青海鄉(xiāng)域中小學教室內(nèi)學生冬季的熱舒適性

王登甲++王晗旭++劉艷峰++蔣婧++劉加平

摘要：對青海鄉(xiāng)域4所典型中小學校10間教室冬季室內(nèi)溫濕度、風速、黑球溫度等熱環(huán)境參數(shù)進行現(xiàn)場測試，同時對420余名青少年學生的衣著情況、熱感覺評價等進行了主觀問卷調(diào)查。對測試和調(diào)查結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到實測和預測熱中性溫度分別為13.8和14.5 ℃，熱期望溫度為16.2 ℃，90%的學生感到滿意的舒適溫度范圍為15.8～18.7 ℃。在當?shù)睾涞臍夂驐l件、學生衣著習慣、心理期望及生理特性等因素影響下，中小學生形成了對偏冷環(huán)境的適應性，提出可利用適應性PMV模型（aPMV）對中小學生平均熱感覺進行準確預測。可為鄉(xiāng)域中小學教室冬季熱環(huán)境設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：熱舒適；熱環(huán)境；MTS；aPMV

中圖分類號：TU119文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）01003206

收稿日期：20160304

基金項目：國家自然科學基金（51408462、51378411、51678468）；陜西省科技計劃項目（2014KCT01、2016JQ5016）

作者簡介：王登甲（1984），男，副教授，博士，主要從事建筑熱環(huán)境調(diào)節(jié)與太陽能采暖研究，（Email）wangdengjia@xauat.edu.cn。

Received：20160304

Foundation item：National Natural Science Foundation of China （No. 51408462，51378411，51678468）；Science Planning Subject of Shaanxi Province （No. 2014KCT01，2016JQ5016）

Author brief：Wang Dengjia （1984）， associate professor， PhD， main research interests： building thermal environment regulation and solar heating， （Email） wangdengjia@xauat.edu.cn.Thermal comfort of students in rural primary and secondary

schools in winter in Qinghai province

Wang Dengjiaa，Wang Hanxua ，Liu Yanfenga，Jiang Jinga，Liu Jiapingb

（a.School of Environment；b. School of Architecture， Xi'an University of Architecture & Technology， Xi'an 710055，P.R. China）

Abstract：The subjective questionnaires were conducted on dressing condition and thermal sensation for more than 420 students of 10 classrooms in 4 rural primary and secondary schools in Qinghai. At the same time， the indoor and outdoor parameters were measured， such as temperature and relative humidity， air speed and globe temperature etc. The results showed that the measured and predicted thermal neutral temperature were 13.8 ℃ and 14.5 ℃， respectively. The preferred temperature was 16.2 ℃， and the thermal comfort temperature range accepted by 90% students was 15.8 ℃～18.7 ℃. Students had the adaptability to partial cold environment under the facts of cold climate conditions， dressing habit， psychological expectation and physical characters. Adaptive PMV model （aPMV） was proposed to predict students mean thermal Sensation. It could provide basis for the design of indoor environment in rural primary and secondary classrooms in winter.

Keywords：thermal comfort； thermal environment； MTS； aPMV

基于穩(wěn)態(tài)熱平衡方程建立的PMV模型僅適用于均勻、穩(wěn)定的熱環(huán)境，但大量熱舒適現(xiàn)場研究表明其與受試者實際平均熱感覺存在較大偏差[1]。基于ASHRAE RP—884項目提出的適應性熱舒適理論，很好的解釋了這種差異產(chǎn)生的原因[2]。中國學者也進行了新的嘗試，姚潤明等[34]將氣候、季節(jié)、社會文化等影響人體熱舒適的因素考慮在內(nèi)，運用“黑箱”理論提出了預計適應性平均熱感覺指標，并建立了“適應性PMV模型”（aPMV）。受經(jīng)濟發(fā)展水平影響，鄉(xiāng)域地區(qū)無完善的集中采暖措施和明確的設(shè)計依據(jù)。而且，中國目前關(guān)于熱舒適的研究主要集中在城市辦公[56]、居住[79]、高校教室[1011]等建筑中，對鄉(xiāng)域中小學教室涉及較少。已有研究表明，舒適的室內(nèi)熱環(huán)境更有利于提高學生的學習效率[1213]，而過高的室內(nèi)溫度容易使學生感到頭痛、胸悶，導致注意力下降[14]。相比成年人，中小學生擁有更高的新陳代謝水平[15]，對室內(nèi)熱環(huán)境有其獨特的要求，合理確定冬季教室內(nèi)熱舒適性參數(shù)，對學生身心健康及學習效率有著重要的影響。

