夏熱冬冷地區學校建筑室內溫度調查研究

鄭 敏 李百毅 趙華堂 廖佳琳

夏熱冬冷地區學校建筑室內溫度調查研究

鄭 敏1李百毅2趙華堂3廖佳琳2

（1.四川省建筑科學研究院有限公司 成都 610000；2.西南交通大學建筑與設計學院 成都 610000；3.四川省產品質量監督檢驗檢測院 成都 610000）

學生1/3的時間在學校中度過，室內熱環境質量關乎學生的健康、幸福感以及成績，因此學校建筑的室內環境熱舒適性尤為重要。世界各地氣候差異較大，且人體在自然條件下可以通過調節生理、心理以及行為來適應或改變熱環境，導致被調查者對熱環境的敏感程度和主觀熱感覺存在差異，為了更好地研究非穩態工況下人體的熱反應，針對夏熱冬冷地區學校建筑，主要從室內熱環境的溫度方面進行適宜室內環境指標文獻調研。以03年至今夏熱冬冷地區以及國外相似氣候區關于學校建筑室內環境的文獻和規范為分析資料，以主觀實地調研成果和客觀的規范指標區間值結合分析，總結出適應于夏熱冬冷地區學校室內熱環境各項指標舒適范圍值，夏季與冬季熱舒適溫度分別應集中在24.4～29℃、15.8～24.6℃。為以后制定夏熱冬冷地區學校建筑室內環境參數指標規范提供有利的理論依據，進而改善學校建筑的室內熱環境質量，提高室內環境熱舒適度。

夏熱冬冷地區；學校建筑；室內熱環境；熱舒適溫度范圍

0 前言

學生大部分時間在學校度過，室內環境質量（IEQ）直接影響著學生的身心健康、舒適感以及成績[1]。教室室內環境過冷或者過熱，會加劇身體的熱應激反應，導致學生生病或者表現不佳[2]。經過Anderson和Hoshiko等人研究發現，過高的室內溫度會影響學生的健康，增加如中暑、呼吸和心血管疾病所導致的住院和死亡風險[3,4]。室內環境質量不僅影響學生的健康，還可能影響學生的學習能力以及學習成績。Corgnat等人分析了采暖期意大利教室的室內環境參數，表明熱舒適性可能會影響學生的理解力、注意力和學習水平[5]。Mendell和Heath發現，溫度高于24℃會降低學生的執行力，溫度低于22℃會降低學生手指的靈活性和速度[6]。謝琳娜測量分析了西安某大學校教室的環境參數，指出腦力勞動在25℃時工作效率最高，在低于18℃或者高于28℃的環境中，學生的注意力低下，學習效率急劇下降[7]。相關文獻表明，教室環境質量與學生的表現相關，升高的教室溫度會降低學生的舒適性以及對學業成績產生負面影響，溫度和濕度超過舒適范圍會降低學生的注意力[6,8]。良好的室內環境質量可以提高學生的表現，降低健康風險。

研究室內熱環境的文獻很多，大都是關于辦公室、住宅等建筑類型的研究，采集數據是以成年人為對象。相較于辦公室等建筑，學校建筑是特別的存在，它的主要使用者是未成年人，與成人相比，學生的代謝率較高，熱損失速率更快，對溫度變化不那么敏感，而且對更高的溫度更敏感[9,10]。近年來學校建筑研究的數量有所增加，主要表現在理論方法、教育水平和氣候帶上的差異[11]。按照所處氣候帶進行大致分類，關于亞熱帶國家的研究數量最多，其次是溫帶國家[12]。中國幅員遼闊，自北向南橫跨寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶等氣候帶，按照柯本氣候分類法，我國夏熱冬冷地區所對應的氣候類型為亞熱帶季風性濕潤氣候，屬于濕潤性溫和型氣候區冬干溫暖型氣候[13]。《民用建筑熱工設計規范》[14]將我國分為五個氣候區：嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和溫和地區。夏熱冬冷地區緯度在北緯25°～34°，位于我國中部的長江流域及其周圍廣大地區，大致范圍為南嶺以北，隴海線以南，四川盆地以東，包括重慶、上海、湖北、四川、貴州、安徽、等16個省、市、自治區。該地區夏季悶熱，冬季濕冷，晝夜溫差小，年降水量大，日照偏小。春末夏初該地區多陰雨天，常伴有大雨或者暴雨。夏季太陽輻射強烈，黃梅季節持續陰雨，因空氣中水蒸氣含量過高，易造成潮濕悶熱。冬季空氣溫度低，陰雪綿綿，日照不足，日照率遠低于北方，由東向西急劇減少，易感到潮濕陰冷[15]。

