石河子大学图书馆夏季室内热环境的分析

刘宇熙，姜曙光*，武晓伟，吴梦云

（石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子，832003）

高校图书馆是大学的核心场所[1]，其每天平均开馆时间为10-14 h，读者在图书馆的时间平均为3-6 h[2]，且容纳人数众多，需要一个舒适度较高的环境。对于新疆地区夏季的图书馆，其室内往往无空调系统，自然通风尤为重要。对于自然通风换气能力的过高评价会使室内舒适度和空间环境并没有得到根本改善[3]，且由于图书馆中庭空间空气分层，使室内热环境难以调节[4]。

本文结合新疆地区特殊地域性气候条件[5]，以PMV-PPD指标作为衡量标准[6]，对石河子大学图书馆各层阅览空间1.1m高度处的热工指标作为分析标准[7]进行实测，并运用实验与数值模型结合的方式[8]分析图书馆阅览空间对热舒适性的影响[9]，从符合人体舒适度的角度探讨图书馆热环境的作用规律。本文研究通过对石河子大学图书馆的实测及模拟优化策略，可为新疆地区图书馆夏季建筑室内热环境的设计提供参考。

1 研究方法

1.1 建筑概况

本文选取的高校图书馆为石河子大学图书馆，该建筑总面积52000㎡，阅览座位5066席，局部5层，层高均为4.5 m。其中庭形式为南北线型式，阅览空间与中庭四面围合，其平面布局与测点位置如图1所示。

图 1 一层（a）、二层（b）、三层（c）、四层（d）平面测点位置图Fig.1 Diagram of measure points’position in each floor

1.2 试验设备与测试方法

本次实验于2017年8月8-10日进行，实验具体对象为石河子大学图书馆1-4层南向阅览空间，该区域平时窗户多为微开状态。

实验采用多通道温湿度仪自动记录测点的温湿

图2 多通道温湿度仪Fig.2 Multichannel temperature and humidity instrument

1.3 热环境舒适度评价方法

对于室内热环境的优劣，国际公认的热舒适方程被广泛采用，本文中的室内热舒适度也采用PMV-PPD指标进行评测，其中PMV为预计热指标（Predicted Mean Vote），是以大量青少年作为实验对象得出的。该指标由丹麦的Fanger教授提出，是静度，多通道微风仪自动记录测点的风速，黑球温度仪自动记录测点的黑球温度，如图2和图3所示。各仪器的传感器高度设置为1.1 m，测试时段为全天24 h不间断测量，测试自动记录频率为30 min。态青少年人群热舒适指标中最具权威的评价体系。

图3 黑球温度仪Fig.3 Black ball thermometer

表1 PMV值客观反映表Tab.1 Diagram of PMV objective reflection

该指标通常以-1≤ ≤1为依据进行室内热舒适度的客观判断。

由于 指标是由受试大学生的热感受情况得出的，无法代表其他文化背景下不同年龄层人的感受。为解决在 =0时仍有不属实感受的情况出现，Fanger又提出预测不满意指标 。 指标用来反映室内人员对热环境的不满意百分数，是对

指标的补充说明。与 强调客观反映体征状态不同的是，这项指标更加关注的是人体主观感受。其计算公式如下所示。当 ＞10%，即大于10%的人对所处环境感到不满意时候，该环境即为不舒适环境。

当室内热环境满足下式（3）-（4）时，室内环境被认为达到热舒适的要求。

图4 图书馆室外平均温度Fig.4 Outdoor average temperature of library

图6 图书馆室内平均湿度Fig.6 Indoor average humidity of library

1.4 流场的模拟方法

本文利用SketchUp建立模型后，再根据实测数据将模型导入Phoenics，对模型进行数值模拟。

本文采用的模拟软件为Phoenics，该软件开放性较强，拥有多种湍流模型、相流模型等以供使用者选择，在国际上广泛用于计算流体与计算传热。其中的Flair模块通常用于建筑及暖通空调专业设计，可针对单个建筑、建筑群进行室内外风热环境及舒适度模拟分析。

2 结果及分析

2.1 实测结果及分析

由于实验设备限制，实测期间室外温度采用石河子市气象局数据，如图4所示。

图5 图书馆室内平均温度Fig.5 Indoor average temperature of library

图7 图书馆室内平均风速Fig.7 Indoor average wind speed of library

对比室外温度与室内温度，可以发现其整体变化趋势都是从0:00-8:00先下降，后上升至17:00的峰值温度；最高温度值落在14：00-17：00时段，再呈下降趋势至夜间，全天最低温度值范围落在2：00-5：00。

