張家口地區高校教學樓冬季室內熱舒適調查研究

梅 蘭 楊 薇 王 苗

(河北建筑工程學院,河北 張家口 075000)

0 引 言

教室是開展教學活動最主要的場所,是與廣大師生關系最密切的室內環境之一.教學環境的舒適健康對學生的學習效率和身心健康起重要作用,對教學質量有直接影響,因此,教室室內的熱舒適環境顯得尤為重要[1].寒地高校教學建筑冬季采暖能源消耗大,存在著能源浪費現象,節能潛力相當可觀.

由于不同地域、不同社會背景的人對熱舒適的適應性存在差異,因此,目前國際通用的熱舒適評價標準(如ASHRAE 55標準[2]和ISO7730標準[3])不一定具有普適性.本研究立足冀西北地區,結合寒冷地區氣候特點,選取具有代表性的高校為研究對象,通過實地調研,分析研究人體熱舒適對不同類型教室熱環境的適應性,以期對改善該地區高校教室冬季室內熱環境和節約能耗方面有一定的參考價值.

1 研究對象與研究方法

1.1 研究對象

本次調研選取張家口地區典型高?！颖苯ㄖこ虒W院作為研究對象.此高校所處區域的氣候特征為溫帶大陸性季風氣候,屬于我國建筑熱工分區的寒冷地區.主教學樓“明德樓”為綜合性教學樓,教室主要有公共教室(共有54間,位于1—5層)和專業教室(共有28間,位于5—8層)兩種類型.公共教室供不同專業不同年級的學生上公共理論課程使用,亦可作為公共自習教室,使用頻率高,人員流動性大;專業教室為特定專業的學生提供繪圖教室,小班教學,使用人員和時間固定.本次調研選取相同面積、朝向、樓層,相近位置的公共教室和專業教室各一間進行對比分析.

明德樓的冬季采暖方式為集中式的窗下散熱器采暖,采暖周期為160天(10月25日—次年4月5日).本次調研時間選在12月26日進行(雖測試時間僅一天,但冬季采暖教室的室內溫濕度比較穩定),時間集中在8:00～20:00,同步進行問卷調查和物理測試.期間室外空氣最高溫度為1℃,最低溫度為-12℃,平均溫度為-4.4℃,已接近1月份平均氣溫,沒有大風降溫情況,氣溫波動幅度不大.

1.2 測試參數

大量實驗研究表明,影響人體熱舒適的主要物理環境因素有空氣溫度、空氣濕度、空氣流速以及平均輻射溫度.人體活動量與衣著狀況也是影響熱舒適的重要因素[4].由于在實驗室條件下,平均輻射溫度與室內平均溫度的絕對值差別很小[5].因此假定人體均勻對稱受熱,那么教室室內空氣的平均輻射溫度與平均溫度在數值上近似相等.故本次測試參數主要有室內空氣溫度、空氣相對濕度和風速.

1.3 測試方法

測試人員手持溫濕度儀和微風溫度儀同步進行測試,儀器距地面垂直高度為1.1m～1.6m,每隔30min讀取一次數據.為減少誤差,讀數時每隔十秒鐘記錄一次數值,5分鐘內共記錄30組數值,然后取其平均值.兩個教室的房間參數和測試情況見表1.

表1 教室的房間參數和測試情況

1.4 問卷調查

調查對象為在測試教室上課和上自習的學生和教師,填寫問卷時師生至少在教室內停留30分鐘以上,處于靜坐狀態時進行.共發放問卷200份,回收有效問卷186份,其中公共教室126份,專業教室60份,回收率為93%.問卷調查的主要內容如下:

(1)受試者的背景,如性別、年齡、身份、所在地的居住時間、衣著狀況(上衣、下裝、鞋和配飾)等(統計結果見表2);

表2 受試者的背景數據統計表

(2)受試者對教室內的冷熱感受、潮濕感受、風速感受的主觀評價,均采用7級標度表示.

(3)受試者對熱環境舒適度的主觀感受、對熱舒適環境的接受程度、對室內空氣質量的評價以及對舒適環境的期望等.

2 測試與問卷調查結果分析

2.1 空氣溫度

教室室內空氣溫度平均值曲線如圖1(a)所示,公共教室的空氣溫度范圍是20.7～24.7℃,專業教室是22.5～26.7℃.測試時段內公共教室的平均溫度為23.1℃,專業教室為24.9℃.參照我國《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB50736—2012),冬季采暖房間舒適溫度為18～24℃[6].因此,公共教室的室內溫度符合要求,但平均溫度偏高;專業教室的平均溫度超過了規定溫度的上限,并且在測試時段內70%的時間里室內溫度均超過24℃.

(a)室內空氣溫度曲線 (b)熱感覺投票分布頻率圖1 教室的空氣溫度與熱感覺投票分布頻率

參考預測平均熱感指標PMV,將人體對環境的冷熱感覺劃分為7級標度,投票值為-3(很冷)、-2(冷),-1(有點冷)、0(適中)、+1(有點熱)、+2(熱)、+3(很熱).熱感覺投票值分布頻率如圖1(b)所示,公共教室和專業教室熱感覺投票值為-1、0、+1的分布頻率之和分別為92.1%和83.3%.PMV-PPD指標規定至少83%的受試者能夠接受的環境即為熱舒適環境(即不滿意百分數PPD≤17%).由此說明公共教室的師生認為此時的冷熱感覺是可以接受的,而專業教室的熱感覺投票值僅達到下限,表明受試者認為此時的冷熱感覺剛剛可以接受,且有51.6%的人投票值在+1、+2、+3,可見在專業教室感覺熱的人數超過一半,這主要是由于該教室室內溫度偏高所致.