本文通過對青海西寧鄉(xiāng)域地區(qū)中小學教室熱環(huán)境、中小學生熱舒適的大量現(xiàn)場測試和實地調(diào)研，獲得該地區(qū)中小學教室內(nèi)學生冬季熱中性溫度、期望溫度、舒適溫度范圍等，并提出適用于青海鄉(xiāng)域中小學教學建筑的室內(nèi)熱環(huán)境評價模型，為中小學教室冬季熱環(huán)境設(shè)計提供依據(jù)。1熱舒適研究方法

1.1調(diào)查對象概況

現(xiàn)場調(diào)研于2015年12月5—13日進行，處于一年中教室使用的最冷時段，選取青海西寧地區(qū)4所鄉(xiāng)域中小學校的10間教室，在對室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進行測量的同時對420名中小學生進行問卷調(diào)查，其中男生214名（占50.8%），女生207名（占49.2%），年齡在10～15歲之間，平均年齡為12.6歲。測試教室內(nèi)景如圖1所示。

圖1測試教室內(nèi)景

Fig. 1Interior of test classroom1.2環(huán)境參數(shù)測試

測試的室內(nèi)參數(shù)有：空氣溫濕度、風速、黑球溫度等；室外參數(shù)有：空氣溫濕度、太陽輻射強度、風速。主要儀器有TBD1型太陽輻射儀、TR72ui自記式溫度計、TR102S黑球溫度計、ZRQFF30風速儀，每隔10 min自動記錄一次。其中TBD1型太陽輻射儀布置于屋頂，四周無遮擋；室內(nèi)溫濕度采用五點法平均布置在教室內(nèi)，并以錫箔紙遮蔽；室內(nèi)風速、黑球溫度布置一個測點，位于教室中間位置；室外溫濕度測點位于屋面背陰處。室內(nèi)測點高度均為1.1 m，熱環(huán)境參數(shù)測點布置如圖2所示。

圖2室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)測點布置

Fig. 2Arrangement of measuring points of

thermal environment parameters1.3主觀問卷

問卷內(nèi)容包括：1）被調(diào)查學生的年齡、衣著情況等客觀信息；2）調(diào)查時刻學生的熱感覺、舒適感等對室內(nèi)熱環(huán)境的主觀感受，熱感覺投票采用ASHRAE 7級標尺；3）熱接受度、期望度調(diào)查。

1.4熱舒適評價指標

冬季圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度較低，當相對濕度在熱舒適的范圍內(nèi)、且室內(nèi)風速很低時，人體熱感覺同時受空氣溫度和平均輻射溫度的影響，應采用操作溫度to作為熱舒適評價指標[16]。

2測試結(jié)果與分析

2.1室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)

測試期間均為晴天，室外氣象條件相近，選取12月8日的室外熱環(huán)境參數(shù)進行分析，如圖3所示。

圖3室外空氣溫度及太陽輻射強度

Fig. 3Outdoor air temperature and solar radiation由圖3可知，當日室外氣溫變化范圍為-11.1～4.2 ℃，平均值約為-4.0 ℃；室外相對濕度變化范圍為16%～73%，平均值約為45%；日太陽輻射持續(xù)9～10 h，平均太陽輻射強度為306 W/m2，最大值出現(xiàn)在13：00左右，為557 W/m2?？梢姡摰貐^(qū)室外氣候寒冷，但太陽能資源豐富。

