高校建筑夏季室內熱環境研究現狀與應用

牛萌萌，宣永梅，毛 燦

(西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西 西安 710048)

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高校建筑夏季室內熱環境研究現狀與應用

牛萌萌，宣永梅，毛 燦

(西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西 西安 710048)

摘要：從高校建筑中的教學建筑和公寓建筑兩個方面，對高校建筑室內熱舒適研究進行了總結及展望。歸納了高校建筑中應用的節能技術，以期提供一定的參考。

關鍵詞：高校建筑；熱舒適性；建筑節能；技術

1引言

學校建筑是學生學習生活的場所，調查研究表明：學生在教室和宿舍的時間占總在校時間的80%[1]，隨著我國經濟的高速發展，人們生活質量不斷提高，學生對室內熱環境的要求也越來越高，而高校建筑室內熱環境對學生身心健康和學習效率也有較大的影響。

我國學者對高校建筑室內熱環境的研究主要采用調查問卷、現場實地測試及數值軟件模擬等方面進行研究，其中軟件模擬主要是采用DEST(建筑環境及HVAC系統模擬的軟件)、PKPM模擬軟件(PK：排架框架設計、PMCAD：平面輔助設計，合稱PKPM)和CFD(計算流體力學軟件)對室內的熱環境及能耗進行數值模擬，分析室內溫度、風速、相對濕度、平均輻射溫度等因素的影響。

本文總結了我國高校教學樓及學生宿舍在夏季的室內熱環境，并從節能技術和典型項目等方面對近幾年學者相關的研究成果進行分析、歸納，了解他們的研究動態，提出了此類研究發展的趨勢。

2建筑熱舒適性

2.1熱舒適性定義及意義

“熱舒適”是指人體對熱環境的主觀熱反應。2013年，美國供暖、制冷與空調工程師協會標準(ASHRAE Standard 55-2013)[2]中對熱舒適的定義是指對熱環境表示滿意的意識狀態，即人體對自身的熱平衡條件和感覺到的環境狀況綜合獲得是否舒適的感覺。Gagge[3]將熱舒適定義為，一種對環境既不感到熱也不感到冷的舒適狀態， 即人們在這種狀態下會有“中性”的熱感覺。Bedford[4]1936年提出熱舒適的 7級評價指標，這一指標也反映出熱舒適和熱中性是同義的。1966年ASHRAE 開始使用7級熱感覺指標(表1)。

以往人們在一定的實驗環境下，來研究人們對環境的熱感覺，這樣受試者可以很好的回答對環境冷熱感覺的真實感受，也會很方便填寫調查問卷。但這種研究方法，不能反應熱環境的動態變化對人體熱舒適的影響。Cabanac[5]認為，將“熱舒適”定義為“主觀上對熱環境滿

表 1　熱舒適和熱感覺評價指標

意”是不夠的，熱舒適應由“愉快”和“不愉快”這類術語來定性描述比較恰當，而且認為這種“愉快”與“不愉快”是一種動態的感覺。牛潤萍[6]等經過現場測試和問卷調查發現，熱舒適不是絕對的，而是人員對于熱環境一個相對的動態感應。因此學者認為，舒適性是一個相對動態的過程。

由于人之間的個體差異，在同一個環境下，對環境的滿意程度也不同，如何調節建筑室內熱環境參數，滿足多數人的舒適性，是從事建筑室內熱舒適研究的科研人員主要任務，也是高校建筑室內熱舒適性研究的首要任務。

2.2室內熱舒適性的影響因素

關于室內熱環境參數對熱舒適的影響，許多學者作了大量的調查研究和理論分析。1962年，Macpherson[7]定義了影響熱舒適感覺的6個因素:空氣溫度、空氣流速、相對濕度、平均輻射溫度、新陳代謝率和衣服熱阻。在這6個因素的基礎上，通過可控制環境參數的人工實驗室和穩態條件下能量平衡的熱舒適模型研究， Fanger[8]建立了熱舒適方程，在搜集了1 396名美國與丹麥受測對象的熱感覺表決票的基礎上，他提出了一個較為客觀的度量熱感覺的尺度指標—預期平均評價指標PMV( Predicted Mean Vote)，以反映對同一環境絕大多數人的冷熱感覺。

建筑物室內熱環境參數，如空氣溫度、空氣流速、相對濕度、平均輻射溫度等對熱舒適均有影響，我們不僅要考慮單一參數對熱舒適的影響，同時要針對不同參數的相互組合來討論人體熱舒適。實驗測試可以發現各個影響因素是相互關聯的，其中人體的新陳代謝、穿衣熱阻因個體的差異而顯得不同，實驗測試起來差別較大，相對研究的比較少，其余四個因素的研究相對比較多。例如，當室內風速小于0.05m/s時，室內風速對熱舒適幾乎沒有影響，空氣相當于靜止，人們會感到稍微不舒服；當風速達到0.2m/s時，人們可接受的熱舒適區相當于降低1.1℃，此時人們也不會產生吹風感，反而覺得很舒適。由以上數據可以看出室內空氣流動速度較小，應控制在0.2m/s左右[9]。

