國內高校建筑熱環境現場研究的現狀及展望

李昇翰 曹丹綸

深圳大學土木工程學院

近年來，我國出現了高校新校區建設浪潮。隨著建筑業的發展，教育建筑從標準化轉而注重舒適與節能，國內已有許多關于高檔居住建筑,辦公寫字樓以及其他大型公共建筑室內環境的研究。而與辦公室和住宅空間相比，由于占用時間、熱環境要求、居住者活動和服裝等諸多因素差異，教學建筑需要特定的熱環境研究[1]。國內外學者已運用不同理論方法，分別探究氣候區和教育水平與熱環境的關系。

目前為止，國內還沒有關于熱環境現場理論框架和具體調查綜述性分析的研究。為了解該領域的發展現狀，掌握整體觀點，提供廣泛的研究綜述。本文調查了過去13 年（2005～2018）里有關教育建筑熱環境現場調查的研究，通過統計分析，對比并提取研究之間的相似性以及上述參數之間的關系。最后基于三個主要方面進行分類：氣候區，建筑類型和研究方法，以及其他小類，包括研究年份、受訪者數量和研究季節。由于研究數量有限和研究條件的多樣性，建立精確的分析模型還不可能。所以，本文只對其中25 篇有代表性的研究進行探討。第一部分涉及現場研究的方法，包括客觀調查和主觀調查。第二部分綜述這些研究基于不同氣候區和建筑類型的結果和趨勢。最后，進一步指明現有研究的不足和未來發展的趨勢建議。

1 研究概述

1.1 客觀研究

現場研究分主觀和客觀兩方面?？陀^研究主要是對建筑室內、室外環境物理參數的測定。1962 年，Macpheron 提出了影響熱舒適的6 個因素：空氣溫度，平均輻射溫度，空氣流速，相對濕度，新陳代謝率和衣服熱阻[2]。一般情況下客觀研究的測試指標為室內、外空氣干球溫度，室內、外空氣相對濕度，室內、外空氣流動速度，室內、外黑球溫度……使用的儀器包括TSI 手持風速儀、黑球溫度計、熱球風速儀、干濕球溫度計等。測量時間從幾周[3-4]到一整年[5]的都有。對于一些研究，客觀研究是唯一的調查方式[6-9]。在所有現場測量收集的參數中，溫度是所有研究都會涉及的指標。Dedear和Brager 推薦全球熱舒適數據庫采用操作溫度作為熱舒適參數的計算指標，它是空氣溫度和平均輻射溫度對各自的換熱系數的加權平均值。因為在非高溫情況下默認操作溫度等于空氣溫度，故從測量結果中選取空氣溫度進行后一步計算。

1.2 主觀研究

主觀研究最主要的途徑是問卷調查，采用的是描述法，即多項選擇法。它的主要目的是收集學生對溫度、濕度、風速等的主觀評價和熱感覺，同時了解受試者的背景信息和影響人體熱舒適的兩個客觀因素：新陳代謝率和衣服熱阻。所有評估的變量依據ASHRAE 55 和ISO 7730 標準。問卷調查把人體對上述因素的各種反應劃分為若干等級，依據一定標準將每一種反應與等級對號入座。受試者根據自己的感覺,選出最能代表的數字等級。這些數字使得研究者得以對各種抽象的反應進行數學上的分析，研究結果從主觀的感知性變成為客觀的科學性?，F在問卷內容有了一些改變：早期評估只包括熱感覺和偏好的問題，但現在還會加入室內空氣濕潤度和空氣流速甚至人員密度[10]。Mishra 和Ramgopal 說，對于選擇收集的調查對象數量或調查的持續時間，沒有明確的約定。在本文涉及到的研究中，樣本數量即有效問卷數量少至45[11]多至超過1200[2，12-13]，分布非常廣泛。主管研究中縱向和橫向調查均有使用，有的還分別調查了男生和女生、不同年級在同一環境下的熱反饋，雖然在大多數情況下結果并沒有顯示出明顯的差異。

2 討論

2.1 建筑氣候劃分

《民用建筑設計通則》對我國按照氣候區劃分為7個主氣候區，分區名稱包括嚴寒地區，寒冷地區、溫和地區，夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區。西安是西北的教育中心，在建筑熱工分區上屬于寒冷地區，是高校熱環境研究最先出現的地區之一。由于地處寒冷地區和夏熱冬冷地區的交界處，西安地區在建筑設計和室內環境的處理上有著一定的特殊性和矛盾性。2003 年夏博調查發現高校宿舍的建筑圍護結構沒有很好地發揮隔熱的功能，夏季室內酷熱潮濕，冬季非供暖時段溫度過低。供暖時段因為長時間門窗緊閉導致宿舍內換氣量不足，空氣品質差。他提出宿舍的建設應該尊重當地的地形和氣候，保證綠化數量，同時加強利用窗、陽臺等建筑構造，進行合理地規劃[14]。