對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果見表1，ta為空氣溫度，to為操作溫度，tr為平均輻射溫度，φ為相對濕度，v為風速。to的分布頻率如圖4所示。表1室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計表

Table 1Indoor thermal environment parameter table統(tǒng)計值ta/℃to/℃tr/℃φ/%v/（m·s-1）平均值15.915.615.4410.10標準偏差3.53.94.18.00.05最大值23.123.523.8610.39最小值6.25.65.2190

圖4晝間室內(nèi)操作溫度to的分布頻率

Fig.4The distribution frequency of daytime

indoor operating temperature to由表1可知，晝間（7：00-18：00）教室內(nèi)空氣溫度變化范圍為6.2～23.1 ℃，平均值為15.9 ℃，低于《中小學校設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定值18 ℃[17]；室內(nèi)相對濕度范圍為19% ～61%，平均值為40%，絕大多數(shù)在30%～60%的正常范圍內(nèi)，滿足衛(wèi)生要求[18]；風速v≤0.2 m/s的樣本占94.2%。由圖4可知，上課期間室內(nèi)操作溫度to位于5.6～23.5 ℃之間，平均值為15.6 ℃。

2.2新陳代謝率及服裝熱阻

G.HAVENITH通過研究給出了9～18歲不同年齡中小學生在不同課程類型下所具有的代謝率[19]。中小學生新陳代謝率取值1.2 met（70 W/m2）。

統(tǒng)計分析學生衣著情況，參照ASHRAE標準計算服裝熱阻值，獲得其分布頻率如圖5所示。

圖5學生服裝熱阻分布頻率

Fig.5The distribution frequency of

students' clothing thermal resistance由圖5可知，中小學生的服裝熱阻主要集中在1.3～1.9 clo（約占90%），平均值高達1.6 clo。主要由于青海西寧地處嚴寒地區(qū)，室外氣溫低，學生普遍穿著較厚的衣物，通過自身行為調(diào)節(jié)以適應當?shù)睾涞臍夂驐l件；且學生頻繁進出教室，即使室內(nèi)溫度較高，也沒有頻繁更換衣物的習慣，這一點與城市居住和辦公建筑有很大差別。此外，女生服裝熱阻平均值略高于男生，分別為1.62 clo和1.59 clo，說明女生更期望溫暖的環(huán)境。

2.3熱感覺及熱中性溫度

學生熱感覺投票TSV（Thermal Sensation Vote）采用ASHRAE7級標度表示，青海鄉(xiāng)域中小學教室內(nèi)學生熱感覺投票分布頻率如圖6所示。

圖6學生熱感覺投票分布頻率

Fig. 6The distribution frequency of

students' thermal sensation vote由圖6可知，學生熱感覺投票值0、+1所占比例為59.8%，男女生熱感覺投票平均值分別為0.46和0.55?？梢?，由于學生衣著較厚、教室普遍有取暖措施，學生對室內(nèi)熱環(huán)境的整體感覺偏暖。

由室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、風速、平均輻射溫度、服裝熱阻和新陳代謝率計算得到預測平均投票值PMV。采用溫度頻率法[16]，得到每個溫度區(qū)間內(nèi)實測平均熱感覺值MTS（Mean Thermal Sensation）。將MTS和PMV與操作溫度to分別進行線性回歸，結(jié)果見圖7。

圖7熱中性溫度的計算

Fig. 7Calculation of thermal neutral temperature由圖7可知，當MTS=0、PMV=0時，實測和預測中性溫度分別為13.8 ℃和14.5 ℃；MTS曲線的斜率明顯小于PMV曲線的斜率。說明由于該地區(qū)冬季室外氣溫低，加之衣著量普遍較大，長期生活于此的學生通過自身調(diào)節(jié)形成了對偏冷環(huán)境的適應性，其實際熱中性溫度并沒有預測值高，對溫度變化的敏感程度也比預測值要小。

