基于MATLAB高校教室溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)的教室舒適性研究

周鵬坤　高歡

摘 要：大空間內(nèi)溫度場(chǎng)的建立有助于研究者掌握對(duì)室內(nèi)溫度分布狀況，從而科學(xué)有效地評(píng)價(jià)環(huán)境舒適性。本文應(yīng)用MATLAB軟件中定義的Spline（三次樣條插值法）和interp2（二維插值法）函數(shù)，并結(jié)合數(shù)量有限的溫度傳感器，對(duì)長(zhǎng)安大學(xué)明遠(yuǎn)教室的溫度場(chǎng)進(jìn)行較為細(xì)致的預(yù)測(cè)，最終對(duì)室內(nèi)舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并給出改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：MATLAB;教室;溫度場(chǎng)模擬

中圖分類號(hào)：TU17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）13-0110-03

Research on Classroom Comfort Based on the Prediction

of Classroom Temperature Field in MATLAB

——Taking Mingyuan Classroom of Chang'an University as an Example

ZHOU Pengkun GAO Huan

（School of Construction Engineering， Chang'an University，Xi'an Shaanxi 710021）

Abstract： The establishment of temperature field in large space is helpful for researchers to grasp the indoor temperature distribution， so as to evaluate the environmental comfort scientifically and effectively. In this paper， the spline （Cubic Spline Interpolation） and interp2 （two-dimensional interpolation method） functions defined in MATLAB software were used to predict the temperature field of Mingyuan classroom of Chang'an University， and finally evaluated the indoor comfort， and provide the improvement scheme.

Keywords： MATLAB;classroom;temperature field simulation

近年來，我國(guó)教育事業(yè)蓬勃發(fā)展，高校擴(kuò)招使得在校學(xué)生人數(shù)急劇增加，學(xué)校原有的學(xué)習(xí)生活硬件無法滿足新形勢(shì)下的需要，各高校需要重新進(jìn)行學(xué)生學(xué)習(xí)生活場(chǎng)所的基礎(chǔ)建設(shè)。教室是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要場(chǎng)所，其熱環(huán)境狀況直接影響學(xué)生的身心健康和學(xué)習(xí)效率。在教室舒適性研究中，溫濕度是主要影響因素，因此，加強(qiáng)室內(nèi)溫度場(chǎng)的測(cè)定就顯得尤為重要。

在對(duì)一間典型的能夠容納200人的階梯大教室進(jìn)行溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)的疏密程度對(duì)測(cè)量結(jié)果具有重要影響。但是，在有限的經(jīng)費(fèi)支持下，若布置較密的測(cè)點(diǎn)，勢(shì)必會(huì)使布置于每個(gè)測(cè)點(diǎn)的儀器的精度降低。本文旨在運(yùn)用MATLAB軟件中定義的三次樣條插值法（Cubic Spline Interpolation，簡(jiǎn)稱Spline插值）和二維插值法（interp2）函數(shù)在有限測(cè)點(diǎn)數(shù)目的基礎(chǔ)上對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行較為細(xì)致的預(yù)測(cè)[1]，從而彌補(bǔ)上述缺陷。

1 教室舒適度主觀問卷調(diào)查分析

為了創(chuàng)造更好的教室環(huán)境，使學(xué)生擁有更加舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，特對(duì)階梯教室中的學(xué)生進(jìn)行了抽樣調(diào)查。此次調(diào)查共分發(fā)問卷100份，回收問卷100份，有效問卷100份，有效率為100%。經(jīng)調(diào)查，學(xué)生對(duì)教室總體感覺評(píng)價(jià)如圖1所示。

如圖1所示，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為自己所處的教室環(huán)境偏熱，并有局部出汗現(xiàn)象，但可以忍受。學(xué)生出現(xiàn)這種感受主要是因?yàn)槭覂?nèi)人數(shù)眾多且人員密集，學(xué)生自身會(huì)產(chǎn)生大量的輻射熱，加上采暖器散熱，從而導(dǎo)致教室過熱。對(duì)于冬季穿著較厚衣物的學(xué)生而言，舒適性并不理想，從而會(huì)影響學(xué)習(xí)效率。

學(xué)生對(duì)教室濕度的評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，學(xué)生普遍感覺到室內(nèi)比較干燥。而干燥會(huì)引起皮膚或呼吸道等方面的不適感;天氣寒冷，窗戶緊閉，致使室內(nèi)二氧化碳含量較高，兩者綜合作用使得學(xué)生容易發(fā)困和疲憊。故而，該教室的熱舒適性欠佳，具體結(jié)果如圖3所示。

在調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)幾乎所有教室的門都處于關(guān)閉狀態(tài)，室內(nèi)外空氣并不流通。人體的吹風(fēng)感不強(qiáng)，并且會(huì)感到些許悶熱，導(dǎo)致大部分被訪者都感到空氣潔凈度不佳;體味和二氧化碳等的混合物，造成室內(nèi)些許難聞的氣味。對(duì)教室內(nèi)是否有異味情況的調(diào)查結(jié)果如圖4所示。

2 教室溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置與數(shù)據(jù)采集

由于學(xué)生在教室內(nèi)大部分時(shí)間處于坐姿狀態(tài)，故取距地面1.2 m處，即頸部所在平面均勻設(shè)置測(cè)點(diǎn)。采用插值法和擬合函數(shù)法預(yù)測(cè)影響人體舒適感溫度層的溫度分布，在構(gòu)建的三維模型中，用第三維表示測(cè)點(diǎn)的傳感器溫度。