嚴寒地區與寒冷地區的區分條件是嚴寒地區年日平均氣溫≤5 ℃的日數不少于145 d，而寒冷地區年日平均氣溫≤5 ℃的日數90～145 d。嚴寒地區的熱舒適研究多只針對冬季。哈爾濱作為極具代表性的嚴寒地區，已有許多相關的研究。Zhaojun Wang 將哈爾濱的供暖期分為前、中、后三個階段，比較教室和宿舍在不同階段的熱環境和學生的反饋。結果顯示教室的室內溫度要高于宿舍，熱期望溫度卻低于宿舍，且兩者的熱中性溫度都處于上升趨勢，這反映了人們對熱環境的適應性。在問卷調查中，無論是在教室還是在宿舍，室內平均溫度都要高于受試者的熱中性溫度，許多學生反映感覺到熱，這說明室內供暖溫度太高。作者認為如果將室內溫度降至熱中性溫度，教室和宿舍分別可以節約10.1%、3.8%的能源[15]。

夏熱冬冷地區主要氣候特征為冬季濕冷、夏季濕熱，氣溫日差較小。羅明智于2003 年8 月對重慶大學的教室室內熱環境做了抽樣測試和問卷調查。作者分別將預測熱舒適指標PMV 和熱感覺投票TSV 對新有效溫度ET*線性擬合，發現學生熱舒適投票值普遍小于預測值。這是因為常年的校園生活讓學生們對于環境有較強的適應能力，他們在心理上對教室內高溫有了心理準備，期望值也會相應地降低[16]。此結論得到了夏一戰學者的驗證，他發現在高溫的教室環境中，增加風速可以有效改善熱環境。學生對風速的容忍程度也有所增加。但是進一步研究結果顯示只有在高溫高濕的環境下，風速才會對人的熱舒適度造成影響[17]。

針對夏熱東暖地區，Ruey-Lung Hwang 運用卡方檢驗，發現學生對教室內氣溫，風速和遮陽的滿意度是影響熱感覺的重要因素。同時性別也是重要的影響因素，但濕度的滿足以及其他環境特性如室內空氣質量沒有很大影響。通過與同樣是夏熱冬冷地區的新加坡和夏威夷地區比較，作者對比兩地熱期望溫度與熱中性溫度的差別發現中性熱感覺與受試者的熱期望水平普遍不符[18]。夏熱東暖地區夏季高溫高濕，太陽輻射強烈，在學生相對集中且活動頻繁的大學校園中，此種氣候條件可能會造成學生的身體不適甚至中暑。但目前該地區的研究數量還是有限，需要學者加以重視。根據對現有文獻的統計，夏熱冬冷地區，寒冷地區和嚴寒地區的熱舒適性的研究較多，夏熱冬暖和溫和地區的這類研究還相對較少。溫和地區地域上包括云南大部、貴州、四川西南部、西藏南部小部分地區[19]，這類地區的研究基本還是空白，是未來的趨勢之一。

2.2 研究對象

“高校建筑”是各高等學校為幫助學生和老師達成教學目的而提供的活動場所，是校舍、校園、運動場及附屬設施的集合，其中校舍包括宿舍樓、教學樓、體育館、活動中心、圖書館和游泳池等校內的各類建筑。

學生宿舍屬于居住建筑，與一般的居住建筑不同，宿舍的居住人群為18～25 歲的學生，人員密度和散熱量大，空調等設備的使用也因學校設施和學生對環境的主觀反映有所不同[7]。學生每天大部分時間待在宿舍，其室內熱環境將對學生的生理和心理健康造成直接影響。萬勇對位于綿陽地區的西南科技大學進行熱環境調查，他在冬季選取新區東八宿舍樓首層，中間層和頂層各一間學生宿舍進行現場測試。測試結果顯示學生宿舍室內干球溫度波動小，最大日較差僅為2.0 ℃，具有較好的熱穩定性。室內相對濕度隨室外波動變化小，但相對濕度普遍很高，有42.5%的人對室內熱舒適度表示滿意或可接受[7]。呂留根則是對宿舍的不同位置進行現場測量，探究熱環境參數在一日之中各個時間段的變化[20]。除了宿舍，教室也是廣大師生接觸最頻繁的室內環境。李久芳考察發現南方地區高校教室冬季室內熱環境舒適度基本達到要求，但存在著冬季室內溫度偏低、空氣流通差等問題。作者認為窗戶的開啟情況，窗戶數量和位置對室內環境的舒適度有很大影響[21]。同時，邱靜在對多個公共教室進行室內熱環境調查和實測的基礎上，選擇一間實驗教室進行對比測試，分析熱源、窗戶開閉對熱環境的影響[22]。還有學者將教室和宿舍的室內熱環境進行對比，他把供暖期分為前、中、后三個階段，探究各個階段兩類場所內環境的變化，分析兩個場所之間的物理參數差異以及出現原因[23]。

