西安市中小學春季室內熱環境研究

白魯建，楊 柳，李署婷，宋 冰

（西安建筑科技大學建筑學院，陜西 西安 710055）

隨著生活水平的提高，室內熱舒適問題越發引起人們關注．20世紀60年代美國學者Givoni通過實驗研究發現舒適的室內熱環境不僅有利于居住者的身心健康同時也有利于提高工作效率[1-2]．教室作為學生的主要學習空間，中小學生除去休息時間以外全天有67 %的時間在教室渡過．因此，研究及提高中小學教室室內熱環境狀況將對中小學生的學習效率及身心健康產生重要影響．

近年以來不少國外學者通過儀器設備對中小教室室內的客觀環境參數進行了大量測試研究．意大利學者Valeria De Giuli在春季通過對28間無空調設備的小學教室進行對比研究后發現教室內通風不足CO2濃度過高，且學生在多數時間里感覺較熱[3]．以往研究表明教室溫度過高易于導致學生頭痛和胸悶，進而導致無法集中精力上課[4-5]．美國學者Gwen C. Marchand以大學生為對象開展了對比性試驗，實驗發現處在不舒適室內環境下的學生要比舒適環境下學生學習效率差[6]．

除空氣溫度、風速及相對濕度等室內客觀環境參數以外，室內熱環境的優劣主要取決于人體的主觀熱感覺及熱需求．早在19世紀70年代法國學者Humphreys便從人體熱舒適的角度出發來研究小學生的熱感覺及熱需求，研究發現兒童對熱環境的敏感度要低于成年人，并且不同兒童之間對熱環境的感受也各不相同，并分析出這是由于小孩在上課期間的新陳代謝水平較高的原因[7]．荷蘭學者 Sander ter Mors對本國小學生熱舒適狀況進行了研究并將結果與適應性熱舒適理論模型進行了對比分析，發現小學生的熱舒適溫度要比以往熱舒適模型理論預測的結果更低，且期望較低的溫度[8]．近兩年韓國學者 Hyunjun Yun[9]及西安建筑科技大學岳鵬[10]分別對本國幼兒園室內熱環境進行了研究，發現在熱感覺方面幼兒與成人之間存在著明顯的差異．Hyunjun Yun對研究結果分析后指出，由于小孩的新陳代謝率更高因而熱舒適溫度范圍也較成人偏低．

依據人體熱舒適的適應性理論，不同地域人群因地域氣候不同而具有不同的熱需求，國外的研究成果不能完全適用于我國[11]．此外，人體的熱舒適需求是建立室內舒適熱環境的基礎，而不同年齡段人群對熱環境的需求各異，因此有必要針對我國中小學生的室內熱需求及自身熱感覺特點進行研究．鑒于前人的研究成果及基礎本次研究主要針對以下四個問題：(1) 過渡季（春季）中學與小學的室內熱環境現狀；(2) 不同年齡段學生對熱環境需求的差異性；(3) 影響中小學生主觀熱感覺的主要因素；(4) 教室室內熱環境改善應注意的問題及改善措施．旨在初步發掘教室熱環境存在的問題并為以后中小學校建筑設計優化提供參考．

1 研究方法

本次實驗研究以西安地區中小學教室為研究對象，以春季為時間節點，通過主觀問卷調查與現場熱環境參數測試相結合的方法分別從客觀環境參數和人體熱舒適需求兩方面展開研究．

1.1 研究時間和地點

現場調查研究分兩次進行．小學調查測試開展于4月10日～12日為期3 d，測試教室面積為60 m2，學生數為46人；中學調查測試開展于4月16日～18日為期 3 d，測試同時選取了相同建筑面積的無人教室作為對比房間，有人教室面積為76 m2，學生數為 60人．中小學校均位于西安市內，測試期間教室均未采用任何采暖和降溫措施．

1.2 研究對象及現場研究方法

研究對象均為在校中小學生，小學回收有效問卷118份、中學回收有效問卷195份．現場研究中每個班級固定挑選10 ～15人來填寫主觀問卷，并使問卷填寫人員均布于室內各個位置．中學問卷填寫起止時間為：7:50～17:50，時間間隔為1 h；小學問卷填寫起止時間為：8:00 ～16:00，時間間隔為1 h．問卷填寫工作共持續2 d．

1.3 室內外環境參數測試

室外環境參數測試包括空氣溫濕度和風速．室內環境參數測試包括空氣溫濕度、黑球溫度、風速以及壁面溫度．測量采用的儀器型號可見表 1．測量所用儀器的精度和響應時間均滿足 ASHRAE 55-2004和ISO 7726-2002標準要求．

