夏熱冬暖地區(qū)高校圖書館室內(nèi)熱環(huán)境測試與分析

劉開瓊

(廣西大學(xué)圖書館，廣西 南寧 530004)

1 前言

圖書館作為社會文化事業(yè)的重要組成部分，與劇場、會議中心、體育館等科教文衛(wèi)類公共建筑相比，其建筑對通風(fēng)、采光等要求更高，并有信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多、讀者人數(shù)在不同時間段內(nèi)差異性較大等特點。高校圖書館作為廣大學(xué)生學(xué)習(xí)的重要場所，不僅需要為使用者提供充分的資源，還應(yīng)為其提供舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)關(guān)于夏熱冬暖地區(qū)圖書館館舍熱環(huán)境的研究尚為空白。隨著我國教育事業(yè)的發(fā)展以及人們對室內(nèi)熱環(huán)境舒適度要求的提高，夏熱冬暖地區(qū)的圖書館均安裝了不同形式的空調(diào)系統(tǒng)，但設(shè)計、安裝及運行管理中存在的不足對室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生了一定不良影響。而一些圖書館為了降低建筑的絕對能耗，往往以犧牲室內(nèi)環(huán)境舒適性為代價，直接導(dǎo)致了熱環(huán)境的惡化，這一現(xiàn)象越來越嚴(yán)重地威脅到圖書館使用人員的身心健康。因此，本文選取了位于夏熱冬暖地區(qū)的廣西大學(xué)圖書館作為研究對象，通過對其室內(nèi)熱環(huán)境進行現(xiàn)場實測的方法，研究圖書館室內(nèi)熱環(huán)境狀況，為改善該地區(qū)圖書館館舍室內(nèi)熱環(huán)境以及提高建筑節(jié)能技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 研究對象概況

本文選取了位于夏熱冬暖地區(qū)的廣西大學(xué)圖書館作為研究對象。廣西大學(xué)圖書館主樓落成于2002年底，2003年投入使用，坐南朝北，建筑面積32 338m，屬大型公共建筑。該建筑共七層(地下一層，地上六層)，地下一層為車庫及設(shè)備用房:一層為出入口、大廳、總出納廳、檢索廳、期刊閱覽室、辦公用房等，二層為電子閱覽室以及期刊閱覽室，三、四、五層為圖書館主要的中文書庫及閱覽室，六層為外文書庫及閱覽室、多功能會議室等，共有閱覽座位3 600多個。每天從7:50連續(xù)至22:30開館，每周開放101.3小時，高峰期每天入館超過1萬人次。該館是同時期廣西區(qū)內(nèi)建筑面積最大、設(shè)施最先進、現(xiàn)代化程度最高、網(wǎng)絡(luò)條件最好的圖書館。因此，選取該圖書館作為熱環(huán)境研究對象具有一定代表性。

2.2 南寧市氣候特征

南寧地處典型的夏熱冬暖地區(qū)，主要氣候特點是炎熱潮濕，夏季長達半年以上，而冬季不足三個月。冬季最冷的1月平均最低氣溫為10℃，夏季最熱的7、8月平均最高氣溫為32℃。年均降雨量達1 304.2mm，相對濕度均為80%左右。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》，該區(qū)建筑在設(shè)計上主要考慮夏季防熱通風(fēng)。