本實(shí)驗(yàn)共有6個(gè)溫度傳感器，設(shè)置36個(gè)測(cè)點(diǎn)[2]。6名數(shù)據(jù)記錄人員從教室第一排到最后一排依次測(cè)量，每個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量所用時(shí)間為45 s，即5 min內(nèi)便可完成36個(gè)數(shù)據(jù)的采集。因?yàn)樵谳^短時(shí)間內(nèi)環(huán)境溫度變化可忽略不計(jì)，所以本組數(shù)據(jù)可以視為教室瞬時(shí)的溫濕度。

數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖5所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

傳感器位置分布矩陣如下：

[X] =[6.775，5.275，4.375，3.475，2.575，1.075] （1）

[Y]=[2，3.8，5.6，7.4，9.2，11]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中，[X]、[Y]分別為傳感器層面的橫縱坐標(biāo)，m。

該矩陣是按照傳感器擺放位置生成的，在下文進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，還需要根據(jù)人體的最小溫度分辨值，按照相應(yīng)比例進(jìn)行細(xì)化、均分，最大程度上使處理后的數(shù)據(jù)分布也按最小分辨值連續(xù)變化。

根據(jù)人體散熱量計(jì)算公式[見式（3）]，結(jié)合Gagge教授提出的TSENS熱感覺指標(biāo)[3]可以計(jì)算出不同情況下在環(huán)境溫度變化時(shí)人體的溫度感知分辨率。該分辨率作為插值法的一個(gè)參考量，能使繪制出的溫度場(chǎng)更加符合人體的溫度變化模式。在冬季，大教室內(nèi)人對(duì)溫度的分辨率為0.005 m左右，現(xiàn)取0.005 m作為分辨率，那么就可以獲得[（6.775-1.075）/0.005]×[（11-2）/0.005]=2 052 000個(gè)元素。

式中，[hc]為對(duì)流交換系數(shù)。

采用生成網(wǎng)格采樣點(diǎn)的函數(shù)meshgrid（xi，yi，zi，...）產(chǎn)生網(wǎng)格矩陣：

試驗(yàn)中測(cè)得的溫度值為：

式中，[Z]為傳感器采集到的溫度參數(shù)，℃。

產(chǎn)生網(wǎng)格矩陣之后，就可以在測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用MATLAB中定義的Spline和interp2兩個(gè)函數(shù)來預(yù)測(cè)人體最小溫度分辨率上溫度場(chǎng)的分布。因?yàn)閷?shí)際溫度變化必然是連續(xù)的，故得到的溫度場(chǎng)中通過任意點(diǎn)的截面截出的曲線必然是連續(xù)可導(dǎo)的，從而必須使用Spline函數(shù)來得到光滑的插值分布曲線，然后用interp2函數(shù)中第三維的高度值的變化和連續(xù)變化的顏色來顯示溫度的連續(xù)變化。

由此得出網(wǎng)格矩陣的元素值之后，采用MATLAB自定義的三維曲面繪制函數(shù)[見式（7）]，繪制出溫度場(chǎng)：

經(jīng)過一定的圖像處理之后可得到溫度場(chǎng)的分布如圖6所示。

圖7為溫度場(chǎng)分布曲面在傳感器分布面上的投影的等溫線圖。該圖可以比較直觀地反映室內(nèi)的溫度變化情況。

2.3 舒適性分析

從圖6和圖7可以明顯看出，冬季供暖時(shí)教室溫度最高值已超過26 ℃，最低值也在23 ℃左右，教室整體溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于供暖季節(jié)教室設(shè)計(jì)溫度18 ℃[4]，加之教室中人員輻射的影響，大多數(shù)學(xué)生會(huì)感到熱且不舒適。從實(shí)測(cè)的教室濕度值可以看出，冬季教室濕度適中，對(duì)舒適性無影響，影響舒適性最主要的因素是過熱，其次是教室內(nèi)的空氣品質(zhì)。

3 教室舒適度提升措施

采取以太陽能供能的新風(fēng)換氣系統(tǒng)：將太陽能發(fā)電板安裝于教學(xué)樓頂層或教學(xué)樓側(cè)壁用于發(fā)電;將新風(fēng)換氣系統(tǒng)主機(jī)懸掛于教學(xué)樓樓道交匯處的樓板上，新風(fēng)換氣系統(tǒng)主干線沿樓道鋪設(shè)，末端置于教室，采取上送上回的換氣方式。采取此種綠色環(huán)保的新風(fēng)換氣系統(tǒng)，不僅可以提高室內(nèi)的空氣品質(zhì)，而且可以依靠空氣流通來增加教室的熱舒適度，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

對(duì)教室的可開啟式窗戶安裝自動(dòng)開啟裝置。此開啟裝置不僅可以控制窗戶的開關(guān)，還可以控制窗戶開啟的程度。結(jié)合學(xué)校教務(wù)處所安排的課表，當(dāng)教室不上課且室外空氣品質(zhì)較好或更佳時(shí)自動(dòng)開啟窗戶，進(jìn)行通風(fēng)換氣;當(dāng)教室正在用于上課時(shí)，根據(jù)教室的溫度、濕度、二氧化碳等室內(nèi)舒適參數(shù)，自動(dòng)控制窗戶的開啟程度。需要注意的是，上課時(shí)窗戶可開啟程度設(shè)置有上限，避免風(fēng)速過大引起的不舒適。

參考文獻(xiàn)：

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[4]朱穎心，張寅平，李先庭，等.建筑環(huán)境學(xué)[M].4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

收稿日期：2020-04-07

作者簡(jiǎn)介：周鵬坤（2000—），男，本科在讀，研究方向：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程;高歡（1999—），男，本科在讀，研究方向：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程。