國內(nèi)高校建筑熱環(huán)境現(xiàn)場研究的現(xiàn)狀及展望

李昇翰 曹丹綸

深圳大學(xué)土木工程學(xué)院

近年來，我國出現(xiàn)了高校新校區(qū)建設(shè)浪潮。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，教育建筑從標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)而注重舒適與節(jié)能，國內(nèi)已有許多關(guān)于高檔居住建筑,辦公寫字樓以及其他大型公共建筑室內(nèi)環(huán)境的研究。而與辦公室和住宅空間相比，由于占用時間、熱環(huán)境要求、居住者活動和服裝等諸多因素差異，教學(xué)建筑需要特定的熱環(huán)境研究[1]。國內(nèi)外學(xué)者已運用不同理論方法，分別探究氣候區(qū)和教育水平與熱環(huán)境的關(guān)系。

目前為止，國內(nèi)還沒有關(guān)于熱環(huán)境現(xiàn)場理論框架和具體調(diào)查綜述性分析的研究。為了解該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，掌握整體觀點，提供廣泛的研究綜述。本文調(diào)查了過去13 年（2005～2018）里有關(guān)教育建筑熱環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查的研究，通過統(tǒng)計分析，對比并提取研究之間的相似性以及上述參數(shù)之間的關(guān)系。最后基于三個主要方面進(jìn)行分類：氣候區(qū)，建筑類型和研究方法，以及其他小類，包括研究年份、受訪者數(shù)量和研究季節(jié)。由于研究數(shù)量有限和研究條件的多樣性，建立精確的分析模型還不可能。所以，本文只對其中25 篇有代表性的研究進(jìn)行探討。第一部分涉及現(xiàn)場研究的方法，包括客觀調(diào)查和主觀調(diào)查。第二部分綜述這些研究基于不同氣候區(qū)和建筑類型的結(jié)果和趨勢。最后，進(jìn)一步指明現(xiàn)有研究的不足和未來發(fā)展的趨勢建議。

1 研究概述

1.1 客觀研究

現(xiàn)場研究分主觀和客觀兩方面。客觀研究主要是對建筑室內(nèi)、室外環(huán)境物理參數(shù)的測定。1962 年，Macpheron 提出了影響熱舒適的6 個因素：空氣溫度，平均輻射溫度，空氣流速，相對濕度，新陳代謝率和衣服熱阻[2]。一般情況下客觀研究的測試指標(biāo)為室內(nèi)、外空氣干球溫度，室內(nèi)、外空氣相對濕度，室內(nèi)、外空氣流動速度，室內(nèi)、外黑球溫度……使用的儀器包括TSI 手持風(fēng)速儀、黑球溫度計、熱球風(fēng)速儀、干濕球溫度計等。測量時間從幾周[3-4]到一整年[5]的都有。對于一些研究，客觀研究是唯一的調(diào)查方式[6-9]。在所有現(xiàn)場測量收集的參數(shù)中，溫度是所有研究都會涉及的指標(biāo)。Dedear和Brager 推薦全球熱舒適數(shù)據(jù)庫采用操作溫度作為熱舒適參數(shù)的計算指標(biāo)，它是空氣溫度和平均輻射溫度對各自的換熱系數(shù)的加權(quán)平均值。因為在非高溫情況下默認(rèn)操作溫度等于空氣溫度，故從測量結(jié)果中選取空氣溫度進(jìn)行后一步計算。

