衡陽地區(qū)高校學生宿舍夏季室內熱環(huán)境的研究

趙軍輝 劉迎云 曹鼎

南華大學土木工程學院

0 引言

國內對建筑室內熱舒適和熱濕環(huán)境的研究主要集中在民用建筑和公共建筑方面，對高校宿舍熱環(huán)境的研究較少[1]。而高校學生宿舍室內建筑使用面積小，人員密度大，單位面積散熱量大，使用周期長且與學生的生活密切相關[2]。這些特點都使得高校學生宿舍室內熱環(huán)境不同與住宅等建筑，因此有必要對高校學生宿舍室內的熱濕環(huán)境和熱舒適單獨進行研究。

王劍[3]對哈爾濱某高校學生宿舍在過渡季自然通風下室內的熱舒適進行研究，得到過渡季宿舍室內的舒適溫度范圍及熱舒適適應性模型。程衛(wèi)紅[4]對哈爾濱地區(qū)高校學生宿舍在夏季自然通風下宿舍室內的熱舒適性進行研究，得到夏季學生宿舍室內的熱中性溫度為23.2 ℃，熱期望溫度為25.2 ℃。曹桂芳[5]對湘潭地區(qū)高校學生宿舍夏季自然通風下室內的熱環(huán)境及熱舒適進行研究，得到夏季學生宿舍室內的熱中性溫度為20.17 ℃和熱期望溫度值為19.75 ℃。

宿舍是在校大學生學習和生活的主要場所，通過對高校學生作息模式的統(tǒng)計分析，發(fā)現學生在室內度過的時間約占總時間的80%，其中有50%的時間是在宿舍室內度過[6]。且學生宿舍室內環(huán)境的好壞將直接影響學生的學習效率和身心健康[7]。因此，本研究對衡陽地區(qū)高校夏季自然通風下宿舍室內的熱濕環(huán)境及熱舒適進行調查研究，得出夏季宿舍室內可接受的溫度范圍及熱中性溫度，為衡陽地區(qū)高校學生宿舍室內熱環(huán)境的改善和設計提供參考。

1 研究方法

本次研究采用了問卷調查和現場測試相結合的方法，從主觀和客觀兩個方面對目前衡陽地區(qū)高校學生宿舍室內的熱環(huán)境和熱舒適性現狀進行了解。對于研究衡陽地區(qū)夏季高校學生宿舍室內熱環(huán)境提供依據，以及為改善學生宿舍室內熱舒適提供有效措施。

1.1 現場實測

1.1.1 測試對象

選取南華大學博學園一棟的學生宿舍樓進行測試，宿舍樓朝向為南北朝向，宿舍類型為長內廊式。該宿舍樓一共九層，每層層高3 m，每間宿舍學生人員數量為四人，宿舍建筑面積約為23 m（27 m×3.3 m），設置有陽臺和獨立衛(wèi)生間，陽臺上有兩扇可開啟的推拉窗（0.6 m×1.1 m）供使用者控制。本次測試對象為三間不同樓層的學生宿舍，分別位于該宿舍樓的底層、中間層和頂層南向的中間位置。夏季測試期間，陽臺上的外窗全天打開，走廊側入戶門關閉但門上的開啟扇處于打開狀態(tài)。測試過程中受試者大多處于靜坐狀態(tài)且根據JGJ 347-2014《建筑熱環(huán)境測試方法標準》對于室內測點布置的要求，自然通風狀態(tài)下宿舍室內測點布置在室內人員活動區(qū)域的中心處且距離地面1.1 m，即學生處于靜坐學習時頭部的高度。

1.1.2 測試方案與儀器設備

本文采用現場測試與問卷調查相結合的方法，宿舍室內環(huán)境參數的現場測試與問卷調查同時進行。調研時間為2020 年6 月12 日～15 日，現場測試參數主要包括，宿舍室內熱環(huán)境參數：空氣溫度、相對濕度、空氣流速、黑球溫度。室外環(huán)境參數：空氣溫度、相對濕度。室內溫度，相對濕度及黑球溫度等參數由測試儀器每隔0.5 h 自動記錄一次數據，一天24 小時連續(xù)測試，室內空氣流速利用熱敏風速儀手動測量并記錄數據，室外環(huán)境參數通過當地氣象局獲得。測試所用儀器主要有WSZY-1A 溫濕度自記儀、Testo425 熱敏風速儀、HQZY-1 黑球溫度自記儀，且各測試儀器的量程及測量精度均滿足ISO 7726 標準。測量儀器的具體參數如表1 所示。

