關于建筑熱環境參數測定與熱舒適分析的探究性實驗教學

葛堅　李效軍

摘要：作為面向建筑學專業學生開設的建筑物理課程，怎樣通過有效的實驗教學改革，使學生通過熱環境參數測定和熱舒適分析對相關建筑物理指標形成理論和感性的全面認識，深入理解熱環境參數和建筑熱環境結果的因果關系，并且能夠實際運用到建筑環境控制中，是我們實驗教學改革的出發點。本文介紹了浙江大學“建筑熱環境參數測定與熱舒適分析”探究性實驗教學改革的實踐和思考，提出了從單項指標測試轉變為綜合性熱環境的測試分析、從實驗數據分析延伸到建筑熱環境評價分析及改造這一實驗教學內容的改革，以及學生自主設計實驗方案這一實驗教學方法的改革，介紹了實驗教學的具體過程和實驗教學成果，以及項目執行過程中的經驗體會。

關鍵詞：熱環境參數測定；熱舒適分析；探究性實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）02-0154-03

一、項目背景

近年來，隨著社會的發展和人民生活水平的提高，人們對于建筑人居環境的要求也越來越高。建筑人居環境應滿足人的行為活動、生理和心理需求，良好的建筑物理環境是人居環境營建的核心內容之一。同時，建筑能耗的逐年上升，對建筑物理環境控制也提出了更高的節能減排要求。

建筑物理課程作為建筑環境科學的重要組成部分，從20世紀50年代起，就成為中國高等院校建筑學專業的一門專業基礎課。其中的建筑物理實驗是研究建筑節能和建筑環境控制中深層次問題的重要技術手段和有力工具，也是建筑物理教學過程中的重要實踐內容[1]。怎樣進行有效的實驗教學改革，使學生通過熱環境參數測定和熱舒適分析，對相關建筑物理指標形成理論和感性的全面認識，深入理解熱環境參數和建筑熱環境結果的因果關系，并且能夠實際運用到建筑環境控制中，是我們實驗教學改革的出發點。

二、實驗教學實施方案

針對建筑物理I課程中的“建筑熱環境參數測定與熱舒適分析”部分，以往的教學方式除了講述理論知識以外，實驗內容也僅僅停留在測試室內熱環境的單項參數層面，并且是由任課教師布置實驗任務，學生按照老師安排好的實驗步驟按部就班地去進行實驗。鑒于此，我們著重在實驗教學內容和實驗教學方法方面進行了改革。

（一）實驗教學內容的改革：從單項指標測試轉變為綜合性熱環境的測試分析，從實驗數據分析延伸到建筑熱環境評價分析及改造

此次實驗是一個綜合探究性的實驗。首先，要求學生了解影響建筑室內熱舒適性的基本要素，測試影響熱環境的主要物理參數和綜合熱舒適性能指標，分析影響熱舒適性的主要因素及其內在聯系，并增加了主觀問卷調查的內容（表1）。進而，通過對特定研究對象建筑熱環境參數的測試分析，使學生從理論和感性層面全面掌握建筑熱環境的相關物理概念，深入理解影響建筑熱環境參數的各種因素，對相應的建筑熱環境結果進行評價分析并且提出改造方案，使學生掌握建筑熱環境的規律本質，從而有針對性地指導今后的建筑方案設計及材料選擇。

（二）實驗教學方法的改革：從老師安排任務轉變為由學生自主設計實驗方案

此次改革中，由教師提出研究對象和目標，設定實驗要解決的課題；學生運用已經學到的理論知識，并獨立完成從制定實驗計劃、學習實驗儀器操作、開展實驗測試、進行數據分析、完成實驗報告、匯報實驗成果的一系列工作。在制定實驗計劃后，老師進行分組指導修改，完成實驗后，學生分組進行成果匯報。通過這一實驗環節的改革，有助于培養學生獨立設計實驗、分析問題和解決問題的能力。