圖1 各測點位置平面示意圖

2.3 室內(nèi)熱環(huán)境測試方法

筆者對圖書館室內(nèi)熱環(huán)境進行了為期一周的現(xiàn)場實測，包括圖書館內(nèi)工作區(qū)、閱覽區(qū)、借閱區(qū)等各個功能區(qū)域，測試內(nèi)容為:室內(nèi)空氣溫度、空氣相對濕度、黑球溫度、氣流速度、表面熱輻射溫度。為了解該圖書館室內(nèi)整體的熱環(huán)境狀況，根據(jù)人員的使用情況，在一至六層人員密集區(qū)域選取了15個測點進行測試，測點溫濕度計探頭高度為1.2米，各測點在平面中位置如圖1所示。其中一、二、五、六層共設(shè)置了10個點為固定溫濕度測點，將溫濕計設(shè)置為每5分鐘自動記錄一次數(shù)據(jù)，其余為移動測點，在圖書館開放期間每隔一小時人工記錄一次溫濕度數(shù)據(jù)。氣流速度為在圖書館開放期間內(nèi)每隔一個小時人工記錄一次，測試點與溫濕度測點相同，并在辦公區(qū)、閱覽區(qū)、公共區(qū)各選擇一個點進行黑球溫度測試。根據(jù)圖書館的功能布置以及使用情況，選取具有代表性的一樓、二樓以及五樓作為主要研究對象，共布置10個固定溫濕度測試點，各測點位置及其所在空間使用特點見表1。

表1 各測點位置及所處空間特征

3 測試結(jié)果分析

3.1 測試期間室外氣候條件

圖2為測試期間(2012年9月18日至9月24日)室外空氣溫度以及水平太陽總輻射量的變化。測試周期內(nèi)室外氣候變化較大，后四天較為相近，溫度也較高，因此選取9月22日至24日內(nèi)記錄的測試數(shù)據(jù)作為主要研究對象，其余期間內(nèi)的測試數(shù)據(jù)作為參考進行比較分析。其中9月22日、23日均為晴朗高溫氣候，室外平均空氣溫度分別為28.9℃和

29 .7℃，最高溫度分別為33.2℃和33.8℃。

3.2 室內(nèi)熱環(huán)境實測概況

測試期間內(nèi)，圖書館正常使用，9月21日至9月24日圖書館的使用情況以及中央空調(diào)開放情況如表2所示。測點5－A黑球溫度計由于接觸不良出現(xiàn)異常忽略不計。為比較等高條件下室內(nèi)外溫、濕度差異，將五樓測點5－C溫濕度計于9月23日9:00—19:00，24日9:00—16:00移至與室內(nèi)測點等高的北面窗外進行室外溫、濕度測量。

圖2 南寧市9月18日至9月24日氣候狀況

表2 圖書館使用概況(2012.9.21—24)

續(xù)表2

3.3 空氣溫度測試結(jié)果分析

圖3 室內(nèi)空氣溫度、黑球溫度及室外溫度變化曲線(2012.9.21—24)

圖3 為設(shè)置于閱覽室、辦公室、大廳三個測點在9月21日0:00至24日20:00的黑球溫度、空氣溫度以及室外溫度變化。總的來看，21日、23日白天各測點溫度呈上升趨勢，22日、24日室內(nèi)溫度隨空調(diào)的開啟上下波動較大，變化急劇。由于9月22日、23日是周末，辦公室不開放，由圖可見辦公室的黑球溫度變化幅度小，在27℃至29℃范圍內(nèi)浮動，比較穩(wěn)定。其主要受室外氣候條件影響，最大溫差僅為1.3℃。而閱覽室及大廳受人員流動以及空調(diào)開啟制冷影響，變化幅度較大。空調(diào)開啟時間為7:50—12:00(周末 8:30—11:30)，14:40—22:30，而23日14:40—22:30時段內(nèi)未開啟空調(diào)。由圖可見，閱覽區(qū)以及大廳由于照明器具所產(chǎn)生熱輻射等的影響，溫度均在28℃以上，在15:30—22:30時段內(nèi)達到了30℃以上。

圖4 五樓室內(nèi)空氣溫度變化曲線(2012.9.21—24)

