桂林某高校圖書館冬季室內(nèi)熱環(huán)境與熱舒適性研究

鄭文亨,蘇紹映,李倍宇,李梅香,何智鵬

(桂林電子科技大學(xué) 建筑與交通工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

作為大學(xué)校園核心場(chǎng)所的圖書館,是學(xué)生常去的閱讀和學(xué)習(xí)之地,具有學(xué)生停留時(shí)間長(zhǎng)和人員密度高的特點(diǎn),其室內(nèi)熱舒適性優(yōu)劣直接影響到室內(nèi)人員的學(xué)習(xí)效率高低。為此,研究滿足健康和高效要求的校園圖書館室內(nèi)環(huán)境條件顯得十分重要。

目前關(guān)于熱舒適的研究,多數(shù)學(xué)者主要通過對(duì)住宅、辦公建筑、商場(chǎng)等場(chǎng)所展開大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查[1-9],得到不同地區(qū)的人體熱舒適需求和熱適應(yīng)特征,對(duì)于高校圖書館的熱舒適性研究相對(duì)較少[10-11],尤其是針對(duì)夏熱冬冷的南部地區(qū)高校圖書館的熱舒適性研究。為此,筆者嘗試對(duì)桂林某高校圖書館進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析,初步探究該地區(qū)高校圖書館冬季室內(nèi)熱環(huán)境情況,尋找該類建筑內(nèi)的中性溫度和可接受溫度范圍,為高校圖書館的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 桂林地區(qū)氣候特點(diǎn)

桂林地處南嶺山系西南部, 廣西壯族自治區(qū)東北部, 湘桂走廊南端, 屬亞熱帶季風(fēng)氣候。 年平均氣溫為19.3 ℃， 七八月最熱, 月平均氣溫為28 ℃；

1月最冷, 月平均氣溫7.9 ℃。 年平均相對(duì)濕度為73%～79%。

1.2 數(shù)據(jù)采集

調(diào)研于2016年12月中旬至2017年1月中旬進(jìn)行,期間共進(jìn)行了10天的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)試,測(cè)試時(shí)間段為9:00—17:00,地點(diǎn)為桂林市某大學(xué)的圖書館。該圖書館地上4層,地下1層,建筑面積約41 000 m2,調(diào)研中先后涉及1～4層的不同區(qū)域。測(cè)試內(nèi)容主要包括現(xiàn)場(chǎng)問卷調(diào)查和環(huán)境參數(shù)測(cè)試兩部分,測(cè)點(diǎn)高度取1.1 m,對(duì)應(yīng)人體坐姿的頭部高度。于自然通風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)測(cè)試 在問卷調(diào)查的同時(shí)也進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)測(cè)試, 主要包括室內(nèi)外空氣流速、 空氣溫度、 相對(duì)濕度及室內(nèi)輻射溫度。 所用儀器為MI6401熱舒適度測(cè)量?jī)x, 精度如表1所示。

表1 儀器測(cè)試范圍及精度

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)主觀問卷調(diào)查 從圖書館內(nèi)的學(xué)生中隨機(jī)選擇受試者,問卷調(diào)查內(nèi)容主要包括:(1)被測(cè)試學(xué)生的基本情況,包括性別、年齡、停留時(shí)間等;(2)受試者的衣著情況和活動(dòng)量,包括上裝、下裝情況及活動(dòng)狀態(tài)等;(3)人體的熱感覺和熱舒適調(diào)查，包括學(xué)生的熱感覺和對(duì)室內(nèi)環(huán)境的滿意程度,對(duì)潮濕狀況、風(fēng)速等的主觀評(píng)價(jià),其中熱感覺的投票值采用ASHRAE(美國(guó)供曖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì))七級(jí)指標(biāo)表示[12]。

2 調(diào)查結(jié)果與分析

2.1 樣本情況

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)試,共得到664份有效調(diào)查問卷。受試者中男生389人,男生占比58.6%、女生占比41.4%,女生比例略低于男生。受試者年齡分布為18～25歲,接受調(diào)查時(shí)在館內(nèi)停留時(shí)間均超過0.5 h,其中停留時(shí)間超過2 h的受試者比例為58.9%。

2.2 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)

室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2?？芍?冬季室內(nèi)外空氣溫度的均值分別為19.9、13.3 ℃,室內(nèi)外相對(duì)濕度的均值分別為49.7%和68.2%。室外空氣溫度在8.1～17.9 ℃,可基本代表桂林市冬季室外溫度的變化。

