既有歷史建筑綠色改造后室內(nèi)人體熱舒性研究

于 水,張 昊,彭曉烈,呂海平

(沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院,遼寧 沈陽 110168)

建筑熱舒適性是指人對建筑室內(nèi)熱環(huán)境所做的主觀滿意度評價[1]。因此,建筑室內(nèi)熱舒適性是人們評判建筑環(huán)境的必要條件之一[2],除了工業(yè)建筑對室內(nèi)熱舒適性的要求相對較差一些之外,民用居住建筑和公共辦公建筑均對室內(nèi)熱舒適性有著較高的要求[3]。每天80%以上時間要在室內(nèi)度過的人員，對室內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高[4]。一個良好的室內(nèi)熱舒適性能夠讓室內(nèi)人員精神愉悅,有助于提高工作效率[5],因此對改造后的歷史建筑室內(nèi)熱舒適性的研究是十分必要的。張濤等[6-7]給出了人與環(huán)境的熱交換方式、人與環(huán)境的熱平衡、熱舒適環(huán)境的定義，通過過熱或過冷環(huán)境對人體的影響以及服裝的熱工特性等方面的研究，得出影響建筑室內(nèi)熱舒適性的主要因素。由于對于既有歷史建筑經(jīng)過綠色改造后的室內(nèi)人體熱舒適性的相關研究較少[8],筆者選取沈陽市第124中學5個典型的房間進行實地檢測,分析既有歷史建筑綠色改造后的室內(nèi)人體熱舒適性變化規(guī)律[9],為既有歷史建筑圍護結(jié)構(gòu)的改造和冬季供暖標準提供技術支持。

1 研究對象和測試方法

1.1 既有歷史建筑改造前后狀況

以原葵尋常小學舊址沈陽市124中學為研究對象,該建筑是沈陽市不可移動歷史建筑[10],沈陽市第124中學現(xiàn)狀模型如圖1所示。建筑類型為公共建筑,建筑功能為學校,占地面積為3 826.9 m2,建筑面積為6 831.7 m2,建筑高度為12.03 m。

圖1 沈陽市第124中學現(xiàn)狀模型圖Fig.1 The model diagram of Shenyang No.124 Middle School

沈陽市第124中學舊址建筑的砌體外墻和內(nèi)墻、屋架、屋頂、門窗、臺階、樓梯和設備設施等構(gòu)件的破損狀況、病害情況,建筑受損狀況如圖2所示。①受潮。各部位外墻墻體均存在較為嚴重的受潮病害。一是雨水無組織排放導致的“尿墻”受潮,局部墻面發(fā)霉、灰縫脫落;二是墻體防潮措施失效后因墻根部位積水、積雪導致的下部受潮。一層內(nèi)墻因防潮措施失效導致普遍受潮嚴重,墻面抹灰粉化、脫落。②開裂。墻體的非受力裂縫主要集中在混凝土預制檐口及墻體頂部,多為溫度差和沉降造成的斜裂縫。③腐蝕。建筑大面積外墻墻面產(chǎn)生粉化、起皮、酥松和剝落,同時伴有大面積的灰縫砂漿老化脫落,砌塊磚松動、移位和局部彈出狀況。因墻體受潮、凍融循環(huán)加劇墻面的腐蝕病害,多處墻面發(fā)霉。④破損。主要因人為原因造成墻面空洞和破損,因腐蝕造成破損部位周邊連帶病害。其次為部分抹灰部位開裂、剝落,導致紅磚外露。

圖2 改造前狀況Fig.2 The situation before renovation

由于沈陽市第124中學是沈陽市不可移動歷史建筑,在對其進行節(jié)能改造時不能對建筑外觀進行較大的改變,因此只能通過采用內(nèi)保溫等形式對教學樓主體和學校禮堂的圍護結(jié)構(gòu)進行修繕改造,甚至是結(jié)構(gòu)加固。外窗方面,通過拆除并按照原始外窗各樘的分格、顏色更換為單框中空雙玻斷橋鋁保溫窗,為了提高窗戶的氣密性,采用聚氨酯發(fā)泡劑填充并用密封膏嵌縫做好保溫構(gòu)造處理,避免產(chǎn)生熱橋,防止窗框周圍產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象,造成建筑的能耗損失。屋面方面,由于沈陽市第124中學建筑的屋面形式為坡屋面,所以在對屋面節(jié)能改造時采用架空屋面隔熱的方式。原有建筑屋面上設計有很多氣孔,保留建筑坡屋頂上的進氣口和出氣口,對這些氣孔進行修復,使其恢復原有功能。利用屋頂內(nèi)外的熱壓差和迎風面的風壓差,在屋架內(nèi)形成空氣對流,造成屋架內(nèi)的自然通風,以減少有屋頂傳入室內(nèi)的輻射熱量,從而達到隔熱降溫的目的,在屋面下設置一層木制屋架,在屋架上鋪設巖棉板進一步改善屋面的保溫隔熱性能。沈陽市第124中學改造后現(xiàn)狀如圖3所示。

