實(shí)測效果導(dǎo)向的居住空間夏季室內(nèi)熱舒適分析與設(shè)計優(yōu)化策略＊

朱珍妮 劉依明 劉念雄

1 研究背景

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和人民生活條件的改善，人們對居住空間的要求越來越高，其中室內(nèi)熱舒適逐漸成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。高校公寓作為一種重要的居住建筑類型，有著人均空間小、居住者年齡差異小、活動方式及位置較固定等特點(diǎn)，其室內(nèi)熱舒適的研究也引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注。由于高等教育的發(fā)展，高校逐年擴(kuò)招，越來越多的學(xué)生進(jìn)入高校校園，探討如何為更多的學(xué)生提供舒適健康的生活環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)意義。

高校學(xué)生公寓是大學(xué)生活中最為長期穩(wěn)定的居住空間，數(shù)據(jù)表明，大學(xué)生在校期間約有40%的時間在公寓度過，公寓環(huán)境對學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和生活狀況具有重要影響。吳越等針對單元式研究生公寓的冬季熱舒適性進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研、問卷調(diào)查和現(xiàn)場測試研究，提出了冬季供暖存在的問題。李建華等通過實(shí)測以及Ecotect模擬軟件，對天津市某高校學(xué)生公寓現(xiàn)狀及改造方案的室內(nèi)熱舒適進(jìn)行分析，證明改造方案的有效性。王麗潔等通過實(shí)地測量數(shù)據(jù)結(jié)合問卷和訪談，得出影響天津某高校學(xué)生公寓熱舒適的主要原因，并提出改進(jìn)建議。張凱歌等對西安某高校學(xué)生公寓進(jìn)行實(shí)地調(diào)研并對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立了該地區(qū)的熱適應(yīng)模型。周志平等對桂林市某高校學(xué)生公寓春季熱舒適進(jìn)行調(diào)查研究，運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)分析法對服裝熱阻、人體熱感覺和操作溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了回歸分析。張虎等通過對安徽省部分高校學(xué)生公寓實(shí)地調(diào)研，提出在炎熱季節(jié)采取“空調(diào)+風(fēng)扇”聯(lián)合運(yùn)行方式改善室內(nèi)熱環(huán)境并降低能耗的觀點(diǎn)。程衛(wèi)紅等對哈爾濱某高校學(xué)生公寓室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了實(shí)地測試，并結(jié)合問卷調(diào)查得出學(xué)生的熱中性溫度和熱期望溫度。

綜上所述，高校學(xué)生公寓熱舒適研究基于不同地區(qū)的氣候特征對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，使用問卷調(diào)查和實(shí)地數(shù)據(jù)測量的方法，其結(jié)果能夠較好地反映當(dāng)?shù)貙W(xué)生公寓室內(nèi)熱環(huán)境的特征和問題。然而，對于導(dǎo)致同一地區(qū)學(xué)生公寓室內(nèi)熱舒適差異的其他因素研究較少。本研究以清華大學(xué)紫荊公寓4號樓居住空間為例，通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析室內(nèi)熱舒適性，并結(jié)合問卷調(diào)查結(jié)果，研究房間的朝向等因素對夏季室內(nèi)熱舒適的影響，為高校學(xué)生公寓設(shè)計改造提供可行的優(yōu)化策略。

2 研究方法

2.1 研究對象選擇

清華大學(xué)位于北京市海淀區(qū)，屬于溫帶季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱濕潤，日夜溫差較大，夏季早晚溫差最高可達(dá)18℃。選取位于校園西北部的紫荊公寓4號樓作為研究對象，北面與5號樓相鄰，南面與學(xué)生服務(wù)中心C樓以綠化小樹林相隔。

4號樓共7層，分為6個單元，每單元設(shè)一個樓梯間。平面呈L形，為內(nèi)廊式的空間布局，分正北、正南、西北、東南四種朝向。如圖1所示為相鄰兩間公寓平面，兩公寓共享一個中廳，每間公寓配有開放式陽臺；共四個床位，采用“上床下桌”模式；設(shè)有分體式冷熱空調(diào)和集中供暖設(shè)施（圖2）。

2.2 熱舒適性調(diào)查

首先采用問卷調(diào)查的方式對公寓的熱舒適性進(jìn)行研究，調(diào)查對象為居住在4號樓的本科生，均為女性，年齡在17～23歲之間，共回收有效問卷35份，內(nèi)容包括：1）本人及所在公寓的基本情況，包括所在樓層、房間朝向、床位號等；2）本人在公寓的生活習(xí)慣，包括平時在公寓的時間、使用空調(diào)的習(xí)慣、室內(nèi)過熱或過冷時采取的措施等；3）本人所在公寓熱舒適性調(diào)查，包括平時在公寓的穿著、對室內(nèi)溫濕度和吹風(fēng)感的感受、整體熱舒適的評價、對朝向的滿意度，以及期望的室內(nèi)溫度等。其中熱舒適等投票采用的標(biāo)尺及對應(yīng)點(diǎn)取值如表1所示。

