不同气候区高校建筑室内热舒适研究

常逸航，刘欣怡，朱孟颖，张欣悦，张一鸣，郑武幸

(西北工业大学 力学与土木建筑学院，陕西 西安 710129)

1 引言

绿色建筑也称生态建筑、低碳建筑、可持续建筑,其主要内涵包括在建筑选址、设计、施工、使用运营、管理及报废的过程中，在维护生态环境平衡的条件下，充分利用资源，满足人类经营及活动的安全、健康、高效、舒适，达到人与建筑的生态和谐[1]。2013年，中国绿色建筑委员会发布CSUS/GBC04-2013《绿色校园评价标准》，标志着我国绿色高校建设有据可依。

高校建筑是各高等学校为帮助学生和老师达成教学目的而提供的活动场所，是校舍、校园、运动场及附属设施的集合，其中校舍包括宿舍楼、教学楼、体育馆、活动中心、图书馆和游泳池等校内的各类建筑[2]。2019年10月1日起实施的GB/T 51356-2019《绿色校园评价标准》以单个或学校整体作为评价对象，从规划与生态、能源与资源、环境与健康、运行与管理、教育与推广和特色与创新6个方面作出规定，同时要求了校园建设应该坚持绿色节约的设计理念，保障学生的生活健康，为学生提供良好的环境[3]。

对于学生来说，最主要的室内环境是作为公共建筑的图书馆和教室，以及用于学生休息的宿舍。本文将对这两类校园典型建筑室内热舒适的研究进行综述，有助于为高校建设节约型校园提供参考。通过本课题的讨论，可以了解高校室内舒适度,分析影响室内热舒适的相关因素对绿色节能建筑设计的影响。以此帮助建筑师在高校校园建筑设计上选择设计策略,营造舒适建筑环境。

2 热舒适评价模型与研究方法

1970年，Fanger教授进一步在人体热平衡方程的基础上，加入了代谢与热感觉两个方面，提出了预测平均投票数和预测不满意百分比两个热舒适评价指标。由于预测平均投票数和预测不满意百分比两个热舒适评价指标综合楼影响热舒适的6个因素。

热舒适评价指标是室内热舒适研究的重要依据之一，1970年Fanger对McNall等在卡萨斯州立大学所进行实验得出4种新陈代谢下的热感觉进行曲线回归分析，得到预测平均热感觉满意指数PMV，成为全世界通用的热环境评价指标，并被国际标准IS07730收纳[4]。之后Fanger教授又提出了PMV-PPD(预测不满意百分数)指标。它代表大多数人在同一情况下的冷热感觉，可以用于预测人体在热环境中的热反应，是将1396名受试者在室内参数稳定的人工气候实验室内进行热舒适实验所得的结果进行统计分析，并以人体舒适度方程和ASHRAE的热感觉7级分级法为基础，提出了体现人体热舒适性的一个比较客观的指标。PMV-PPD指标综合考虑室内环境因素和人体的因素，并结合人的心理和生理方面的感受，是目前考虑人体舒适性影响因素最为全面的评价指标，得到了世界的公认。

现如今，对建筑进行室内热舒适研究时，热环境调查的方法一般分为两类，人工气候室模拟和现场调查研究。而在调查高校建筑室内热环境时，通常采用的是现场调查研究的方法。

现场调查研究一般采用实地考察加问卷调查的方式进行。实地考察采用的仪器主要有黑球温度仪，万向风速仪，温湿度计等(图1、图2、图3)。实地考察利用实测数据对房间进行对比分析，从客观的角度对房间室内热舒适进行研究，但由于一些变量无法长期实时进行监测(如实时天气、温度、气流流速、人为进出等因素)，所得结果只能在一定程度上反应房间的热舒适条件。问卷调查根据调查对象，选择最合适的样本范围，使得所选择的样本可以基本代表这一人群的热感觉。对于问卷的设计，应该对问题多次修改调整，并根据反馈对问卷的内容进行再次调整，最终达到问题清晰化，回答最简单，最直接，最真实的反映出受试者真实的热感觉，从而获得受试人群最准确，最具有代表性的主观热反馈。