表2 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1～圖3為調(diào)研期間室內(nèi)外空氣溫度和相對(duì)濕度的分布頻率及潮濕感接受率。調(diào)查測(cè)試期間,室外溫度主要分布在11～16 ℃,占調(diào)查總數(shù)的93%以上；室內(nèi)溫度低于18 ℃的溫度段占總數(shù)的30.6%,說明調(diào)研期間室內(nèi)溫度有近1/3的時(shí)間低于《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)中規(guī)定的非人工冷熱源熱濕環(huán)境室內(nèi)體感溫度18 ℃的下限。室內(nèi)相對(duì)濕度大多分布在30%～70%,但室外相對(duì)濕度大多超過70%。受試者對(duì)室內(nèi)濕環(huán)境感到滿意的潮濕感投票為微濕、正好、微干,分別占總數(shù)的10%、61%、24.7%,僅有4.5%的人認(rèn)為圖書館干燥,說明絕大多數(shù)的受試者對(duì)館內(nèi)的潮濕感表示接受,約占總數(shù)的95.5%。

圖1 室內(nèi)外溫度及頻率分布Fig.1 Indoor and outdoor temperature and frequency distribution

圖2 相對(duì)濕度及頻率分布Fig.2 Relative humidity and frequency distribution

圖3 潮濕感投票結(jié)果Fig.3 Wet feeling voteing

圖4和圖5為圖書館室內(nèi)空氣流速頻率分布與吹風(fēng)感投票結(jié)果。導(dǎo)致室內(nèi)產(chǎn)生不適宜吹風(fēng)感的最低風(fēng)速約為0.25 m/s[13]。調(diào)查測(cè)試期間的室內(nèi)風(fēng)速均低于0.25 m/s,說明圖書館內(nèi)的風(fēng)速符合人體對(duì)室內(nèi)空氣流速的舒適要求,但仍有2%的受試者覺得有不適宜吹風(fēng)感,20.5%的受試者感到悶。這是由于人對(duì)吹風(fēng)的感覺不僅與氣流速度有關(guān),還與室內(nèi)環(huán)境的溫度、氣流的分布狀態(tài)以及受試者自身所處的熱狀態(tài)等因素有關(guān)。

圖4 室內(nèi)空氣流速及頻率分布Fig.4 Indoor air flow rate and frequency distribution

圖5 吹風(fēng)感投票結(jié)果Fig.5 Blowing feeling voteing

2.3 服裝熱阻與人員活動(dòng)水平

受試者的衣著情況在問卷調(diào)查中進(jìn)行了詳細(xì)的記錄, 參考ISO 7730:2005[13]標(biāo)準(zhǔn)確定每種服裝類型的熱阻值, 并根據(jù)ASHRAE[14]規(guī)定的組合服裝熱阻計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行累加計(jì)算, 得到本次調(diào)查測(cè)試受試者的服裝熱阻范圍為0.57～1.36 clo, 平均值為1.01 clo, 分布情況見圖6。

其中,92.3%的被測(cè)試者的服裝熱阻在0.8～1.3 clo。整體而言,受試者的服裝熱阻分布較廣且整體較低,這是因?yàn)楣鹆治挥谙臒岫鋮^(qū)最南端，冬季較為暖和，同時(shí)也與受試者多來自于廣西地區(qū)、長(zhǎng)期處于濕熱氣候環(huán)境下的穿衣習(xí)慣有關(guān)。

測(cè)試期間,受試者主要是坐著學(xué)習(xí)或偶爾在室內(nèi)活動(dòng), 屬于輕體力活動(dòng)類型, 新陳代謝率平均為1.2 met[15]。

圖6 冬季圖書館服裝熱阻分布頻率Fig.6 Winter library clothing thermal resistance distribution frequency

2.4 平均熱感覺與中性溫度

圖書館內(nèi)學(xué)生的熱感覺分布頻率如圖7所示。有50.9%的學(xué)生熱感覺投票為0(適中),14.8%的熱感覺投票為+1(微暖)，17.5%的熱感覺投票為-1(微涼),對(duì)于偏離中性較大的其他熱感覺投票共占16.8%。若將投票在-1、0 和+1的比例表示認(rèn)為可接受的熱感覺,那么有83.2%的學(xué)生對(duì)圖書館室內(nèi)熱感覺表示可接受。

圖7 熱感覺投票的分布頻率Fig.7 Distribution frequency of hot feeling voting

采用溫度頻率法[16]將室內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度以0.5 ℃為間隔分成若干操作溫度區(qū)間, 操作溫度to的計(jì)算公式

to=Ata+(1-A)tr,

(1)

式中：ta、tr分別為室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度, 系數(shù)A從《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)附錄D表D.0.2中選取。以每一區(qū)間的中心溫度作為自變量, 每一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)的受試者的平均熱感覺(MTS)值為因變量, 通過線性回歸分析, 得到平均熱感覺投票值MTS與操作溫度to的關(guān)系, 如圖8所示。

圖8 MTS與操作溫度to的線性回歸分析曲線Fig.8 Linear regression analysis curve of MTS and operating temperature to

