張家口地區(qū)高校教學(xué)樓冬季室內(nèi)熱舒適調(diào)查研究

梅 蘭 楊 薇 王 苗

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

0 引 言

教室是開展教學(xué)活動最主要的場所,是與廣大師生關(guān)系最密切的室內(nèi)環(huán)境之一.教學(xué)環(huán)境的舒適健康對學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和身心健康起重要作用,對教學(xué)質(zhì)量有直接影響,因此,教室室內(nèi)的熱舒適環(huán)境顯得尤為重要[1].寒地高校教學(xué)建筑冬季采暖能源消耗大,存在著能源浪費(fèi)現(xiàn)象,節(jié)能潛力相當(dāng)可觀.

由于不同地域、不同社會背景的人對熱舒適的適應(yīng)性存在差異,因此,目前國際通用的熱舒適評價標(biāo)準(zhǔn)(如ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)[2]和ISO7730標(biāo)準(zhǔn)[3])不一定具有普適性.本研究立足冀西北地區(qū),結(jié)合寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn),選取具有代表性的高校為研究對象,通過實(shí)地調(diào)研,分析研究人體熱舒適對不同類型教室熱環(huán)境的適應(yīng)性,以期對改善該地區(qū)高校教室冬季室內(nèi)熱環(huán)境和節(jié)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(diào)研選取張家口地區(qū)典型高校——河北建筑工程學(xué)院作為研究對象.此高校所處區(qū)域的氣候特征為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,屬于我國建筑熱工分區(qū)的寒冷地區(qū).主教學(xué)樓“明德樓”為綜合性教學(xué)樓,教室主要有公共教室(共有54間,位于1—5層)和專業(yè)教室(共有28間,位于5—8層)兩種類型.公共教室供不同專業(yè)不同年級的學(xué)生上公共理論課程使用,亦可作為公共自習(xí)教室,使用頻率高,人員流動性大;專業(yè)教室為特定專業(yè)的學(xué)生提供繪圖教室,小班教學(xué),使用人員和時間固定.本次調(diào)研選取相同面積、朝向、樓層,相近位置的公共教室和專業(yè)教室各一間進(jìn)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(diào)研時間選在12月26日進(jìn)行(雖測試時間僅一天,但冬季采暖教室的室內(nèi)溫濕度比較穩(wěn)定),時間集中在8:00～20:00,同步進(jìn)行問卷調(diào)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(fēng)降溫情況,氣溫波動幅度不大.

1.2 測試參數(shù)

大量實(shí)驗(yàn)研究表明,影響人體熱舒適的主要物理環(huán)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(shí)驗(yàn)室條件下,平均輻射溫度與室內(nèi)平均溫度的絕對值差別很小[5].因此假定人體均勻?qū)ΨQ受熱,那么教室室內(nèi)空氣的平均輻射溫度與平均溫度在數(shù)值上近似相等.故本次測試參數(shù)主要有室內(nèi)空氣溫度、空氣相對濕度和風(fēng)速.

1.3 測試方法

測試人員手持溫濕度儀和微風(fēng)溫度儀同步進(jìn)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(shù)據(jù).為減少誤差,讀數(shù)時每隔十秒鐘記錄一次數(shù)值,5分鐘內(nèi)共記錄30組數(shù)值,然后取其平均值.兩個教室的房間參數(shù)和測試情況見表1.

表1 教室的房間參數(shù)和測試情況

1.4 問卷調(diào)查

調(diào)查對象為在測試教室上課和上自習(xí)的學(xué)生和教師,填寫問卷時師生至少在教室內(nèi)停留30分鐘以上,處于靜坐狀態(tài)時進(jìn)行.共發(fā)放問卷200份,回收有效問卷186份,其中公共教室126份,專業(yè)教室60份,回收率為93%.問卷調(diào)查的主要內(nèi)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(tǒng)計結(jié)果見表2);

表2 受試者的背景數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

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

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

2 測試與問卷調(diào)查結(jié)果分析

2.1 空氣溫度

教室室內(nèi)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(yè)教室是22.5～26.7℃.測試時段內(nèi)公共教室的平均溫度為23.1℃,專業(yè)教室為24.9℃.參照我國《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)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(nèi)溫度符合要求,但平均溫度偏高;專業(yè)教室的平均溫度超過了規(guī)定溫度的上限,并且在測試時段內(nèi)70%的時間里室內(nèi)溫度均超過24℃.

(a)室內(nèi)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(yù)測平均熱感指標(biāo)PMV,將人體對環(huán)境的冷熱感覺劃分為7級標(biāo)度,投票值為-3(很冷)、-2(冷),-1(有點(diǎn)冷)、0(適中)、+1(有點(diǎn)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(yè)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(biāo)規(guī)定至少83%的受試者能夠接受的環(huán)境即為熱舒適環(huán)境(即不滿意百分?jǐn)?shù)PPD≤17%).由此說明公共教室的師生認(rèn)為此時的冷熱感覺是可以接受的,而專業(yè)教室的熱感覺投票值僅達(dá)到下限,表明受試者認(rèn)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(yè)教室感覺熱的人數(shù)超過一半,這主要是由于該教室室內(nèi)溫度偏高所致.

