夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室熱舒適設(shè)計(jì)研究

陳鳳+毛建西+符文瑜+卞根+王龍龍+黃浩志

摘要：人們的生活質(zhì)量隨著社會的發(fā)展而不斷提高，人們對室內(nèi)活動環(huán)境的舒適要求也在不斷提高，特別是室內(nèi)的熱舒適度有了更高的要求，所以舒適和節(jié)能已成為當(dāng)今建筑、設(shè)備設(shè)計(jì)的基本課題。大學(xué)教室作為校園建筑的一個(gè)重要組成部分，其熱舒適度對高校教學(xué)活動產(chǎn)生重要影響。然而，現(xiàn)階段對夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室熱舒適度設(shè)計(jì)的研究還比較少，所以急需對夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室熱舒適度設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。本文將對夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室熱舒適度設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)闡述，希望對相關(guān)參與者與研究人員帶來一定幫助。

關(guān)鍵詞：夏熱冬冷地區(qū)；大學(xué)教室；熱舒適

0引言

舒適和節(jié)能已成為當(dāng)今建筑、設(shè)備設(shè)計(jì)的基本課題。目前人們生活質(zhì)量隨著社會的發(fā)展而不斷提高，人們對室內(nèi)活動環(huán)境的舒適要求也在不斷提高，特別是室內(nèi)的熱舒適度有了更高的要求。然而，當(dāng)人們把目光集中在一些高檔居住建筑、辦公建筑以及其它一些大型公建的室內(nèi)環(huán)境之上時(shí)，卻往往忽略了高校教室的一切熱舒適設(shè)計(jì)的問題。大學(xué)教室作為校園建筑的一個(gè)重要組成部分，其熱舒適度對高校教學(xué)活動產(chǎn)生重要影響。根據(jù)目前高等教育體制，一個(gè)在校大學(xué)生在教室學(xué)習(xí)的時(shí)間可以達(dá)到4-8小時(shí)，大學(xué)生的主要互動場所也就是教室。所以教室內(nèi)熱舒適的設(shè)計(jì)好壞會直接影響到學(xué)生的健康和學(xué)習(xí)效率，改善教室室內(nèi)熱舒適度環(huán)境是非常必要的任務(wù)。本文將在研究背景及研究方案、熱舒適適應(yīng)性研究分析、我國夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室熱舒適度模型及其應(yīng)用等方面對夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室熱舒適度設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)闡述，希望對相關(guān)參與者與研究人員帶來一定幫助。

1研究背景及研究方案

1.1 研究背景

針對夏熱冬冷地區(qū)建筑房間熱舒適度這一研究課題，國內(nèi)外眾多研究者進(jìn)行了大量的研究，并得到了很多有用的研究成果。Humphreys通過親自調(diào)查測試，并對所測得的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到了在自然通風(fēng)建筑中，建筑房間的室內(nèi)舒適溫度 和室外月平均溫度 之間的顯著相關(guān)性，Humphreys得到的函數(shù)關(guān)系式[1]為：

（1）

Auliciems等人延續(xù)了Humphreys的研究，并在Humphreys的研究基礎(chǔ)上，對Humphreys得到的函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行了補(bǔ)充和修正，并提出了一個(gè)能應(yīng)用于包含自然通風(fēng)建筑和空調(diào)建筑在內(nèi)的所有建筑的室內(nèi)舒適溫度 和室外月平均溫度 之間的相關(guān)性方程[2]：

（2）

Nicol等人基于其在不同氣候條件下所測得的實(shí)測數(shù)據(jù)，經(jīng)研究后得出了室內(nèi)舒適溫度 和室外月平均溫度 之間的另一種相關(guān)函數(shù)方程[2]：

（3）

式中， 是該地區(qū)30年內(nèi)的室外月平均溫度。

這些研究者的研究充分地說明了室內(nèi)舒適溫度和室外空氣溫度也就是當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣髦g是存在明顯的相關(guān)性的。而在我國，對于在一些夏熱冬冷地區(qū)，還尚未得出適用于當(dāng)?shù)貧夂驐l件的熱舒適度與室外空氣溫度之間的相關(guān)性關(guān)系。本文對2016年冬季和2017年夏季于所在的夏熱冬冷地區(qū)（以南京為例）進(jìn)行了調(diào)研，并對調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析處理、統(tǒng)計(jì)學(xué)回歸和函數(shù)擬合，初步得出了夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室熱舒適度的影響因素。

1.2 研究方案

（1）測試地區(qū)概況：南京屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年降水1200毫米，四季分明，年平均溫度15.4°C，年極端氣溫最高43°C，最低-13.1°C，年平均降水量1106毫米。

（2）測試過程、方法：本次測試分為冬夏兩季進(jìn)行，分別在冬至日、夏至日附近五天對南京地區(qū)的教室進(jìn)行測量與問卷調(diào)查。所測物理環(huán)境參數(shù)為：室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、空氣流動速度。（早上9：00到傍晚4：30）

（3）填寫主觀問卷調(diào)查表：問卷調(diào)查對象主要是室內(nèi)上課學(xué)生，每天早上第一小節(jié)（40分鐘）下課后我們隨機(jī)對40名同學(xué)進(jìn)行隨機(jī)問卷調(diào)查。同學(xué)們主要來自江蘇省，長江南北比例較為均衡。主要調(diào)查指標(biāo)為：熱感、熱舒適度、熱可接受度、潮濕感。

