张家口地区高校教学楼冬季室内热舒适调查研究

梅 兰 杨 薇 王 苗

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

0 引 言

教室是开展教学活动最主要的场所,是与广大师生关系最密切的室内环境之一.教学环境的舒适健康对学生的学习效率和身心健康起重要作用,对教学质量有直接影响,因此,教室室内的热舒适环境显得尤为重要[1].寒地高校教学建筑冬季采暖能源消耗大,存在着能源浪费现象,节能潜力相当可观.

由于不同地域、不同社会背景的人对热舒适的适应性存在差异,因此,目前国际通用的热舒适评价标准(如ASHRAE 55标准[2]和ISO7730标准[3])不一定具有普适性.本研究立足冀西北地区,结合寒冷地区气候特点,选取具有代表性的高校为研究对象,通过实地调研,分析研究人体热舒适对不同类型教室热环境的适应性,以期对改善该地区高校教室冬季室内热环境和节约能耗方面有一定的参考价值.

1 研究对象与研究方法

1.1 研究对象

本次调研选取张家口地区典型高校——河北建筑工程学院作为研究对象.此高校所处区域的气候特征为温带大陆性季风气候,属于我国建筑热工分区的寒冷地区.主教学楼“明德楼”为综合性教学楼,教室主要有公共教室(共有54间,位于1—5层)和专业教室(共有28间,位于5—8层)两种类型.公共教室供不同专业不同年级的学生上公共理论课程使用,亦可作为公共自习教室,使用频率高,人员流动性大;专业教室为特定专业的学生提供绘图教室,小班教学,使用人员和时间固定.本次调研选取相同面积、朝向、楼层,相近位置的公共教室和专业教室各一间进行对比分析.

明德楼的冬季采暖方式为集中式的窗下散热器采暖,采暖周期为160天(10月25日—次年4月5日).本次调研时间选在12月26日进行(虽测试时间仅一天,但冬季采暖教室的室内温湿度比较稳定),时间集中在8:00～20:00,同步进行问卷调查和物理测试.期间室外空气最高温度为1℃,最低温度为-12℃,平均温度为-4.4℃,已接近1月份平均气温,没有大风降温情况,气温波动幅度不大.

1.2 测试参数

大量实验研究表明,影响人体热舒适的主要物理环境因素有空气温度、空气湿度、空气流速以及平均辐射温度.人体活动量与衣着状况也是影响热舒适的重要因素[4].由于在实验室条件下,平均辐射温度与室内平均温度的绝对值差别很小[5].因此假定人体均匀对称受热,那么教室室内空气的平均辐射温度与平均温度在数值上近似相等.故本次测试参数主要有室内空气温度、空气相对湿度和风速.

1.3 测试方法

测试人员手持温湿度仪和微风温度仪同步进行测试,仪器距地面垂直高度为1.1m～1.6m,每隔30min读取一次数据.为减少误差,读数时每隔十秒钟记录一次数值,5分钟内共记录30组数值,然后取其平均值.两个教室的房间参数和测试情况见表1.

表1 教室的房间参数和测试情况

1.4 问卷调查

调查对象为在测试教室上课和上自习的学生和教师,填写问卷时师生至少在教室内停留30分钟以上,处于静坐状态时进行.共发放问卷200份,回收有效问卷186份,其中公共教室126份,专业教室60份,回收率为93%.问卷调查的主要内容如下:

(1)受试者的背景,如性别、年龄、身份、所在地的居住时间、衣着状况(上衣、下装、鞋和配饰)等(统计结果见表2);

表2 受试者的背景数据统计表

(2)受试者对教室内的冷热感受、潮湿感受、风速感受的主观评价,均采用7级标度表示.

(3)受试者对热环境舒适度的主观感受、对热舒适环境的接受程度、对室内空气质量的评价以及对舒适环境的期望等.

2 测试与问卷调查结果分析

2.1 空气温度

教室室内空气温度平均值曲线如图1(a)所示,公共教室的空气温度范围是20.7～24.7℃,专业教室是22.5～26.7℃.测试时段内公共教室的平均温度为23.1℃,专业教室为24.9℃.参照我国《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736—2012),冬季采暖房间舒适温度为18～24℃[6].因此,公共教室的室内温度符合要求,但平均温度偏高;专业教室的平均温度超过了规定温度的上限,并且在测试时段内70%的时间里室内温度均超过24℃.

(a)室内空气温度曲线 (b)热感觉投票分布频率图1 教室的空气温度与热感觉投票分布频率

参考预测平均热感指标PMV,将人体对环境的冷热感觉划分为7级标度,投票值为-3(很冷)、-2(冷),-1(有点冷)、0(适中)、+1(有点热)、+2(热)、+3(很热).热感觉投票值分布频率如图1(b)所示,公共教室和专业教室热感觉投票值为-1、0、+1的分布频率之和分别为92.1%和83.3%.PMV-PPD指标规定至少83%的受试者能够接受的环境即为热舒适环境(即不满意百分数PPD≤17%).由此说明公共教室的师生认为此时的冷热感觉是可以接受的,而专业教室的热感觉投票值仅达到下限,表明受试者认为此时的冷热感觉刚刚可以接受,且有51.6%的人投票值在+1、+2、+3,可见在专业教室感觉热的人数超过一半,这主要是由于该教室室内温度偏高所致.