在我國夏熱冬冷地區，許多學者對學校建筑的室內熱環境進行了研究。羅明智等人研究了夏季重慶某高校自然通風教室的熱環境[16]；李百戰等人調查分析了冬季重慶無供暖教室的室內熱環境[17]；葉曉江等人研究了不同城市自然通風建筑的熱舒適狀況[18]；劉晶對夏熱冬冷地區自然通風教學樓熱環境進行了研究[19]。此外，國外學者在與我國夏熱冬冷地區氣候相似的國家及地區進行了學校建筑室內熱環境研究，例如，De Dear等人在澳大利亞的中小學進行了適應性熱舒適研究[20]；Zaki等人以夏季馬來西亞和日本的三所大學為調查對象進行適應性熱舒適研究[21]；Munonye和Ji評估了尼日利亞暖濕氣候下自然通風學校的熱環境感知[22]；Aghniaey等人對美國一所大學的空調教室進行了熱舒適性評價[23]。

目前，國際上通用的預測和評價室內熱環境的標準，如ASHRAE 55-2017和ISO 7730等，都是基于熱感覺處于中性熱舒適，并且主要適用于穩態工況下，根據越來越多的現場研究測試表明，在自然通風或者非空調建筑內，這類模型不能準確預測出人體的熱反應。我國夏熱冬冷地區夏季悶熱高濕、冬季陰冷潮濕，大多數情況屬于非穩態工況，在此情況下人體為了達到舒適的狀態，會積極主動從生理、心理和行為上對熱環境進行調節，此時所預測的人體熱反應會與實際情況存在差異[14]。因此有必要對夏熱冬冷地區學校建筑的室內熱環境進行研究，提高非穩態工況下預測人體熱反應的準確度。本文以2003年至今夏熱冬冷地區以及國外相似氣候區關于學校建筑室內熱環境的文獻為分析資料，同時參閱國內外關于室內熱環境的規范，將文獻中的研究數據與規范值進行對比分析。本文將室內熱環境指標分為溫度、濕度、風速三個方面，對室內熱環境現狀以及規范值按照指標范圍、前置條件等進行列表分析，總結適應于夏熱冬冷地區學校室內熱環境各項指標舒適范圍值，為以后相關規范的修訂提供參考與理論依據，進而提高學校建筑的室內環境熱舒適度，確保學生的身心健康。

1 室內熱環境物理參數適宜范圍值研究

通過收集資料、整理和總結現有的國內外規范及研究文獻，對比分析規范中的室內熱環境參數標準值和文獻中的參數建議值，最終獲得一個適合于夏熱冬冷地區學校室內熱環境參數指標的舒適區間值，為以后制定夏熱冬冷地區學校建筑室內環境參數指標規范提供有利的理論依據。

1.1 室內溫度現狀值

對于室內熱濕環境來說，室內溫度是影響人體在室內環境的舒適程度的重要參數之一。在同一個空間的不同位置，室內溫度是存在差異的，造成差異的原因與建筑外的氣候環境、建筑本身的圍護結構以及建筑使用的設備有關。這些差異會使室內產生水平和垂直方向的溫度差，若在有著明顯溫度差的室內活動，對溫度比較敏感的頭部、腹部和腳踝三個垂直點能同時感受到溫度差異，ASHRAE 55-2017[24]中規定坐著的人員頭部和腳踝水平之間的空氣溫差不得超過3℃，站立人員不得超過4℃，較大的垂直溫差可增加人體對環境的不適感，因此垂直溫差更能影響室內環境人體的舒適度[18]。

樣本選取了室內外調研數據均保留的比較完整的文獻。通過觀察表格中提取的數據，可以看出室內溫度隨室外溫度的變化而變化，國內外夏季室內溫度平均值分布在24～30℃不等；國內6、7月份室內溫度偏高，平均值≥30℃，而在1、2月份溫度最低，平均值分布在9～12℃不等；相較于國內，國外夏季室內溫度較低，平均值≤30℃，馬來西亞地區溫度稍高，平均值在32℃左右，在降溫季節室內溫度平均值比中國高，維持在21℃左右。因此，可以確定室內溫度的變化主要取決于室外空氣溫度。對比室內外溫度的變化可以發現室內溫度普遍高于所對應的室外溫度，這也是與室內人群行為活動有著密不可分的關系。