MTS與PMV之間存在“剪刀差”現(xiàn)象的原因是，教室雖有取暖，但并非標準的采暖系統(tǒng)，使得室內(nèi)熱環(huán)境仍處于非穩(wěn)態(tài)條件且波動較大，而中小學生對這種非穩(wěn)態(tài)環(huán)境的適應性使得PMV模型并不能準確預測學生的平均熱感覺。

2.4熱接受率和熱舒適區(qū)間

計算某一溫度下的熱不可接受率PPD*（熱感覺投票值為-3、-2、2、3的學生占總投票人數(shù)的百分比），將PPD*與室內(nèi)操作溫度to進行回歸分析：PPD*=0.93t2o-32.05to+281.46，相關(guān)系數(shù)R2=0.79，如圖8所示。

圖8不可接受率與室內(nèi)操作溫度to的回歸分析

Fig. 8Regression analysis of unacceptable

rates and room temperature to由圖8可知，冬季80%的中小學生可接受的溫度下限為13.5 ℃，90%的中小學生感到滿意的舒適溫度范圍為15.8～18.7 ℃。

結(jié)合圖4可知，舒適溫度范圍15.8～18.7 ℃約占晝間教室內(nèi)溫度分布的45%，即由于采暖水平的不同，仍有一半的時刻室內(nèi)溫度過低或維持過高，室內(nèi)熱環(huán)境難以滿足熱舒適需求，需要進一步改善。

2.5熱期望溫度

將室內(nèi)操作溫度to與冷熱期望百分比進行線性回歸，兩條直線的交點即為期望溫度，如圖9所示。

圖9期望溫度的計算

Fig. 9Calculation of expected temperature由圖9可知，期望溫度為16.2 ℃（以to表示），在寒冷地區(qū)冬季學生趨向于達到溫暖的感覺，所期望的溫度比熱中性溫度（to=13.8 ℃）高24 ℃。

3討論

3.1適應性預測平均熱感覺aPMV模型

如前所述，由于教室內(nèi)熱環(huán)境是非穩(wěn)態(tài)的，PMV并不能準確預測學生的平均熱感覺，人體自身的適應性是引起MTS和PMV產(chǎn)生差異的主要原因。姚潤明等[3]提出的預計適應性平均熱感覺aPMV模型（Adaptive Predicted Mean Vote model），采用自適應系數(shù)λ（λ值反映了人體采取的自適應調(diào)節(jié)水平高低或自適應機會的多少）將PMV與aPMV聯(lián)系起來，用以解釋MTS和PMV之間的差異，見式（1）：aPMV=PMV1+λ×PMV（1）利用最小二乘法求得λ=-0.53（PMV<0），λ=0.3（PMV>0），由λ和PMV值可計算得到aPMV指標，如圖10所示。

圖10PMV、MTS與室內(nèi)操作溫度的關(guān)系對比

Fig. 10A contrastive analysis of the relationship between

PMV， MTS and indoor operating temperature由圖10知，對偏冷和偏熱的熱環(huán)境采取不同水平的自適應調(diào)節(jié)后得到的aPMV模型能夠較好的預測學生平均熱感覺。分析發(fā)現(xiàn)，相比于PMV>0的偏熱環(huán)境中，PMV<0時的偏冷環(huán)境中λ的絕對值更大，說明學生對偏冷的環(huán)境有更強的適應性，而對偏熱環(huán)境的適應性較差。因此，冬季室外寒冷的氣候條件使長期生活于此的學生形成了對偏冷環(huán)境的適應性，此時如果室內(nèi)溫度過高，這種適應性將被破壞，不僅浪費能源，也容易引起學生的熱不適感。

