嚴寒地區(qū)某高校圖書館室內(nèi)熱環(huán)境實測與調(diào)研★

莊 蕾 程衛(wèi)紅 孔鈺歌 馬苗苗 王文慧

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

隨著我國大學校園的建設水平不斷提高，高校對圖書館在數(shù)量上和質(zhì)量上的要求都有所提高。高校圖書館作為師生學習研究的重要場所，往往建筑規(guī)模大、人員聚集、開放時間長[1]，由此其室內(nèi)環(huán)境會極大影響到人員學習工作的效率和質(zhì)量甚至是身心健康，此外為營造較好的室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生的建筑能耗也遠高于校園其他建筑[1]，因此研究圖書館室內(nèi)熱環(huán)境并且作出改善有重要的實際意義。嚴寒地區(qū)的氣候特點使得圖書館的室內(nèi)熱環(huán)境更加特殊，亟待更加深入的研究。

2 研究方法

采用現(xiàn)場實測的方式于2020年11月15日～12月15日對嚴寒地區(qū)某高校圖書館的自習室進行室內(nèi)熱環(huán)境測試，得到溫度、濕度、風速、CO2濃度、SO2濃度、CO濃度等測量數(shù)據(jù)，進行熱環(huán)境影響因素的分析，并根據(jù)調(diào)查結果計算熱環(huán)境評價指標PMV/PPD。實測過程中，同時進行問卷調(diào)查，力求從主觀和客觀兩方面描述室內(nèi)熱環(huán)境狀況。

2.1 測點的選定

選取圖書館B2自習區(qū)為研究對象，總測量面積為2 289 m2。根據(jù)實際情況，繪制出建筑平面圖并將其放入7 m×7 m網(wǎng)絡，確定測量節(jié)點，并在結構變化處、接近疏散通道處、窗戶通風處、緊鄰圍護結構處設置特殊節(jié)點。最終，為方便測量，將B2自習區(qū)劃分為A和B兩個區(qū)域，A區(qū)含30個節(jié)點，B區(qū)含34個節(jié)點(見圖1)。

2.2 數(shù)據(jù)測量

測試過程處于散熱器供暖期，窗戶處于關閉狀態(tài)。測試人員手持溫濕度計，熱敏式風速儀，CO2，SO2，CO氣體濃度檢測儀，紅外測溫儀，甲醛檢測儀等儀器，進行圖書館B2自習區(qū)空氣溫濕度、氣流速度、相關氣體濃度、外圍護結構的溫度等參數(shù)的測量，測量高度在接近受試者的地方為0.6 m，在不接近受試者的地方為1.1 m。每個測點停留時間為3 min。測量時間共持續(xù)30 d，每5 d記錄一次上午9：00和晚上19：00的測量數(shù)據(jù)，共得到6組數(shù)據(jù)。

實測所用儀器的名稱和測量精度見表1，儀器外觀見圖2。

表1 測試儀器

2.3 問卷調(diào)查

問卷調(diào)查的時間為2020年10月30日，地點為圖書館B2自習區(qū)，采取人工發(fā)放問卷的形式，力求從不同位置、不同人群得到較為全面、真實的問卷結果。問卷主要問題設置如表2所示。

3 測試結果及分析

經(jīng)過測量數(shù)據(jù)的顯示，圖書館B2自習區(qū)內(nèi)甲醛、SO2和CO的濃度均為0，故在以后的分析中，將不考慮這些參數(shù)對于室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

3.1 空氣溫濕度

對于各測點的溫濕度值，采取多次測量取平均的方法，將平均值視為各測點的真實值，得到圖3，圖4。從結果可以看出，A區(qū)晚間濕度均大于日間濕度，大多數(shù)測點日間和晚間溫度相差不大。B區(qū)日間和晚間濕度值波動較大，大多數(shù)測點晚間溫度大于日間溫度。通過曲線分析，A區(qū)各測點日間濕度處于19%～26%，晚間濕度處于24%～28%；B區(qū)各測點日間濕度處于22%～30%，晚間濕度處于22%～34%。

表2 調(diào)查問卷主要問題設置

3.2 室內(nèi)風速

室內(nèi)風速是影響吹風感的重要因素，風速過高，雖然能夠保證人體的散熱需要，使人處于熱中性的狀態(tài)，但卻會給人帶來吹風的煩擾感、壓力感、黏膜的不適感等[2]。因此，在實測過程中，對靠近窗戶處、墻縫處和中間區(qū)域進行風速的測量，測量結果如圖5所示。

4 基于實測數(shù)據(jù)的熱環(huán)境舒適度分析

4.1 預測平均熱反應PMV評價指標

為了使對圖書館自習區(qū)室內(nèi)熱環(huán)境的舒適度評價有一定客觀性，本文采用具有代表性的熱環(huán)境綜合性評價指標——預測平均熱反應PMV評價指標，利用人的熱感覺與人體熱負荷之間關系的實驗回歸公式：

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.027 5]TL。

4.1.1 參數(shù)獲取

公式中的變量含義及其數(shù)據(jù)來源詳細列在表3中。

表3 參數(shù)含義及數(shù)值

4.1.2 數(shù)據(jù)處理

獲取每個測點空氣中水蒸氣的分壓力數(shù)據(jù)之后，發(fā)現(xiàn)人員密集區(qū)域的測點(即A區(qū)測點13～測點27，B區(qū)測點16～測點35)測量數(shù)據(jù)彼此接近，因此選擇這些點的數(shù)據(jù)平均值來代表整個區(qū)域的相關空氣參數(shù)，得到了四組均值數(shù)據(jù)見表4。

