甘肅地區(qū)教學(xué)建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境研究

王晗旭

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

0 引言

基于穩(wěn)態(tài)熱平衡方程建立的PMV模型僅適用于均勻、穩(wěn)態(tài)的熱環(huán)境，而人們所處的環(huán)境大多是動(dòng)態(tài)、不均勻的，大量的熱舒適現(xiàn)場研究也表明其與受試者實(shí)際平均熱感覺存在較大偏差?；贏SHRAE RP-884項(xiàng)目提出的適應(yīng)性熱舒適理論，很好的解釋了這種差異產(chǎn)生的原因[1]。我國學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)探索，姚潤明、李百戰(zhàn)等[2-3]運(yùn)用“黑箱”理論提出了預(yù)計(jì)適應(yīng)性平均熱感覺指標(biāo)，并建立了“適應(yīng)性PMV模型”（aPMV）。

已有研究表明，舒適的室內(nèi)熱環(huán)境更有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率[4-5]，而過高的室內(nèi)溫度容易使學(xué)生感到頭痛、胸悶，導(dǎo)致注意力下降[6-7]；在現(xiàn)有熱舒適溫度基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低室內(nèi)溫度有利于提高工作和學(xué)習(xí)效率。學(xué)生處于青少年時(shí)期，其新陳代謝比成年人旺盛，對熱環(huán)境的敏感度要低于成年人[8]，對室內(nèi)熱環(huán)境有其獨(dú)特的要求，合理確定冬季教室內(nèi)熱舒適性參數(shù)，對節(jié)能降耗、學(xué)生身心健康及學(xué)習(xí)效率有著重要的影響。

本文擬通過對寒冷地區(qū)教室熱環(huán)境、學(xué)生主觀熱反應(yīng)的現(xiàn)場測試和實(shí)地調(diào)研，獲得該地區(qū)教室內(nèi)學(xué)生冬季中性溫度、舒適溫度范圍，以及最優(yōu)學(xué)習(xí)效率對應(yīng)的溫度，提出適用于寒冷地區(qū)教學(xué)建筑的室內(nèi)熱環(huán)境評價(jià)模型，為教學(xué)建筑冬季熱環(huán)境設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 熱舒適研究方法

1.1 調(diào)查對象概況

現(xiàn)場調(diào)研于2015年冬季進(jìn)行，對象為甘肅地區(qū)的5所學(xué)校的12間教室。研究采用現(xiàn)場測試與主觀調(diào)查相結(jié)合的方法，在對366名學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查的同時(shí)對室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量，其中男生184名（占50.3%），女生182名（占49.7%），年齡在9～16歲之間，平均年齡為13歲。

1.2 環(huán)境參數(shù)測試

測試的室內(nèi)參數(shù)有：空氣溫濕度、風(fēng)速、黑球溫度等；室外參數(shù)有：空氣溫濕度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速。主要儀器有TBD-1型太陽輻射儀、TR-72ui自記式溫度計(jì)、TR102S黑球溫度計(jì)、ZRQF-F30風(fēng)速儀，每隔10分鐘自動(dòng)記錄一次。室內(nèi)溫濕度采用五點(diǎn)法平均布置在教室內(nèi)，室外溫濕度測點(diǎn)位于屋面背陰處。室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)測點(diǎn)布置

1.3 主觀問卷調(diào)查

問卷內(nèi)容包括：①學(xué)生背景情況，如年齡、衣著量等；②學(xué)習(xí)效率主觀評價(jià)；③調(diào)查時(shí)刻學(xué)生的熱感覺、期望度等對室內(nèi)熱環(huán)境的主觀感受。

1.4 熱舒適評價(jià)指標(biāo)

冬季當(dāng)相對濕度在熱舒適范圍內(nèi)、室內(nèi)風(fēng)速較低時(shí)，人體熱感覺同時(shí)受空氣溫度和平均輻射溫度的影響，應(yīng)采用操作溫度to作為熱舒適評價(jià)指標(biāo)[9]。

2 調(diào)查結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)

對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，其中ta為空氣溫度，to為操作溫度，tr為壁面溫度，φ為相對濕度，v為空氣流速。to的分布頻率如圖2所示。

