寒冷地區夏季中小學室內熱舒適與空氣品質研究

蔣 婧 云旭鑫 秦石磊 狄育慧

（西安工程大學城市規劃與市政工程學院 西安 710048）

0 引言

室內環境會影響人體熱舒適以及健康，教室環境的優劣與學生的健康和學習效率密切相關。相較于其他建筑，教學建筑的功能性更強，教室除了保證學生的舒適性外，還需要滿足對學習效率的要求，好的教室環境不僅有益于學生的身心發展，更能提高學生的學習效率，教室作為中小學生主要的學習場所，學生在校期間有約75%的時間在教室，因此研究中小學生教室熱舒適和空氣品質具有很大的意義。

目前研究多將熱舒適[2]與空氣品質[2]單獨考慮，少有考慮到兩者的綜合影響，而實際情況中，兩者會共同影響室內人員。國內外研究偏向于辦公建筑[3]、住宅[4]、交通運輸[6]，對于教學建筑關注甚微，針對教學建筑的研究集中于高校教學建筑[7-9]且目前熱舒適評價模型的指標和方法都是基于全社會的平均水平，難以直接指導中小學教室熱環境的設計[10]。現有的研究中對高校室內熱舒適和空氣品質的研究多為夏熱冬冷的重慶地區[11]以及嚴寒地區的哈爾濱[12]，對于寒冷地區中小學建筑研究較少，寒冷地區夏季氣溫較高，對教室內熱舒適影響大，夏季教室開門窗次數多，和風扇共同作用，因此對室內空氣品質影響顯著。

因此，本文對寒冷地區夏季中小學室內熱舒適與空氣品質進行研究，采用主觀問卷調查和客觀現場測試相結合的方法，研究中小學室內熱舒適與空氣品質，獲得寒冷地區中小學教室的熱中性溫度，掌握室內空氣品質狀況，為改善教室內空氣質量，提高學生學習效率提供參考。

1 調研基本情況

本研究于2021 年夏季在寒冷地區洛陽市某中學進行，調研的教室門窗均可由使用者自主調節。教室夏季采用風扇和自然通風調節室內溫度，無空調等其他制冷設備。

1.1 調查對象

調研測試共325 名學生，受試學生均來自測試當地，考慮到測試的復雜程度，年齡較小的學生可能無法完成測試，本測試招募的學生其年齡均大于10 歲，且身體健康，能夠獨立完成問卷，受試者基本情況如表1 所示。

表1 受試者基本情況Table 1 Basic information of subjects

1.2 客觀測試

測試期間室內環境參數包括室內熱環境參數和室內空氣質量參數，測試教室室外布局圖如圖1（a）所示。根據我國的室內熱環境與空氣品質標準[13]，室內溫度測點、風速測點采用五點法布置，其余測點均居中布置，測點布置如圖1（b）所示。

圖1 調研教學樓及室內測點布置Fig.1 Layout of research teaching building and indoor measuring points

測量的室內熱環境參數主要包括：空氣溫度、相對濕度、黑球溫度、空氣流速等熱環境參數；以及CO2濃度、O2濃度分數等室內空氣品質參數，各測量參數及測試所要用到的儀器如表2 所示。

表2 測試參數及儀器Table 2 Test parameters and instruments

1.3 主觀調查

主觀問卷調查包括受試者年齡、性別、身高、體重以及受試者對室內熱環境及室內空氣品質等主觀評價。熱感覺投票采用7 級標尺，即：-3（冷）、-2（涼）、-1（稍涼）、0（適中）、1（稍暖）、2（暖）、3（熱）；空氣品質采用5 級標尺，即：1（很不新鮮）、2（不新鮮）、3（一般）、4（新鮮）5（很新鮮）；滿意度采用5 級標尺，即：1（很不滿意）、2（不滿意）、3（可接受）、4（滿意）、5（很滿意）；舒適度采用5 級標尺，即：1（舒適）、2（稍不舒適）、3（不舒適）、4（很不舒適）、5（不可忍受）。

2 調查結果與分析

2.1 室內環境參數

調研測試期間，室內各環境參數如表3 所示。CO2濃度變化范圍為557.0～767.0mg/m3，室內空氣溫度的變化范圍為26.0℃～34.0℃，室內相對濕度的變化范圍為31.0%～62.0%，室內操作溫度變化范圍為27.7℃～31.0℃，室內空氣流速變化范圍為0m/s～0.77m/s，O2體積分數變化范圍為20.8%～21.1%。

