嚴寒C 區(qū)過渡季高校綜合教學建筑熱舒適研究

徐文文 白葉飛 康曉龍 唐汝寧

內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院

0 引言

為研究嚴寒C 類地區(qū)綜合教學類建筑內(nèi)部不同特征空間區(qū)域熱舒適差異性，以呼和浩特市內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑館為研究對象，針對其內(nèi)部封閉大空間、封閉小空間、半開放空間、過渡空間區(qū)域，采用現(xiàn)場調(diào)研及正交試驗的方法，分析其熱中性溫度及熱舒適影響因素。

1 調(diào)研對象

本文以內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑館為研究對象，針對其內(nèi)部不同特征空間區(qū)域，進行熱舒適分析。

建筑館建筑面積5900 m2，地上三層，一層為圖書閱覽室、藝術(shù)沙龍等，二層為計算機房、行政辦公室等，三層為研究生工作室、研究所等。其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)主要由封閉大空間、封閉小空間、半開放空間、過渡空間等區(qū)域組成。各區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)形式特征具體如表1、圖1 所示。

表1 不同區(qū)域空間結(jié)構(gòu)形式特征

圖1 各空間區(qū)域圖片

2 實驗方案

測試對象選取建筑館內(nèi)封閉大空間區(qū)域本科設計教室、封閉小空間區(qū)域?qū)I(yè)小教室、半開放空間區(qū)域研究所、過渡區(qū)域直走步梯、連廊等區(qū)域，進行熱環(huán)境參數(shù)實測和主觀問卷調(diào)查。

2.1 熱環(huán)境參數(shù)實測

測試時間為2020 年9 月20 日至10 月20 日之間，房間的測試周期為早上8:00 至晚上21:00，測試記錄時間間隔為5 min，由測量儀器自動記錄。測點布置方案根據(jù)房間內(nèi)實際情況以及《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準GB/T 50785-2012》[1]，在測試區(qū)域內(nèi)選擇有代表性的地點布置檢測點。室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測試包括空氣溫度、相對濕度、空氣流速、黑球溫度。室外參數(shù)測試報空氣溫度、相對濕度。所用測試儀器性能參數(shù)如表2 所示。

表2 熱環(huán)境測試儀器

2.2 主觀問卷調(diào)查

在熱環(huán)境參數(shù)測試的同時，對建筑館內(nèi)各區(qū)域?qū)W生隨機發(fā)放問卷，回收有效問卷244 份。調(diào)查主要分為受訪者基本信息和熱濕感受兩部分，其中受訪者基本信息包括性別、年齡、籍貫、著裝情況。熱濕感受主要包括熱感覺、濕感覺、熱環(huán)境舒適度、熱環(huán)境接受程度投票等。

3 熱舒適評價

3.1 客觀調(diào)查統(tǒng)計分析

對建筑館內(nèi)不同空間區(qū)域熱環(huán)境參數(shù)進行統(tǒng)計分析，如表3 所示。

由表3 可知，建筑館內(nèi)各區(qū)域空氣溫度平均值僅封閉小空間區(qū)域滿足《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范GB/T 50736-2012》[2]中規(guī)定的室內(nèi)熱舒適等級Ⅱ級的溫度要求，其他區(qū)域受供暖末端位置及數(shù)量影響，容易造成人員不舒適。各區(qū)域相對濕度和空氣流速的平均值均滿足熱舒適Ⅱ級要求。

表3 建筑館過渡季室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)

3.2 主觀調(diào)查問卷結(jié)果統(tǒng)計

3.2.1 受試者基本信息統(tǒng)計

主觀調(diào)查問卷中，隨機挑選的受試者主要為本科生及研究生，南北方受試者人群以集中供熱區(qū)和非集中供熱區(qū)為界線劃分，被調(diào)查者的年齡、服裝熱阻及人體代謝率的詳細情況如表4 所示。被調(diào)查者的性別比例、南北方受試者人數(shù)比例如圖2 所示。