2.2 空气相对湿度

图2(a)为教室室内空气相对湿度的平均值曲线,从图中可知,公共教室的相对湿度范围是12.1%～19.9%,专业教室为11.6%～21.7%,变化幅度相对较大.测试时段内公共教室的平均相对湿度为16.2%,专业教室为16.0%.规范要求冬季采暖房间舒适的相对湿度为30%～60%[7],由此可见,两教室室内的空气相对湿度远低于标准值下限,均不符合要求.

(a)室内空气相对湿度曲线 (b)湿感觉投票分布频率图2 教室的空气相对湿度与湿感觉投票分布频率

将人体对环境的潮湿感受划分为7级标度,投票值为-3(很干)、-2(干燥),-1(有点干)、0(适中)、+1(有点湿)、+2(潮湿)、+3(很潮湿).湿感觉投票值的统计结果如图2(b)所示,公共教室和专业教室分别有80.8%和73.3%的人湿感觉投票值为-1、0、+1,这表明受试者对此时的湿感觉是不接受的,说明两教室室内的湿度状况并未达到舒适要求.调研时也有很多师生反映冬季在教室内上课会有口干喉痛、燥热心烦等不舒适感受.另外,在专业教室有78.3%的人湿感觉投票值为负值(表示干燥),超过了总人数的四分之三,比公共教室多出18%,可见专业教室的湿感觉舒适度比公共教室更低.

2.3 风速

教室风速的测试结果如图3(a)所示,公共教室风速的范围是0.07～0.23m/s,平均风速为0.11 m/s,专业教室风速的范围是0.06～0.15m/s,平均风速为0.12 m/s.规范要求冬季室内活动区的平均风速应为0～0.3m/s[8].由于寒冷地区冬季室内开窗换气的次数不多,测试期间窗户处于封闭状态,因此两教室室内风速值都偏低.虽然两教室的平均风速相差甚微,但由于学生在专业教室的主要活动是画图,绘图时或坐或站,时而还会走动,所以专业教室风速的波动幅度比公共教室大.

(a)室内风速曲线 (b)风感觉投票分布频率图3 教室风速与风感觉投票分布频率对比

将人体对环境的风感觉划分为7级标度,投票值为-3(很闷)、-2(闷),-1(有点闷)、0(适中)、+1(有风)、+2(风有点大)、+3(风很大).风感觉投票结果见如图3(b),由图可知,公共教室有82.6%的人风感觉投票值为-1、0、+1,这表示大家基本接受当时的风速状况.专业教室有68.3%的人风感觉投票值为-1,0,+1,且认为室内闷、甚至很闷的人占31.6%,说明该教室的师生认为室内风环境并不舒适.同时,许多学生反映教室里空气不新鲜,味道大,可见教室内风速低,通风换气不畅会影响室内空气质量.

2.4 热舒适满意度与期望

将热舒适满意度划分为7级标度,投票值为-3(非常不舒适)、-2(不舒适)、-1(有点不舒适)、0(一般)、+1(比较舒适)、+2(舒适)、+3(很舒适).教室热舒适满意度的投票结果如图4所示,公共教室有81.7%的人热舒适满意度的投票值在-1,0,+1,说明该教室师生对室内热舒适基本满意.专业教室仅有70.0%的人热舒适满意度的投票值在-1,0,+1,且认为不舒适(投票值在-3、-2、-1)的人占33.4%,远超过公共教室,表明专业教室的热舒适并不令人满意.

图4 热环境舒适度投票 图5 热舒适期望投票

师生对教室室内温度、湿度和风速的期望如图5所示.由统计结果可知,专业教室期望室内温度降低的人占50%,公共教室接受温度不变的人数最多,达56.3%.公共教室和专业教室分别有73.3%和65.9%的人期望室内湿度升高,可见师生普遍认为教室湿环境需要改善.专业教室期望室内风速再大一些的人数最多,占55.0%;公共教室期望室内风速不变的人数最多,占48.4%.

3 结 论

(1)专业教室空气温度比公共教室高,超出了舒适范围,且有半数以上的人感觉室内偏热.这是由于测试期间专业教室的学生在绘图,人数固定,而公共教室的学生在上自习,人数随机.在其他环境条件近似相同的情况下,考虑到人体热源的影响,教室内温度的高低主要取决于教室内人数的多少和停留时间.因此,对于使用人数集中,教学活动固定的专业教室,可以适当降低采暖温度以改善室内热环境舒适度,同时节约能耗.

(2)公共教室和专业教室的相对湿度远低于标准值下限,均不符合要求.并且师生普遍反映冬季在教室内上课会有口干喉痛、燥热心烦等不舒适感受.说明教室内空气比较干燥,应当采取一定的措施增加空气湿度.

(3)两教室室内风速值都偏低,这是由于冬季室内门窗关闭所致.专业教室的师生对室内空气质量的要求更高.在密闭空间内,随着人数的增多,室内空气质量会变差,不新鲜的空气会影响学习效率,因此应采取有组织的通风换气来改善教室内的空气质量.

(4)公共教室的师生对室内热舒适基本满意,而专业教室的热舒适并不令人满意.在两教室的空气湿度、风速、衣着状况等影响因素近似的情况下,专业教室热舒适性差的主要原因是室内空气温度偏高,说明温度是影响热舒适最主要的因素之一.