表3 室內環境參數Table 3 Indoor environmental parameters

取測試期間具代表寒冷地區夏季氣候特點的某天作為研究，觀測其CO2濃度、黑球溫度和室內溫度隨著時間變化的趨勢，如圖2 所示。室內溫度與黑球溫度均隨著時間增加而增大，且隨著時間的變化，兩者相差不多，可見輻射是導致室內溫度升高的主要原因。室內CO2濃度在早晨7 點之前以及中午12 點到14 點，濃度較低，這是因為這段時間，教室內學生人數較少，隨著7 點之后，學生人數的增加，室內CO2濃度也隨之增加，可見室內人員呼吸作用是導致室內CO2濃度變化的主要原因，測試過程中室內 CO2濃度范圍為 557.0mg/m3～767.0mg/m3，變化不夠明顯，由于教室采用自然通風以及風扇輔助通風，加大了室內空氣的流動，空氣得到及時的置換，室內空氣品質較好。

圖2 典型天室內CO2 濃度及溫度變化Fig.2 Changes of indoor CO2 concentration and temperature in typical days

2.2 熱感覺和熱中性溫度

為獲得熱中性溫度，根據計算所得的預計平均熱感覺投票PMV、調研得到的平均熱感覺投票MTS與操作溫度to進行擬合，通過線性回歸分析分別得出PMV與to線性關系（如式（1）），以及MTS與to線性關系（如式（2）），如圖3 所示。

令PMV等于0，得出預計熱中性溫度為24.6℃；令MTS等于0 得出實測熱中性溫度為26.5℃。實測熱中性溫度要高于預計熱中性溫度，兩者相差為1.9℃。室內溫度一直較高，而實測平均熱感覺投票值MTS并不是非常高，說明夏季中小學生對熱的承受能力比預測的要高，且通過行為、生理活動以及心理作用上的調節，對這種熱環境在一定程度上具有適應性。

根據圖3 分析，PMV指標明顯高于MTS，說明夏季中小學生對溫度的變化敏感程度比預測值要小，PMV指標與測試結果存在較大差別，并不能完全應用于寒冷地區中小學生群體，其中造成MTS和PMV結果差異的主要原因是人體的適應性。

圖3 MTS、PMV 與to 關系Fig.3 Relationship between MTS,PMV and to

有學者[14]結合當地氣候、文化、心理、社會條件以及曾經經歷過的熱環境，提出了適應性預計平均熱感覺（aPMV），解釋了許多學者在實際研究中發現的預計平均熱感覺指數（PMV）大于實際平均熱感覺投票（aPMV）的現象，該模型采用自適應系數λ，表征影響熱舒適感的適應因素，得到aPMV與PMV的關系式，如式（3）所示。

根據調研數據，利用最小二乘法[15]求得λ1=0.41（PMV＞0），λ2=-0.28（PMV＜0），根據自適應系數λ和PMV求得aPMV、MTS指標如圖4 所示，相比PMV模型，aPMV計算結果更接近學生實際投票熱感覺。

圖4 aPMV、MTS 與to 關系Fig.4 Relationship between aPMV,MTS and to

2.3 室內熱環境滿意度和熱感覺

室內空氣熱環境滿意度和熱感覺投票如圖5所示。9 點時67%人感覺當前溫度可以接受，隨著時間的變化，11 點時感覺溫度可以接受的人數減少，而感覺不滿意的人數從13%增加到30%，說明大多數人對室內熱感覺不滿意。隨著溫度的增加，室內人員的滿意度急劇下降；熱感覺投票顯示9 點有46%的人感覺溫度適中，15 點時只有23%的人感覺溫度適中，有50%的人感覺熱，10%的人感覺暖，說明隨著溫度的增加，學生的熱感覺投票隨之增加。在9 點溫度較低時，學生對室內熱環境滿意度的投票較低，而在15 點左右，學生對室內熱環境滿意度的投票較高。可以得出，室內熱環境滿意度投票隨著溫度的增加而減小，室內溫度越高，室內熱環境滿意度越低。

圖5 室內空氣熱感覺和滿意度投票Fig.5 Indoor air thermal sensation and satisfaction vote

2.4 室內環境品質滿意度和舒適度

室內空氣品質滿意度和舒適度投票如圖6 所示。可知不同階段的室內環境品質滿意度投票有所波動，9 點對空氣品質的不滿意投票低于11 點的不滿意投票，這說明隨著在教室時間的增加，室內空氣品質發生改變，導致學生對空氣品質的滿意率下降，約有62%的學生認為教室的空氣品質可以接受，另外有21%的人對室內的空氣品質不滿意。舒適度投票有48%的學生認為室內的空氣品質稍不舒適，有28%的人認為室內的空氣品質舒適。分析空氣品質的滿意度投票和舒適度投票關系發現，隨著室內滿意度增加時，舒適度也會增加，這說明室內空氣品質會影響到室內人員的舒適性，室內空氣品質越高，舒適性越強。