表4 過渡季受試者基本信息

圖2 性別比例、南北方受試者人數(shù)比例

3.2.2 熱感覺投票

熱感覺投票如圖3 所示，各空間區(qū)域熱感覺投票不同。從熱感覺投票百分比來看，封閉小空間區(qū)域熱感覺評價最高，說明本區(qū)域溫度較高，室內(nèi)人員容易感覺到熱；過渡空間區(qū)域熱感覺評價最低，說明本區(qū)域溫度較低，在本區(qū)域停留的人員容易感覺冷。

圖3 熱感覺投票頻率分布圖

3.2.3 濕感覺投票

濕感覺投票如圖4 所示，各空間區(qū)域濕感覺投票呈現(xiàn)出差異性。封閉小空間區(qū)域濕感覺評價最高，有三分之一的投票認為本區(qū)域濕感覺“適中”；過渡空間區(qū)域濕感覺評價最低，有三分之二的投票認為本區(qū)域濕感覺“干”和“很干”。

圖4 濕感覺投票頻率分布圖

3.2.4 熱環(huán)境舒適度投票

熱感覺投票和濕感覺投票差異性造成熱環(huán)境舒適度投票不同，如圖5 所示。與熱感覺投票和濕感覺投票分布規(guī)律相似，各空間區(qū)域熱環(huán)境舒適度呈現(xiàn)出差異性。對于封閉大空間區(qū)域投票集中在“比較舒適”、“一般”和“有點不舒適”范圍；對于封閉小空間區(qū)域投票集中在“舒適”、“比較舒適”和“一般”范圍；對于半開放空間區(qū)域投票集中在“比較舒適”、“一般”、“有點不舒適”和“不舒適”范圍；對于過渡空間區(qū)域投票集中在“一般”、“有點不舒適”和“不舒適”范圍。從熱環(huán)境舒適度評價來看，封閉小空間區(qū)域評價最高，有近一半投票都給本區(qū)域較高的評價；過渡空間區(qū)域評價較低，超過三分之二的投票都給本區(qū)域較低的評價。

圖5 熱環(huán)境舒適度投票頻率分布圖

3.2.5 熱環(huán)境接受程度投票

熱環(huán)境接受程度投票如圖6 所示，各空間區(qū)域熱環(huán)境投票呈現(xiàn)出差異性。對于封閉大空間區(qū)域，59%的投票認為“可接受”，23.5%的投票認為“較不滿意”，17.5%的投票對熱環(huán)境滿意；對于封閉小空間區(qū)域，61.2%的投票認為“可接受”，38.8%的投票對熱環(huán)境滿意；對于半開放空間區(qū)域，29.7%的投票對熱環(huán)境不滿意，55.3%的投票認為“可接受”，15%的投票對熱環(huán)境滿意；對于過渡空間區(qū)域，57.5%的投票對熱環(huán)境不滿意，僅8%的投票對熱環(huán)境滿意。從熱環(huán)境接受程度評價來看，封閉小空間區(qū)域評價最高；過渡空間區(qū)域評價最低。

圖6 熱環(huán)境接受程度投票頻率分布圖

3.3 TSV 模型

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和主觀調(diào)查問卷得到的結(jié)果，對數(shù)據(jù)進行整理、統(tǒng)計分析，建立TSV 模型，得出各區(qū)域的熱舒適差異。

采用溫度頻率法，將13～22 ℃范圍內(nèi)的標準有效溫度[3]以0.5 ℃為間隔，劃分為18 個溫度區(qū)間，以每個溫度區(qū)間的標準有效溫度（SET）為自變量，以每個溫度區(qū)間的實際測量人員熱感覺TSV 值為因變量，得到實際人員測量熱感覺隨標準有效溫度變化的規(guī)律，如圖7 所示。