1.2 主觀研究

主觀研究最主要的途徑是問卷調(diào)查，采用的是描述法，即多項選擇法。它的主要目的是收集學(xué)生對溫度、濕度、風(fēng)速等的主觀評價和熱感覺，同時了解受試者的背景信息和影響人體熱舒適的兩個客觀因素：新陳代謝率和衣服熱阻。所有評估的變量依據(jù)ASHRAE 55 和ISO 7730 標(biāo)準(zhǔn)。問卷調(diào)查把人體對上述因素的各種反應(yīng)劃分為若干等級，依據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)將每一種反應(yīng)與等級對號入座。受試者根據(jù)自己的感覺,選出最能代表的數(shù)字等級。這些數(shù)字使得研究者得以對各種抽象的反應(yīng)進(jìn)行數(shù)學(xué)上的分析，研究結(jié)果從主觀的感知性變成為客觀的科學(xué)性?，F(xiàn)在問卷內(nèi)容有了一些改變：早期評估只包括熱感覺和偏好的問題，但現(xiàn)在還會加入室內(nèi)空氣濕潤度和空氣流速甚至人員密度[10]。Mishra 和Ramgopal 說，對于選擇收集的調(diào)查對象數(shù)量或調(diào)查的持續(xù)時間，沒有明確的約定。在本文涉及到的研究中，樣本數(shù)量即有效問卷數(shù)量少至45[11]多至超過1200[2，12-13]，分布非常廣泛。主管研究中縱向和橫向調(diào)查均有使用，有的還分別調(diào)查了男生和女生、不同年級在同一環(huán)境下的熱反饋，雖然在大多數(shù)情況下結(jié)果并沒有顯示出明顯的差異。

2 討論

2.1 建筑氣候劃分

《民用建筑設(shè)計通則》對我國按照氣候區(qū)劃分為7個主氣候區(qū)，分區(qū)名稱包括嚴(yán)寒地區(qū)，寒冷地區(qū)、溫和地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)。西安是西北的教育中心，在建筑熱工分區(qū)上屬于寒冷地區(qū)，是高校熱環(huán)境研究最先出現(xiàn)的地區(qū)之一。由于地處寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)的交界處，西安地區(qū)在建筑設(shè)計和室內(nèi)環(huán)境的處理上有著一定的特殊性和矛盾性。2003 年夏博調(diào)查發(fā)現(xiàn)高校宿舍的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)沒有很好地發(fā)揮隔熱的功能，夏季室內(nèi)酷熱潮濕，冬季非供暖時段溫度過低。供暖時段因為長時間門窗緊閉導(dǎo)致宿舍內(nèi)換氣量不足，空氣品質(zhì)差。他提出宿舍的建設(shè)應(yīng)該尊重當(dāng)?shù)氐牡匦魏蜌夂?，保證綠化數(shù)量，同時加強(qiáng)利用窗、陽臺等建筑構(gòu)造，進(jìn)行合理地規(guī)劃[14]。

嚴(yán)寒地區(qū)與寒冷地區(qū)的區(qū)分條件是嚴(yán)寒地區(qū)年日平均氣溫≤5 ℃的日數(shù)不少于145 d，而寒冷地區(qū)年日平均氣溫≤5 ℃的日數(shù)90～145 d。嚴(yán)寒地區(qū)的熱舒適研究多只針對冬季。哈爾濱作為極具代表性的嚴(yán)寒地區(qū)，已有許多相關(guān)的研究。Zhaojun Wang 將哈爾濱的供暖期分為前、中、后三個階段，比較教室和宿舍在不同階段的熱環(huán)境和學(xué)生的反饋。結(jié)果顯示教室的室內(nèi)溫度要高于宿舍，熱期望溫度卻低于宿舍，且兩者的熱中性溫度都處于上升趨勢，這反映了人們對熱環(huán)境的適應(yīng)性。在問卷調(diào)查中，無論是在教室還是在宿舍，室內(nèi)平均溫度都要高于受試者的熱中性溫度，許多學(xué)生反映感覺到熱，這說明室內(nèi)供暖溫度太高。作者認(rèn)為如果將室內(nèi)溫度降至熱中性溫度，教室和宿舍分別可以節(jié)約10.1%、3.8%的能源[15]。