圖6 室內空氣品質滿意度和舒適度投票Fig.6 Indoor air quality satisfaction and comfort vote

2.5 室內環境對學生學習狀態的影響

教室內環境不僅影響學生的舒適，進一步也會影響到學生的學習狀態。如圖7 所示根據學生的最佳學習狀態投票，在7～8 點，學生的最佳學習狀態時段投票數量最多，在14～16 點，學生的最佳學習狀態時段投票數量最少，這是由于在7～8 點時，教室溫度相對較低，學生的學習狀態好，在14～16 點時，溫度高，導致學生的學習狀態較差。

圖7 最佳學習狀態時段投票圖Fig.7 Voting chart of optimal learning state period

進一步分析學生熱感覺投票與學習情況投票，熱感覺投票與學習情況投票變化趨勢相近，且隨著熱感覺投票數值的增加，學習情況投票數值也增加，如圖8 所示。由于10～18 點的溫度較高，導致學生的學習狀態變差，結果與最佳學習狀態時段投票結果一致，即教室環境溫度越高，學生的學習狀態越差。本次測試過程中，空氣品質會影響到學生的學習情況，15～17 點時，隨著空氣品質投票數值的增加，學習情況投票數值也增加，但室內空氣品質較好，學習情況對空氣品質的作用規律不夠明顯，室內環境對學生學習狀態的影響主要是受到溫度的影響。

圖8 室內環境與學習情況投票Fig.8 Indoor environment and learning voting

3 討論

3.1 室內環境品質相關研究對比

在室內環境品質狀況研究方面，眾多學者進行了研究，Bakó-Birób 和Clements-Croome[16]在英格蘭小學教室內對9-11 歲的學生進行了通風量對室內環境品質的影響研究，測試的室內環境CO2濃度遠高于1500ppm，得到的期望值為1000ppm，表明在較低的通風量條件下，室內環境品質較差。而本文研究發現室內空氣品質對學生的學習效率影響較小，影響的主導因素為室內空氣溫度，對比分析結論的差異，其原因是由于前者開窗較少，CO2濃度大，室內空氣品質差。而本研究測試為夏季，室內使用風扇，風速較大，平均值為0.26m/s，接近80%的風速≥0.25m/s[13]，超出了夏季室內風速推薦取值范圍。測試期間的教室內風速較大，風速分布頻次如圖9 所示，導致室內空氣新風量大，污染物能夠迅速置換，因此本研究中室內CO2濃度小，環境品質相對較好。

圖9 室內風速分布頻次Fig.9 Indoor wind speed distribution frequency

3.2 室內熱環境的研究結果對比

將本文與國內外室內熱環境的研究結果對比，如表4 所示。對比熱舒適模型可以看出，本文的平均熱感覺隨溫度變化的斜率偏高，即該地區中小學生對溫度的敏感程度高于其他地區。同時洛陽地區的熱中性溫度比同為寒冷地區的北京高。主要原因：由于洛陽地區四季分明、夏季氣候炎熱，教室環境簡陋，沒有空調設備，導致教室內溫度較高，內外溫差較小；此外，北京商場采用中央空調制冷，室內平均溫度只有24.4℃，而本文室內平均溫度為29.0℃，長期生活于此的中小學生對高溫已經形成了一定的適應性。

表4 國內外夏季熱舒適研究現狀Table4 Research status of thermal comfort in summer at home and abroad

4 結論

（1）調研期間寒冷地區中小學教室夏季室內平均溫度為29.0℃，室內接近80%的風速≥0.25m/s，兩者均高于國標規定；室內空氣品質較好，CO2濃度低（557.0mg/m3～737.0mg/m3），滿足國家標準的要求。

（2）寒冷地區中小學教室室內設施簡陋，沒有空調等制冷設備，室內溫度高，得到室內實測熱中性溫度為26.5℃，預測熱中性溫度為24.5℃，學生對教室環境以及心理期望的調節作用，寒冷地區中小學生的實測熱中性溫度比預測熱中性溫度高，學生對熱環境有較強的適應性；由于室內外溫差較小，學生對熱變化不太敏感，導致PMV和MTS存在著較大的偏差，通過實測數據計算得出的適應性模型（aPMV）在PMV的基礎上對寒冷地區中小學生平均熱感覺的預測更為準確。

（3）寒冷地區中小學生學習情況主要隨溫度變化，溫度越低，學習情況越好，在7～8 點溫度較低時，學生的最佳學習狀態時段投票數量最多，在14～16 點溫度較高時，學生的最佳學習狀態時段投票數量最少。

（4）中小學生學習情況隨著室內空氣品質進行變化，室內空氣品質越好，學習情況越好，15～17點，隨著空氣品質投票數值的增加，學習情況投票數值也增加，由于室內空氣品質較好，室內環境對學生學習狀態的影響主要是受到溫度的影響。