表1 測試用儀器名稱及記錄間隔Tab.1 Test instrument and measure parameters

1.4 熱舒適主觀問卷調查

調查問卷的內容包括：(1) 性別、體重、身高以及衣著情況等基本信息；(2) 對房間環境的接受程度評價和期望溫度；(3) 熱感覺、濕感覺以及通風主觀感覺，其中熱感覺采用ASHRAE的7級指標表示；(4) 填寫問卷時室內溫濕度及風速．

2 數據處理方法

在計算前期對數據中的新陳代謝率和服裝熱阻參數進行了處理，其中新陳代謝率依據 GB/T 18049-2000《中等熱環境PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定》中的規定來確定．[12]考慮到本次調研測試過程中學生在填寫問卷過程中均為坐姿且全天從事輕體力活動，因而新陳代謝率定為1.2 met．

服裝熱阻按照GB/T 18049—2000中的方法，估算出學生所穿單件服裝的熱阻值，并依據以下公式估算出整套服裝的熱阻[12]：

式中：clI為單人整套服裝熱阻，clo；compI 為單件衣服熱阻，clo．

3 數據分析

3.1 室內外熱環境狀況分析

中小學教室在使用過程中門窗長期處于開啟或半開啟狀態，尤其是中學教室上課期間門窗均處于完全開啟狀態，室內外空氣流通性大，室內熱環境易受到室外同期環境的影響．因此，在分析前期我們將測試期間室內外環境參數進行了歸納整理，具體環境參數參見表2．

表2 室內外環境參數統計表Tab.2 Environment parameters indoors and outdoors

由表2可見，測試期間室外空氣溫度日較差大，平均相對濕度小．教室室內空氣溫度均值高于室外均值2 ℃左右，室內平均風速偏低，基本處于靜風狀態．

空氣溫度是影響人體熱感覺的主要因素之一．通過對中學和小學室內外溫度測試結果分析發現(圖1～2)，中學教室相對于小學教室受室外溫度波動的影響更為嚴重．中學教室白天室內溫度波動趨勢與室外基本一致，上午室內溫度高于室外0.8 ℃，下午室內溫度平均低于室外 0.5 ℃，而夜間(20:00-次日 6:00)室內溫度平均高于室外溫度3.5 ℃以上．分析這與教室使用規律有關，白天教室由于上課門窗均處于完全開啟或半開啟狀態，這不僅降低了圍護結構對室外溫度波動的抵御能力，同時較高的室內溫度也易于導致熱不舒適感增加；在夜間關閉的門窗使得室內熱空氣無法散出，直至次日6時室內溫度仍高于外界空氣溫度5.3 ℃，從圖2可以看出次日清晨門窗開啟通風時室內溫度有顯著的下降，降溫幅度達 3 ℃．小學教室白天僅有部分窗開啟，門在上課時間處于關閉狀態，室內外空氣流通速度小，白天室內溫度波動幅度較小，為3.2 ℃．由于夜間室內沒有足夠的通風溫度比室外平均高1.2 ℃．但小學教室室內溫度整體受外界環境變化影響較小．總結當前中小學教室的使用模式我們發現，教室的使用方式會使得室內熱量無法及時散出，長期累積進而降低建筑圍護結構的蓄冷作用，白天長時間開啟的門窗也會降低房間抵御室外溫度升高的能力．

為進一步分析室內全天人體熱感覺與室內空氣溫度變化的趨勢，文章將二者結合進行了對比分析．如圖3～4所示，隨著全天室內空氣溫度的持續升高舒適感比率不斷下降，熱感增加．尤其在下午時間中小學生的熱不舒適比率均超過了60 %．此外，中小學生在13:00～14:00時間的熱不舒適比率均有一個高峰，這是由于午后剛剛回到教室運動量大所導致．圖3～4也從側面說明了降低室內空氣溫度(尤其是下午時間段)對于提高室內舒適度有很大作用．

從室內外環境溫度波動的趨勢(圖 1～2)可以看出，通過夜間通風的方式對室內進行降溫具有很大潛力．夜間通過有效地通風將室外冷空氣引入室內以降低空氣溫度，加之圍護結構的蓄冷作用，進而可以降低次日白天室內溫度的升高速度，但蓄熱夜間通風的降溫效果需要白天盡量關閉門窗以減少白天外部熱量流入[13-15]．由于學校教室人口密度大，內部得熱量大，如果白天通風不足會造成室內二氧化碳濃度過高以及積蓄熱量過多而產生悶熱感，進而降低學生注意力的集中和學習效率[16-18]．如圖5所示，通過對本次調研問卷中室內空氣品質感受一項分析發現中學教室由于人員密度大(約0.8人/m2)，人員密集共處室內時間長，室內悶熱感要明顯高于小學教室，有 71%的人認為室內空氣悶或很悶，悶熱的空氣也會導致學生學習效率低下．這同時也是我國大部分中小學教室在使用過程中所面臨的一個嚴重問題．因此白天室內適量的低溫新風輸入是十分有必要的．