（4）測試時(shí)間：第一階段為2016年12月1日至2016年12月30日，并著重對2016年12月18日至2016年12月23日冬至前后這6天的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試；第二階段為2017年6月1日至2017年6月30日，并著重對2017年6月18日至2017年6月23日夏至前后這6天的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。

2熱舒適適應(yīng)性研究分析

2.1 著裝習(xí)慣隨溫度的適應(yīng)性調(diào)節(jié)

本文通過在大學(xué)教室內(nèi)采取調(diào)查問卷的形式，并結(jié)合由儀器測得的客觀數(shù)據(jù)進(jìn)行這分析，得出了在夏季和冬季反應(yīng)人們熱舒適度的服裝平均熱阻和室內(nèi)、外空氣溫度的關(guān)系，函數(shù)分析結(jié)果如圖1所示。

a室外 b室內(nèi)

圖1服裝平均熱阻與室內(nèi)、外空氣溫度的關(guān)系

由圖1可以看出，季節(jié)性變化對該地區(qū)大學(xué)生的室內(nèi)著裝量的影響比較大，在冬季，大學(xué)生的室內(nèi)服裝熱阻分布在1.0～2.0clo之間，主要在1.5clo左右；在夏季，大學(xué)生的室內(nèi)服裝熱阻分布在0.4～0.6clo之間，主要在0.5clo左右。該地區(qū)大學(xué)生的服裝平均熱阻與室內(nèi)、外空氣溫度之間存在明顯的線性相關(guān)性，服裝平均熱阻與室內(nèi)、外空氣溫度的回歸方程分別為：

式（4）、（5）中，C為服裝平均熱阻，單位為clo； 為室內(nèi)空氣溫度；

為室外空氣溫度。

2.2 熱接受能力分析

通過對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并進(jìn)行函數(shù)擬合，得出了冬季和夏季熱不可接受率與室內(nèi)空氣溫度的關(guān)系擬合曲線，如圖2所示。

a冬季 b夏季

圖2冬季、夏季熱不可接受率與室內(nèi)空氣溫度的關(guān)系

通過對圖2進(jìn)行分析可知，在夏熱冬冷地區(qū)的實(shí)際生活中，夏季大部分人可接受的熱環(huán)境為27～31℃的室內(nèi)空氣溫度；冬季大部分人可接受的熱環(huán)境為7～16℃的室內(nèi)空氣溫度；冬季、夏季熱不可接受率與室內(nèi)空氣溫度的關(guān)系方程分別為：

式（6）、（7）中，PPD為熱不可接受率，單位為%； 為室內(nèi)空氣溫度，單位為℃。

式（6）、（7）反映了我國夏熱冬冷地區(qū)熱不可接受率與室內(nèi)空氣溫度的關(guān)系。

2.3 熱中性溫度與熱感覺值分析

通過對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并進(jìn)行函數(shù)擬合，得出了冬季和夏季熱感覺值與室內(nèi)空氣溫度的關(guān)系擬合曲線，如圖3所示。

a冬季 b夏季

圖3 冬季、夏季熱感覺值與室內(nèi)空氣溫度的關(guān)系

冬季、夏季熱感覺值與室內(nèi)空氣溫度的關(guān)系方程分別為

式（8）、（9）中，TSV為熱感覺值； 為室內(nèi)空氣溫度，單位為℃。

式（8）、（9）反映了我國夏熱冬冷地區(qū)熱感覺值與室內(nèi)空氣溫度的關(guān)系。

對圖3及式（8）、（9）分析后可知，我國夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室冬季和夏季的熱中性溫度分別為13.72℃和26.89℃。在冬季，熱感覺值有的為負(fù)數(shù)，有的為正數(shù)，這說明實(shí)測值與理論值基本接近。

3我國夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室熱舒適度模型及其應(yīng)用

將實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合歸納，并進(jìn)行函數(shù)擬合后可得出熱中性溫度與室外空氣平均溫度的關(guān)系方程為：

式（10）中， 為熱中性溫度，單位為℃； 為室外空氣溫度，單位為℃。

熱中性溫度與室外空氣溫度的關(guān)系擬合曲線，如圖4所示。

圖4 熱中性溫度與室外空氣溫度的關(guān)系

對圖4及式（10）分析后可知，我國夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室室外空氣溫度每改變1℃，它所對應(yīng)的熱中性溫度將改變0.7℃，擁有一定的節(jié)能潛力。

實(shí)際調(diào)研和工程實(shí)踐表明，舒適溫度和我國夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室室外空氣溫度是相互依賴的[4-5]，人體覺得舒適的溫度不是固定不變的，而是隨著室外空氣溫度的變化而變化。

結(jié)語

本文通過對研究背景及研究方案、熱舒適適應(yīng)性研究分析、我國夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室熱舒適度模型及其應(yīng)用等方面進(jìn)行闡述與分析，對夏熱冬冷地區(qū)大學(xué)教室熱舒適度設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探究，提出了一些相應(yīng)的建議，對相關(guān)參與者與研究人員起到了一定幫助作用。

參考文獻(xiàn)

[1]Humphreys M. Outdoor temperature and comfort indoors[J].Building Research and Practice，1978，3.

[2]Nicol F J，Raja I A，Allaudin A，et al. Climatic variations in comfortable temperatures： the Pakistan projects[J].Energy and Buildings， 1999，30： 261—279.