2.2 空氣相對濕度

圖2(a)為教室室內(nèi)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(yè)教室為11.6%～21.7%,變化幅度相對較大.測試時段內(nèi)公共教室的平均相對濕度為16.2%,專業(yè)教室為16.0%.規(guī)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(nèi)的空氣相對濕度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值下限,均不符合要求.

(a)室內(nèi)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(huán)境的潮濕感受劃分為7級標(biāo)度,投票值為-3(很干)、-2(干燥),-1(有點(diǎn)干)、0(適中)、+1(有點(diǎn)濕)、+2(潮濕)、+3(很潮濕).濕感覺投票值的統(tǒng)計結(jié)果如圖2(b)所示,公共教室和專業(yè)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(nèi)的濕度狀況并未達(dá)到舒適要求.調(diào)研時也有很多師生反映冬季在教室內(nèi)上課會有口干喉痛、燥熱心煩等不舒適感受.另外,在專業(yè)教室有78.3%的人濕感覺投票值為負(fù)值(表示干燥),超過了總?cè)藬?shù)的四分之三,比公共教室多出18%,可見專業(yè)教室的濕感覺舒適度比公共教室更低.

2.3 風(fēng)速

教室風(fēng)速的測試結(jié)果如圖3(a)所示,公共教室風(fēng)速的范圍是0.07～0.23m/s,平均風(fēng)速為0.11 m/s,專業(yè)教室風(fēng)速的范圍是0.06～0.15m/s,平均風(fēng)速為0.12 m/s.規(guī)范要求冬季室內(nèi)活動區(qū)的平均風(fēng)速應(yīng)為0～0.3m/s[8].由于寒冷地區(qū)冬季室內(nèi)開窗換氣的次數(shù)不多,測試期間窗戶處于封閉狀態(tài),因此兩教室室內(nèi)風(fēng)速值都偏低.雖然兩教室的平均風(fēng)速相差甚微,但由于學(xué)生在專業(yè)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(yè)教室風(fēng)速的波動幅度比公共教室大.

(a)室內(nèi)風(fēng)速曲線 (b)風(fēng)感覺投票分布頻率圖3 教室風(fēng)速與風(fēng)感覺投票分布頻率對比

將人體對環(huán)境的風(fēng)感覺劃分為7級標(biāo)度,投票值為-3(很悶)、-2(悶),-1(有點(diǎn)悶)、0(適中)、+1(有風(fēng))、+2(風(fēng)有點(diǎn)大)、+3(風(fēng)很大).風(fēng)感覺投票結(jié)果見如圖3(b),由圖可知,公共教室有82.6%的人風(fēng)感覺投票值為-1、0、+1,這表示大家基本接受當(dāng)時的風(fēng)速狀況.專業(yè)教室有68.3%的人風(fēng)感覺投票值為-1,0,+1,且認(rèn)為室內(nèi)悶、甚至很悶的人占31.6%,說明該教室的師生認(rèn)為室內(nèi)風(fēng)環(huán)境并不舒適.同時,許多學(xué)生反映教室里空氣不新鮮,味道大,可見教室內(nèi)風(fēng)速低,通風(fēng)換氣不暢會影響室內(nèi)空氣質(zhì)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(biāo)度,投票值為-3(非常不舒適)、-2(不舒適)、-1(有點(diǎn)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(jié)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?guī)熒鷮κ覂?nèi)熱舒適基本滿意.專業(yè)教室僅有70.0%的人熱舒適滿意度的投票值在-1,0,+1,且認(rèn)為不舒適(投票值在-3、-2、-1)的人占33.4%,遠(yuǎn)超過公共教室,表明專業(yè)教室的熱舒適并不令人滿意.

圖4 熱環(huán)境舒適度投票 圖5 熱舒適期望投票

師生對教室室內(nèi)溫度、濕度和風(fēng)速的期望如圖5所示.由統(tǒng)計結(jié)果可知,專業(yè)教室期望室內(nèi)溫度降低的人占50%,公共教室接受溫度不變的人數(shù)最多,達(dá)56.3%.公共教室和專業(yè)教室分別有73.3%和65.9%的人期望室內(nèi)濕度升高,可見師生普遍認(rèn)為教室濕環(huán)境需要改善.專業(yè)教室期望室內(nèi)風(fēng)速再大一些的人數(shù)最多,占55.0%;公共教室期望室內(nèi)風(fēng)速不變的人數(shù)最多,占48.4%.

3 結(jié) 論

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

(2)公共教室和專業(yè)教室的相對濕度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值下限,均不符合要求.并且?guī)熒毡榉从扯驹诮淌覂?nèi)上課會有口干喉痛、燥熱心煩等不舒適感受.說明教室內(nèi)空氣比較干燥,應(yīng)當(dāng)采取一定的措施增加空氣濕度.

(3)兩教室室內(nèi)風(fēng)速值都偏低,這是由于冬季室內(nèi)門窗關(guān)閉所致.專業(yè)教室的師生對室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求更高.在密閉空間內(nèi),隨著人數(shù)的增多,室內(nèi)空氣質(zhì)量會變差,不新鮮的空氣會影響學(xué)習(xí)效率,因此應(yīng)采取有組織的通風(fēng)換氣來改善教室內(nèi)的空氣質(zhì)量.

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