表1 實驗儀器參數

1.2 問卷調查

問卷調查了南華大學學生宿舍的常駐學生，對夏季學生宿舍室內熱舒適狀況進行初步研究。本次共發(fā)放200 份問卷，收到有效問卷192 份，回收率達96%。問卷調查對象為在校本科生和研究生，年齡范圍在20歲～28 歲之間，均在衡陽地區(qū)居住滿1 年及以上，有相關研究表示人體適應新的環(huán)境需要一年時間[8]，因此本次受試者對衡陽地區(qū)的氣候條件已經基本適應。問卷調查的主要內容包括：被調查對象的背景資料；被調查者的熱感覺、濕感覺及吹風感；宿舍室內熱舒適滿意程度；著裝情況。

2 測試結果與分析

2.1 現場測試結果及分析

2.1.1 室外溫濕度分析

宿舍室外空氣溫濕度的測試結果如圖1 所示。從圖1 中可以看出，測試期間室外空氣溫度的波動幅度較大，日溫差為6.8 ℃，空氣溫度變化范圍為28.8～35.6 ℃，室外空氣溫度的最大值出現在下午四點左右，平均溫度為32.1 ℃。室外空氣相對濕度的日變化趨勢與室外空氣溫度的變化相反，室外空氣相對濕度的變化范圍為50%～83%，相對濕度的最大值出現在夜間，平均相對濕度為65.7%。從以上測試數據可以得出，夏季衡陽地區(qū)的室外氣溫偏高且潮濕。

圖1 室外空氣溫濕度分布

2.1.2 室內外空氣溫度分析

宿舍室內外空氣溫度的測試結果如圖2 所示。由圖2 可知，宿舍室內溫度的日變化趨勢與室外溫度的變化趨勢相近，但室內空氣溫度的波動幅度相對較小，主要是由于建筑圍護結構對室內溫度的分布具有一定的影響。頂層學生宿舍室內空氣溫度的變化范圍為31.5～34 ℃，平均溫度為32.8 ℃，日溫差為2.5 ℃。中間層學生宿舍室內空氣溫度的變化范圍為30.7～32.9 ℃，平均溫度為31.8 ℃，日溫差為2.1 ℃。底層宿舍室內空氣溫度變化范圍為29.3～30.4 ℃，平均溫度為29.8 ℃，日溫差為1.1 ℃。通過測試結果可知，頂層宿舍室內平均溫度最高，中間層次之，底層宿舍室內平均溫度最低，但均高于ASHRAE 標準規(guī)定的夏季室內熱環(huán)境舒適溫度范圍23～26 ℃。頂層宿舍日溫差最大為2.5 ℃，底層宿舍日溫差最小為1.1 ℃，說明底層宿舍室內環(huán)境的熱穩(wěn)定性相比于頂層宿舍較好。主要原因為頂層宿舍的散熱面積較大，受太陽輻射的影響較大，導致宿舍室內溫度較高且波動較大，底層宿舍受太陽輻射的影響相對較小，因而底層宿舍室內溫度較低且波動較小。

圖2 室內外空氣溫度分布

2.1.3 室內外相對濕度分析

宿舍室內外空氣相對濕度的測試結果如圖3 所示。由圖3 可知，宿舍室內相對濕度的變化趨勢與室外相對濕度的變化趨勢相符，但室內相對濕度的波動幅度較小。頂層宿舍室內相對濕度的變化范圍為57%～66.5%，平均相對濕度為62%。中間層宿舍室內相對濕度的變化范圍為60.8%～75.7%，平均相對濕度為68.3%。底層宿舍室內相對濕度變化范圍為76.6%～86.1%，平均相對濕度為81.7%。通過測試數據可以看出，不同樓層宿舍室內相對濕度的變化與室內溫度的變化相反，頂層宿舍室內相對濕度最低，中間層次之，底層宿舍室內相對濕度最高。頂層和中間層宿舍室內平均相對濕度滿足ASHRAE 標準要求，夏季室內環(huán)境的熱舒適相對濕度為40%～70%，但底層宿舍室內相對濕度明顯超出ASHRAE 標準規(guī)定的范圍。在高溫的環(huán)境中，當空氣相對濕度高于70%時，人體會感覺到不舒適并且隨著相對濕度的增加人體的這種不適感也會增加[9]。而且空氣中的相對濕度較高也會導致建筑室內潮濕，有利于霉菌和細菌的滋生。一般而言，相對濕度在75%～95%范圍內最適合霉菌的生長，并且霉菌的生長速度與空氣相對濕度成一次曲線關系[10]。因此，針對底層宿舍室內相對濕度較高的問題，需要采取相應的改善措施。