表1 熱感覺、濕感覺、吹風(fēng)感、熱舒適評估標(biāo)尺及對應(yīng)點(diǎn)取值

1 相鄰房間空間及內(nèi)部床位布置

2 相鄰房間軸測圖

2.3 室內(nèi)熱環(huán)境測試

本次測試的主要參數(shù)選取室內(nèi)的溫度和相對濕度，采用WSZY-1溫濕度自記儀，連續(xù)監(jiān)測記錄溫度、相對濕度。儀器參數(shù)為：溫度-40～100℃，分辨率為0.1℃；相對濕度0～100%，分辨率為0.1%。

對紫荊公寓4號樓一層的兩個房間分別進(jìn)行24h不間斷監(jiān)測，測試時間分別為2021年6月15日20:00—6月16日20:00、2021年6月16日21:00—6月17日21:00。兩個房間編號為123A（北朝向）和127A（南朝向），戶型和床位布置相同。此外，還測量了123A房間中廳溫濕度情況作為室內(nèi)不使用空調(diào)的參照。

3 研究結(jié)果

3.1 問卷結(jié)果分析

本次問卷的樣本基本覆蓋所有樓層、各種房間朝向及床位編號類型。從問卷結(jié)果中可以看出，在房間過熱時大部分學(xué)生會選擇打開空調(diào)，輔以調(diào)低空調(diào)溫度和減少衣物；而在房間過冷時大部分學(xué)生會選擇增加衣物，其次才是關(guān)閉空調(diào)和調(diào)高空調(diào)溫度。由此可見使用空調(diào)是調(diào)節(jié)公寓夏季室內(nèi)熱環(huán)境的重要手段。

室內(nèi)空調(diào)設(shè)定的溫度集中在25～26℃，占總樣本的85.71%，且溫度區(qū)間基本符合人體熱舒適感要求。在夜間休息習(xí)慣的調(diào)查中，多數(shù)學(xué)生選擇適當(dāng)調(diào)高空調(diào)溫度，部分學(xué)生選擇關(guān)閉空調(diào)或不調(diào)整空調(diào)溫度，僅有少數(shù)學(xué)生選擇調(diào)低空調(diào)溫度并蓋上厚被子來保持體溫。

問卷進(jìn)而統(tǒng)計了學(xué)生平時在公寓內(nèi)的穿著、對室內(nèi)溫濕度和吹風(fēng)感的感受、整體熱舒適的評價、對朝向的滿意度以及期望的室內(nèi)溫度等。學(xué)生在公寓內(nèi)穿著多為短袖，可以推斷出房間內(nèi)的溫度普遍偏高，穿著情況與上述空調(diào)設(shè)定溫度區(qū)間也基本相符。

由對溫度、濕度和吹風(fēng)感的統(tǒng)計分析可看出，在夏季室內(nèi)使用空調(diào)制冷的情況下，大多數(shù)人認(rèn)為室內(nèi)溫度適中，部分人認(rèn)為室內(nèi)溫度偏高。多數(shù)人認(rèn)為室內(nèi)相對濕度適中，但也有相當(dāng)一部分人認(rèn)為相對濕度偏低，顯得干燥。半數(shù)人感覺室內(nèi)無風(fēng)，另外半數(shù)人認(rèn)為有吹風(fēng)感。

將溫度感覺、濕度感覺分別與房間朝向做交叉分析，可以看出各個朝向房間的溫度感覺以中性為主，僅有南向房間出現(xiàn)“熱”這一評價，其溫度感覺明顯偏高，可推測朝向?qū)τ谑覂?nèi)溫度感覺有一定影響，且對南向房間影響較大。而濕度感覺與房間朝向無明顯關(guān)系。將吹風(fēng)感與床位編號做交叉分析，可以看到位于空調(diào)同側(cè)的3、4號床感受多為無風(fēng)；位于空調(diào)對側(cè)的1、2號床對吹風(fēng)感的感覺明顯加強(qiáng)，且2號床相較1號床離空調(diào)更近，有更高比例的人認(rèn)為有明顯吹風(fēng)感（圖3-5）。

由對室內(nèi)整體熱舒適、朝向滿意度以及期望的室內(nèi)溫度的調(diào)查可以看出，大多數(shù)人對室內(nèi)熱環(huán)境的評價是舒適和稍不舒適，與上文溫度適中/偏高、濕度適中/偏低的結(jié)果相互印證。從朝向滿意度的調(diào)查結(jié)果可以看出，大多數(shù)人對房間朝向持滿意及以上的態(tài)度，僅有少數(shù)人對朝向不滿意。從各項(xiàng)交叉分析可以看出，北向和西北向的房間朝向滿意度較差，且朝向滿意度越低，對熱舒適的評價越差（圖6）?？赏茰y朝向是影響室內(nèi)熱舒適的原因之一。

此外，問卷調(diào)查了學(xué)生的期望室內(nèi)溫度，大多數(shù)人希望在22～26℃之間。從房間朝向與期望溫度的交叉分析中可以推測出，較好的朝向?qū)?yīng)的房間期望溫度分布范圍較廣（圖7）。

