桂林某高校圖書館冬季室內熱環境與熱舒適性研究

鄭文亨,蘇紹映,李倍宇,李梅香,何智鵬

(桂林電子科技大學 建筑與交通工程學院,廣西 桂林 541004)

作為大學校園核心場所的圖書館,是學生常去的閱讀和學習之地,具有學生停留時間長和人員密度高的特點,其室內熱舒適性優劣直接影響到室內人員的學習效率高低。為此,研究滿足健康和高效要求的校園圖書館室內環境條件顯得十分重要。

目前關于熱舒適的研究,多數學者主要通過對住宅、辦公建筑、商場等場所展開大量的現場調查[1-9],得到不同地區的人體熱舒適需求和熱適應特征,對于高校圖書館的熱舒適性研究相對較少[10-11],尤其是針對夏熱冬冷的南部地區高校圖書館的熱舒適性研究。為此,筆者嘗試對桂林某高校圖書館進行現場調查與分析,初步探究該地區高校圖書館冬季室內熱環境情況,尋找該類建筑內的中性溫度和可接受溫度范圍,為高校圖書館的設計提供依據。

1 研究方法

1.1 桂林地區氣候特點

桂林地處南嶺山系西南部, 廣西壯族自治區東北部, 湘桂走廊南端, 屬亞熱帶季風氣候。 年平均氣溫為19.3 ℃， 七八月最熱, 月平均氣溫為28 ℃；

1月最冷, 月平均氣溫7.9 ℃。 年平均相對濕度為73%～79%。

1.2 數據采集

調研于2016年12月中旬至2017年1月中旬進行,期間共進行了10天的現場調查測試,測試時間段為9:00—17:00,地點為桂林市某大學的圖書館。該圖書館地上4層,地下1層,建筑面積約41 000 m2,調研中先后涉及1～4層的不同區域。測試內容主要包括現場問卷調查和環境參數測試兩部分,測點高度取1.1 m,對應人體坐姿的頭部高度。于自然通風狀態下進行測試。

1.2.1 現場環境參數測試 在問卷調查的同時也進行了現場環境參數測試, 主要包括室內外空氣流速、 空氣溫度、 相對濕度及室內輻射溫度。 所用儀器為MI6401熱舒適度測量儀, 精度如表1所示。

表1 儀器測試范圍及精度

1.2.2 現場主觀問卷調查 從圖書館內的學生中隨機選擇受試者,問卷調查內容主要包括:(1)被測試學生的基本情況,包括性別、年齡、停留時間等;(2)受試者的衣著情況和活動量,包括上裝、下裝情況及活動狀態等;(3)人體的熱感覺和熱舒適調查，包括學生的熱感覺和對室內環境的滿意程度,對潮濕狀況、風速等的主觀評價,其中熱感覺的投票值采用ASHRAE(美國供曖、制冷與空調工程師學會)七級指標表示[12]。

2 調查結果與分析

2.1 樣本情況

通過現場調查測試,共得到664份有效調查問卷。受試者中男生389人,男生占比58.6%、女生占比41.4%,女生比例略低于男生。受試者年齡分布為18～25歲,接受調查時在館內停留時間均超過0.5 h,其中停留時間超過2 h的受試者比例為58.9%。

2.2 室內外環境參數

室內外環境參數統計結果見表2。可知,冬季室內外空氣溫度的均值分別為19.9、13.3 ℃,室內外相對濕度的均值分別為49.7%和68.2%。室外空氣溫度在8.1～17.9 ℃,可基本代表桂林市冬季室外溫度的變化。

表2 室內外環境參數統計結果

圖1～圖3為調研期間室內外空氣溫度和相對濕度的分布頻率及潮濕感接受率。調查測試期間,室外溫度主要分布在11～16 ℃,占調查總數的93%以上；室內溫度低于18 ℃的溫度段占總數的30.6%,說明調研期間室內溫度有近1/3的時間低于《民用建筑室內熱濕環境評價標準》(GB/T 50785—2012)中規定的非人工冷熱源熱濕環境室內體感溫度18 ℃的下限。室內相對濕度大多分布在30%～70%,但室外相對濕度大多超過70%。受試者對室內濕環境感到滿意的潮濕感投票為微濕、正好、微干,分別占總數的10%、61%、24.7%,僅有4.5%的人認為圖書館干燥,說明絕大多數的受試者對館內的潮濕感表示接受,約占總數的95.5%。

圖1 室內外溫度及頻率分布Fig.1 Indoor and outdoor temperature and frequency distribution

圖2 相對濕度及頻率分布Fig.2 Relative humidity and frequency distribution

圖3 潮濕感投票結果Fig.3 Wet feeling voteing

圖4和圖5為圖書館室內空氣流速頻率分布與吹風感投票結果。導致室內產生不適宜吹風感的最低風速約為0.25 m/s[13]。調查測試期間的室內風速均低于0.25 m/s,說明圖書館內的風速符合人體對室內空氣流速的舒適要求,但仍有2%的受試者覺得有不適宜吹風感,20.5%的受試者感到悶。這是由于人對吹風的感覺不僅與氣流速度有關,還與室內環境的溫度、氣流的分布狀態以及受試者自身所處的熱狀態等因素有關。

圖4 室內空氣流速及頻率分布Fig.4 Indoor air flow rate and frequency distribution

圖5 吹風感投票結果Fig.5 Blowing feeling voteing

2.3 服裝熱阻與人員活動水平

受試者的衣著情況在問卷調查中進行了詳細的記錄, 參考ISO 7730:2005[13]標準確定每種服裝類型的熱阻值, 并根據ASHRAE[14]規定的組合服裝熱阻計算標準進行累加計算, 得到本次調查測試受試者的服裝熱阻范圍為0.57～1.36 clo, 平均值為1.01 clo, 分布情況見圖6。