為研究室外氣候條件對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，在五樓閱覽區(qū)選取了西向5－A，南向5－B，中區(qū)5－C3個不同測點，21日—24日的溫度變化如圖4所示。22日、24日中央空調(diào)正常開啟，21日、23日未開啟。由圖5可見，22日0:00—8:00時段內(nèi)室內(nèi)空氣溫度低于室外溫度，而23日該時段內(nèi)室內(nèi)空氣溫度高于室外溫度。其原因在于21日未開啟空調(diào)，夜間室外溫度急劇下降，而室內(nèi)以及建筑外圍護結(jié)構(gòu)蓄積熱量，且窗戶未開啟，無法向外界散熱降溫。22日空調(diào)開啟，大大降低了室內(nèi)溫度，夜間空調(diào)關(guān)閉后，室內(nèi)空氣溫度回升較小，使得室內(nèi)空氣溫度均小于室外溫度。23日9:00—19:00，5－C測點溫度為等高室外溫度，由于測點靠近外窗，受到玻璃以及外墻面的反射輻射影響，溫度較高，均高于室外空氣溫度。

由圖5中22日至23日9:00時段內(nèi)的溫度變化可見，位于中部閱覽區(qū)測點5－C的室內(nèi)溫度均低于靠近外維護結(jié)構(gòu)的測點溫度。其中5－B離外墻最近，該測點溫度均較高。在22日內(nèi)，三個測點均在14:00達到最大值，5 －A28.9℃、5 －B29.5℃、5－C28℃。5－C與5－B之間相差1.5℃，可見近外窗墻閱覽區(qū)受室外熱輻射影響較大。經(jīng)過對22日內(nèi)表面溫度測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，5－A附近玻璃窗內(nèi)表面溫度在下午17:00達到42.8℃的最高值，墻體內(nèi)表面溫度也在該時刻達到最高值32.6℃。這是因為5－A靠近西墻，而下午受西曬影響較為嚴(yán)重所致。5－B附近玻璃窗內(nèi)表面溫度在該天11:00達到最高值35.7℃，墻體內(nèi)表面溫度在16:00達到31℃的最高值，原因是5－B靠近南面外維護結(jié)構(gòu)，上午該墻窗受太陽直射影響。

圖5 空氣溫度與黑球溫度的變化(2012.9.21—24)

3.4 空氣溫度與黑球溫度的關(guān)系

圖5 顯示，9月21日至9月24日圖書館開放期間內(nèi)(8:30—22:30)室內(nèi)三個不同測點空氣溫度與黑球溫度的關(guān)系。其中測點1－B和1－C黑球溫度均大于空氣溫度，測點3－A較兩者差異較小;1－B溫度較集中，而1－C和3－A的溫度跨度大。

總的來看，測點1－B溫度比較集中，這是因為該測點位于辦公區(qū)，使用人員較少，室內(nèi)熱環(huán)境較為穩(wěn)定，且在周末不開放，無人使用，其室內(nèi)熱環(huán)境不受照明、電腦、打印機等設(shè)備以及人員活動影響，因此22日、23日空氣溫度基本不變。而其北向墻窗受室外氣候影響，黑球溫度受其熱輻射均大于空氣溫度。21日、24日，該區(qū)正常使用，溫度變化幅度增大，而24日由于空調(diào)調(diào)控，這種變化更為明顯。

測點1－C位于一樓大廳，從圖5可見，該測點黑球溫度比空氣溫度高1.1℃左右。由于大廳為兩層高大空間且面向圖書館主入口，入口開放，空氣流動速度大，因此空氣溫度要低于黑球溫度。而室內(nèi)照明燈具以及相鄰檢索區(qū)電腦的開啟、人員的流動也導(dǎo)致該區(qū)溫度波動較大。

3－A測點位于三樓閱覽區(qū)中部，該測點黑球溫度與空氣溫度差異較小，但不穩(wěn)定，因其受到室內(nèi)照明燈具以及人群密度影響而發(fā)生較大變化。23日室外溫度較高，而中央空調(diào)未開啟，其溫度跨度較大，黑球溫度與空氣溫度較為接近。22日、24日中央空調(diào)正常開啟，室內(nèi)受制冷調(diào)控，經(jīng)測量建筑結(jié)構(gòu)表面溫度，均呈下降趨勢，因此在這兩天內(nèi)，下午及晚上的空氣溫度均大于黑球溫度。21日、23日該測點地面及天花板表面溫度均呈上升趨勢，致使黑球溫度均高于空氣溫度。