3 溫度感覺與房間朝向交叉分析

4 濕度感覺與房間朝向交叉分析

5 吹風(fēng)感與床位編號交叉分析

6 朝向滿意度與室內(nèi)熱舒適交叉分析

7 房間朝向與期望溫度交叉分析

3.2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

分別對123A和127A兩個房間進(jìn)行24h不間斷的溫濕度測量，測量過程中兩個房間均使用空調(diào)制冷，溫度設(shè)定均為25℃，123A全天未關(guān)空調(diào)，127A在16日下午18:00由于室外下雨溫度降低關(guān)閉空調(diào)，直至測量結(jié)束并未再開啟。

圖8和圖9分別是兩實(shí)驗(yàn)房間的溫度測量結(jié)果，可以看出：1）123A室內(nèi)平均溫度為24.2℃，127A室內(nèi)平均溫度為24.6℃，都在24～25℃之間，推測是因?yàn)槠淇照{(diào)設(shè)定溫度相同；2）123A室內(nèi)溫度范圍為23.1～24.7℃；127A室內(nèi)溫度范圍為22.1～25.7℃，溫度波動較大，推測因?yàn)槠涑驗(yàn)槟舷颍柟庵鄙鋾绊懯覂?nèi)溫度；3）室內(nèi)溫度波動會受到室外天氣、溫度變化的影響，例如127A在下午18:00由于室外下雨關(guān)閉空調(diào)后，室內(nèi)溫度仍呈現(xiàn)下降趨勢。

圖10和圖11分別是兩實(shí)驗(yàn)房間相對濕度測量結(jié)果，可以看出：1）123A室內(nèi)平均相對濕度為60.7%，127A室內(nèi)平均相對濕度為61.4%，二者較為接近；2）123A室內(nèi)相對濕度范圍為46.8%～68.7%，127A室內(nèi)相對濕度范圍為48.2%～72%，兩者相對濕度波動范圍較為接近；3）123A室內(nèi)相對濕度整體呈現(xiàn)從高到低的變化，127A室內(nèi)相對濕度整體呈現(xiàn)從低到高的變化，推測是由于16日傍晚到17日凌晨室外下雨所致，說明室外天氣對室內(nèi)相對濕度變化有很大影響。

此外，為了模擬室內(nèi)不開空調(diào)的情況為上述數(shù)據(jù)提供參照，在2021年6月18日0:00—2021年6月19日0:00對123A房間中廳進(jìn)行了連續(xù)24h溫濕度測量。中廳平均溫度為26.6℃，波動范圍為26～27.4℃；平均相對濕度為47.4%，波動范圍為42.1%～52.1%（圖12,13）。中廳整體熱環(huán)境呈現(xiàn)出偏熱偏干的特點(diǎn)，不符合人體熱舒適的要求，側(cè)面證明了空調(diào)對室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)的重要作用。

4 研究結(jié)論

本文針對清華大學(xué)紫荊公寓4號樓居住空間的夏季熱舒適性進(jìn)行了問卷調(diào)查和現(xiàn)場測試研究。研究表明，學(xué)生公寓夏季室內(nèi)居住空間的整體熱舒適性較好，主要依賴空調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但室外溫濕度變化對室內(nèi)熱環(huán)境具有一定影響。其中朝向也是影響室內(nèi)熱舒適、學(xué)生期望的室內(nèi)溫度等的因素之一。

以實(shí)測效果為導(dǎo)向，基于上述分析，提出設(shè)計優(yōu)化策略：1）使用空調(diào)是目前調(diào)節(jié)學(xué)生公寓夏季室內(nèi)熱環(huán)境的主要手段，但空調(diào)使用價格較高且能耗較大，故學(xué)生公寓設(shè)計中也應(yīng)當(dāng)考慮其他途徑來優(yōu)化室內(nèi)溫濕度狀況；2）可從外墻、門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)入手改善公寓室內(nèi)的熱舒適性，例如增加墻體隔熱、改善玻璃性能等；3）即使北向房間夏季室內(nèi)更為涼爽，學(xué)生仍偏好南向等較好的朝向，故學(xué)生公寓樓設(shè)計中應(yīng)當(dāng)予以關(guān)注，例如減少北向房間數(shù)量，將輔助空間如樓梯間、衛(wèi)生間、洗漱間等布置在北側(cè)等。

8 123A 溫度測量結(jié)果

9 127A 溫度測量結(jié)果

10 123A 相對濕度測量結(jié)果

11 127A 相對濕度測量結(jié)果

12 中廳溫度測量結(jié)果

13 中廳相對濕度測量結(jié)果

研究受到清華大學(xué)（建筑學(xué)院）臨沂城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司建筑全生命周期品質(zhì)管理聯(lián)合研究中心（2021-B2）支持。

＊本研究得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于機(jī)器學(xué)習(xí)的寒冷地區(qū)綠色住宅空間環(huán)境變量耦合機(jī)制與數(shù)據(jù)設(shè)計方法研究”（52078262）、國家自然科學(xué)基金委員會重點(diǎn)項(xiàng)目“高能效智能建筑環(huán)境營造原理與性能化設(shè)計新方法”（52130803）資助。

1-13作者自繪

表1作者自繪