夏熱冬冷地區(qū)主要氣候特征為冬季濕冷、夏季濕熱，氣溫日差較小。羅明智于2003 年8 月對重慶大學(xué)的教室室內(nèi)熱環(huán)境做了抽樣測試和問卷調(diào)查。作者分別將預(yù)測熱舒適指標(biāo)PMV 和熱感覺投票TSV 對新有效溫度ET*線性擬合，發(fā)現(xiàn)學(xué)生熱舒適投票值普遍小于預(yù)測值。這是因為常年的校園生活讓學(xué)生們對于環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，他們在心理上對教室內(nèi)高溫有了心理準(zhǔn)備，期望值也會相應(yīng)地降低[16]。此結(jié)論得到了夏一戰(zhàn)學(xué)者的驗證，他發(fā)現(xiàn)在高溫的教室環(huán)境中，增加風(fēng)速可以有效改善熱環(huán)境。學(xué)生對風(fēng)速的容忍程度也有所增加。但是進(jìn)一步研究結(jié)果顯示只有在高溫高濕的環(huán)境下，風(fēng)速才會對人的熱舒適度造成影響[17]。

針對夏熱東暖地區(qū)，Ruey-Lung Hwang 運用卡方檢驗，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對教室內(nèi)氣溫，風(fēng)速和遮陽的滿意度是影響熱感覺的重要因素。同時性別也是重要的影響因素，但濕度的滿足以及其他環(huán)境特性如室內(nèi)空氣質(zhì)量沒有很大影響。通過與同樣是夏熱冬冷地區(qū)的新加坡和夏威夷地區(qū)比較，作者對比兩地?zé)崞谕麥囟扰c熱中性溫度的差別發(fā)現(xiàn)中性熱感覺與受試者的熱期望水平普遍不符[18]。夏熱東暖地區(qū)夏季高溫高濕，太陽輻射強(qiáng)烈，在學(xué)生相對集中且活動頻繁的大學(xué)校園中，此種氣候條件可能會造成學(xué)生的身體不適甚至中暑。但目前該地區(qū)的研究數(shù)量還是有限，需要學(xué)者加以重視。根據(jù)對現(xiàn)有文獻(xiàn)的統(tǒng)計，夏熱冬冷地區(qū)，寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)的熱舒適性的研究較多，夏熱冬暖和溫和地區(qū)的這類研究還相對較少。溫和地區(qū)地域上包括云南大部、貴州、四川西南部、西藏南部小部分地區(qū)[19]，這類地區(qū)的研究基本還是空白，是未來的趨勢之一。

2.2 研究對象

“高校建筑”是各高等學(xué)校為幫助學(xué)生和老師達(dá)成教學(xué)目的而提供的活動場所，是校舍、校園、運動場及附屬設(shè)施的集合，其中校舍包括宿舍樓、教學(xué)樓、體育館、活動中心、圖書館和游泳池等校內(nèi)的各類建筑。

學(xué)生宿舍屬于居住建筑，與一般的居住建筑不同，宿舍的居住人群為18～25 歲的學(xué)生，人員密度和散熱量大，空調(diào)等設(shè)備的使用也因?qū)W校設(shè)施和學(xué)生對環(huán)境的主觀反映有所不同[7]。學(xué)生每天大部分時間待在宿舍，其室內(nèi)熱環(huán)境將對學(xué)生的生理和心理健康造成直接影響。萬勇對位于綿陽地區(qū)的西南科技大學(xué)進(jìn)行熱環(huán)境調(diào)查，他在冬季選取新區(qū)東八宿舍樓首層，中間層和頂層各一間學(xué)生宿舍進(jìn)行現(xiàn)場測試。測試結(jié)果顯示學(xué)生宿舍室內(nèi)干球溫度波動小，最大日較差僅為2.0 ℃，具有較好的熱穩(wěn)定性。室內(nèi)相對濕度隨室外波動變化小，但相對濕度普遍很高，有42.5%的人對室內(nèi)熱舒適度表示滿意或可接受[7]。呂留根則是對宿舍的不同位置進(jìn)行現(xiàn)場測量，探究熱環(huán)境參數(shù)在一日之中各個時間段的變化[20]。除了宿舍，教室也是廣大師生接觸最頻繁的室內(nèi)環(huán)境。李久芳考察發(fā)現(xiàn)南方地區(qū)高校教室冬季室內(nèi)熱環(huán)境舒適度基本達(dá)到要求，但存在著冬季室內(nèi)溫度偏低、空氣流通差等問題。作者認(rèn)為窗戶的開啟情況，窗戶數(shù)量和位置對室內(nèi)環(huán)境的舒適度有很大影響[21]。同時，邱靜在對多個公共教室進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)查和實測的基礎(chǔ)上，選擇一間實驗教室進(jìn)行對比測試，分析熱源、窗戶開閉對熱環(huán)境的影響[22]。還有學(xué)者將教室和宿舍的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行對比，他把供暖期分為前、中、后三個階段，探究各個階段兩類場所內(nèi)環(huán)境的變化，分析兩個場所之間的物理參數(shù)差異以及出現(xiàn)原因[23]。

