严寒地区某高校教学楼室内热环境实测与研究

朱清玥 程卫红 程岩松 吕龙飞

(东北林业大学,黑龙江 哈尔滨 150000)

教室作为大学生日常学习生活的重要场所,室内环境的各种因素都会影响到学生的学习状态和学习效率。

被调研高校地处哈尔滨市,为温带季风气候,冬季漫长,按建筑热工规范,处于严寒地区,每年供热时间为10 月20 日- 次年4 月20 日,供热时间为180 天,该高校采用的是集中供暖,12 月份-1 月份是该地区一年中最冷时期。

1 研究方法

在2021 年12 月9 号-2021 年12 月15 号对严寒地区某高校教学楼室内环境进行现场实测,测得室内的温度、湿度、PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM2.5 等粉尘含量、二氧化碳含量和照度等,并对自习人员进行主观调查,得到预测平均热反应PMV/PPD 评价指标,从主观和客观两方面对教学楼室内环境进行评价,适当提出可行的改进意见。

1.1 测量的教室及教室内测点选择

该高校教学楼共10 层,建于20 世纪70 年代,该楼为框架结构,层高约4.6m,楼高约49m,1-8 层为流动上课教室,9 层以上为机房和其他专用教室,因功能教室不具有代表性,1 层为地下层存在多个特殊因素,本次调研选用2 层(进门层)、5 层、8 层(上课教室最高层)的南向和北向教室各一间。

每个教室的座位数量在123-128 之间,面积都在128m2左右,教室共有12 排座位。根据规范,测点应以对角线或梅花式均匀布置,与墙壁间距大于0.5m。根据学生上课和自习的座位分布[1],结合实际情况,本次调研在每个教室内选取9 个测点,包含了教室前部、中部、后方和靠窗侧、中间位置、靠门侧所有位置,具体测点安排如表1。

表1 教室内测点布置

1.2 数据测量过程

严寒地区冬季为散热器供暖期,测试期间为散热器白天供暖状态,窗户是关闭状态。为更接近人在自习时的感官体验,测试时粉尘检测仪、温湿度计等气体检测仪和照度仪放置于桌面上方30cm 左右高度,测量光照情况时模拟人的书写状态。每个测点停留时间为1min,每个教室每次测量时间约为10min,从早上9:00 到下午17:00 每隔两小时采集各教室数据一次,每个教室的每个测点得到1 组数据,共54 组数据。

1.3 发放调查问卷

问卷发放调研时间是2021 年12 月11 号,地点是丹青楼2 楼、5 楼、8 楼教室中的自习人员,采取现场扫码填写问卷的方式,在学生中得到了较广泛、真实的主观调查结果。

2 室内环境测量结果与分析

测量期间基本为降雪天气,室外温度与湿度大致如表2 所示。

表2 测试期间室外温湿度

2.1 教室人员密集情况室内环境情况

教学楼多为上课用,本次调研在线下课期间,实地测量了高校某教室课前课后气体环境变化。本次测量的时间为课前7:45 与课后9:45,教室面积128m2,上课人数110 人。

根据粉尘检测仪结果,绝大多数教室所有测点的甲醛、PM10 含量基本为0,在之后的分析中将不考虑这些参数的影响。为更好地体现室内环境在不同时段变化,在PM0.3-PM5.0 中,选取PM1.0 的测量结果代表本次调研室内粉尘含量。

2.1.1 上课前后温湿度变化情况(图1)

图1 课前课后室内温湿度变化

课后相比课前温度略有上升,湿度大幅提高,课前室内湿度略低,课前温度和课后温湿度都在《室内空气质量标准》范围内。

2.1.2 上课前后粉尘和二氧化碳变化(图2)