图1 黑球温度仪

图2 万向风速仪

3 高校公共建筑室内热舒适研究现状及分析

我国不同地区气候条件对建筑影响具有差异性，1993年我国制订了《民用建筑热工设计规范》，确定了我国建筑热工设计分区的原则和分区范围。整个建筑热工设计分区将全国划分为5个建筑热工设计分区我国。分别是严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区(表1)。每个地区高校室内热舒适的研究应当根据其不同的气候条件分别进行分析[5]。本文根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》中不同气候区的差异，主要分为严寒地区与寒冷地区，夏热冬冷地区、夏热冬暖地区与温和地区两类。

图3 温湿度计

3.1 严寒地区与寒冷地区

李爱雪[6]在对哈尔滨大学的研究中，根据实地调研测量出的热环境数据与收集到的基于ASHRAE 55标准中的热舒适等级所制的调查问卷，并通过对问卷分析得出舒适湿度，对平均热感觉投票值MTS的分析得出热中性温度，与自制模型模拟所得环境热舒适温度进行比较，从而对教室内学生热舒适感觉进行了评价。然而所得热中性温度与预测舒适温度仍存在较大差异。这是因为他们所采用的分析模型与传统的PMV—PPD模型相似，没有考虑到人的心理因素和心理影响[7]。

表1 建筑热工设计分区及设计要求

代金、姜曙光、徐鑫、吴梦云在对石河子大学教室进行研究时[8]，就对人的主观这一方面进行了更深的探究。他们根据Fanger提出的期望因子e，修正当量稳态空调条件下计算出来的PMV，得到了修正模型PMVe，然后采用不同于PMV/PPD的Griffiths模型，其考虑被测试者经过一段时间对热环境的适应及自我调节，从而降低回归相关系数，得出舒适温度。Griffiths模型适用条件广泛，不受地区以及通风、制冷模式限制[9]。而在杨松的研究中[10]，则对人的主观感受又进行了细分，如性别、体型、年龄以及是否北方人四部分。并采用chi-square检验方法[11]来验证这些因素是否可能会影响到人体的热感觉投票值，得出的预测热舒适环境更为精确。由此可以看到，北方教室内热环境舒适度评价的精准与否主要取决于调查研究时有没有考虑人对环境热感觉心理接受程度这一指标。原因可能在于人对严寒地区教室内热环境的心理预期较低，身体也在一定程度上适应了严寒地区教室内热环境条件，而影响舒适的主要原因往往就是室外天气转变，例如冬季转春季时，教室内采暖情况仍与之前冬季相同，从而导致了人体热感觉明显发生变化。

寒冷地区的热环境特点与严寒地区有一定的相似之处，因为在冬季时，两种地区教室内都采取的是集中供暖方式，因此寒冷地区教室内也存在过渡季节室内空调温度及湿度调节不自然,感觉不舒适的问题[12]。但与此同时，寒冷地区也有它独特的地方，在赵雪[13]的文章中，调查发现寒冷地区学生感到舒适的温度范围比美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)给出的舒适区温度更宽。而王雪人的研究中[14]，对西安某教学楼教室内热环境的现场仪器测量和基于ASHRAE7点标尺的问卷调查所得到的结果进行分析，发现寒冷地区学生对教室内热环境的接受率相当高，而对气流速度和空气质量的满意度则较低，这点在郑州的教室内热环境研究中也有所体现[15]，因此王雪等将所有热环境可接受投票对应的室内操作温度与室外月平均温度坐标集中绘制，并将ASHRAE标准热适应舒适区绘于其中，得出高校受试者可接受温度的范围超出ASHRAE热适应模型。可见在寒冷地区教室内，学生对环境内的热舒适敏感度更偏向于风速，可见对寒冷地区的教室内整体热舒适进行评价时，人体的操作温度的影响应该占比更多。