表1 學校建筑樣本室內溫度值

續表1 學校建筑樣本室內溫度值

1.2 室內溫度規范值

根據現行關于教學樓室內溫度要求的各類規范統計，國內規范夏季室內溫度給出的最低值為22℃，最高值為28℃，冬季室內溫度最低值為12℃（非空調房間）和16℃（空調房間），最高值為26℃；國外規范夏季室內溫度給出的最低值為23℃，最高值為28℃，冬季室內溫度最低值為19℃，最高值為26℃。國內規范夏季室內舒適溫度在24～28℃，冬季適宜溫度在16～24℃，而對于由采暖系統的房間來說，室內設計溫度值在16～22℃之間；國外規范夏季室內舒適溫度在23～26℃，冬季適宜溫度在20～24℃。研究文獻對于夏季室內可接受溫度的給出的最低值為19.5℃，最高值為31.5℃；冬季溫度最低值為14.04℃，最高值為24.2℃。統計后，夏季可接受范圍值為25～30℃，冬季可接受溫度值為15～24℃。通過與國內外規范的標準值（夏季24～28℃，冬季16～24℃，ASHRAE 55 23～26℃）對比，可以發現實際調研得出的主觀數據人體可接受溫度范圍要寬于標準值，這與人體自我調節能力有不可或缺的關系，根據“適應性理論”，人不是熱環境的被動接受者，而是根據自我需求通過調整生理、心理和行為來改變或適應環境。對標準值和實測建議值進行整合，夏季熱舒適溫度集中在24.4～29℃，冬季室內熱舒適溫度集中于15.8～24.6℃。

表2 學校建筑室內溫度規范值

2 結語

學生每天在學校度過的時間不低于8小時，學校建筑的熱不適會降低學生的注意力，影響學生的健康以及成績，因此通過研究室內熱環境，探究可接受溫度范圍和中性溫度來提高室內熱舒適性是很重要的。通過對夏熱冬冷地區學校建筑室內熱環境的現場研究成果和現行國內外室內熱舒適標準的數據整理和分析，總結出夏熱冬冷地區教學建筑室內熱舒適溫度的分布范圍，夏季熱舒適溫度集中在24.4～29℃，冬季室內熱舒適溫度集中于15.8～24.6℃，為以后制定夏熱冬冷地區學校建筑室內環境參數指標規范提供有利的參考和理論依據，進而提高學校建筑的室內環境熱舒適度。

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Investigation on Indoor Temperature of School Building in Hot Summer and Cold Winter Area

Zheng Min1Li Baiyi2Zhao Huatang3Liao Jialing2

( 1.Sichuan Institute of Building Research, Chengdu, 61000; 2.Southwest jiaotong university, Chengdu, 61000;3.Sichuan Institute of Product Quality Supervision and Inspection, Chengdu, 61000 )

Students spend 1/3 of their time in the school, the quality of indoor thermal environment of classroom is related to the health, happiness and performance of students. Therefore, the thermal comfort degree of indoor environment of the school building is particularly important. Climates around the world vary greatly, and the human body can adapt or change the thermal environment by adjusting physiology, psychology, and behavior under natural conditions, resulting in differences in the sensitivity and subjective thermal perception of the respondents to the thermal environment. In order to research the thermal response of the human body under non-steady-state conditions, taken the school buildings in hot summer and cold winter areas as research object, this paper conduct a literature survey mainly on the suitable temperature indicator of indoor thermal environment . The literature and norms of school building indoor environment in hot summer and cold winter areas and foreign similar climate regions from 2003 to present is taken as analysis data, combined analysis of subjective field survey results and objective normative index interval values, the comfort range values of the various indicators of the indoor thermal environment of the regional school in hot summer and cold winter area can be concluded out: the thermal comfort temperature in summer and winter area should be concentrated at 24.4～29℃ and 15.8～24.6℃ respectively. This study will provide a favorable theoretical basis for the future formulation of school building indoor environmental parameter index specifications in hot summer and cold winter areas, thereby improving the indoor thermal environment quality of school buildings and improving the thermal comfort of the indoor environment.

Hot summer and cold winter area; School building; Indoor thermal environment; Thermal comfort temperature range

TU111.19+1

A

1671-6612（2020）05-565-06

鄭 敏（1976-），女，博士，高級工程師，E-mail：894248768@qq.com

趙華堂（1962-），男，碩士，高級工程師，E-mail：sczhaoht@163.com

2020-08-17