3.2與其他研究結(jié)果的比較

與其他冬季現(xiàn)場研究結(jié)果[811]相比，本文模型中的平均熱感覺隨溫度變化的斜率較低（0.13），即中小學生對溫度的敏感程度要低于其他研究結(jié)果；同時鄉(xiāng)域中小學教室內(nèi)學生的中性溫度、舒適溫度均較低。分析其原因是：該地處于嚴寒氣候區(qū)，長期生活于此且頻繁出入室內(nèi)外的中小學生形成了對冷環(huán)境的心理適應性；鄉(xiāng)域中小學生衣著量普遍較大，且頻繁進出教室并沒有更換衣物的習慣，形成了對冷環(huán)境的行為適應性；此外，相比成年人，中小學生擁有更高的新陳代謝水平，使得其對熱環(huán)境的敏感度要低于成年人。

嚴寒地區(qū)鄉(xiāng)域中小學教室冬季室內(nèi)設(shè)計溫度的取值應結(jié)合當?shù)氐臍夂驐l件，充分考慮中小學生的衣著習慣、心理期望、生理特性等因素的特殊性，提出適合于中小學生的熱舒適標準。4結(jié)論

1）青海鄉(xiāng)域中小學生冬季服裝熱阻普遍較大（平均值為1.60 clo），其中女生衣著水平高于男生。主要原因是室外氣溫很低，學生頻繁出入室內(nèi)外，即使室內(nèi)溫度較高，也沒有頻繁更換衣服的習慣。這一點與城市居住和辦公建筑有很大差別。

2）冬季中小學生的熱中性溫度為13.8 ℃，期望溫度為16.2 ℃，80%學生接受的溫度下限為13.5 ℃，90%感到滿意的舒適溫度范圍為15.8～18.7 ℃。較大的服裝熱阻、偏冷環(huán)境對心理期望的調(diào)節(jié)作用以及新陳代謝旺盛的生理特性，使得鄉(xiāng)域中小學生中性溫度、舒適溫度低于城市其他冬季現(xiàn)場研究結(jié)果。

3）青海鄉(xiāng)域地區(qū)中小學教室取暖不屬于標準的采暖系統(tǒng)，室內(nèi)溫度非穩(wěn)態(tài)且波動較大，學生自身的適應性使得PMV與MTS仍存在較大偏差。由實測數(shù)據(jù)計算得到自適應系數(shù)λ=-0.53（PMV<0）、λ=0.30（PMV>0）時的適應性aPMV模型可對該類地區(qū)中小學生的平均熱感覺進行準確預測。分析λ值大小可知，學生對偏熱的環(huán)境較為敏感，對偏冷的環(huán)境有較強的適應性。

參考文獻：

[1] DE DEAR R J， BRAGER G S. Thermal comfort in naturally ventilated buildings ： revisions to ASHRAE standard 55[J]. Energy and Building， 2002， 34（6）： 549561.

[2] DE DEAR R J， BRAGER G S. Developing an adaptive model of thermal comfort and preference[J]. ASHRAE Transaction， 1998， 104（2）：146167.

[3] YAO R M，LI B Z， LIU J. A theoretical adaptive model of thermal comfort ：Adaptive predicted mean vote（aPMV）[J]. Building and Environment， 2009， 44（10）： 20892096.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準：GB/T 50785—2012[S].北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

People's Republic of China Ministry of Housing and Urban Rural Construction. Civil building indoor thermal and humid environment evaluation criteria：GB/T507852012 [S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2012（in Chinese）

[5] 葉曉江， 周正平， 連之偉，等. 不同城市自然通風建筑熱舒適狀況研究[J].建筑節(jié)能， 2007， 35（4）： 5557.

YE X J， ZHOU Z P， LIAN Z W，et al. Study on thermal comfort of neutral ventilated buildings in different city [J]. Construction Conserves Energy， 2007， 35（4）： 5557. （in Chinese）

[6] 王怡， 劉加平.空調(diào)房間冬季室內(nèi)致適參數(shù)的分析與研究[J].暖通空調(diào)， 2000， 30（3）： 1214.

