溫和地區(qū)高校宿舍冬季室內(nèi)熱舒適性評價

周智勇 柳倩瑩

(昆明理工大學(xué) 昆明 650500)

0 引言

隨著教育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，2020年我國高等教育在學(xué)總規(guī)模達4 183萬人。學(xué)生一天中有80%的時間在室內(nèi)度過，而這其中50%的時間是在宿舍度過，愈發(fā)凸顯了宿舍室內(nèi)熱環(huán)境的研究價值[1]。

近年來，專家學(xué)者對高校宿舍熱環(huán)境的關(guān)注度有了明顯提高。夏博[2]對西安某高校學(xué)生公寓進行了熱環(huán)境研究，定性定量地對室內(nèi)熱環(huán)境狀況進行了評估分析。姜春宏等[3]對桂林某高校頂層宿舍進行了測試及調(diào)研，得出長廊式結(jié)構(gòu)導(dǎo)致宿舍通風(fēng)效果不理想，且兩端宿舍和中間宿舍的差異明顯。王琳[4]對重慶某高校學(xué)生宿舍進行了研究，通過模擬軟件進行定量分析，得到了研究對象室內(nèi)冷熱不舒適時數(shù)和全年任一時刻最佳通風(fēng)換氣次數(shù)，并作出了相應(yīng)分析。

但對于溫和地區(qū)冬季熱環(huán)境的研究較少，而昆明市高校聚集，學(xué)生密度高，獨特的氣候條件和龐大的人數(shù)規(guī)模使得學(xué)生的熱舒適問題更加凸顯。本文以昆明理工大學(xué)某宿舍區(qū)作為研究對象，基于現(xiàn)場測試以及問卷調(diào)查兩種方式，對冬季宿舍熱舒適性進行了探究，對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和人體實際感受之間的關(guān)系進行了分析，以期為溫和地區(qū)學(xué)生公寓熱環(huán)境研究提供參考。

1 現(xiàn)場測試

1.1 測試對象

測試對象為昆明理工大學(xué)某宿舍樓棟，如圖1所示。宿舍樓棟坐北朝南，內(nèi)長廊式結(jié)構(gòu)，考慮到太陽輻射、風(fēng)速等因素的影響，選擇一層(底層)、三層(中間樓層)、六層(頂層)的陽面、陰面各3間宿舍為測試對象。宿舍內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，宿舍左右均有床和工作臺，由于宿舍面積過小，溫濕度及黑球溫度測點位置為宿舍右側(cè)離地1.1 m工作臺(即桌面)；空氣流速測試為對角線等分4個測點，開窗大小分別為0%、30%、60%、100%，每個測點進行4次測試。

圖1 宿舍分布平面(部分)

圖2 宿舍內(nèi)部平面

1.2 測試方案及儀器

本次測試通過現(xiàn)場測試和問卷調(diào)查兩種方式進行探究，現(xiàn)場測試的樣本宿舍同步進行，測點位置設(shè)置相同。測試參數(shù)溫濕度采集頻率為5 min/次，黑球溫度采集頻率為0.5 h/次，空氣流速采集頻率為1 h/次。測試儀器型號及參數(shù)如表1所示。

表1 測試設(shè)備信息

2 測試結(jié)果分析

2.1 室內(nèi)外溫度分析

室內(nèi)外空氣溫度對比如圖3所示，測試期間宿舍室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定在16～20 ℃(607宿舍為使用暖風(fēng)機對照宿舍)，室外溫度在10～18 ℃變化。宿舍室內(nèi)溫度相差不大且波動小，和室外溫度有一定差距，主要是由于冬季宿舍開門開窗少，空氣流通條件差，長時間處于相對密閉環(huán)境，而宿舍窗戶面積小，室內(nèi)外熱量流失少，室內(nèi)溫度變化小。對宿舍和溫度進行交叉分析可知，室內(nèi)溫度呈現(xiàn)中間樓層>一層>頂層的趨勢，且陽面宿舍溫度大部分時間略高于陰面宿舍。

(a)一層

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB 50736—2012)的熱舒適度等級規(guī)定，測試樓層均達不到熱舒適度等級Ⅰ級要求，一層白天部分時段達到熱舒適度等級Ⅱ級，三層基本達到熱舒適度等級Ⅱ級，六層除使用暖風(fēng)機時間段的對照宿舍之外，均達不到熱舒適度等級要求。

2.2 室內(nèi)外濕度分析

室內(nèi)外相對濕度對比如圖4所示，室內(nèi)相對濕度基本介于50%～75%(607宿舍為開窗對照宿舍)，室外相對濕度介于50%～100%，大部分時間段室外相對濕度高于室內(nèi)，平均值為78.6%。可以看出，凌晨時分室外空氣中相對濕度較高，與夜晚降水有關(guān)，隨著空氣溫度的升高，相對濕度呈下降趨勢，過了午時空氣中相對濕度開始升高；室內(nèi)相對濕度在夜間趨于平穩(wěn)，在白天隨學(xué)生的日?；顒娱_始波動?？傮w來看，冬季宿舍室內(nèi)相對濕度較高，符合昆明地區(qū)冬季濕冷的氣候特點。