图2 课前课后室内粉尘和二氧化碳的变化

课后室内粉尘含量和CO2含量约为课前的4 倍,课后室内CO2含量超出2000ppm,根据GB/T18883 要求,我国一般教室需要控制在1000ppm 以下,教室需要在课中增加通风,可以在中间休息期间采用人工开窗、开门换气,也可以加装通风系统,实时监测室内CO2含量,与通风系统联动,超出要求时启动换气。粉尘含量超标时解决方法如上。

2.2 人员不密集情况室内环境情况

因疫情原因,数据测量调研期间,该高校大部分时间采用线上授课模式,一日中教室内人员皆在自习,单个教室的自习人数在8-12 人,人员数量相对少且稳定,对室内热环境的影响都也相对稳定。

2.2.1 温湿度测量结果和分析

对教室每个时间段各测点处的温湿度,采用多次测量取中间值的方法,并取9 个测点的平均值作为教室该时间下的温湿度值(图3)。

图3 南向与北向教室的温湿度值

由测量数据可得,在自习人数基本一致的情况下,南向教室日间温度大于北向教室,主要原因为朝向不同,但是不同位置和朝向对于建筑全年能耗的相对影响范围较小[2]。数据显示,该栋楼两层教室室内温度远低于5 层和8 层的教室的温度,主要原因有两点：

第一,供热工程中的垂直失调；

第二,两层连接外门,在散热器片数与其他层教室布置相同情况下两层室内温度较低。

通过折线可知,一天中教室内的日间湿度较稳定,早晨相对较低,后慢慢升高,室内湿度低于室外湿度。

2.2.2 CO2含量与PM1.0 测量结果和分析(图4)

图4 南向与北向教室的粉尘和二氧化碳含量

由折线可知,日间教室内的CO2含量呈上升趋势,都在舒适范围内。

2.3 日间照度测量结果与分析

人员密集与否对室内光照基本无影响。室内照度上午9：00 时约在400-500lux,中午11:00 与下午13:00 有所上升,均值在600-900lux,下午15:00 与17:00 照度在400-600lux。某教室同个时间段的9 个测点照度分别为583.1、673.12、595.5、526.8、562.3、552.3、463.9、348.5、339.1lux。因日间教室室内日光灯不是全部打开的状态,测点间的照度相差较大,教室内光照不均匀,并且低楼层室内照度低于同时段的高楼层。

2.4 结论与改进

教室内人员密集情况一天中各数据波动较人员较少情况剧烈很多,为给学生提供更好的上课环境,我们做出提出建议：课间打开教室前部和后部各一扇窗户与一扇门,并保持打开状态5min(以下简称开窗情况),并实测该情况下课前课后的室内环境。

温湿度变化差异不明显,课前温度基本相同时,课后温度开窗情况比课间不开窗情况低1℃左右,湿度低6%左右,粉尘与CO2含量有很大不同,如图5 所示。

图5 中途通风时课前课后室内温湿度变化

对于开窗情况课后的粉尘与CO2含量是中途无通风的一半左右,说明课中开门窗换气的措施能极大降低人员密集场所粉尘与CO2含量大幅升高对室内的人带来的影响。

继续改变中途通风时间进行测量对比,发现当课中通风时间超过8min 时,温度和湿度收到影响较大,可能是引起不适。建议中途换气时间不超过8min,打开的窗户数量与换气时间可根据教室内人数与人数/空座数跳整。

3 基于客观数据的热环境舒适分析

3.1 预测平均评价

为了量化人的冷热感,本次调研采用具有代表性的热环境综合性评价指标——预测平均热反应PMV 评价指标[3],其中人的热感觉与人体热负荷之间关系的实验回归公式[4]：

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.0275]TL

因供暖时期窗户紧闭,取风速v=1.0m/s,每个教室温度与湿度取一天中不同时间段的平均值作为该教室日间温湿度,得到每个教室的PPD 数值,见表3。

表3 各教室的PMV 值

3.2 预测不满意百分比

为了预测教室室内环境中所有人群的感受情况,本次调研采用预测不满意百分比PPD 指标进行分析,其中不满意百分比PPD 采用公式：

PPD=100-95exp[-(0.3353÷PMV4+0.2179PMV2)]