回歸方程(相關(guān)系數(shù)R2=0.738 6)為

MTS=0.166 8to-3.285 3。

(2)

令MTS=0，求解得到室內(nèi)的熱中性溫度為19.7 ℃, 與調(diào)研期間的室內(nèi)平均溫度19.9 ℃相近,80%滿意度的熱舒適溫度范圍為13.7～25.7 ℃。

2.5 熱接受率與熱舒適區(qū)間(PPD與操作溫度擬合分析)

以熱感覺投票值為-1、0、+1的人數(shù)占該溫度區(qū)間內(nèi)所有投票人數(shù)的比例為實(shí)測(cè)的熱可接受率,根據(jù)圖7的熱感覺投票的分布頻率可知,有83.2%受試者對(duì)圖書館室內(nèi)環(huán)境感到滿意。將操作溫度to作為自變量,預(yù)測(cè)不滿意比例(PPD)作為因變量,通過回歸分析,得到預(yù)測(cè)不滿意比例(PPD)與操作溫度to的關(guān)系,如圖9所示。

圖9 PPD與操作溫度to的回歸分析曲線Fig.9 Regression analysis curve of PPD and operating temperature to

回歸方程(相關(guān)系數(shù)R2=0.810 0)為

PPD=0.846 7to2-40.369 4to+491.558 0。

(3)

在ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)和ISO 7730:2005標(biāo)準(zhǔn)中有80%的測(cè)試者可接受時(shí)說明室內(nèi)熱環(huán)境處于舒適狀態(tài), 也即預(yù)測(cè)不滿意比例PPD≤20%時(shí)的溫度范圍屬于可接受溫度范圍。 令PPD≤20%時(shí)，求得室內(nèi)可接受溫度范圍為20.5～27.2 ℃。

3 討 論

3.1 平均熱感覺投票(MTS)與預(yù)測(cè)平均熱感覺(PMV)對(duì)比

將實(shí)測(cè)的室內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度、空氣流速、黑球溫度、服裝熱阻和新陳代謝率等數(shù)據(jù)代入PMV計(jì)算程序,可計(jì)算得到預(yù)測(cè)平均熱感覺PMV,將得到的PMV值和對(duì)應(yīng)操作溫度to進(jìn)行回歸,得到如圖10所示的關(guān)系曲線。

圖10 PMV與操作溫度to的線性回歸分析曲線Fig.10 Linear regression analysis curve of PMV and operating temperature to

預(yù)測(cè)平均熱感覺PMV與操作溫度的回歸方程(相關(guān)系數(shù)R2=0.809 9)為

PMV=0.228 2to- 5.350 3。

(4)

令PMV=0, 可以得到室內(nèi)PMV預(yù)測(cè)熱中性溫度為23.4 ℃,80%滿意度的熱舒適溫度范圍為19.1～27.8 ℃。

由圖8和圖10可以看出,MTS與PMV的線性回歸曲線的形式變化趨勢(shì)基本一致,但PMV回歸曲線的斜率明顯大于MTS的回歸曲線,通過PMV預(yù)測(cè)得到的熱中性溫度明顯高于實(shí)測(cè)的熱中性溫度,說明受試者對(duì)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境具有較好的適應(yīng)性,冷適應(yīng)能力要比預(yù)測(cè)值高。同時(shí)也說明采用適用于穩(wěn)態(tài)環(huán)境的PMV指標(biāo)來評(píng)價(jià)自然通風(fēng)建筑時(shí),評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有一定的偏差。

4 結(jié) 論

通過對(duì)桂林市某高校圖書館冬季熱舒適調(diào)查分析,得到以下結(jié)論:

(1)在自然通風(fēng)環(huán)境下,冬季熱中性溫度為19.7 ℃,低于PMV模型預(yù)測(cè)的熱中性溫度23.4 ℃,兩者相差3.7 ℃，表明PMV模型預(yù)測(cè)的熱感覺與實(shí)際感覺存在一定偏差。

(2)80%學(xué)生可接受的溫度范圍為13.7～25.7 ℃,受試者滿意率為83.2%,說明圖書館室內(nèi)環(huán)境基本能夠滿足人體熱舒適?？山邮苁覂?nèi)溫度下限較低,主要原因是桂林屬于夏熱冬冷地區(qū)的最南端,冬季室外平均氣溫較高,學(xué)生通過服裝調(diào)節(jié)、心理適應(yīng)等方式適應(yīng)冬季偏冷的環(huán)境。

(3)圖書館有95.5%的學(xué)生可接受室內(nèi)空氣濕度,無需對(duì)室內(nèi)進(jìn)行除濕處理。室內(nèi)空氣流速基本滿足人體的熱舒適要求,但仍有20.5%的學(xué)生感覺風(fēng)速不夠,應(yīng)在適當(dāng)時(shí)段開啟窗戶引入新鮮空氣。