3.2 夏热冬冷地区、夏热冬暖地区与温和地区

在衡阳南华大学杨晓敏的研究中[16]，根据问卷所得数据进行了MATLAB编程，得到了全体热期望温度，并与武汉叶晓江得出的教室内热期望温度基本吻合[17]，并指出，夏热冬冷地区教室内热环境具有冬季阴冷、夏季湿热的特点。而在无集中供暖的夏热冬冷地区，教室作为长时间使用及人员聚集的地方，温湿度的调节问题从经济与节能的方面来看，应该主要藉由通风来解决。邱静与凌强在研究夏热冬冷地区教室内人体热舒适时就发现了舒适温湿度调节与通风情况的联系[18]。而李娟、沈天清的研究中[19]，就结合典型年逐时气象数据，运用人体室内舒适温度计算公式针对自然通风对热舒适温湿度调节的影响进行了分析，得到的结论是，自然通风调节热环境能力最高的时间段主要集中在6—9月份，在7月份，由于空气相对湿度较大，教室内人体舒适温度最高值被降低，从而补偿效果会受限。总体来说，在夏热冬冷地区普遍环境下，教室内的通风情况对热舒适的调节是相当重要的。

在季节满意度调查方面，杨晓敏得出的结论是过渡季节>夏季>冬季，这与严寒地区和寒冷地区有明显的不同，说明夏热冬冷地区的教室热环境还与使用人群有一定的关系，因为一般根据学生入学的地域性特征来说，严寒地区和寒冷地区或者夏热冬暖地区和温和地区，都主要是本地区的学生入学，夏热冬冷地区则是南北方学生都占有一定比例，而两个群体对热环境的敏感度各不相同，杨晓敏等将对热舒适的调查分为南方组和北方组[20]，研究分析数据后发现南方学生对夏热冬冷气候的适应性高于北方学生。因此人群的分类也是夏热冬冷地区教室内热舒适研究的一项重要考量。

在夏热冬暖地区和温和地区，室内热环境的特点没有其他热工分区那样较为突出[21]。但因为这两个地区的主要热工要求是夏季防热，因此，保证人体热舒适和建筑节能的关键是控制夏季空调房间的室内空气温度、空气湿度以及气流速度，尤其是空气温度和气流速度[22]。在夏热冬暖地区和温和地区，对教室内人体热舒适范围的确定应该是热舒适研究的重点。

马倩[23]主要将空气温度、湿度、空气流速、平均辐射温度、人体活动情况和衣服热阻这六大影响人体热舒适的因素采用层次分析法进行相互比较(表1)，然后通过矩阵对特征值进行分析，从而判断各个因素间的相对重要程度。同时，马倩还结合了问卷调查所得的主观的评价，来对热舒适进行模糊综合评判。

表2 判断矩阵标度及其含义

应用层次分析法，马倩对空调房间的夏季室内热环境评价进行了组合优化，得出了在不同着装、不同湿度、不同活动情况下，满足热舒适条件的室内温度和风速组合变化范围，进一步证实了人体活动强度和空气湿度的影响主要表现在高温和低风速场合，且这种不适感会随空气湿度和人体活动量的增加而增加，与问卷所得热感觉评价基本一致。这为以后的夏热冬暖地区及温和地区的教室内热舒适研究发展提供了一个可行的方向。

图书馆作为除教室以外使用最多的公共空间，热舒适问题与教室基本相同，但图书馆也有本身独特的热环境问题，一是由于图书馆内采光所需要的大面积玻璃导致的夏季室内气温上升导致热舒适下降的问题，在朱尚斌的研究中[24]，学生对图书馆热环境的不满意评价基本是因为对夏季图书馆内靠窗位置与屋顶天窗下的中庭位置过高温度的不适应，靠近建筑内部的座位大多感觉比较舒适，以及一层学生大多感觉温度舒适，顶层学生感觉温度过高；二是在夏季有相当一部分学生对室内风速感觉到不满意[25，26]，大部分学生都感觉无风或闷热，尤其是在中庭空间，而仅仅在通风口处的同学有微风感。可以发现，学生在图书馆内热舒适热感觉所存在的问题基本与所在位置有关系，比如顶层靠窗同学就不如一层内部的学生来的舒适，在之后关于图书馆热环境学生热舒适的研究应该注意学生所处的位置信息，确保对学生热舒适的评价足够准确客观。