2.3 室內(nèi)空氣流速分析

室內(nèi)空氣流速測試采用對角線等距測點的方法，將外門緊閉，通過改變不同開窗大小，記錄不同測點的風(fēng)速大小，記錄頻率為1 h/次，室內(nèi)空氣流速測試結(jié)果如表2所示，空氣流速很小，基本無吹風(fēng)感，測試結(jié)果最大值為0.12 m/s，最小值為0.03 m/s。這是由于測試樓棟為長廊式宿舍結(jié)構(gòu)，通風(fēng)效果差，即使門窗全開，空氣對流效果也很差；其次是宿舍間距小，各幢宿舍之間互相影響。總體來看，長廊式建筑內(nèi)部空氣流速低，散熱效果差。

(a)一層

表2 室內(nèi)空氣流速 單位：m/s

2.4 室內(nèi)平均輻射溫度分析

平均輻射溫度(Mean Radiant Temperature,MRT)常用于評價熱舒適性和計算人體散熱量，是一項用來衡量周圍物體的表面溫度對人體輻射散熱強度的指標(biāo)。本文使用黑球溫度計間接測量法計算平均輻射溫度，考慮到室內(nèi)風(fēng)速過小，平均輻射溫度公式可簡化為[5]

(1)

式中，Tm為平均輻射溫度；Tg為黑球溫度；Ta為空氣溫度；υ為空氣流速。

測試數(shù)據(jù)溫度分布及計算結(jié)果如圖5所示，同一房間的室溫與平均輻射溫度變化呈現(xiàn)相同趨勢，符合客觀規(guī)律。兩個樣本宿舍的平均輻射溫度均低于室溫，其中1#宿舍的平均輻射溫度的平均值為18.8 ℃，比平均室溫低0.2 ℃，最低氣溫為18.5 ℃；2#宿舍的平均輻射溫度的平均值為18.7 ℃，低于平均室溫0.2 ℃，最低氣溫為18.4 ℃，均為冷輻射。

圖5 室溫與平均輻射溫度比較

3 問卷調(diào)查分析

昆明屬于溫和地區(qū)，未集中供暖，冬季氣溫低、濕度高，本次問卷調(diào)查主要針對冬季宿舍室內(nèi)人員的活動情況、衣著量以及對室內(nèi)熱環(huán)境的舒適感等問題展開。

調(diào)查結(jié)果顯示，冬季室內(nèi)人員普遍穿著較厚，窗戶開啟情況為一般只開啟一部分甚至完全關(guān)閉，外門一般關(guān)閉，宿舍內(nèi)空氣對流情況較差，室內(nèi)人員對氣味滿意度較低。在室內(nèi)熱環(huán)境舒適感方面有以下反饋：

(1)對熱環(huán)境感知最敏感的部位在手腳，裸露在空氣中時間較長，冷感覺明顯。

(2)冬季宿舍室內(nèi)溫度較低，部分學(xué)生穿著較厚衣物仍感覺寒冷，根據(jù)籍貫來看，大多數(shù)南方地區(qū)的學(xué)生認(rèn)為有點冷或者適中，而大部分北方地區(qū)的學(xué)生則認(rèn)為過冷，此結(jié)果和之前生活環(huán)境相關(guān)：北方一般集中供暖，室內(nèi)熱舒適度較高；南方未集中供暖，對冬季低溫環(huán)境接受度較高。

(3)問卷中有28%的學(xué)生認(rèn)為宿舍潮濕，來自北方偏干燥地區(qū)的學(xué)生認(rèn)為宿舍室內(nèi)比較潮濕，來自南方的學(xué)生則認(rèn)為宿舍濕度適中，接受能力強，舒適滿意度高。

(4)由于冬季氣溫低，宿舍開窗時間少，大部分學(xué)生覺得宿舍吹風(fēng)感微弱，因而對宿舍風(fēng)感舒適度感受適中。

4 室內(nèi)熱環(huán)境分析

4.1 室內(nèi)有效溫度

綜合調(diào)研各物理環(huán)境參數(shù)對人體熱感覺的影響，選取室內(nèi)空氣溫度和MRT兩項環(huán)境參數(shù)作為影響室內(nèi)熱環(huán)境的基本參數(shù)，并選用綜合考慮環(huán)境與人體的對流換熱及輻射換熱的室內(nèi)有效溫度作為指標(biāo)，對研究對象室內(nèi)熱環(huán)境進行分析評價[6-7]?？紤]到選定宿舍室內(nèi)空氣流速平均值較小，室內(nèi)有效溫度計算公式簡化為[7]

to=0.5ta+0.5tr

(2)

