嚴寒C 區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

內蒙古工業大學土木工程學院

0 引言

為研究嚴寒C 類地區綜合教學類建筑內部不同特征空間區域熱舒適差異性，以呼和浩特市內蒙古工業大學建筑館為研究對象，針對其內部封閉大空間、封閉小空間、半開放空間、過渡空間區域，采用現場調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 調研對象

本文以內蒙古工業大學建筑館為研究對象，針對其內部不同特征空間區域，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。其內部空間結構主要由封閉大空間、封閉小空間、半開放空間、過渡空間等區域組成。各區域的空間結構形式特征具體如表1、圖1 所示。

表1 不同區域空間結構形式特征

圖1 各空間區域圖片

2 實驗方案

測試對象選取建筑館內封閉大空間區域本科設計教室、封閉小空間區域專業小教室、半開放空間區域研究所、過渡區域直走步梯、連廊等區域，進行熱環境參數實測和主觀問卷調查。

2.1 熱環境參數實測

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。測點布置方案根據房間內實際情況以及《民用建筑室內熱濕環境評價標準GB/T 50785-2012》[1]，在測試區域內選擇有代表性的地點布置檢測點。室內環境參數測試包括空氣溫度、相對濕度、空氣流速、黑球溫度。室外參數測試報空氣溫度、相對濕度。所用測試儀器性能參數如表2 所示。

表2 熱環境測試儀器

2.2 主觀問卷調查

在熱環境參數測試的同時，對建筑館內各區域學生隨機發放問卷，回收有效問卷244 份。調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、熱環境舒適度、熱環境接受程度投票等。

3 熱舒適評價

3.1 客觀調查統計分析

對建筑館內不同空間區域熱環境參數進行統計分析，如表3 所示。

由表3 可知，建筑館內各區域空氣溫度平均值僅封閉小空間區域滿足《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范GB/T 50736-2012》[2]中規定的室內熱舒適等級Ⅱ級的溫度要求，其他區域受供暖末端位置及數量影響，容易造成人員不舒適。各區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 建筑館過渡季室內熱環境參數

3.2 主觀調查問卷結果統計

3.2.1 受試者基本信息統計

主觀調查問卷中，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和非集中供熱區為界線劃分，被調查者的年齡、服裝熱阻及人體代謝率的詳細情況如表4 所示。被調查者的性別比例、南北方受試者人數比例如圖2 所示。

表4 過渡季受試者基本信息

圖2 性別比例、南北方受試者人數比例

3.2.2 熱感覺投票

熱感覺投票如圖3 所示，各空間區域熱感覺投票不同。從熱感覺投票百分比來看，封閉小空間區域熱感覺評價最高，說明本區域溫度較高，室內人員容易感覺到熱；過渡空間區域熱感覺評價最低，說明本區域溫度較低，在本區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，各空間區域濕感覺投票呈現出差異性。封閉小空間區域濕感覺評價最高，有三分之一的投票認為本區域濕感覺“適中”；過渡空間區域濕感覺評價最低，有三分之二的投票認為本區域濕感覺“干”和“很干”。

圖4 濕感覺投票頻率分布圖

3.2.4 熱環境舒適度投票

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

圖5 熱環境舒適度投票頻率分布圖

3.2.5 熱環境接受程度投票

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

圖6 熱環境接受程度投票頻率分布圖

3.3 TSV 模型

根據現場實測數據和主觀調查問卷得到的結果，對數據進行整理、統計分析，建立TSV 模型，得出各區域的熱舒適差異。

采用溫度頻率法，將13～22 ℃范圍內的標準有效溫度[3]以0.5 ℃為間隔，劃分為18 個溫度區間，以每個溫度區間的標準有效溫度（SET）為自變量，以每個溫度區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律，如圖7 所示。

圖7 TSV 模型

由圖7 可知，各空間區域的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域引起熱中性溫度和舒適溫度區間差異的原因，對影響人體熱舒適的環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

經過國內外學者多年的研究，發現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，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，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，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，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，各空間區域影響因素水平設置表如表5 所示。

表5 各空間區域正交試驗影響因素水平設置表

將正交試驗結果記錄在表格中，顯著性P＜0.05，說明結果有參考意義，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，各空間區域主體間效應檢驗如表6 所示。

表6 各空間區域主體間效應檢驗

各空間區域人體熱舒適影響因素的程度順序如表7 所示。

表7 各空間區域因素影響程度順序

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

5 結論

本文以內蒙古工業大學建筑館為研究對象，對其內部封閉大空間、封閉小空間、半開放空間、過渡空間采用現場實測和調查的方法，得到以下結論：

1）由主觀問卷調查結果和TSV 模型可知，封閉小空間熱環境舒適度評價最高；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。