圖1 室內外逐時空氣溫度對比分析Fig.1 Contrast analysis of indoor and outdoor hourly air temperature

圖2 室內外逐時空氣溫差值對比分析Fig.2 Analysis of indoor and outdoor hourly air temperature difference value

圖3 中學生全天熱感覺與室內空氣溫度對比分析Fig.3 Contrast analysis of the middle school students thermal sensation and indoor air temperature

圖4 小學生全天熱感覺與室內空氣溫度對比分析Fig.4 Contrast analysis of the primary thermal sensation and indoor air temperature

圖5 室內空氣感覺對比分析Fig.5 Contrast analysis of the indoor air feeling

3.2 熱中性溫度與人體熱舒適分析

熱中性溫度是依據現場實測熱感覺及操作溫度線性回歸而得，該指標綜合考慮了人體主觀熱感覺及空氣溫度、輻射溫度、空氣流速等客觀指標，旨在提出科學合理的室內舒適熱環境標準，為建筑設計及暖通設計工作提供相應的指導．文章將實測熱感覺及計算出的PMV值分別于相應的操作溫度進行線性回歸求解，進而求出熱中性溫度值．

依據20世紀70年代Fanger提出的著名的PMVPPD熱感覺指標，該指標依據四個環境因素和兩個人體因素來對給定的熱環境進行人體熱感覺預測分析[19]．在前期數據處理的基礎上，將實測的空氣溫度、該溫度下的飽和水蒸汽分壓力、相對濕度以及代謝率和服裝熱阻代入編寫的Matlab程序進行PMV及PPD值計算．然后依據溫度頻率法[20]將操作溫度每隔0.5 ℃劃分一個組，分組進行平均值計算，然后分別將每個區間內的操作溫度均值與熱感覺投票均值MTS以及預測熱感覺均值PMV運用SPASS數理統計軟件進行線性回歸分析，分析結果見圖6～7．

通過圖6可以看出中學生對于熱感覺的敏感性要比預測的低．中學生在操作溫度較低時實測熱感覺值比預測值偏高，在操作溫度較高時實測值與預測值基本一致．小學生實測值整體偏高于預測值．統計后發現中小學生實測熱感覺值要比同期預測值總體高出0.5～0.8．熱敏感性偏低說明長期處于當前熱環境已使得學生對環境有一定的適應和自我調節能力，因而對于環境溫度的適應范圍廣．但由于空間人口密度、通風不暢及衣著調節不便導致學生心理感覺整體偏熱．

通過分析分別建立了中小學實測和預測熱感覺與操作溫度的回歸方程式(見表3)，令方程式中y值歸零可以分別求得實測和預測熱中性溫度．

圖6 中學生熱中性溫度求解Fig.6 The solution of middle school students thermal neutral temperature

圖7 小學生熱中性溫度求解Fig.7 The solution of primary thermal neutral temperature

表3平均熱感覺回歸方程Tab.3 Regression equation of the average thermal sensation

通過表3可以看出，中小學實測中性溫度均低于預測中性溫度，據以往研究結果分析這是因常住人群對地區氣候的適應性所致．對比中小學的實測中性溫度發現小學比中學低2.5 ℃．西安建筑科技大學茅艷根據廣泛的人體熱舒適調查建立了我國不同氣候區的人體熱舒適適應性模型，其中寒冷地區的適應性模型如下[21]：

依據該模型，代入本次實測室外空氣溫度計算出預測中性溫度分別為26.88 ℃和25.23 ℃．該計算值均高于本次調研分析得到的中性溫度，但以上模型的建立是基于大規模的實測調研得出的，調研人群主要為中青年．不同年齡段的人群因其自身的代謝速率、活動量及衣著習慣不同對熱環境的適應能力及感知也不相同[7-8]．如西安建筑科技大學岳鵬通過對西安地區幼兒園室內熱環境調查研究發現幼兒的熱感覺與成人是有差異的，不能使用同一標準判定[10]．本文的研究結果與該觀點一致．人群密度較大的教室環境全天處于低風速狀態，且適用人群新陳代謝量大活動量大，因而更傾向于獲得較低的室內溫度．