代入PMV 数据得到PPD 值如表4 所示。

表4 各教室的PPD 值

4 主观调查结果与分析

本次调研参考相关资料,结合教室室内环境情况,最终选用“问卷星”平台,发布了关于“某高校丹青楼教室室内环境舒适度调查表”的调查问卷,内容包括了热感觉、湿感觉、异味、光照等,通过扫描二维码进入填写页面。本次调研共收到110 份有效问卷,110 名被调查者都为学生,男性占39.09%,女性占60.91%。

4.1 热感觉调查结果

本次调研采用ASHRAE 7 点标度,-3、-2、-1、0、+1、+2、+3 分别为冷、凉、较凉、适中、较暖、暖、热。热感觉调研结果：36.36%的人认为教室内热环境适中,16.36%的人认为较凉,10%的人认为凉,21.82%的人认为冷,10.91%的人认为较暖,3.64%的人认为暖,0.91%的人认为热。

4.2 湿感觉调查结果

与热感觉一样,湿感觉采用ASHARE 7 点标度表示,-3、-2、-1、0、+1、+2、+3 分别为很干燥、干燥、较干燥、舒适、较潮湿、潮湿、很潮湿。湿感觉调查结果：11.82%的受试者认为很干燥,17.27%的人认为干燥,40.91%的人认为较干燥,24.55%的人认为舒适,5.45%的人认为较潮湿,大多数受试者觉得教学楼室内环境偏干燥。

4.3 教室室内异味

因调研时间处于严寒地区冬季供暖期间,教室窗户紧闭,通风相对较差,空气流通减少,有53.64%的人认为教室内存在轻微异味,16.36%的人认为教室内存在较强的异味,30%的人认为教室内没有异味。

4.4 教室室内粉尘

该教学楼每天有保洁人员进行1-2 次定时清扫,39.09%的受试者觉得教室内无粉尘感,50%的受试者觉得教室内存在轻微灰尘,10.91%的受试者觉得教室内异物感明显,该教学楼清扫工作基本符合学生需求。

4.5 教室室内光照情况

关于教室内明暗程度,本次调研,7.27%受试者认为室内过暗,40.91%的受试者认为有些暗,45.45%的受试者认为亮度适中,看室内黑板比较清晰,6.36%的受试者认为过亮。

4.6 教室室内环境总体满意度调查结果与分析

对教室室内环境总体满意度调查中,学生对教室室内环境的满意度总体较高,比较认可,具体数据如图6。

图6 教室室内环境总体满意度调查结果

4.7 结论与改进

通过本次对哈尔滨某高校室内热环境实测中可以发现,学生对教室室内环境总体满意度较高,根据调查结果,具体建议如下：

4.7.1 教室室内异味方面需要关注,建议每日保持一定次数的开窗通风,课中保持一定时间的通风后67%的学生认为没有异味,总体满意度上升15%。

4.7.2 教室室内温度偏低,不满足大多同学的热舒适要求,尤其是2 楼教室温度偏低,建议加强外门处入口的防冷风渗透,可以加装热空气幕等。

4.7.3 学生普遍反映室内偏暗,可以根据实际要求调整感应灯的灵敏度,延长照明时间,或调整人工照明的布置。

5 结论

5.1 结合主观与客观结果分析,人员密集情况下,中途保持通风换气对室内空气质量改善较明显,该做法可以应用至日常上课。

5.2 室内热环境预测满意度和实际调研满意度不够理想,PMV 值较低,PPD 值较高根据实测结果主要是温度偏低,结合主观客观调查结果分析得,需适当加强冬季教学楼供暖。

5.3 冬季供热期间室内相对湿度较低,学生感觉较干燥,可采取适当加湿方式(如加设加湿器、洒水等策略)提高室内相对湿度,使室内环境更加舒适。