圖書館建筑與教學(xué)、科研工作關(guān)系密切，是校園內(nèi)使用最頻繁和人聚集數(shù)量最多的建筑之一。近幾年，開始有學(xué)者對其他類型校園建筑進(jìn)行研究。各大高校的圖書館雖然都安裝了不同形式的空調(diào)系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)，但不合理的使用和運行管理導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境并不理想。因此，改善圖書館熱環(huán)境不僅能解決舒適問題，還能保護(hù)館內(nèi)重要書籍和文獻(xiàn)，保證館內(nèi)師生們正常地工作、學(xué)習(xí)。劉開瓊認(rèn)為考慮到圖書館白天使用為主，應(yīng)該選擇具有良好熱工指標(biāo)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并采取合理的通風(fēng)方式，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度的時間和使用時間錯開[8]。

目前，我國對于校園內(nèi)的大空間建筑研究還不夠，但越來越高的環(huán)境舒適度要求已經(jīng)是社會發(fā)展的必然趨勢[11]。何梅測試了西安10 所高校食堂內(nèi)的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境指標(biāo)，同時收集學(xué)生們對食堂環(huán)境的反饋。主觀調(diào)查顯示師生對室內(nèi)濕度狀況還是較為滿意的，但對溫度和空氣質(zhì)量并不滿意，其中溫度是不滿意反饋最多的因素[24]。調(diào)查顯示所有測試對象的濕度和二氧化碳指標(biāo)是達(dá)標(biāo)的，但溫度指標(biāo)都是超標(biāo)的，這與師生們反饋一致。張玲玲針對北京地區(qū)高校食堂熱環(huán)境存在的問題，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果做出評價分析，得到有益于建筑物理環(huán)境舒適性的設(shè)計策略[25]。李建穎對西安市12 所不同建造年代、不同使用功能的高校中、小型體育館的使用特點進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)夏季體育館內(nèi)溫度過高，不同著裝、不同運動水平的使用者對環(huán)境的舒適感覺要求不同。需要通過加強(qiáng)通風(fēng)等方式提高人員的熱舒適[26]。

3 現(xiàn)有研究存在問題分析

人們對低能耗甚至零耗校園的關(guān)注推動了全世界范圍內(nèi)教育建筑研究的增多。近年來，研究焦點由建筑能耗逐漸轉(zhuǎn)向熱環(huán)境舒適度。由前文可知，現(xiàn)場測量是在我國現(xiàn)有研究中最為普遍的研究方式，目的是監(jiān)測某個測點在特定時間段溫度、濕度、空氣流速等變量的變化。近來，國際學(xué)者開始使用建筑內(nèi)長期熱環(huán)境的指標(biāo)，即以一長段時間為單位并考慮了所有的建筑區(qū)域。學(xué)者M(jìn)onTazami 和Nicol 比較室內(nèi)溫度和熱感覺發(fā)現(xiàn)慣用標(biāo)準(zhǔn)中的熱舒適區(qū)域更寬，容易出現(xiàn)環(huán)境過熱的情況[27]。在具體測量中，測點大多布置在室內(nèi)的中間，將被測對象如教室視為整體熱區(qū)域，沒有充分考慮其建筑和結(jié)構(gòu)特性[28]，事實上，太陽輻射下，由窗墻壁和氣流引起的各種熱輻射場可能會造成室內(nèi)熱區(qū)域布局不均勻。因此，現(xiàn)場熱環(huán)境評估與受試者在房間中的位置有很重要的關(guān)系。