表1 室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)及服裝熱阻統(tǒng)計(jì)表

圖2 晝間室內(nèi)操作溫度to的分布頻率

由表1可知，教室晝間（7:00-18:00）溫度變化范圍為0.5～17.9℃，平均值為13.7℃，低于《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定值20℃[10]。室內(nèi)相對濕度范圍為16%～63%，平均值為40%，絕大多數(shù)在30%～60%的正常范圍內(nèi)，滿足衛(wèi)生要求[11]。風(fēng)速v≤0.2 m/s的樣本占95.2%。由圖2可知，上課期間室內(nèi)操作溫度to主要分布在11.5℃～14.5℃之間，平均值為12.7℃。

測試期內(nèi)典型天太陽輻射強(qiáng)度及室外空氣溫度如圖3所示。

圖3 室外太陽輻射及空氣溫度

由圖3可知，日太陽輻射持續(xù)9～10 h，平均太陽輻射強(qiáng)度為269 W/m2，最大值出現(xiàn)在13:00左右，為501 W/m2；室外日平均氣溫為-2.2℃，變化范圍為-7.7～2.4℃。該地區(qū)屬于太陽能資源豐富的寒冷地區(qū)。

2.2 新陳代謝率及服裝熱阻

G.Havenith通過研究給出了9～18歲不同年齡學(xué)生在不同課程類型下所具有的代謝率[12]。本文中學(xué)生年齡均在9～16歲之間，且主要靜坐看書、寫字、聽講及討論問題等，因此本文新陳代謝率取值1.2 met（70 W/m2）。

統(tǒng)計(jì)分析學(xué)生衣著情況，參照ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算服裝熱阻值，獲得其分布頻率如圖4所示。

圖4 服裝熱阻分布頻率

由圖4可知，學(xué)生的服裝熱阻主要集中在1.3～2.1 clo（占89.2%），平均值高達(dá)1.62 clo。主要當(dāng)?shù)厥彝鈿鉁氐?，學(xué)生普遍穿著較厚的衣服御寒，且學(xué)生進(jìn)出教室沒有頻繁更換衣物的習(xí)慣。其中，女生服裝熱阻平均值略高于男生，分別為1.63 clo和1.59 clo，說明女生更期望溫暖的環(huán)境。

2.3 熱接受率和熱舒適區(qū)間

計(jì)算某一溫度下的熱不可接受率PPD*（熱感覺投票值為-3、-2、2、3的學(xué)生占總投票人數(shù)的百分比），將PPD*與操作溫度 to進(jìn)行回歸分析：PPD*=0.807to2-23.398to+175.2，相關(guān)系數(shù) R2=0.786，如圖 5所示。

圖5 不可接受率與室內(nèi)操作溫度的回歸分析

由圖5可知，冬季80%的學(xué)生表示滿意的可接受溫度下限為10.1℃；90%的學(xué)生感到滿意的舒適溫度范圍為11.9～17.1℃。

2.4 熱中性溫度

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到預(yù)測平均投票值PMV。采用溫度頻率法[9]，得到每個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)實(shí)測平均熱感覺值MTS（Mean Thermal Sensation）。將實(shí)際熱感覺投票值MTS和PMV與操作溫度to分別進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)MTS=0、PMV=0時(shí)，實(shí)測和預(yù)測中性溫度分別為14.7℃和15.1℃，均高于室內(nèi)平均操作溫度（to=12.7℃）；MTS曲線的斜率明顯小于PMV曲線的斜率。說明學(xué)生對溫度變化的敏感程度比預(yù)測值要小，通過自身調(diào)節(jié)形成了對偏冷環(huán)境的適應(yīng)性。教室采暖不是標(biāo)準(zhǔn)的采暖系統(tǒng)，室內(nèi)熱環(huán)境處于非穩(wěn)態(tài)條件，而學(xué)生對這種非穩(wěn)態(tài)偏冷環(huán)境的適應(yīng)性使得MTS與PMV之間存在“剪刀差”現(xiàn)象，PMV模型并不能準(zhǔn)確預(yù)測學(xué)生的平均熱感覺。