圖3 室內外空氣相對濕度分布

2.1.4 室內空氣速度分析

衡陽屬于亞熱帶季風氣候，夏季主導風向為南風和東南風，室外平均風速為2.1 m/s。在測試期間，宿舍陽臺外窗全天打開，走廊側的入戶門關閉，門上的開啟扇打開。選取宿舍室內人員活動區(qū)域的中心處進行室內空氣流速的測量，測量結果顯示，宿舍室內空氣速度的變化范圍為0.05～0.26 m/s，平均風速為0.13 m/s。自然通風下宿舍室內人員活動區(qū)域空氣流速的頻率分布如圖4 所示。

圖4 室內氣流速度分布

結合現有的研究成果及熱舒適要求對自然通風狀態(tài)下室內人員活動區(qū)域的風速進行分區(qū)，定義低風速區(qū)風速為0～0.1 m/s，舒適區(qū)風速為0.2～0.5 m/s，高風速區(qū)風速為0.5～1.0 m/s[11]。從測試結果可以看出，94%的室內風速處于低風速區(qū)，僅有6%的室內風速處于舒適區(qū)。說明夏季自然通風下宿舍室內風速較小，室內人員基本沒有吹風感。主要原因是學生宿舍屬于長內廊式結構以及室內布局較為緊湊，在門窗完全打開時室內可以形成自然通風，但室內氣流組織分布不佳，并受到宿舍結構形式的影響宿舍室內很難形成穿堂風。其次，宿舍外窗有效開啟面積較小，宿舍室內進風量小，而且宿舍入戶門經常處于關閉狀態(tài)，宿舍出風口面積較小，等都會對室內自然通風效果產生不利的影響。因此，對于長內廊式學生宿舍夏季自然通風時室內風速往往較小，導致室內通風散熱效果不佳，人員經常會感覺到悶熱。

2.2 問卷調查結果分析

2.2.1 調查對象的基本概況

選取了學生宿舍內常駐的本科生和研究生進行問卷，被調查對象具有較高的文化水平，能夠獨立并且理性的完成問卷調查。本次調研共收到192 份有效問卷，在被調查人員中男性111 人占58%，女性81 人占42%。其中南方人員90 人約占47%，北方人員102人約占53%，調查對象家鄉(xiāng)分屬于全國各個省份，因此可以忽略性別和地域差異對本次問卷調查的影響。被調查對象的宿舍居住人員數量不一，有3、4、6 和8人，主要以4 人為主。宿舍朝向以南北朝向為主，宿舍的位置大多位于宿舍樓中間層的中間位置。

2.2.2 宿舍室內熱舒適調查分析

對192 名受試者在夏季自然通風下對宿舍室內的熱感覺，濕感覺，吹風感及熱舒適的滿意程度進行統(tǒng)計分析，得到夏季自然通風下學生宿舍室內熱環(huán)境的統(tǒng)計結果如圖5 所示。