3.3 熱感覺影響因子的敏感性分析

由于本次測試期間室內平均風速均處于 0.09 m/s以內、全天服裝熱阻不變．鑒于此本文僅探討了空氣溫度at和平均輻射溫度 MRT對人體熱感覺的影響．

影響因子的敏感性研究以中學熱舒適問卷為樣本，篩除少量靠窗和靠墻位置學生問卷后，根據室內實測壁面溫度推算不同位置學生所受到的平均輻射溫度 MRT．按照美國 ASHRAE Handbook 2009[22]中提供的計算方法將室內不同壁面對人體形成的輻射溫度進行疊加計算，考慮到教室北窗面積較大計算時以實測的玻璃溫度替代北墻作為主要輻射面．計算公式如下：

計算后完成后，根據溫度頻率法分別以平均輻射溫度和空氣溫度為基準每0.5 ℃劃分一組，并求得每組熱感覺、平均輻射溫度和空氣溫度的均值．然后分別對熱感覺與平均輻射溫度和空氣溫度進行線性回歸分析．分析結果如圖8所示．

圖8 熱感覺影響因子敏感性分析Fig.8 Sensitivity analysis of the thermal sensation influencing factors

通過圖8可以看出測試期間空氣溫度總體高于平均輻射溫度．熱感覺與平均輻射溫度MRT的相關性要高于與空氣溫度at的，此外人體對平均輻射溫度的敏感性高于對空氣溫度的．通過分析可以發現在低風速環境下較低的平均輻射溫度更易于使人體獲得舒適狀態，這是因為在人體熱平衡方程中正常比例散熱條件下輻射散熱約占 45%～50%，而對流換熱僅占 25%～30%[19]．且春季學生衣著量較大，身體暴露于空氣中的部位較少，依據ASHRAE Handbook 2009中的有關研究表明衣服透氣性小、空氣流速低的情況下，對流導熱方式散熱所占比例較小，輻射散熱為主要散熱方式[22]．因此，室內較低的壁面溫度也有利于提高學生的熱舒適感．

4 改善措施及建議

學校建筑因其功能特點及使用人群特點而不同于居住建筑及辦公建筑，長時間高密度人群的特點使得室內低風速情況下易產生悶熱感．當前一些高校及中小學針對于教室現存的問題采用加裝空調設備的方式來加以解決，表面上似乎解決了現存的問題，但深入研究可以發現教室建筑自身的特點(多為外廊式 ? 窗墻面積比高)以及使用模式(門開啟頻率高)決定了僅采用空調設備既不利于降溫也不利于建筑節能．此外，長期處于空調房間對于人體抵抗力等生理機能有一定影響．因此，本文建議針對問題應采用被動式手段加以解決：(1) 對于室內溫度升速快、溫度高的問題，通過對室外環境溫度波動趨勢的分析發現在過渡季采用夜間通風的方式可以有效降低室內白天積蓄的熱量，建議采用蓄熱加夜間通風的方式(夜間通風量不足時需采用機械通風加以補充)來處理白天溫度升速過快、溫度過高的問題，同時注意白天應將量減少窗扇開啟；(2) 對于室內空氣悶的問題，建議白天采用機械通風方式引入室外新風以滿足室內需求，但為了防止室內溫度升高需要對新風采用預冷處理，建議利用校園室外場地采用地下埋管方式對新風進行降溫．

5 結論

中小學教室是中小學生主要的活動及學習空間，其室內熱環境的優劣將直接影響中小學生的身心健康及學習效率．通過本次現場調查研究發現了教室熱環境較為突出的幾個問題并對問題進行了一定研究，問題如下：

(1) 在過渡季(春季)由于教室使用模式人為降低了教室圍護結構抵御外界溫度波動的能力，白天中學室內外溫差均值僅為0.2 ℃，室內外溫度波動趨勢一致，小學教室室內溫度相對穩定，白天室內溫度平均低于室外1.6 ℃．由于夜間門窗的關閉中小學室內溫度平均高于室外3.5 ℃和1.2 ℃．

(2) 中學教室由于人員密集、室內風速過低（均值＜0.1 m/s），空氣質量差學生悶熱感強烈．中學教室相對小學教室悶熱感覺比例高41 %．

(3) 中小學生由于生理差異，其熱感覺均不同于成人．本文通過對回收問卷的分析計算得出中小學生熱中性溫度分別為：20.1 ℃、17.7 ℃．相對于以往的研究成果該值分別偏低5.7 ℃和7.5 ℃．

(4) 在室內風速較低的情況下，人體熱感覺對平均輻射溫度的敏感度高于對空氣溫度的．

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