WANG Y， LIU J P. Thermal comfort properties for air conditioned space in winter [J]. Heating Ventilating & Air Conditioning， 2000， 30（3）： 1214. （in Chinese）

[7] WANG Z. A field study of the thermal comfort in residential buildings in Harbin[J]. Building and Environment， 2006， 41： 10341039.

[8] 曹彬， 朱穎心， 歐陽沁，等. 不同氣候區(qū)住宅建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境及人體熱適應性對比[J].清華大學學報（自然科學版）， 2012， 52（4）： 499503.

CAO B， ZHU Y X， Ou Yangqin. Indoor thermal environment and human thermal adaption in residential buildings in various climate zones during the winter [J]. Journal of Tsinghua University （Science and Technology） ， 2012， 52（4）： 499503. （in Chinese）

[9] 王昭俊， 方修睦， 廉樂明. 哈爾濱市冬季居民熱舒適現(xiàn)場研究[J].哈爾濱工業(yè)大學學報， 2002， 34（4）： 500504.

WANG Z J， FANG X M， LIAN L M. Field experiments on occupant thermal comfort in Harbin [J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2002， 34（4）： 500504. （in Chinese）

[10] 李敏， 曹斌， 歐陽沁，等. 北京地區(qū)大學教室熱舒適長期調(diào)查研究[J].暖通空調(diào)， 2014， 44（12） ：6770.

LI M， CAO B， OUYANG Q，et al. Longtime investigation on indoor thermal comfort in campus buildings in Beijing [J]. Heating Ventilating & Air Conditioning， 2014， 44（12） ：6770. （in Chinese）

[11] 李百戰(zhàn)， 劉晶， 姚潤明.重慶地區(qū)冬季教室熱環(huán)境調(diào)查分析[J].暖通空調(diào)， 2007， 37（5）： 115117.

LI B Z， LIU J， YAO R M. Investigation and analysis on classroom thermal environment in winter in Chongqing [J]. Heating Ventilating & Air Conditioning， 2007， 37（5）： 115117. （in Chinese）

[12] MARCHAND C G， NARDI M N. The impact of the classroom built environment on student perceptions and learning[J]. Journal of Environmental Psychology， 2014， 40： 187197.

[13]CUI W L，CAO G G， PARK J H，et al. Influence of indoor air temperature on human thermal comfort， motivation and performance[J]. Building and Environment， 2013，68： 114122.

[14] TURUNENA MARI， TOYINBOA OLUYEMI. Indoor environmental quality in school buildings， and the health and wellbeing of students [J]. International Journal of Hygiene and Environmental Health， 2014， 217： 733739.

[15] 李百戰(zhàn)， 鄭潔， 姚潤明，等. 室內(nèi)熱環(huán)境對人體熱舒適[M].重慶： 重慶大學出版社， 2012.

LI B Z， DENG J， YAO R M. Indoor thermal environment on human thermal comfort [M]. Chongqing， Chongqing University Press， 2012. （in Chinese）

[16] 王昭俊. 現(xiàn)場研究中熱舒適指標的選取問題[J].暖通空調(diào)， 2004， 34（12）： 3942.

WANG Z J. Selection of thermal comfort indexes in the field study [J]. Heating Ventilating & Air Conditioning， 2004， 34（12）： 3942. （in Chinese）

[17] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中小學校設(shè)計規(guī)范：GB50099—2011[S].北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

People's Republic of China Ministry of housing and urban rural construction. Design specification of primary and secondary schools： GB500992011 [S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2012. （in Chinese）

[18] 劉加平.建筑物理[M].3版. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2000.

LIU J P. Architectural Physics [M]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2000. （in Chinese）

[19] HAVENITH G. Metabolic rate and clothing insulation data of children and adolescents during various school activities [J]. Ergonomics， 2007， 50（10）： 16891701.