2.3熱舒適性的評價指標

在長期的研究中，由于不同學者采用不同的研究方法，因而迄今為止提出的熱舒適指標非常多，總的來說，大概有：預測平均投票值 PMV、等效溫度Teq(Equivalent Temperature)、新有效溫度ET(New Effective Temperature)、標準有效溫度SET(Standard Effective Temperature)、主觀溫度Tsub(SubjectiveTemperature)、作用溫度OT(Operative Temperature)等。這些指標由于建立時，出發點的不同以及不同的有關變量，造成它們各自相應的作用和適用范圍，不過在環境偏離舒適條件不遠的范圍內，它們的評價結果或者說指標值是比較接近的，但如果超出此范圍，特別是在高溫高濕區，不同指標的結果有較大的差別，有些指標甚至不能用。在這些指標中，只有PMV 指標和SET 指標綜合考慮了影響人體熱舒適的6 個因素，因而得到了廣泛的應用。

3高校建筑室內熱環境的研究

3.1高校教學樓

近些年，重慶大學、西安建筑科技大學、湖南大學等學者對學校教學樓室內熱環境進行了研究，取得了一定的研究成果。大學教室的主要使用者是18～28歲左右的青年，這個年齡段學生身體對環境變化的適應能力比較強，這是學者通過調查問卷及實地測試結果存在差異的主要原因，表明學生對溫度、濕度、風速的可接受熱舒適區范圍比較廣，比理論計算的數值范圍要大一些。

2005年，重慶大學的羅明智[10]等學者以重慶地區高校的教學樓為研究對象，利用問卷調查和現場測試的方法，從主觀和客觀兩方面描述了夏季教室內熱環境的狀況，實測得到學生中性溫度(中性溫度是一個人感覺最舒適的環境溫度，在這個環境溫度中，人們皮膚的蒸發、散熱量最低，整個新陳代謝率也處于最低狀態)為27.7 ℃，比預測中性溫度高0.3 ℃，教室內的舒適區為ET(新有效溫度)25.5～29.8 ℃，并分析了風速對人體熱感覺的影響，認為高溫的教室環境中，學生對風速的忍受極限相應增加，增加室內風速成為他們改善室內熱環境的有效手段之一。

2010年，閆丙宏[11]等學者對天津某高校主教學樓室內熱環境狀況進行研究。首先，收集了180份問卷用以調查參與者在教室內的熱感覺。然后以現場測試數據為基礎，利用DEST軟件對全年教室內的溫度變化進行模擬。研究結果表明：在夏季，教學樓一樓陰面教室室內溫度較陽面教室室內溫度低1.5～2 ℃，室內熱環境較好，現場測試結果與模擬結果基本一致。

2012年，清華大學的曹彬[12]通過對北京某高校教學樓和辦公樓進行測試，分別測試其室內空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度、風速等環境參數，并加以問卷調查的形式了解受試者個人主觀熱感覺，建立了人體熱感覺與室內操作溫度的對應關系。作者將受試者所在地以長江為界分為北方和南方，對其實測熱感覺投票值TSV與室內操作溫度(綜合考慮了空氣溫度和平均輻射溫度對人體熱感覺的影響而得出的合成溫度)分別進行線性回歸所得方程如下所示：

由此得出，北方人實測中性溫度(受試者的實際熱感覺投票值TSV=0的溫度)為26.87 ℃略高于南方人實測中性溫度；由于TSV值隨操作溫度變化直線的斜率表示受試者對溫度的敏感程度，可得出北方人對溫度的敏感程度高于南方人。

為了更明確體現操作溫度或新有效溫度ET對人體熱感覺的影響，本文現將國內部分高校建筑現場研究的操作溫度與實際熱感覺投票值TSV進行線性回歸，所得方程如表2所示。其中TSV值隨操作溫度或新有效溫度ET的變化直線的斜率表示受試者對溫度的敏感程度。通過對比分析得出，我國由北向南地區受試者對溫度的敏感程度依次降低，而實測中性溫度則依次增加。

表2　不同地區的熱中性溫度

2014年，邱靜[16]等對武漢地區某高校公共教室夏季室內熱環境調查研究，教學樓建筑中的多媒體教室室內熱舒適性比一般教室室內熱舒適性更差。教學樓建筑中，不同的教室可能會有不同的使用功能，在炎熱的夏季，應根據具體情況加設空調設備。