圖5 夏季自然通風下學生宿舍室內熱環(huán)境統(tǒng)計

從圖5（a）可知，64.58%的受試者的熱感覺集中在有點熱和熱之間，23.96%的受試者感覺到很熱，只有11.46%的受試者感覺到適中，可知學生宿舍室內熱感覺為熱。從圖5（b）可得，76.57%的受試者的室內濕感覺集中在微濕、潮濕和很潮濕之間，只有13.02 的受試者感覺到適中，10.41%的受試者感覺到微干和干燥，說明夏季學生宿舍室內的相對濕度較高，會對學生的健康造成不利的影響。從圖5（c）可以看出，62.5 的受試者感覺宿舍室內有點悶，13.54%的受試者認為宿舍很悶，23.96%的受試者的吹風感為適中和感覺到有適宜的吹風感，可知學生宿舍室內的自然通風效果較差。從圖5（d）可以看出，62.63%的受試者對夏季自然通風下宿舍室內的熱舒適感覺不太滿意和很不滿意，37.37%的受試者認為夏季自然通風下宿舍室內的熱舒適使可以接受的，說明衡陽地區(qū)高校學生宿舍室內熱環(huán)境狀況較差，宿舍室內人員熱舒適性有待提高。

2.2.3 服裝熱阻與新陳代謝率

根據Fanger 教授提出的熱舒適性方程可知，環(huán)境因素和個人因素對人體的熱舒適性具有重要的影響，在個人因素中人員的著裝情況和活動量對于室內人員的熱感覺和熱舒適具有重要的影響。夏季人們可以通過開啟門窗、減少衣物、減少活動等適應性行為來調節(jié)身體產生的過熱反應[12]。通過對問卷調查結果進行統(tǒng)計分析得，調研期間男性受試者的著裝情況為短袖、短褲/薄長褲、內褲、涼鞋。女性受試者的著裝情況為短袖、短褲/半身裙/薄長褲、內衣、涼鞋。參考GB/T50785-2012《民用建筑室內熱濕環(huán)境評價標準》規(guī)定的各類單件服裝的熱阻值，對統(tǒng)計結果取加權平均值，可得男性服裝熱阻值為0.26clo，女性服裝熱組值為0.34clo，平均服裝熱組值為0.3clo?？紤]到室內人員靜坐座椅的附加熱阻0.1clo，取受試者夏季的服裝熱阻值為0.4clo（0.062 m2·K/W）。由于測試期間，受試者在宿舍大多處于靜坐活動狀態(tài)，故認為受試者產生的新陳代謝為1.0me（t58.2 W/m2）。

3 宿舍室內熱舒適分析

3.1 宿舍室內熱舒適性評價指標計算

本文在對PMV-PPD 進行計算時，做出一些適當性假設。測試期間，受試者在宿舍內多處于靜坐活動狀態(tài)，取其新陳代謝率為1.0 met，人體做功為0。受試者著裝情況為短袖、短褲/薄長褲、內衣、涼鞋，取其平均服裝熱阻為0.4clo。宿舍室內空氣流速取室內平均風速0.13 m/s。根據PMV-PPD 計算公式編寫計算程序，通過輸入空氣溫度、相對濕度、平均輻射溫度等變量，計算得出宿舍室內PMV-PPD 指標，如圖6 所示。

從圖6 可以看出，測試期間學生宿舍室內的PMV值處于1～3 之間，說明宿舍室內熱感覺為熱，室內人員熱舒適性差。頂層宿舍室內PMV 平均值為2.3，PPD平均值為85.6%。一天內只有在早上5:00～8:00 時刻宿舍室內PMV 值小于2，其余時刻室內PMV 值均大于2，PPD 值也高達80%以上，說明頂層宿舍室內熱環(huán)境較為惡劣，人員的不滿意率高，室內熱舒適有待改善；中間層宿舍室內PMV 平均值為1.8，PPD 平均值為65.5%，在15:00～21:00 時間段內室內PMV 值超過2，PPD 值也高達70%，說明該段時間內學生在宿舍內的熱感覺是最不舒適的。底層宿舍室內PMV 均值為1.12，PPD 均值為32%。底層宿舍室內PMV 值波動小，宿舍室內熱環(huán)境相對穩(wěn)定，底層宿舍室內熱感覺為暖，室內熱環(huán)境可以接受。從測試結果可以看出，底層宿舍室內熱舒適性最好，學生對室內熱環(huán)境的不滿意率最低，中間層次之，頂層宿舍室內熱舒適性最差，學生對室內熱環(huán)境的不滿意率最高。