2.5 適應(yīng)性PMV模型（aPMV）

由前所述，由于學(xué)生對非穩(wěn)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性，PMV并不能準(zhǔn)確預(yù)測學(xué)生的平均熱感覺。姚潤明、李百戰(zhàn)等[2-3]提出的預(yù)計(jì)適應(yīng)性平均熱感覺aPMV模型（Adaptive Predicted Mean Vote model），采用自適應(yīng)系數(shù)λ（λ值反映了人體采取的自適應(yīng)調(diào)節(jié)水平）將PMV與aPMV聯(lián)系起來，用以解釋TSV和PMV之間的差異，見式（1）：

利用最小二乘法[2]求得 λ=-0.52（PMV<0），λ=0.22（PMV>0），由λ和PMV值可計(jì)算得到aPMV指標(biāo)，如圖7所示。

圖7 PMV、MTS與室內(nèi)操作溫度的關(guān)系對比

由圖7可知，對偏冷和偏熱的熱環(huán)境采取不同水平的自適應(yīng)調(diào)節(jié)后得到的aPMV模型能夠較好的預(yù)測人體平均熱感覺。相比于PMV>0的偏熱環(huán)境中，PMV<0時(shí)的偏冷環(huán)境中λ的絕對值更大，說明學(xué)生對偏冷的環(huán)境有更高的自適應(yīng)調(diào)節(jié)水平，而對偏熱環(huán)境的適應(yīng)性較差。因此，冬季寒冷的氣候條件使學(xué)生形成對偏冷環(huán)境的適應(yīng)性，此時(shí)如果室內(nèi)溫度過高，這種適應(yīng)性將被破壞，不僅浪費(fèi)能源，也容易引起學(xué)生的熱不適感。

2.6 室內(nèi)熱環(huán)境對學(xué)習(xí)效率的影響

學(xué)習(xí)是一種特殊的腦力勞動(dòng)，對學(xué)習(xí)效率的評價(jià)應(yīng)從速度和準(zhǔn)確度兩方面考慮。根據(jù)該準(zhǔn)則，選取安菲莫夫表作為腦力工作能力測試用表格。

統(tǒng)計(jì)每一操作溫度下學(xué)生2分鐘內(nèi)完成安菲莫夫表的平均總閱字?jǐn)?shù)、總應(yīng)刪字?jǐn)?shù)、錯(cuò)刪數(shù)、漏刪數(shù)，據(jù)此計(jì)算腦力工作能力指數(shù)IMC（Index of Mental Capacity）：IMC= 閱字?jǐn)?shù) /2×(應(yīng)刪數(shù) -錯(cuò)漏數(shù))/應(yīng)刪數(shù)。將IMC與操作溫度to進(jìn)行回歸分析，得到IMC隨to的變化曲線，如圖8所示。

圖8 腦力工作能力指數(shù)IMC隨操作溫度to的變化曲線

由圖8可知，腦力工作能力指數(shù)IMC在to=14.2℃時(shí)最高，而由圖6可知，學(xué)生熱中性溫度為to=14.7℃，說明中性稍涼的熱環(huán)境下學(xué)生的腦力工作能力指數(shù)最高，更有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。

3 結(jié)論

1）學(xué)生的熱中性溫度為14.7℃，90%感到滿意的舒適溫度范圍為11.9～17.1℃。較大的服裝熱阻、偏冷環(huán)境對心理期望的調(diào)節(jié)作用以及新陳代謝旺盛的生理特性，使得學(xué)生中性溫度、舒適溫度下限較低，學(xué)生對偏熱的環(huán)境較為敏感，對偏冷的環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2）教室采暖不屬于標(biāo)準(zhǔn)的采暖系統(tǒng)，室內(nèi)溫度非穩(wěn)態(tài)變化，經(jīng)自身調(diào)節(jié)學(xué)生形成了對偏冷環(huán)境的適應(yīng)性，PMV與MTS仍存在較大偏差。由實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到自適應(yīng)系數(shù) λ=-0.52（PMV<0）、λ=0.22（PMV>0）時(shí)的適應(yīng)性aPMV模型可對該類地區(qū)學(xué)生的平均熱感覺進(jìn)行預(yù)測。

3）腦力工作能力指數(shù)IMC在to=14.2℃時(shí)最高，低于熱中性to=14.7℃，說明中性稍涼的熱環(huán)境下學(xué)生擁有更高的學(xué)習(xí)效率。