3.2高校學生公寓

學生公寓因其室內人員密度較大，人員年齡結構比較單一，與一般的居住建筑有一定的差別。據統計，學生宿舍占高校建筑總建筑面積的比例大約為 15%～21%，學生在校期間，宿舍生活的時間占總時間的40%[17]。

我國地域遼闊，可以分為5個大的建筑氣候區：嚴寒地區、寒冷地區、溫和地區、夏熱冬冷地區及夏熱冬暖地區。對于嚴寒地區、寒冷地區和夏熱冬冷地區的高校建筑室內熱舒適性研究的比較多，而對于夏熱冬暖、溫和地區的高校建筑室內熱舒適性研究的還相對較少。

哈爾濱屬于嚴寒地區，西安屬于寒冷地區，重慶、成都、上海屬于夏熱冬冷地區，對比可以發現：在嚴寒地區，夏季室外氣溫晝夜變化較大，建筑圍護結構傳熱系數小，屋內較涼爽，出現高溫情況較少，晝夜溫差比較大，人們著裝較其它地區厚，學生對宿舍的熱環境相對比較滿意[18]；在寒冷地區，夏季的室外氣溫比較高，而且太陽輻射比較強，90%以上學生對宿舍的熱環境感到不滿意，宿舍內需要進行安裝吊扇、外窗戶需加外遮陽擋板來改善室內熱環境[19]；在夏熱冬冷地區，夏季這些地區不但室外溫度高而且各區域的空氣相對濕度也比較大，因此其高校公寓建筑的室內熱環境比較惡劣，需安裝空調系統進行調節室內熱環境[20]。

2006年，同濟大學夏博、劉加平院士[19，21]等學者，以西安某高校學生宿舍為研究對象，針對宿舍內的夏季熱環境狀況，利用問卷調查和現場測試的方法從主觀和客觀兩個方面描述了公寓室內熱環境狀況。結果表明，學生宿舍內熱環境處于ASHRAE給定的舒適區之外，80%以上的學生對室內熱環境表示不滿，明顯感到夏季的炎熱，建筑不能很好發揮其隔熱的功能；并提出了可通過改善室外微氣候、采用被動式的建筑手段和改進管理方法等方面改善室內熱環境。

2009年，重慶大學王琳[22]通過對重慶地區高校學生宿舍調查和測試，對學生宿舍室內熱環境進行了主觀評價與客觀分析；然后結合調查結果，利用DEST-h軟件模擬了不同圍護結構熱工性能和通風換氣次數下室內的熱環境參數，結合有效實感溫度AT值(Ambient Temperature)的舒適度模型所確定熱舒適評價標準，其模型是根據人體熱平衡原理和我國人體特點所建立的，模型中AT值包含了四個影響人體熱舒適的參數，分別是空氣溫度、相對濕度、風速和平均輻射溫度。

通過理論計算的數據，可回歸求得偏熱、偏冷環境下的AT值簡化公式：

其中，Ta為室內空氣溫度(℃)，Pa為空氣中的水蒸氣分壓力(kPa)。AT值不受地區的限制，適用于全國各地。利用AT公式計算上海、武漢、北京的AT值并與我國目前應用的地方人體舒適度統計模型計算結果相比較，可以確定出AT值的舒適度區間：AT<15 時為低溫不適，AT>28 時為高溫不適，15≤AT≤28 時為舒適區。

作者同時對圍護結構傳熱系數、外窗遮陽系數及通風換氣次數等因素對室內熱環境的影響分別進行了定量分析，得到了不同建筑形式、不同使用特征和不同位置學生宿舍室內冷、熱不舒適時數和全年任意時刻室內的最佳通風換氣次數。其中調查結果表明：夏季60%以上的學生可接受的溫度范圍為24～32 ℃，可接受的濕度范圍為50%～90%，學生對濕度的敏感程度低于溫度；模擬評價結果顯示：單元型宿舍(如圖1)不同朝向室內的熱不舒適時數大小為：南向熱不舒適時數最少，北向比南向高37～120 h，西向比南向高79～152 h，東向比西向高5～36 h。

2013年，東華大學張寧波[20]等學者，以上海高校居住建筑為例，對我國的夏熱冬冷地區室內熱舒適性進行了研究，通過對自然通風條件下學生宿舍室內熱環境進行了連續7 d實測，分析了不同朝向宿舍室內熱環境特征。結果表明：夏季在自然通風條件下，盡管夜間室內熱環境略好于晝間，但溫度均高于26 ℃；由于室內通風狀況良好，房間內熱濕環境仍處于多數學生可以接受的

