本在20.6℃左右，在寒潮期间室温逐渐下降至18℃左右，在寒潮走后，室温保持稳定在18℃左右。因而可以看出即使在寒潮来临时，被动房由于自身良好的保温性能，室内平均温度也能维持18.1℃，能达到规范GB 50736-2012中供暖房间18℃的要求。寒潮过后，虽然室外温度逐渐回升到正常的冬季气候条件水平，但由于被动房大惯性体系的存在，使得其室内温度受前一时段基础室温影响较大，室温回升缓慢。这为被动房的室内热环境设计提供了理论依据。

2.2持续热扰工况（工况2实验结果分析）

 持续热扰工况实验在房间B进行，主要讨论室内发热量（人员、灯光和设备）对室内温度影响的短期效应以及在室内长期有人居住条件下，室内发热量对提高被动房冬季室温的累计贡献情况。房间B的实验要求见表2，同时将房间B的室温数据与无人房间A的室温数据进行对比，从而突出室内发热量对房间室温的影响。

2.2.1  短期尺度

实验结果见图7，其中曲线1~3参见左坐标轴，分别为室外温度、房间A和房间B的室内温度，曲线4为房间A和B的温差，参见右坐标轴。根据图中结果分析知，在人员进入室内，并同时打开卧室内所有灯光和设备的条件下，室内显热发热量达到203 W，从1月10日的18：00 ~1月1 1日18：00这24 h过程中，房间B室内温度持续上升，上升速率接近0.1℃/h．24 h内上升了2.2℃。在人员离开房间后，室内温度持续下降，由于室内热源与室内空气、墙体和家具之间发生的对流和辐射换热，使得部分热量已被吸收并储存起来，人员离开后，室内温度下降速率略缓于室温上升速率，至人员离开后24 h，室内温度相比无人存在的房间A仍有0.8℃的温差。而在房间实际使用过程中，用户每天待在卧室的时间往往不超过24 h，且和用户作息有关。但总的来说，在被动房良好的气密性等级和保温隔热性能条件下，人员和设备等发热量带来的温升会逐渐累积，并最终提高室内温度，这也是被动房相比于一般节能建筑而言的一大明显优势，如果充分利用这一优势，利用室内发热量的作息调整室内温度将极大减少被动房冬季能耗。

2.2.2长期尺度

人员在卧室内滞留的时间是随机的，这和人员的行为习惯及工作生活作息有关。为了使实验结果具有代表意义，实验人员按照一般工作族的生活作息进行了作息安排，卧室内人员、灯光和设备的作息时间见图3，实验结果见图8。依然将有人居住房间B和无人居住房间A做对比，从而突出室内发热量对室温的影响。从图8结果分析得，在长期尺度条件下，人员每天按照生活和工作作息进出房间，对室内温度产生了一定的波动，1月10日~ 26日期间，房间的平均温度从18.9℃提升至20.8℃，平均温度提高了1.9℃。从累积效果看，至26日，与无人房间A相比，房间B室内温度提高了2.5℃。以18℃为界，被动房在测试期间，室内温度高于18℃以上的时间从无室内发热量状态（房间A）的55. 1010提高到了有室内发热量状态（房间B）的100%。

2.3  自然通风工况（工况3实验结果分析）

 自然室温工况和持续热扰工况的整个实验过程都是在不开窗的条件下进行的，由于不同用户的生活习惯不同，对室内空气品质要求和热环境要求也不尽相同，所以开窗会是部分被动房用户的选择之一。为探讨在开窗工况下，被动房室温波动情况及关窗后室温的恢复能力，需对在自然通风工况下的室温响应情况进行探讨。自然通风工况实验在房间C进行，并将房间C的室温与无人房间A的室温进行对比，从而突出开窗通风对室温的影响。房间C的实验要求见表2。

2.3.1  短期尺度

短期尺度条件下，仅在1月10日中午12:00~13：00期间开窗换气1 h。温度测试时间间隔为5min。开窗期间，窗口平均风速为0.8 m/s。从图9实验结果看出，开窗后的15 min内，室温便从21.6℃迅速降至16.2℃，随后持续降低，至13：00关窗时，室温降至最低的14.2℃。在关窗后，室温迅速回升，在关窗后的15 min内，室温迅速回升至18℃，至13：00室温稳定在20.3 0C。从关窗前后的室温变化规律得，开窗后的温度下降和关窗后的温度回升，基本都在15 min内完成，15 min以后是一个稳步逐渐改变的过程。关窗1 h后的室温与开窗前相比降低了1.3 aC，冬季短时间开窗不会带来室温太大的改变，可通过短时间开窗改善室内空气质量。

2.3.2  长期尺度

长期尺度条件下，连续Sd，每天12：00开窗1h。开窗期间窗口平均风速为0.8 m/s。从图10分析得，在连续每天定点开窗情况下，室内温度总体趋势是1个下降的过程。从平均值分析，开窗Sd内的室内平均温度为18℃，比房间A平均温度降低了2.8℃。从累积效果分析，至开窗工况最后一天14日24:00，室内温度为16℃，与未开窗且无人的房间A相比，降低了4.5℃。从长期尺度分析，冬季每天定时开窗工况下，室温降温幅度较大，不利于室温的稳定。

3  结论

 1)仅凭借被动房良好的保温隔热性和气密性，在无任何辅助供热措施和室内发热量条件下，朝北房间室内温度能维持在20.6℃左右（正常冬季气候条件），在恶劣寒潮气候下，室内温度下降至18.1℃，寒潮过后室温回升缓慢。由此可见，被动房在夏热冬冷地区冬季气候条件下运行时，基本不需其他辅助热源措施就能达到较好的室内热环境的要求，这对调整新风系统运行策略，减少新风热回收系统能耗，从而达到被动房能耗指标具有重要意义。

 2)室内发热量对被动房室温提升效果显著。被动房体系的存在可以将室内人员、灯光和设备等热扰产生的发热量蓄积在室内，并通过逐日的累积缓慢提高平均室温。被动房在测试期间，室内温度高于18℃以上的时间从无室内发热量状态的55. 1%提高到了有室内发热量状态的100%，这为被动房在热扰条件下的温度设计提供了理论依据。

 3)论证了被动房冬季短时间开窗的可行性。在仅开窗1 h的情况下，室温在关窗后可以得到迅速回升，关窗后1 h，室温能达到稳定，与不开窗相比仅降低了1.3℃，由此可见冬季可以通过短时间开窗进行通风换气。但在连续多天每天定时开窗工况下，室温降温幅度较大，不利于室温的稳定。因此，权衡好冬季利用开窗进行通风换气和利用新风系统来改善室内空气质量之间的关系，达到既满足室内空气质量要求又满足被动房能耗指标要求，是被动房在该地区冬季运行时值得关注的问题之一。