式中，to為室內(nèi)有效溫度；ta為室內(nèi)空氣溫度；tr為平均輻射溫度。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算結(jié)果如圖6所示。圖中顯示了兩個樣本宿舍室溫與室內(nèi)有效溫度的變化趨勢，兩個宿舍的室內(nèi)有效溫度平均值低于室溫平均值。

圖6 室溫和有效溫度比較

4.2 熱中性溫度

熱中性溫度表示人體體感最佳的適宜溫度，本文使用平均熱感覺(MTS)和預(yù)測平均熱感覺(PMV)兩項指標(biāo)來表示人體熱感覺，并將熱感覺采取七級分度投票值表示，對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 熱感覺與投票值

PMV采用CBE熱舒適計算工具[7]進行在線計算，綜合室溫、風(fēng)速、相對濕度、平均輻射溫度、服裝熱阻和新陳代謝率6個因素，得到PMV、PPD、熱感覺、SET等熱舒適指標(biāo)值。同時基于溫度頻率法計算操作溫度區(qū)間內(nèi)的平均熱感覺投票值(MTS)。以有效溫度為自變量，進行PMV和MTS的最小二乘回歸，擬合方程如下：

MTS=0.278to-5.052

(3)

PMV=0.227 5to-4.749 5

(4)

圖7 PMV與MTS回歸擬合

當(dāng)MTS和PMV分別為0時，代入方程得到有效溫度to分別為18.2 ℃和20.9 ℃，即代表熱中性溫度。MTS對應(yīng)的熱中性溫度低于PMV約2.7 ℃，且MTS回歸方程斜率大于PMV，由此可見，人體實測冬季宿舍溫度變化的敏感程度高于預(yù)測值，學(xué)生對于較高溫度的承受能力低于預(yù)測值。

4.3 熱環(huán)境評價

根據(jù)PMV-PPD模型分析，當(dāng)PMV介于-0.5～0.5的熱舒適區(qū)間時，預(yù)計不滿意者百分?jǐn)?shù)(PPD)為10%，將PMV為±0.5代入擬合方程可得到熱舒適區(qū)間溫度為18.7～23.1 ℃；同理，可得到MTS熱舒適區(qū)間溫度為16.4～20.0 ℃。MTS對應(yīng)的可接受溫度范圍小于PMV，可見實際情況中人體對環(huán)境的接受度要小于預(yù)測值。

以1#宿舍為例進行逐時PMV和PPD對比分析，如圖8、圖9所示。由圖8可以看出，PMV在測試期間為-1.96～-0.75，均不在ANSI/ASHRAE Standard 55-2017要求的熱舒適區(qū)間內(nèi)。

圖8 逐時PMV

圖9 逐時PPD

由圖9得知，PPD在測試期間晝夜變化較大，夜間熱環(huán)境不滿意百分?jǐn)?shù)高達76%，白天在20%左右波動，主要是由于白天學(xué)生的適應(yīng)性行為降低了熱環(huán)境不滿意度，而夜晚的適應(yīng)性行為減少使得PPD再度增大?？傮w而言，測試對象室內(nèi)熱舒適度不滿足熱舒適等級Ⅰ級要求[8]。

5 結(jié)語

(1)研究對象宿舍樓棟平均濕度在65%左右，室內(nèi)溫度變化分布在16～20 ℃，室內(nèi)溫度普遍較低，除中間樓層外基本無法滿足熱舒適度等級要求。長廊式宿舍結(jié)構(gòu)導(dǎo)致通風(fēng)效果差，偏低的室溫使得門窗一般處于關(guān)閉狀態(tài)，宿舍室內(nèi)空氣流動性差，進一步提升宿舍室內(nèi)熱舒適度十分必要。

(2)問卷結(jié)果顯示，昆明高校宿舍冬季熱舒適性滿意度較低，大部分學(xué)生覺得宿舍室內(nèi)溫度過低，會采取一些適應(yīng)性行為來提高自身熱舒適度，比如購置小型采暖設(shè)備、添置衣物等。

(3)結(jié)合MTS與PMV-PPD模型分析，學(xué)生對于溫度變化的敏感程度高于預(yù)測值，且對于環(huán)境的接受程度和較高溫度的承受能力均低于預(yù)測值，長期處于該環(huán)境的學(xué)生已經(jīng)產(chǎn)生適應(yīng)性。同時，夜晚PPD明顯高于可采取適應(yīng)性行為提升熱舒適度的白天，此結(jié)論與問卷結(jié)果一致。

(4)本文所求得的熱中性溫度僅為計算建議值，隨著高校宿舍建筑的發(fā)展以及學(xué)生自身對熱環(huán)境滿意度評價的變化，舒適度要求和熱中性溫度應(yīng)結(jié)合實際情況合理選擇。