从图5可见：在夏季最热月无机械通风的情况下，四层阅览空间的温度大小依次为四层＞三层＞二层＞一层，且各层温度总体与室外温度变化相同，当室外温度越高，室内各层的温差越明显；一层平均温度为32.9℃，二、三、四层温度差别不是很大，分别为33.3、33.7℃和33.9℃。其温度变化幅度小于室外温度变化幅度；一至四层各测点温度在实测时段均高于室外温度，室外最低温度为18℃，室内最低温度为32℃；室外最高温度为33℃，室内最高温度为35℃，由于室内湿度较小（均低于35%），故人体体感温度低于35℃。可以看出图书馆不管是底层还是上层热舒适状况都不太理想。

从图6可知：在10：00-13：00时段湿度有较为明显的波动。对比各层风速曲线图7，当局部瞬时风速发生改变时，即 10：00-13：00时段，对应风速从1.0 m/s变为0.5 m/s，湿度随着风速的降低而降低，两者呈反比例关系。

对比图5各层温度可知，在 0：00-7：00时段，温度下降而湿度上升；在7：00-19：00时段，温度上升

图8 图书馆室内 均值Fig.8 Indoor average of library

从图8和图9看出：

（1）四层 PMV平均值为 1.91。在 8：00时值最低，为1.42，在 17：00达到了2.72的峰值，这与石河子实时的室外最低和最高温度变化也比较对应。三层与二层的PMV平均值分别为1.82和1.69，而一层的 平均值为1.33。显然，PMV值随着层数的增加而升高。这与各层温度变化曲线的趋势也比较吻合，而与风速变化曲线的趋势却并不明显，说明温度是影响室内热环境的最直接因素。而湿度下降；在 19：00-0：00时段，温度下降而湿度上升。这是因为当空气中绝对湿度不变时，温度降低，相对湿度更接近饱和，也即相对湿度会上升。

各层的风速的瞬时变化较为杂乱，但总体趋势与温湿度曲线图比较，仍可以从风速曲线图7中看到其总体变化与温湿度曲线呈线性关系，即风速升高，温度下降，湿度升高。平均风速最高值落在7：00-11：00时段，一至四层风速平均值分别为0.74、0.61、0.62、0.63 m/s，风速随层数变化不太明显，大致为一层＞四层＞三层＞二层。

2.2 热环境舒适度分析

室内热环境的舒适度总体来说有两大影响因素，即环境因素和个人因素。环境因素包括空气温度、相对湿度、空气流速和平均辐射温度，其中影响舒适度权重最大的因素为温度；而个人因素则包括人体新陈代谢率、所着服装热阻。当然除了上述两类影响因素以外，还受到一些非热性因素的影响，如性别、年龄、人种、地理位置等，不过此类因素对整体的人体热舒适都影响比较小。

本文将所测得的图书馆实时室内热环境数据带入PMV-PPD方程进行计算，其中人体活动量取65 W/m2，人体衣着热阻取0.5 clo，图书馆室内 均值和室内 均值结果如图8和图9所示。

图9 图书馆室内 均值Fig.9 Indoor average of library

（2）图书馆由于中庭的“烟囱效应”，使得图书馆内部空间的热空气上升，冷空气下沉，从而导致阅览空间自下而上温度逐渐升高，湿度逐渐下降，进而影响到 值，使其随着层数的增加而升高。基于这种热环境模式，室内整体的热舒适性也随着层数的增加而出现下降的趋势。

（3）一层在凌晨2：00-6：00时段出现PMV指标在0-0.5之间的情况，即 ≤10%。对比当日室外温度曲线图 4，2：00-6：00室外温度大致在 18-23℃范围内波动，该时段属于全天温度最低时段。在“烟囱效应”的作用下，冷空气下沉至一层，加之一层风速较其他层大，所以反映出一层在 2：00-6：00时段出现部分舒适的情况。

2.4 流场模拟分析

本文模拟的是图书馆夏季自然通风状态下的室内热环境。馆内窗户均为上悬窗，在正常开馆时段，各层窗户大多为关闭或微开状态。运用Phoenics软件进行图书馆室内热环境模拟，将模拟分为工况一（各层窗户每间隔一扇开启至最大高度）和工况二（各层窗户全部开启至最大高度），以探究其变化规律。