3.3 小结

根据上文可以得出，在严寒地区和寒冷地区进行校园公共空间室内热舒适研究时，调查时一定要考虑学生对环境热感觉心理接受程度状况；而在夏热冬冷地区则需要考虑人员的地域性，因为南北方的学生对夏热冬冷地区的环境需求与适应还存在很大的差异，夏热冬暖地区和温和地区则需要综合考虑各项数据确定舒适度范围。针对不同的地区内的公共建筑，室内人体热舒适的测量应考虑建筑内部的某些特殊点，否则会导致最终评价结果与实际调查有所差距，从而失去研究的合理性。

4 高校宿舍学生热舒适研究现状

4.1 严寒地区与寒冷地区

据王竹林[5]调查，严寒地区宿舍内学生对偏冷环境比较敏感，但对于很冷的环境反而很强的适应性，这与校园公共建筑室内热环境研究所得结论基本一致，但是室内空气温度稍低时，学生还是希望宿舍更暖一点，这是因为宿舍作为学生上完课休息的场所，学生更加想要一个温暖舒适的环境。这也说明了宿舍与教室、图书馆的不同，即受试者的热阻值受到室内外环境和行为调节方式的影响，各阶段内教室、图书馆内学生的热阻值都大于宿舍内学生的热阻值[27]。

从客观角度来看，宿舍空间较为狭小，在不开窗或开门的情况下，热量不易散发，因此学生的环境舒适范围比在公共建筑里更大一些，但同时，开窗或开门会导致冷风渗透，靠近外窗和门的学生会有吹风感，在严寒地区冬季，这种冷风对人体热舒适的影响非常大。

在过渡季节，学生的接受度则相较于教室要更高一点，这也是因为学生更需要宿舍的环境相较于教室等公共建筑能够更温暖一些。而到了夏季，因为宿舍狭小，通风不畅，北方天气又较为干燥，室内温度在大多时间里超过了学生的热舒适范围。

寒冷地区宿舍内学生热舒适情况与严寒地区大致相同，寒冷地区的学生也不能忍受夏季宿舍室内的高温环境[28]，这与宿舍设计有一定的关系，严寒地区与寒冷地区宿舍设计均偏向保温方面，主要以冬季及和过渡季节的学生热舒适为主，牺牲了夏季室内热环境的合理调节，导致大部分学生在夏季的室内热环境满意度偏低，且会主要采取使用空调或昼夜开窗的方法来调节室内环境，来加强室内空气对流[29]。可见，在严寒地区和寒冷地区的学生宿舍进行室内热环境及人体热舒适调查研究中，如果要对宿舍热舒适进行全方位的评价，针对不同季节进行判断相当重要，这是因为严寒地区和寒冷地区的学生们在不同的季节里，对宿舍热环境的主观期待是不一样的。

4.2 夏热冬冷地区、夏热冬暖地区与温和地区

在夏热冬冷地区，学生宿舍的热舒适问题则更为明显。张启宁[30]通过对合肥地区的高校宿舍进行现场实测和问卷调查以及分析得出，宿舍室内热舒适存在以下问题：夏季宿舍隔热性能差，从而室内温度高；夏季宿舍内的通风差，不合理的通风导致热量不能散出；冬季宿舍保温性能差，从而使冬季室内温度低造成人体舒适度下降：建筑的门窗气密性不足使冷风渗透现象严重。晏旺[31]结合了实测热感觉投票值TSV与PMVe预测模型进行分析，得出的结论也基本印证了这一观点：在夏季，学生的期望温度比预测所得热中性温度低，学生期望更凉爽的环境；而在冬季，学生的期望温度比预测所得热中性温度高，学生期望更温暖的环境。