其中,92.3%的被測試者的服裝熱阻在0.8～1.3 clo。整體而言,受試者的服裝熱阻分布較廣且整體較低,這是因為桂林位于夏熱冬冷區最南端，冬季較為暖和，同時也與受試者多來自于廣西地區、長期處于濕熱氣候環境下的穿衣習慣有關。

測試期間,受試者主要是坐著學習或偶爾在室內活動, 屬于輕體力活動類型, 新陳代謝率平均為1.2 met[15]。

圖6 冬季圖書館服裝熱阻分布頻率Fig.6 Winter library clothing thermal resistance distribution frequency

2.4 平均熱感覺與中性溫度

圖書館內學生的熱感覺分布頻率如圖7所示。有50.9%的學生熱感覺投票為0(適中),14.8%的熱感覺投票為+1(微暖)，17.5%的熱感覺投票為-1(微涼),對于偏離中性較大的其他熱感覺投票共占16.8%。若將投票在-1、0 和+1的比例表示認為可接受的熱感覺,那么有83.2%的學生對圖書館室內熱感覺表示可接受。

圖7 熱感覺投票的分布頻率Fig.7 Distribution frequency of hot feeling voting

采用溫度頻率法[16]將室內測點溫度以0.5 ℃為間隔分成若干操作溫度區間, 操作溫度to的計算公式

to=Ata+(1-A)tr,

(1)

式中：ta、tr分別為室內空氣溫度和平均輻射溫度, 系數A從《民用建筑室內熱濕環境評價標準》(GB/T 50785—2012)附錄D表D.0.2中選取。以每一區間的中心溫度作為自變量, 每一個溫度區間內的受試者的平均熱感覺(MTS)值為因變量, 通過線性回歸分析, 得到平均熱感覺投票值MTS與操作溫度to的關系, 如圖8所示。

圖8 MTS與操作溫度to的線性回歸分析曲線Fig.8 Linear regression analysis curve of MTS and operating temperature to

回歸方程(相關系數R2=0.738 6)為

MTS=0.166 8to-3.285 3。

(2)

令MTS=0，求解得到室內的熱中性溫度為19.7 ℃, 與調研期間的室內平均溫度19.9 ℃相近,80%滿意度的熱舒適溫度范圍為13.7～25.7 ℃。

2.5 熱接受率與熱舒適區間(PPD與操作溫度擬合分析)

以熱感覺投票值為-1、0、+1的人數占該溫度區間內所有投票人數的比例為實測的熱可接受率,根據圖7的熱感覺投票的分布頻率可知,有83.2%受試者對圖書館室內環境感到滿意。將操作溫度to作為自變量,預測不滿意比例(PPD)作為因變量,通過回歸分析,得到預測不滿意比例(PPD)與操作溫度to的關系,如圖9所示。

圖9 PPD與操作溫度to的回歸分析曲線Fig.9 Regression analysis curve of PPD and operating temperature to

回歸方程(相關系數R2=0.810 0)為

PPD=0.846 7to2-40.369 4to+491.558 0。

(3)

在ASHRAE標準和ISO 7730:2005標準中有80%的測試者可接受時說明室內熱環境處于舒適狀態, 也即預測不滿意比例PPD≤20%時的溫度范圍屬于可接受溫度范圍。 令PPD≤20%時，求得室內可接受溫度范圍為20.5～27.2 ℃。

3 討 論

3.1 平均熱感覺投票(MTS)與預測平均熱感覺(PMV)對比

將實測的室內空氣溫度、相對濕度、空氣流速、黑球溫度、服裝熱阻和新陳代謝率等數據代入PMV計算程序,可計算得到預測平均熱感覺PMV,將得到的PMV值和對應操作溫度to進行回歸,得到如圖10所示的關系曲線。

圖10 PMV與操作溫度to的線性回歸分析曲線Fig.10 Linear regression analysis curve of PMV and operating temperature to

預測平均熱感覺PMV與操作溫度的回歸方程(相關系數R2=0.809 9)為

PMV=0.228 2to- 5.350 3。

(4)

令PMV=0, 可以得到室內PMV預測熱中性溫度為23.4 ℃,80%滿意度的熱舒適溫度范圍為19.1～27.8 ℃。

由圖8和圖10可以看出,MTS與PMV的線性回歸曲線的形式變化趨勢基本一致,但PMV回歸曲線的斜率明顯大于MTS的回歸曲線,通過PMV預測得到的熱中性溫度明顯高于實測的熱中性溫度,說明受試者對當地氣候環境具有較好的適應性,冷適應能力要比預測值高。同時也說明采用適用于穩態環境的PMV指標來評價自然通風建筑時,評價結果與實際情況會有一定的偏差。

4 結 論

通過對桂林市某高校圖書館冬季熱舒適調查分析,得到以下結論:

(1)在自然通風環境下,冬季熱中性溫度為19.7 ℃,低于PMV模型預測的熱中性溫度23.4 ℃,兩者相差3.7 ℃，表明PMV模型預測的熱感覺與實際感覺存在一定偏差。

(2)80%學生可接受的溫度范圍為13.7～25.7 ℃,受試者滿意率為83.2%,說明圖書館室內環境基本能夠滿足人體熱舒適。可接受室內溫度下限較低,主要原因是桂林屬于夏熱冬冷地區的最南端,冬季室外平均氣溫較高,學生通過服裝調節、心理適應等方式適應冬季偏冷的環境。

(3)圖書館有95.5%的學生可接受室內空氣濕度,無需對室內進行除濕處理。室內空氣流速基本滿足人體的熱舒適要求,但仍有20.5%的學生感覺風速不夠,應在適當時段開啟窗戶引入新鮮空氣。