（三）實驗教學的具體流程

1.設定研究對象：設定建筑系館月牙樓中庭、建筑系專業教室1、建筑系專業教室2、多媒體教室等4個對象，并將學生分成4組；

2.完成實驗方案：每個小組初步設定測試內容、測點、測試時間等實驗內容和實驗方案，分組進行實驗方案的討論，并由教師、助教進行點評和修改完善；

3.學習實驗儀器操作：每個小組確定實驗方案后，小組成員進行工作分工，并在助教的指導下學習實驗儀器的操作；

4.開展實驗測試：每個小組按照實驗方案對其負責的建筑空間進行空氣溫度（室內+室外）、空氣相對濕度（室內+室外）、室內風向風速、室內黑球輻射溫度和室內熱環境綜合舒適度PMV-PPD等熱環境參數的測定（圖1-2），同時進行熱環境舒適度的主觀問卷調查。

5.完成實驗報告：進行實驗數據的整理分析（圖3-4），提出建筑熱環境結果的評價分析和改造方案（圖5），總結實驗心得體會，最終形成實驗報告，并進行實驗成果的匯報答辯。

該實驗是在任課老師、實驗人員及助教輔導下的開放性實驗；課內外時數為4周（其中課內8學時，課外10學時）。實驗效果考核方式如下：（1）實驗方案占20%；（2）實驗過程占30%；（3）實驗報告占50%。該實驗計劃參與學生96人，最終參與學生78人。

三、實驗教學成果

該實驗教學最大的成果在于，學生對建筑熱環境的認知不再僅僅停留在“照本宣科”的理論層面，而是從理論和感性的層面全面掌握了建筑熱環境的相關物理概念，深入理解了影響建筑熱環境參數的各種因素；學生通過對特定的建筑熱環境結果進行評價分析并提出改造方案，掌握了建筑熱環境的規律本質，從而能夠有針對性地指導今后的建筑方案設計及材料選擇。

通過對特定研究對象建筑熱環境參數測定和熱舒適分析，學生總結了影響建筑熱環境結果的外部因素（日照狀況、室外氣溫、室外濕度）以及內部因素（圍護結構熱工性能、門窗開啟面積、遮陽設施、通風狀況、室內壁面材質、室內測點、室內人員、著裝等等），對不同建筑材料的熱工性能進行了調查研究，對相應的建筑熱環境結果進行了評價分析并且提出了改造方案。比如，專教1的實驗小組得出總結：由于設計了大片朝南玻璃幕墻，室內接受大量太陽輻射，導致專教室溫偏高，同時為了減緩這種狀況，窗簾一直處于關閉狀態，導致室內照明需要人工照明來解決，玻璃幕墻的采光作用完全不能發揮，空調和照明的能耗很大。因此，建議減少外圍護結構玻璃的面積，增加熱阻大的圍護結構；擴大可開啟門窗面積，利用對流調節室內溫度；增加遮陽設施等。又如，多媒體教室的實驗小組在分析了影響建筑熱環境參數的各種因素并設置對比實驗后，提出了室內空間熱舒適度改造方案，建議外墻采用翼板，增大風壓引導側向氣流進入室內，也起到豎向遮陽板的作用；也可在內墻增設高窗改善對流條件等（圖5）。

通過本次實驗教學，學生對于今后的建筑方案設計及材料選擇有了全新的認識和感悟，從而意識到：一個建筑師需要在方案階段就運用建筑物理的知識，通過調整建筑形體、合理設計建筑立面、選擇恰當的圍護結構和材料以及構造方式，在營造出豐富建筑空間的同時，滿足人們熱舒適度的要求。

四、結語

隨著探究性實驗教學項目的進行，筆者發現計劃參與學生數與最終參與學生數存在較大差距。在工作量及課外學時數大增而學分沒有增加的情況下，怎樣增加項目覆蓋面，怎樣激發學生參與探究性實驗項目的熱情，是我們下一步要重點考慮的問題。

更深層次的思考：由于建筑物理課程是建筑學專業基礎課，其最終服務于建筑設計學科。如果探究性實驗項目能夠進一步跨課程開展，后續銜接上相關的建筑構造、建筑性能分析和建筑設計課程，開設類似“月牙樓中庭改造設計”這樣的設計專題，將會呈現更好的教學效果。

參考文獻：

[1]許景峰，宗德新，尹軼華.數字技術在建筑物理課程教學中的應用[J].高等建筑教育，2012，21（1）：139-143.

（編輯 胡 玥）