由此可见，夏热冬冷地区的宿舍建筑所存在的主要问题是维护结构的保温隔热。而在学生普遍对宿舍室内热环境不满意的情况下，也必然会采取一定的适应行为。在进行夏热冬冷地区的宿舍热舒适研究时，将这些行为也加以考虑，则会使得研究所得学生热舒适范围更为合理。

夏热冬暖地区和温和地区的学生宿舍不用考虑室内的保温，在冬季，这些地区的学生对宿舍室内热环境满意度较高，阴壮琴[32]等人采取了问卷调查及现场实测的方式，并以PMV、MTS与标准有效温度SET为主要热舒适指标对所得数据进行了分析，并判断出在冬季，学生在宿舍所测得的MTS基本都大于PMV，温度越低，差值越明显。这是因为基于PMV制定的国际标准并不完全适用于我国的夏热冬暖地区和温和地区这种湿热地区。同时他们将实测学生热不满意率与PMV-PPD回归方程所得预测热不满意率进行了比较，实测值比预测值要低得多，说明学生对夏热冬暖地区冬季的宿舍室内热环境还是比较满意的。而利一峰[33]着重研究了夏季有空调情况下宿舍室内热舒适的情况，问卷调查得到，学生大多数对室内热环境表示满意或可以接受，但问卷中湿感觉为有点干的比例占41.0%，而对室内湿感觉表示舒适的仅占29.5%。究其原因是由于学生宿舍空调的设定温度普遍过低，这也从侧面反映了学生降低室内空调设定温度，导致室内空气偏干燥。

4.3 小结

现在宿舍热舒适仍存在有许多的问题，在严寒地区和寒冷地区，宿舍通风设计差，在夏季时，室内热辐射不能很好的散发，导致大多数学生不能忍受室内的高温环境；而夏热冬冷地区大部分宿舍不仅夏季室内通风差温度高导致学生舒适度下降，而且还存在冬季维护结构保温性能不足室内温度低导致学生舒适度下降的情况；夏热冬暖地区和温和地区存在的问题不是很明显，绝大部分学生对宿舍室内热环境表示满意，但也有夏季空调温度过低导致室内空气干燥，从而一定程度上降低学生舒适度的现象。总体来说，宿舍作为学生在校期间使用时间最久的休居住场所，受季节，也就是室外热环境影响非常大，无论在哪种地区，在对其进行舒适度评价时应该尽量收集测量到各个季节的数据，再加以比较分析，才能准确且全面地得出结论。

5 结论

我国绿色建筑与绿色校园发展较国外来说比较缓慢，现有校园建筑室内热舒适都存在着一定的问题，而且不同热工分区、不同建筑类型的建筑在不同的季节里所表现出来的问题都有相当显著的差异，这给以后校园建筑室内热环境的改造带来了一定的难度。

同时因为人体本身对环境的习惯与心理预期的原因，来自不同地区的学生们对热环境的感知有所差异，北方学生对热的敏感度要高于南方学生，而南方学生对冷的敏感度则要高于北方学生。南北方学生对环境变化的感知不同，再加上季节变化的影响，导致学生们对室内热环境的舒适需求是动态变化的，而现有的大部分高校建筑并没有办法满足这种动态需求。

因此，我国校园建筑室内热环境在进行研究改造时要对不同季节、不同建筑类型、不同热工分区的校园建筑室内热环境情况进行综合对比，有针对性地采取加强措施。更重要的是，校园建筑室内热舒适的研究应该着重分析学生们对各种热环境因素的适应性和不同学生之间的差异性，并多利用数学模型统合数据，结合当地热环境分析各种主要因素对热舒适的影响程度，并最终结合使用者主观热感受与客观热环境条件来对室内热舒适情况进行模拟调查。这样才能够更精确得出在本地区最适合绝大多数学生使用的室内热环境条件参数，从而打造更舒适、更节能的、更高效的校园环境。