2.4.1 边界条件设定

为了使模拟结果更加符合夏季图书馆室内环境的真实情况，本文对模拟的物理参数进行了设定。建筑边界风环境的风向为西北风，风速设为3.3 m/s。根据以上设置建立模型，以上文提出的两种工况作为模拟条件，输入边界条件后的将结果输出。

2.4.2 热舒适度分析

为对比2种工况对图书馆室内热舒适度的影响，将2种工况的云图进行对比分析。因标准层PMV与PPD云图在工况一与工况二下的变化有所不同，故在图10中也选取标准层PMV与PPD云图进行对比说明。图书馆各层PMV、PPD云图如图10所示。

图10 图书馆各层 云图Fig.10 P & nephograms in each floor of library

从图10和11可以看出： 指标随层数的增高而逐渐增大，这与之前各层测点的温度变化也相对应，说明温度是影响热舒适度的主要因素。靠近窗洞位置的区域为黄绿色（图 10a、e），即 均值为-1.33，这是由于自然通风使得室内靠近窗户处风速提高，从而使温度有所降低，导致 指标也下降明显。阅览区域都为红色，均值均为-0.63。而图10c、g显示：各层阅览区域几乎全为蓝色，人员对于室内空间的不满意率较低， 百分比低于15%（图 12）。

图11 图书馆各层不同工况PMV指标对比图Fig.11 Comparison of PMV value in each floor of library in different cases

图12 图书馆各层不同工况PPD指标对比图Fig.12 Comparison of PPD value in each floor of library in different cases

从图11、12可以看出：工况二下各层的PMV与PPD虽然也趋于式（3）、（4）的范围，但是各层区域附近因为风压的不同，造成部分区域如各层西南向区域风量流线局部堆积。虽然过高的风速能够使人体得以快速散热，却不利于人体保持热中性状态。因此在该工况下，局部热舒适度偏低。如图10b、f所示的图书馆各层西北向区域，因来向风为西北风，故此区域局部PMV指标下降至-2.2。从图10b、f可以看出：一层南向办公区域出现了局部不舒适的情况，办公区域走道的热舒适度较差，PMV指标下降至-2.4。

综上所述，自然通风不是在任意状态下都适用，必须权衡利弊。结合图4可以看出：图书馆室外温度在夜间始终低于23℃，与日均最高温度相差10℃，这体现了新疆地区夏季昼夜温差较大的天气特点。结合该地域特点，可利用PMV指标下降幅度更大的工况二进行夜间自然通风；夜间室外冷空气可直接降低室内夜间气温，消除在白天积蓄的余热，从而使次日开馆时段室内温度不致过高。

从图13可以看出：利用工况一与工况二结合，图书馆室内各层全天PMV指标整体下降了约1.38，室内PMV平均值为-0.63，人体处于该环境下感觉较凉爽。

由图14可知：各层的整体PPD指标也从60.21%平均下降近45%，达到较低的15.96%不满意率。这说明通过合理组织自然通风，室内热舒适度得到了较好的改善。

图13 图书馆各层全天PMV指标对比图Fig.13 Comparison of whole day PMV value in each floor of library

图14 图书馆各层全天PPD指标对比图Fig.14 Comparison of whole day PPD value in each floor of library

3 结论

本文通过对石河子大学图书馆夏季室内热环境的实测及模拟，分析了馆内阅览空间的热环境和舒适度情况，主要结论有：

（1）在夏季正常开馆时期，由于各层多数窗户处于关闭或微开窗状态，使自然通风利用不充分，导致各层热环境始终处于不舒适范围。各层PMV平均值为1.69，偏闷热不舒适。

（2）阅览空间自下而上温度逐渐升高，当室外温度幅度变化较大时，室内各层温度变化较不明显，说明图书馆中庭在室内微气候中具有一定的调节作用，室内整体的热舒适性也随着层数的增加而出现下降的趋势。

（3）当图书馆处于工况一时，图书馆室内热环境得到明显的改善，PMV从1.69降至-0.53，处于较凉爽范围，建议此方案在正常开馆时段使用；当图书馆处于工况二时，局部出现PMV低于-2的较差情况，使人体较不舒适。应结合昼夜温差特点在夜间无人时段利用该工况进行自然通风。

（4）采用工况一与工况二进行合理自然通风，能够使图书馆室内整体PMV指标有效地降低至-0.63，同时也能大幅度使不满意率下降至15.96%，使得图书馆夏季室内达到较为凉爽适宜的范围。