圖6 宿舍室內的PMV-PPD 指標

3.2 利用PMV 模型預測室內熱感覺

通過PMV 模型來預測宿舍室內人員的熱中性溫度和可接受的室內操作溫度范圍，利用測試數據，計算出不同時刻宿舍室內的操作溫度和預測平均熱感覺PMV 值。以操作溫度top作為自變量，預測平均熱感覺PMV 值作為因變量，進行加權線性擬合，擬合結果如圖7 所示。

圖7 PMV 與操作溫度top 的關系圖

得到它們的線性擬合方程如下：

根據Fanger 教授提出的PMV-PPD 模型中PMV與PPD 之間的關系，可得當有90%的人對室內熱環(huán)境感覺滿意時，預測平均熱感覺PMV 值為依0.5。當有80%的人對室內熱環(huán)境感覺滿意時，預測平均熱感覺PMV 值為依0.85.然后，將PMV=依0.5 及PMV=依0.85 分別代入到線性擬合方程中，得到90%和80%的人員可接受的室內操作溫度范圍為24.9～27.6 ℃和23.9～28.6 ℃。另將PMV=0 代入到線性回歸方程，可得宿舍室內熱中性溫度為26.3 ℃。

3.3 適應性預測平均熱感覺

適應性平均熱感覺它考慮了人的心理、生理及適應性行為等因素對熱感覺的影響，而PMV 模型并未考慮人體對于熱環(huán)境做出的適應性調節(jié)行為。GB/T50785-2012《民用建筑室內熱濕環(huán)境評價標準》中規(guī)定：在非人工冷熱源熱濕環(huán)境中，應以預計適應性平均熱感覺APMV 作為室內人員熱舒適的評價指標。適應性預測平均熱感覺APMV 應按式（2）計算，

式中：APMV 為預測適應性平均熱感覺，PMV 為預測平均熱感覺，λ 為自適應系數，對于夏熱冬冷地區(qū)夏季PMV≥0 時，λ 取值為0.21。

根據式（2）計算可知，測試期間頂層宿舍室內APMV 值變化范圍為1.3～1.7，平均值為1.52。中間層宿舍室內APMV 值變化范圍為1.1～1.5，平均值為1.28。底層宿舍室內APMV 值變化范圍為0.8～1.3，平均值為0.9。利用APMV 值對測試期間宿舍室內熱濕環(huán)境進行等級評價，如表2 所示。

表2 室內熱濕環(huán)境評價等級

由表2 可知，學生宿舍室內的熱濕環(huán)境處于Ⅲ級標準，宿舍室內熱舒適性差。頂層和中間層宿舍室內熱濕環(huán)境處于Ⅲ級標準的時間為100%，底層宿舍室內熱濕環(huán)境處于Ⅲ級標準的時間為84%，處于Ⅱ級標準的時間為16%。由評價結果分析可得，底層宿舍室內熱濕環(huán)境要比中間層和頂層宿舍的熱濕環(huán)境好。

4 結論

通過對衡陽地區(qū)夏季自然通風條件下典型學生宿舍室內熱濕環(huán)境及熱舒適的研究分析，得到了以下結論：

1）夏季自然通風條件下，宿舍室內溫度均高于ASHRAE 標準規(guī)定的舒適溫度上限值26 ℃，底層宿舍室內相對濕度較高，明顯超出ASHRAE 標準規(guī)定的舒適性濕度范圍，中間層和頂層宿舍室內濕度大多數時間處于標準規(guī)定的舒適性范圍內，而且宿舍室內自然通風效果不佳，94%的室內風速處于低風速區(qū)。結合問卷調查，綜合考慮了受試者對宿舍室內熱感覺、濕感覺及吹風感的主觀感受，結果表明63%的受試者對宿舍室內熱舒適表示不滿意。

2）通過實測環(huán)境數據計算得出的PMV 值和PPD值可知，自然通風下學生宿舍夏季室內的PMV 值和PPD 值都普遍偏高，適應性預測熱感覺APMV 值大于1，宿舍室內熱濕環(huán)境處于Ⅲ級標準，宿舍室內較熱，室內人員熱舒適性差。

3）根據預測平均熱感覺PMV 與操作溫度top的線性擬合方程計算得到自然通風下學生宿舍夏季室內90%和80%的人員可接受的操作溫度范圍為24.9～27.6 ℃和23.9～28.6 ℃，宿舍室內熱中性溫度為26.3 ℃。