圖6 相對濕度變化曲線(2012.9.21—24)

3.5 室內(nèi)濕度變化

圖6 為9月21日—24日一樓各測點以及五樓測點的濕度變化。由圖6可見，一樓各測點濕度變化較大，五樓除5－C測點溫濕計于23日、24日白天移至室外以外，其余時間各測點濕度相近。一樓各測點濕度差異較大，原因在于一樓四個測點位于分隔的不同區(qū)域內(nèi)，且各區(qū)域使用情況不同，而五樓閱覽區(qū)為同一個大空間，各測點間沒有分隔，因此差異較小。從一樓和五樓21日至24日室內(nèi)濕度的變化曲線均可以看出，22日、24日的波動范圍遠遠大于21日、23日，可見空調(diào)系統(tǒng)對室內(nèi)空氣濕度變化有較大影響。

從一樓測點濕度變化曲線可以看出，1－A、1－C、1－D三個測點的變化趨勢相同，其中1－C、1－D更為接近，而1－A測點具有一定的延緩性。這是因為1－C和1－D分別位于開放使用的大廳和期刊閱覽室，直接受空調(diào)系統(tǒng)及其使用情況影響。而1－A位于采編室，周末不開放，其變化與同為不開放的辦公室測點1－B存在差異明顯，變化趨勢與1－C和1－D相同，是因為該測點靠近采編室與中文報刊室聯(lián)通的門。該門上方窗戶開啟，并且門縫有氣流通過。中文報刊室周末開放，因此1－A濕度會受到空調(diào)系統(tǒng)以及人員活動影響。從五樓23日濕度變化曲線中9:00—19:00時段內(nèi)測點5－C為等高北向室外濕度的變化，可以看出室外濕度變化遠遠大于室內(nèi)濕度，且均小于室內(nèi)濕度，最大差值達到20%。24日該測點濕度值急劇上升是下雨引起的。

4 結(jié)語

本文通過實地測試廣西大學(xué)圖書館室內(nèi)熱環(huán)境物理參數(shù)，用數(shù)據(jù)定量分析了濕熱地區(qū)圖書館館舍的夏季熱環(huán)境狀況，為認識該地區(qū)圖書館類建筑室內(nèi)熱舒適狀況提供參考。同時，總結(jié)分析了室內(nèi)熱環(huán)境影響因素，得出以下幾點結(jié)論，為改善圖書館室內(nèi)熱環(huán)境以及探尋圖書館建筑節(jié)能改造技術(shù)提供參考。

(1)本次測試結(jié)果分析表明，夏熱冬暖地區(qū)大型公共建筑在高溫季節(jié)需采用空調(diào)系統(tǒng)才能保證室內(nèi)熱環(huán)境的舒適度。而由于該地區(qū)夏長冬短，需空調(diào)制冷期長達半年以上，空調(diào)能耗巨大，需采取相應(yīng)措施降低其能耗。

(2)建筑室內(nèi)空氣溫度受外圍護結(jié)構(gòu)熱輻射影響較大，太陽熱輻射通過外圍窗墻熱傳遞影響室內(nèi)熱環(huán)境，使近外墻閱覽區(qū)空氣溫度比中間區(qū)域高1.5℃，該區(qū)熱環(huán)境惡化。改善其室內(nèi)熱環(huán)境狀況，同時降低空調(diào)能耗，降低外維護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)以及采用建筑遮陽形式極其重要。

(3)經(jīng)測試分析，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)空氣相對濕度較高，均在65%以上，并受空調(diào)系統(tǒng)影響發(fā)生較大波動。進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其室內(nèi)濕度在65% －85%范圍內(nèi)均能滿足使用人員的熱舒適要求。

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