表4 水蒸氣分壓力和人體周圍空氣溫度數(shù)值

根據(jù)以上確定的四組變量數(shù)值，我們計算得到了日間和夜間兩個區(qū)域的PMV數(shù)值，結果如表5所示。

表5 PMV計算值

4.2 預測不滿意百分比PPD

PMV指標代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺，但是人與人存在個體差異，并不一定能夠代表所有個體的感覺。因此，本文在PMV指標的基礎上采用預測不滿意百分比PPD指標來進行分析：

計算預測不滿意百分比PPD采用公式：

PPD=100-95exp[-(0.033 53PMV4+0.217 9PMV2)]。

代入數(shù)據(jù)得到PPD數(shù)值如表6所示。

表6 PPD計算值 %

5 主觀調(diào)查結果與分析

問卷調(diào)查的目的是從主觀角度研究圖書館使用人員對室內(nèi)熱環(huán)境的熱感覺情況以及熱舒適性。本調(diào)查問卷對象是圖書館B2自習區(qū)的在校師生和工作人員，調(diào)查對象男女比例均衡、涵蓋專業(yè)廣，全面性強。本次調(diào)查問卷共發(fā)放305份，其中包含285名學生、15名工作人員和5名教師，學生平均年齡21.8歲，工作人員平均年齡40歲，教師平均年齡為38歲。調(diào)查的主要內(nèi)容包括：1)熱感覺；2)濕感覺；3)室內(nèi)吹風感。

5.1 熱感覺

調(diào)查問卷采用ASHRAE 7點標度，-3為冷，-2為涼，-1較涼，0適中，+1較暖，+2暖，+3熱[4]。現(xiàn)場調(diào)查結果如圖6所示。由圖6可得，82%的人認為館內(nèi)熱環(huán)境適中，11%的人認為較暖，4%的人認為暖，3%的人認為較涼。可見，絕大部分受測者對于周圍環(huán)境的溫度值表示滿意。

5.2 濕感覺

同樣采用ASHRAE 7點標度表示，-3很干燥，-2干燥，-1較干燥，0舒適，+1 較潮濕，+2潮濕，+3很潮濕?，F(xiàn)場調(diào)查結果如圖7所示。由圖7可得，在圖書館19%～34%的相對濕度范圍內(nèi)，有61%的人認為較干燥，有29%的人認為干燥，有7%的人認為很干燥，有3%的人認為舒適?？梢?，超九成的受試者認為館內(nèi)濕環(huán)境不能達到舒適性標準。因此，在冬季采暖期間，圖書館的相對濕度需較大程度增加，來滿足《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》的相關要求。

5.3 室內(nèi)吹風感

將整個自習區(qū)分為3個區(qū)域，分別為：中間區(qū)域、空曠區(qū)和靠近門窗、墻縫區(qū)。對3個區(qū)域的調(diào)查問卷進行分析，結果如圖8所示。由圖8可得，在中間區(qū)域，絕大多數(shù)人認為室內(nèi)空氣流速適中，無吹風感。在空曠區(qū)，近40%受試者認為空氣流速較大，有輕微吹風感；二成受試者認為空氣流速大，有明顯吹風感。在靠近門窗、墻縫區(qū)，有80%的人認為空氣流速大，有明顯吹風感。因此，建議圖書館采取門窗縫隙、墻縫的密封措施，加強嚴密性。

6 結論

1)根據(jù)GB/T 18883—2002室內(nèi)空氣質(zhì)量標準，在冬季采暖房間內(nèi)，溫度標準值為16 ℃～24 ℃，相對濕度標準值為30%～60%，空氣流速為0.2 m/s。圖書館實測室內(nèi)溫度為20 ℃～25.8 ℃，比標準值略高，由于在實測期間，室外溫度比供暖室外計算溫度略高，室內(nèi)外溫差小，通過圍護結構耗熱量小，導致實際的熱量大于失熱量，室內(nèi)溫度升高；在沒有加濕設備前提下，空氣絕對含濕量變化微小，但飽和含濕量隨溫度的升高而增加，導致實測相對濕度低于標準值；由于窗縫、墻縫存在漏風現(xiàn)象，近一半測點的實測室內(nèi)風速大于0.2 m/s，其中一處最大風速達0.68 m/s，周圍環(huán)境的熱舒適性受到較大影響。2)利用PMV-PPD整體評價指標，根據(jù)GB/T 50785—2012民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準關于評價等級的規(guī)定，除晚間B區(qū)為Ⅱ級外，日間兩區(qū)、晚間A區(qū)均為Ⅲ級。進一步分析原因可知，晚間B區(qū)滿座率為75%，低于A區(qū)的89%，且人員流動性較大；相對于A區(qū)和日間B區(qū)，晚間B區(qū)的開窗通風次數(shù)較多，空氣齡較低，水蒸氣分壓力較大，相對濕度較高，室內(nèi)空氣質(zhì)量較好。3)問卷調(diào)查結果顯示，認為室內(nèi)熱環(huán)境暖和較暖的受試者中有79%是男性，有74%的人處在18歲～30歲；認為室內(nèi)濕度舒適的受試者均是男性；認為室內(nèi)空氣流速適中的受試者中有74%是男性。說明中年人比青年人更喜歡較高室溫，女性比男性更喜歡較高室溫，并且女性的舒適性標準相對男性較高。這些與著裝習慣、新陳代謝速度和感官敏感程度有關。