圖7 TSV 模型

由圖7 可知，各空間區(qū)域的TSV 模型擬合曲線不同，擬合線的斜率表示不同空間的人群對溫度變化的適應能力和敏感程度[4]，過渡空間的擬合線的斜率最小，表明過渡空間人員對溫度變化的適應能力最強，對溫度變化的敏感程度最低。封閉小空間擬合線的斜率最大，表明封閉小空間人員對溫度變化的適應能力最弱，對溫度變化的敏感程度最高。擬合線與TSV=0 的交點的SET 值為實際熱中性溫度，可以看出各空間的熱中性溫度存在差異，其中封閉小空間的實際熱中性溫度為19.18 ℃，表明封閉小空間的人員對熱的承受能力最強。過渡空間的實際熱中性溫度為15.86 ℃，表明過渡空間的人員對熱的承受能力最弱。

4 人體熱舒適影響因素正交分析

為進一步探索不同特征空間區(qū)域引起熱中性溫度和舒適溫度區(qū)間差異的原因，對影響人體熱舒適的環(huán)境因素和人體因素進行正交分析。

4.1 人體熱舒適影響因素

經(jīng)過國內(nèi)外學者多年的研究，發(fā)現(xiàn)有六個因素對人體熱舒適起著決定性的作用[5]，包含兩類：一類環(huán)境因素，主要包括空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度以及空氣流速。另一類是人體因素，分別是服裝熱阻和人體代謝率。

4.2 正交分析

通過正交試驗，對影響人體熱舒適的各因素進行分析，得出影響人體熱舒適的顯著因素。各區(qū)域功能特點不同導致人體代謝率不同。封閉大空間用作本科生的設計教室，人員處于立姿，輕度活動狀態(tài)，代謝率取1.6 met；封閉小空間用作普通小教室，人員處于坐姿放松狀態(tài)，代謝率取1.0 met；半開放空間用作研究所，人員處于坐姿及活動狀態(tài)，代謝率取1.2 met；過渡空間用作休息空間，人員處于坐姿或靜止站立狀態(tài)，代謝率取1.0 met[6]。選取空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度、空氣流速及服裝熱阻5 個因素，每個因素選取9 種水平，利用SPSS 軟件進行正交試驗，各空間區(qū)域影響因素水平設置表如表5 所示。

表5 各空間區(qū)域正交試驗影響因素水平設置表

將正交試驗結(jié)果記錄在表格中，顯著性P＜0.05，說明結(jié)果有參考意義，Ⅲ類平方和大小表示該因素對人體熱舒適影響程度的強弱，各空間區(qū)域主體間效應檢驗如表6 所示。

表6 各空間區(qū)域主體間效應檢驗

各空間區(qū)域人體熱舒適影響因素的程度順序如表7 所示。

表7 各空間區(qū)域因素影響程度順序

由表7 可知，對于封閉大空間區(qū)域、半開放空間區(qū)域，服裝熱阻是影響人體熱舒適的顯著因素。對于封閉小空間區(qū)域、過渡空間區(qū)域，空氣溫度是影響人體熱舒適的顯著因素。

5 結(jié)論

本文以內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑館為研究對象，對其內(nèi)部封閉大空間、封閉小空間、半開放空間、過渡空間采用現(xiàn)場實測和調(diào)查的方法，得到以下結(jié)論：

1）由主觀問卷調(diào)查結(jié)果和TSV 模型可知，封閉小空間熱環(huán)境舒適度評價最高；過渡空間評價最低；過渡空間人員對溫度變化的適應能力最強，對溫度變化的敏感程度最低；封閉小空間人員對溫度變化的適應能力最弱，對溫度變化的敏感程度最高；四類空間實際熱中性溫度分別為17.83、19.18、16.28、15.86 ℃，80%可接受的實際舒適溫度區(qū)間分別是14.59～21.09℃、16.16～22.18 ℃、12.28～20.29 ℃、8.84～22.88 ℃。

2）對影響人體熱舒適的因素進行正交試驗可知，封閉大空間和半開放空間人體熱舒適受服裝熱阻影響顯著；封閉小空間和過渡空間人體熱舒適受空氣溫度影響顯著。