范圍內，室內空氣品質較好；另外，太陽輻射對房間內溫度分布有重要影響，南向房間平均溫度高于北向房間約0.8 ℃，晝間兩者最大溫差達2.6 ℃。

2015年，東北林業大學的程衛紅[18]等對哈爾濱地區夏季自然通風下高校學生宿舍人體熱舒適進行了研究，問卷調查分析統計：90%左右的學生對所處環境下的熱濕感覺表示滿意，99%學生對調查時所處環境下的吹風感表示可以接受。測試結果分析表明: 在哈爾濱市夏季自然通風學生宿舍內，學生的熱中性溫度為23.2 ℃ ，熱期望溫度約25.2 ℃ 。

3.3改善高校建筑室內熱環境的措施

通過對學校建筑室內熱環境的研究，并結合學者對建筑節能改造技術的研究，總結出學校建筑室內熱環境改善的主要措施如下[23，24]。

(1)對建筑圍護結構進行改造：外墻和屋面的保溫；確定合理的窗墻比，控制建筑物開窗面積；對外窗增設遮陽措施；盡量使用平開式外窗，其優點是開啟面積大、通風、保溫、抗滲性能良好。

(2)對建筑布局進行改造：合理的建筑布局使建筑形成穿堂風和利用樓梯間的煙囪效應，促進建筑內自然通風。

(3)對建筑外部環境進行改造：根據當地的氣候條件和地理環境，合理規劃布置建筑物；盡量增加建筑物外的綠化面積，改善建筑物的微環境。

(4)在建筑物的屋頂種上綠色植物，建成綠色屋頂，植物對于太陽輻射有很好的吸收效果，可以防止頂層房屋室內的溫度過高。

4國內外高校典型節能建筑項目

高校作為教學、生活及科研的大型綜合體，也是主要的能源單位之一。調查發現，目前全國校園能耗占社會總能耗的8%[25]，高校建筑能耗占學校總能耗的24%左右，并且通過調查夏熱冬冷地區的13所高校的平均能耗發現，其平均能耗為全國人均能耗的2倍左右，其中最高的達到4倍之多，可見高校建筑能耗存在較大的節能潛力[26，27]。

我國高校建筑節能主要有4個方面，分別是建筑圍護結構保溫、建筑室內用電設備節能、可再生能源應用技術和建筑管理措施節能。部分高校在校園建筑和改造項目中采用了多種節能相關技術，其中，清華大學、同濟大學文遠樓和山東建筑工程學院分別根據其建筑節能方面的研究成果，建設了校園節能示范性建筑，表3列出了其代表性建筑采用的建筑節能技術[28～32]。從表3中可見，這3個高校的示范性節能建筑都綜合采用了多項節能技術，包含了建筑形式及圍護結構、室內環境控制、能源系統、測量和控制系統等多方面的優化技術。

表3　代表性建筑采用的建筑節能技術

5結語

(1)我國高校建筑夏季熱環境普遍集中在對溫度、濕度、平均輻射溫度、空氣流速的影響，而缺少了對服裝熱阻及人體的新陳代謝率影響的研究，而國外學者對這個兩個方面的影響已經開始研究。

(2)對于嚴寒地區、寒冷地區和夏熱冬冷地區的高校建筑夏季室內熱舒適性研究的比較多，而對于夏熱冬暖、溫和地區的高校建筑夏季室內熱舒適性研究的還相對較少，可進一步對這兩個氣候區的高校建筑進行研究，進而總結出適用于高校建筑的熱舒適性標準。

(3)國內學者對高校建筑節能方面的研究主要集中于建筑圍護結構對建筑能耗的影響，應根據使用功能，結合當地的氣候特點，采用與我國高校建筑物相適宜的改造措施對建筑進行改造，合理布置教學樓、宿舍、圖書館等建筑的具體方位、朝向等，在滿足人體的熱舒適條件下，盡可能地減少建筑能耗。

(4)應該盡快完善國內高校建筑的綜合性節能指標體系，建立起符合各個不同地區特點的外墻、屋面、門窗等方面節能指標，在滿足學生對室內舒適度的要求下，降低建筑的能耗。

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Research Status and Application of the Summer Indoor Thermal Environment of College Buildingsin China

Niu Mengmeng，XuanYongmei，Mao Can

(CollegeofEnvironmentalandChemicalEngineering，Xi′anPolytechnicUniversity，Xi′an710048，China)

Abstract:This article summarizes and prospects the researches of indoor thermal comfort in the collegebuildings，mainly from aspects of the teaching buildings and apartment buildings.In the meantime，the article summarizes the application of energy-saving technologies in college buildings，which aimsto provide references for the future research.

Key words:college building;thermal comfort; building energy-saving technology

文章編號：1674-9944(2016)02-0097-05

中圖分類號：X5

文獻標識碼：A

作者簡介：牛萌萌(1990—)，男，河南商丘人，西安工程大學環境與化學工程學院碩士研究生。

收稿日期：2015-11-03