關(guān)于建筑熱環(huán)境參數(shù)測(cè)定與熱舒適分析的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)

葛堅(jiān)　李效軍

摘要：作為面向建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的建筑物理課程，怎樣通過(guò)有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，使學(xué)生通過(guò)熱環(huán)境參數(shù)測(cè)定和熱舒適分析對(duì)相關(guān)建筑物理指標(biāo)形成理論和感性的全面認(rèn)識(shí)，深入理解熱環(huán)境參數(shù)和建筑熱環(huán)境結(jié)果的因果關(guān)系，并且能夠?qū)嶋H運(yùn)用到建筑環(huán)境控制中，是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的出發(fā)點(diǎn)。本文介紹了浙江大學(xué)“建筑熱環(huán)境參數(shù)測(cè)定與熱舒適分析”探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐和思考，提出了從單項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性熱環(huán)境的測(cè)試分析、從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析延伸到建筑熱環(huán)境評(píng)價(jià)分析及改造這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革，以及學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革，介紹了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體過(guò)程和實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果，以及項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)。

關(guān)鍵詞：熱環(huán)境參數(shù)測(cè)定；熱舒適分析；探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2016）02-0154-03

一、項(xiàng)目背景

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)于建筑人居環(huán)境的要求也越來(lái)越高。建筑人居環(huán)境應(yīng)滿足人的行為活動(dòng)、生理和心理需求，良好的建筑物理環(huán)境是人居環(huán)境營(yíng)建的核心內(nèi)容之一。同時(shí)，建筑能耗的逐年上升，對(duì)建筑物理環(huán)境控制也提出了更高的節(jié)能減排要求。

建筑物理課程作為建筑環(huán)境科學(xué)的重要組成部分，從20世紀(jì)50年代起，就成為中國(guó)高等院校建筑學(xué)專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。其中的建筑物理實(shí)驗(yàn)是研究建筑節(jié)能和建筑環(huán)境控制中深層次問(wèn)題的重要技術(shù)手段和有力工具，也是建筑物理教學(xué)過(guò)程中的重要實(shí)踐內(nèi)容[1]。怎樣進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，使學(xué)生通過(guò)熱環(huán)境參數(shù)測(cè)定和熱舒適分析，對(duì)相關(guān)建筑物理指標(biāo)形成理論和感性的全面認(rèn)識(shí)，深入理解熱環(huán)境參數(shù)和建筑熱環(huán)境結(jié)果的因果關(guān)系，并且能夠?qū)嶋H運(yùn)用到建筑環(huán)境控制中，是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的出發(fā)點(diǎn)。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施方案

針對(duì)建筑物理I課程中的“建筑熱環(huán)境參數(shù)測(cè)定與熱舒適分析”部分，以往的教學(xué)方式除了講述理論知識(shí)以外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也僅僅停留在測(cè)試室內(nèi)熱環(huán)境的單項(xiàng)參數(shù)層面，并且是由任課教師布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生按照老師安排好的實(shí)驗(yàn)步驟按部就班地去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。鑒于此，我們著重在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法方面進(jìn)行了改革。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革：從單項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性熱環(huán)境的測(cè)試分析，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析延伸到建筑熱環(huán)境評(píng)價(jià)分析及改造

此次實(shí)驗(yàn)是一個(gè)綜合探究性的實(shí)驗(yàn)。首先，要求學(xué)生了解影響建筑室內(nèi)熱舒適性的基本要素，測(cè)試影響熱環(huán)境的主要物理參數(shù)和綜合熱舒適性能指標(biāo)，分析影響熱舒適性的主要因素及其內(nèi)在聯(lián)系，并增加了主觀問(wèn)卷調(diào)查的內(nèi)容（表1）。進(jìn)而，通過(guò)對(duì)特定研究對(duì)象建筑熱環(huán)境參數(shù)的測(cè)試分析，使學(xué)生從理論和感性層面全面掌握建筑熱環(huán)境的相關(guān)物理概念，深入理解影響建筑熱環(huán)境參數(shù)的各種因素，對(duì)相應(yīng)的建筑熱環(huán)境結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析并且提出改造方案，使學(xué)生掌握建筑熱環(huán)境的規(guī)律本質(zhì)，從而有針對(duì)性地指導(dǎo)今后的建筑方案設(shè)計(jì)及材料選擇。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革：從老師安排任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪W(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

此次改革中，由教師提出研究對(duì)象和目標(biāo)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)要解決的課題；學(xué)生運(yùn)用已經(jīng)學(xué)到的理論知識(shí)，并獨(dú)立完成從制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)儀器操作、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告、匯報(bào)實(shí)驗(yàn)成果的一系列工作。在制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃后，老師進(jìn)行分組指導(dǎo)修改，完成實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生分組進(jìn)行成果匯報(bào)。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的改革，有助于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體流程

1.設(shè)定研究對(duì)象：設(shè)定建筑系館月牙樓中庭、建筑系專業(yè)教室1、建筑系專業(yè)教室2、多媒體教室等4個(gè)對(duì)象，并將學(xué)生分成4組；

2.完成實(shí)驗(yàn)方案：每個(gè)小組初步設(shè)定測(cè)試內(nèi)容、測(cè)點(diǎn)、測(cè)試時(shí)間等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方案，分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的討論，并由教師、助教進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和修改完善；

3.學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)儀器操作：每個(gè)小組確定實(shí)驗(yàn)方案后，小組成員進(jìn)行工作分工，并在助教的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)儀器的操作；