隨著人們生活條件的改善，空調(diào)、暖氣等機(jī)械通風(fēng)手段變得非常普遍，與不同的加熱、冷卻和通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)的熱舒適性成了學(xué)者們關(guān)注的問題。國外一些研究率先評估了采用不同的加熱系統(tǒng)[29]和通風(fēng)系統(tǒng)[30-32]對學(xué)生的熱舒適度的差異。還有一些研究比較了自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)教室的熱環(huán)境[33-34]。同時，BIM 領(lǐng)域的發(fā)展帶動了大量研究使用軟件進(jìn)行模擬，這使得預(yù)測具有不同結(jié)構(gòu)特性的教育建筑的熱環(huán)境成為可能。但是單純的模擬研究缺乏來自學(xué)生的真實的熱感受反饋。如果沒有實際熱投票值作為支撐，結(jié)果將會和實際調(diào)查有較大出入[35-36]。在用軟件模擬過程中，隨著參數(shù)的改變，適用的熱舒適模型和標(biāo)準(zhǔn)不同，可應(yīng)用于建筑設(shè)計的舒適溫度相會隨之變化，最終不能得出確定的結(jié)論。因此。學(xué)者接下來應(yīng)該著力于制定針對微氣候和不同建筑、結(jié)構(gòu)特性的的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)。

4 總結(jié)

由于我國相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展時間不長，國內(nèi)現(xiàn)有研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能覆蓋現(xiàn)實的多種可能性。目前，國內(nèi)研究僅限于測出熱環(huán)境適宜與否，并不仔細(xì)探究背后的原因，研究結(jié)論大都止步于熱舒適指標(biāo)的確立，而對于后續(xù)建筑設(shè)計中可操作性的驗證和實踐缺乏必要的論述。未來研究的建議總結(jié)如下：

1）由于中國地域跨度大，同一氣候區(qū)觀察到熱中性的差異也很大。未來我國相關(guān)學(xué)者應(yīng)該收集和分析不同氣候帶中現(xiàn)場研究的新數(shù)據(jù)庫，強(qiáng)化對微觀熱舒適性的研究。

2）重視基于測試者生理、心理反饋及調(diào)節(jié)行為如服裝熱阻及人體新陳代謝率，發(fā)展適應(yīng)不同氣候、不同對象的熱舒適定量評價指標(biāo)。

3）未來可進(jìn)一步探索熱環(huán)境對學(xué)生學(xué)習(xí)表現(xiàn)和能耗影響。

4）發(fā)展長期指標(biāo)，在建筑使用期間內(nèi)從空間上評估熱舒適度，如進(jìn)一步對夏熱冬暖、溫和地區(qū)這兩個氣候區(qū)進(jìn)行研究。

5）熱舒適度調(diào)查通常在特定季節(jié)進(jìn)行，且受訪者數(shù)量有限。未來研究應(yīng)該在延長現(xiàn)場調(diào)查時間，增加受訪者人數(shù)，以獲得更為廣義和普遍舒適溫度范圍。

6）室內(nèi)和室外氣候相互影響，且都會影響人類的適應(yīng)能力。應(yīng)該從兩方面進(jìn)行熱舒適性評估以獲得更可靠的結(jié)果。

7）充分考慮建筑和熱學(xué)特性，比較不同參數(shù)下的熱環(huán)境情況，并且建立這些特征和學(xué)生熱感知之間的關(guān)系。