圖3 改造后現(xiàn)狀Fig.3 Current status after transformation

1.2 測量方法

室內(nèi)人體熱舒適性的評價是建筑改造效果必不可少的一部分,因此需要對室內(nèi)人體熱舒適性檢測,評價沈陽市第124中學的改造效果。

為了精準和科學地評價沈陽市第124中學的改造后室內(nèi)人體熱舒適性的效果,選取不同樓層、不同朝向、不同使用功能的5個典型房間進行測試,分別是123辦公室、禮堂、206教室、208辦公室和225電教室,具體位置如圖4所示。測試時間為2020-01-13至2020-01-15,在測試時室內(nèi)人員均保證在靜止的狀態(tài),根據(jù)實際情況設置室內(nèi)人體衣服熱阻為0.230(m2·K)/W,檢測時長為20 min,檢測頻率為30次/min[11]。

圖4 監(jiān)測房間位置分布Fig.4 Testing room location distribution map

筆者測試采用testo480檢測儀器和相對應的探頭檢測典型房間內(nèi)預計平均熱感覺指數(shù)(PMV)和預計不滿意率(PPD)兩項指標[12]。檢測設備主要包括:testo480檢測主機、球形探頭直徑150 mm-K型熱電偶、舒適度探頭、IAQ室內(nèi)空氣質(zhì)量探頭等。

1.3 測試內(nèi)容

測試的主要內(nèi)容是影響建筑室內(nèi)熱舒適性因素:空氣溫度、平均輻射溫度、氣流速度、空氣濕度、新陳代謝率和人員著裝情況。其中空氣溫度、平均輻射溫度、氣流速度、空氣濕度屬于建筑室內(nèi)物理客觀因素[13],主要與建筑圍護結(jié)構(gòu)的狀況、冬季供暖效果、通風時間和頻率相關[14]。新陳代謝率和著裝情況屬于室內(nèi)人體主觀影響因素[15],最終熱舒適性的評測結(jié)果受這6因素的綜合影響決定。PMV與熱感覺的關系如表1所示。

表1 PMV值與熱感覺的關系Table 1 Relationship between PMV value and thermal sensation

將檢測的各項數(shù)據(jù)通過迭代計算出平均熱感覺指數(shù)PMV。

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.027 5]×

{M-W-3.05×10-3[5 733-6.99(M-W-Pa)]-

0.42(M-W-58.2)-0.001 73M(5 867-Pa)-

0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-

(1)

tcl=35.7-0.028(M-W)-

fclhc(tcl-ta)}.

(2)

(3)

(4)

當PMV值確定后,計算出預測不滿意率PPD。

PPD=100-95exp[-(0.033 53PMV4+

0.217 9PMV2)].

(5)

2 結(jié)果與分析

通過采用testo480在沈陽市第124中學選取的5個典型房間進行實地測試。測試系統(tǒng)計算得出5個檢測房間的PMV與PPD檢測結(jié)果(見圖5)。測量5個房間基本信息如表2所示。各房間內(nèi)的學生和老師均靜坐狀態(tài),衣著服裝為冬季一般服裝,衣服熱阻為0.230(m2·K)/W,通過各個房間的測量基本信息數(shù)據(jù),運用PMV和PPD的迭代計算式(1)～式(5)得出各個房間的PMV和PPD的具體結(jié)果如表3所示。

圖5 典型房間檢測PMV-PPD結(jié)果Fig.5 PMV-PPD of typical room

表2 5個典型房間的測量基本信息Table 2 Physical parameters in 5 typical rooms

表3 不同教室PMV-PPD Table 3 PMV-PPD of different classrooms

根據(jù)《熱環(huán)境的人類工效學 通過計算PMV和PPD指數(shù)與局部熱舒適準則對熱舒適進行分析測定與解釋》(GBT_18049—2017)中規(guī)定:學校等公共機構(gòu)的PMV值處于-1和+1為正常范圍,根據(jù)檢測結(jié)果,第124中學5個檢測房間的室內(nèi)人員熱感覺處于人體熱舒適度正常范圍,符合國家標準的要求。保障了室內(nèi)師生的正常要求和舒適度。

3 結(jié) 論

(1)禮堂的PMV值為-0.23,相對其他房間的PMV值最小,但仍處在國家標準規(guī)定的-1至+1正常范圍內(nèi),人體熱感覺適中,基本上滿足禮堂內(nèi)人員對熱舒適性的要求。

(2)206教室的PMV值為0.43,相對其他房間的PMV值最大,室內(nèi)人體預計不滿意率最高,原因是室內(nèi)溫度較高,應當適當開啟門窗,在保證室內(nèi)溫度在正常范圍內(nèi)的前提下,增加室內(nèi)通風。

(3)通過對5個典型房間的檢測結(jié)果,進一步驗證了沈陽市第124中學建筑配套的圍護結(jié)構(gòu)改造方案的正確性和科學性,實現(xiàn)對歷史建筑的綠色改造,保障了室內(nèi)師生的熱舒適性要求,使歷史建筑重新煥發(fā)生機,滿足了綠色建筑的要求。