圖書館建筑與教學、科研工作關系密切，是校園內使用最頻繁和人聚集數量最多的建筑之一。近幾年，開始有學者對其他類型校園建筑進行研究。各大高校的圖書館雖然都安裝了不同形式的空調系統和供暖系統，但不合理的使用和運行管理導致室內熱環境并不理想。因此，改善圖書館熱環境不僅能解決舒適問題，還能保護館內重要書籍和文獻，保證館內師生們正常地工作、學習。劉開瓊認為考慮到圖書館白天使用為主，應該選擇具有良好熱工指標的圍護結構，并采取合理的通風方式，將圍護結構內表面出現最高溫度的時間和使用時間錯開[8]。

目前，我國對于校園內的大空間建筑研究還不夠，但越來越高的環境舒適度要求已經是社會發展的必然趨勢[11]。何梅測試了西安10 所高校食堂內的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度等環境指標，同時收集學生們對食堂環境的反饋。主觀調查顯示師生對室內濕度狀況還是較為滿意的，但對溫度和空氣質量并不滿意，其中溫度是不滿意反饋最多的因素[24]。調查顯示所有測試對象的濕度和二氧化碳指標是達標的，但溫度指標都是超標的，這與師生們反饋一致。張玲玲針對北京地區高校食堂熱環境存在的問題，結合相關標準規范對現場調查結果做出評價分析，得到有益于建筑物理環境舒適性的設計策略[25]。李建穎對西安市12 所不同建造年代、不同使用功能的高校中、小型體育館的使用特點進行調查，發現夏季體育館內溫度過高，不同著裝、不同運動水平的使用者對環境的舒適感覺要求不同。需要通過加強通風等方式提高人員的熱舒適[26]。

3 現有研究存在問題分析

人們對低能耗甚至零耗校園的關注推動了全世界范圍內教育建筑研究的增多。近年來，研究焦點由建筑能耗逐漸轉向熱環境舒適度。由前文可知，現場測量是在我國現有研究中最為普遍的研究方式，目的是監測某個測點在特定時間段溫度、濕度、空氣流速等變量的變化。近來，國際學者開始使用建筑內長期熱環境的指標，即以一長段時間為單位并考慮了所有的建筑區域。學者MonTazami 和Nicol 比較室內溫度和熱感覺發現慣用標準中的熱舒適區域更寬，容易出現環境過熱的情況[27]。在具體測量中，測點大多布置在室內的中間，將被測對象如教室視為整體熱區域，沒有充分考慮其建筑和結構特性[28]，事實上，太陽輻射下，由窗墻壁和氣流引起的各種熱輻射場可能會造成室內熱區域布局不均勻。因此，現場熱環境評估與受試者在房間中的位置有很重要的關系。

隨著人們生活條件的改善，空調、暖氣等機械通風手段變得非常普遍，與不同的加熱、冷卻和通風系統相關的熱舒適性成了學者們關注的問題。國外一些研究率先評估了采用不同的加熱系統[29]和通風系統[30-32]對學生的熱舒適度的差異。還有一些研究比較了自然通風和機械通風教室的熱環境[33-34]。同時，BIM 領域的發展帶動了大量研究使用軟件進行模擬，這使得預測具有不同結構特性的教育建筑的熱環境成為可能。但是單純的模擬研究缺乏來自學生的真實的熱感受反饋。如果沒有實際熱投票值作為支撐，結果將會和實際調查有較大出入[35-36]。在用軟件模擬過程中，隨著參數的改變，適用的熱舒適模型和標準不同，可應用于建筑設計的舒適溫度相會隨之變化，最終不能得出確定的結論。因此。學者接下來應該著力于制定針對微氣候和不同建筑、結構特性的的熱舒適標準。

4 總結

由于我國相關領域的發展時間不長，國內現有研究還遠遠不能覆蓋現實的多種可能性。目前，國內研究僅限于測出熱環境適宜與否，并不仔細探究背后的原因，研究結論大都止步于熱舒適指標的確立，而對于后續建筑設計中可操作性的驗證和實踐缺乏必要的論述。未來研究的建議總結如下：

1）由于中國地域跨度大，同一氣候區觀察到熱中性的差異也很大。未來我國相關學者應該收集和分析不同氣候帶中現場研究的新數據庫，強化對微觀熱舒適性的研究。

2）重視基于測試者生理、心理反饋及調節行為如服裝熱阻及人體新陳代謝率，發展適應不同氣候、不同對象的熱舒適定量評價指標。

3）未來可進一步探索熱環境對學生學習表現和能耗影響。

4）發展長期指標，在建筑使用期間內從空間上評估熱舒適度，如進一步對夏熱冬暖、溫和地區這兩個氣候區進行研究。

5）熱舒適度調查通常在特定季節進行，且受訪者數量有限。未來研究應該在延長現場調查時間，增加受訪者人數，以獲得更為廣義和普遍舒適溫度范圍。

6）室內和室外氣候相互影響，且都會影響人類的適應能力。應該從兩方面進行熱舒適性評估以獲得更可靠的結果。

7）充分考慮建筑和熱學特性，比較不同參數下的熱環境情況，并且建立這些特征和學生熱感知之間的關系。