4.開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試：每個(gè)小組按照實(shí)驗(yàn)方案對(duì)其負(fù)責(zé)的建筑空間進(jìn)行空氣溫度（室內(nèi)+室外）、空氣相對(duì)濕度（室內(nèi)+室外）、室內(nèi)風(fēng)向風(fēng)速、室內(nèi)黑球輻射溫度和室內(nèi)熱環(huán)境綜合舒適度PMV-PPD等熱環(huán)境參數(shù)的測(cè)定（圖1-2），同時(shí)進(jìn)行熱環(huán)境舒適度的主觀問(wèn)卷調(diào)查。

5.完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析（圖3-4），提出建筑熱環(huán)境結(jié)果的評(píng)價(jià)分析和改造方案（圖5），總結(jié)實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)，最終形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成果的匯報(bào)答辯。

該實(shí)驗(yàn)是在任課老師、實(shí)驗(yàn)人員及助教輔導(dǎo)下的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)；課內(nèi)外時(shí)數(shù)為4周（其中課內(nèi)8學(xué)時(shí)，課外10學(xué)時(shí)）。實(shí)驗(yàn)效果考核方式如下：（1）實(shí)驗(yàn)方案占20%；（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程占30%；（3）實(shí)驗(yàn)報(bào)告占50%。該實(shí)驗(yàn)計(jì)劃參與學(xué)生96人，最終參與學(xué)生78人。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)最大的成果在于，學(xué)生對(duì)建筑熱環(huán)境的認(rèn)知不再僅僅停留在“照本宣科”的理論層面，而是從理論和感性的層面全面掌握了建筑熱環(huán)境的相關(guān)物理概念，深入理解了影響建筑熱環(huán)境參數(shù)的各種因素；學(xué)生通過(guò)對(duì)特定的建筑熱環(huán)境結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析并提出改造方案，掌握了建筑熱環(huán)境的規(guī)律本質(zhì)，從而能夠有針對(duì)性地指導(dǎo)今后的建筑方案設(shè)計(jì)及材料選擇。

通過(guò)對(duì)特定研究對(duì)象建筑熱環(huán)境參數(shù)測(cè)定和熱舒適分析，學(xué)生總結(jié)了影響建筑熱環(huán)境結(jié)果的外部因素（日照狀況、室外氣溫、室外濕度）以及內(nèi)部因素（圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、門(mén)窗開(kāi)啟面積、遮陽(yáng)設(shè)施、通風(fēng)狀況、室內(nèi)壁面材質(zhì)、室內(nèi)測(cè)點(diǎn)、室內(nèi)人員、著裝等等），對(duì)不同建筑材料的熱工性能進(jìn)行了調(diào)查研究，對(duì)相應(yīng)的建筑熱環(huán)境結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析并且提出了改造方案。比如，專教1的實(shí)驗(yàn)小組得出總結(jié)：由于設(shè)計(jì)了大片朝南玻璃幕墻，室內(nèi)接受大量太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致專教室溫偏高，同時(shí)為了減緩這種狀況，窗簾一直處于關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致室內(nèi)照明需要人工照明來(lái)解決，玻璃幕墻的采光作用完全不能發(fā)揮，空調(diào)和照明的能耗很大。因此，建議減少外圍護(hù)結(jié)構(gòu)玻璃的面積，增加熱阻大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)；擴(kuò)大可開(kāi)啟門(mén)窗面積，利用對(duì)流調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度；增加遮陽(yáng)設(shè)施等。又如，多媒體教室的實(shí)驗(yàn)小組在分析了影響建筑熱環(huán)境參數(shù)的各種因素并設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，提出了室內(nèi)空間熱舒適度改造方案，建議外墻采用翼板，增大風(fēng)壓引導(dǎo)側(cè)向氣流進(jìn)入室內(nèi)，也起到豎向遮陽(yáng)板的作用；也可在內(nèi)墻增設(shè)高窗改善對(duì)流條件等（圖5）。

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生對(duì)于今后的建筑方案設(shè)計(jì)及材料選擇有了全新的認(rèn)識(shí)和感悟，從而意識(shí)到：一個(gè)建筑師需要在方案階段就運(yùn)用建筑物理的知識(shí)，通過(guò)調(diào)整建筑形體、合理設(shè)計(jì)建筑立面、選擇恰當(dāng)?shù)膰o(hù)結(jié)構(gòu)和材料以及構(gòu)造方式，在營(yíng)造出豐富建筑空間的同時(shí)，滿足人們熱舒適度的要求。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的進(jìn)行，筆者發(fā)現(xiàn)計(jì)劃參與學(xué)生數(shù)與最終參與學(xué)生數(shù)存在較大差距。在工作量及課外學(xué)時(shí)數(shù)大增而學(xué)分沒(méi)有增加的情況下，怎樣增加項(xiàng)目覆蓋面，怎樣激發(fā)學(xué)生參與探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的熱情，是我們下一步要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

更深層次的思考：由于建筑物理課程是建筑學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課，其最終服務(wù)于建筑設(shè)計(jì)學(xué)科。如果探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠進(jìn)一步跨課程開(kāi)展，后續(xù)銜接上相關(guān)的建筑構(gòu)造、建筑性能分析和建筑設(shè)計(jì)課程，開(kāi)設(shè)類似“月牙樓中庭改造設(shè)計(jì)”這樣的設(shè)計(jì)專題，將會(huì)呈現(xiàn)更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]許景峰，宗德新，尹軼華.數(shù)字技術(shù)在建筑物理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等建筑教育，2012，21（1）：139-143.

（編輯 胡 玥）