2.2 空氣相對濕度

圖2(a)為教室室內空氣相對濕度的平均值曲線,從圖中可知,公共教室的相對濕度范圍是12.1%～19.9%,專業教室為11.6%～21.7%,變化幅度相對較大.測試時段內公共教室的平均相對濕度為16.2%,專業教室為16.0%.規范要求冬季采暖房間舒適的相對濕度為30%～60%[7],由此可見,兩教室室內的空氣相對濕度遠低于標準值下限,均不符合要求.

(a)室內空氣相對濕度曲線 (b)濕感覺投票分布頻率圖2 教室的空氣相對濕度與濕感覺投票分布頻率

將人體對環境的潮濕感受劃分為7級標度,投票值為-3(很干)、-2(干燥),-1(有點干)、0(適中)、+1(有點濕)、+2(潮濕)、+3(很潮濕).濕感覺投票值的統計結果如圖2(b)所示,公共教室和專業教室分別有80.8%和73.3%的人濕感覺投票值為-1、0、+1,這表明受試者對此時的濕感覺是不接受的,說明兩教室室內的濕度狀況并未達到舒適要求.調研時也有很多師生反映冬季在教室內上課會有口干喉痛、燥熱心煩等不舒適感受.另外,在專業教室有78.3%的人濕感覺投票值為負值(表示干燥),超過了總人數的四分之三,比公共教室多出18%,可見專業教室的濕感覺舒適度比公共教室更低.

2.3 風速

教室風速的測試結果如圖3(a)所示,公共教室風速的范圍是0.07～0.23m/s,平均風速為0.11 m/s,專業教室風速的范圍是0.06～0.15m/s,平均風速為0.12 m/s.規范要求冬季室內活動區的平均風速應為0～0.3m/s[8].由于寒冷地區冬季室內開窗換氣的次數不多,測試期間窗戶處于封閉狀態,因此兩教室室內風速值都偏低.雖然兩教室的平均風速相差甚微,但由于學生在專業教室的主要活動是畫圖,繪圖時或坐或站,時而還會走動,所以專業教室風速的波動幅度比公共教室大.

(a)室內風速曲線 (b)風感覺投票分布頻率圖3 教室風速與風感覺投票分布頻率對比

將人體對環境的風感覺劃分為7級標度,投票值為-3(很悶)、-2(悶),-1(有點悶)、0(適中)、+1(有風)、+2(風有點大)、+3(風很大).風感覺投票結果見如圖3(b),由圖可知,公共教室有82.6%的人風感覺投票值為-1、0、+1,這表示大家基本接受當時的風速狀況.專業教室有68.3%的人風感覺投票值為-1,0,+1,且認為室內悶、甚至很悶的人占31.6%,說明該教室的師生認為室內風環境并不舒適.同時,許多學生反映教室里空氣不新鮮,味道大,可見教室內風速低,通風換氣不暢會影響室內空氣質量.

2.4 熱舒適滿意度與期望

將熱舒適滿意度劃分為7級標度,投票值為-3(非常不舒適)、-2(不舒適)、-1(有點不舒適)、0(一般)、+1(比較舒適)、+2(舒適)、+3(很舒適).教室熱舒適滿意度的投票結果如圖4所示,公共教室有81.7%的人熱舒適滿意度的投票值在-1,0,+1,說明該教室師生對室內熱舒適基本滿意.專業教室僅有70.0%的人熱舒適滿意度的投票值在-1,0,+1,且認為不舒適(投票值在-3、-2、-1)的人占33.4%,遠超過公共教室,表明專業教室的熱舒適并不令人滿意.

圖4 熱環境舒適度投票 圖5 熱舒適期望投票

師生對教室室內溫度、濕度和風速的期望如圖5所示.由統計結果可知,專業教室期望室內溫度降低的人占50%,公共教室接受溫度不變的人數最多,達56.3%.公共教室和專業教室分別有73.3%和65.9%的人期望室內濕度升高,可見師生普遍認為教室濕環境需要改善.專業教室期望室內風速再大一些的人數最多,占55.0%;公共教室期望室內風速不變的人數最多,占48.4%.

3 結 論

(1)專業教室空氣溫度比公共教室高,超出了舒適范圍,且有半數以上的人感覺室內偏熱.這是由于測試期間專業教室的學生在繪圖,人數固定,而公共教室的學生在上自習,人數隨機.在其他環境條件近似相同的情況下,考慮到人體熱源的影響,教室內溫度的高低主要取決于教室內人數的多少和停留時間.因此,對于使用人數集中,教學活動固定的專業教室,可以適當降低采暖溫度以改善室內熱環境舒適度,同時節約能耗.

(2)公共教室和專業教室的相對濕度遠低于標準值下限,均不符合要求.并且師生普遍反映冬季在教室內上課會有口干喉痛、燥熱心煩等不舒適感受.說明教室內空氣比較干燥,應當采取一定的措施增加空氣濕度.

(3)兩教室室內風速值都偏低,這是由于冬季室內門窗關閉所致.專業教室的師生對室內空氣質量的要求更高.在密閉空間內,隨著人數的增多,室內空氣質量會變差,不新鮮的空氣會影響學習效率,因此應采取有組織的通風換氣來改善教室內的空氣質量.

(4)公共教室的師生對室內熱舒適基本滿意,而專業教室的熱舒適并不令人滿意.在兩教室的空氣濕度、風速、衣著狀況等影響因素近似的情況下,專業教室熱舒適性差的主要原因是室內空氣溫度偏高,說明溫度是影響熱舒適最主要的因素之一.