張寧波， 亢燕銘， 鐘 珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

上海地區(qū)不同建筑布局形式教室冬季室內(nèi)空氣環(huán)境的實(shí)測(cè)研究

張寧波， 亢燕銘， 鐘 珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

對(duì)上海地區(qū)圍合式與非圍合式建筑形式的教室冬季室內(nèi)熱環(huán)境和CO2濃度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，給出了不供暖教室的空氣環(huán)境特征，分析了建筑布局形式對(duì)教室冬季室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)的影響．結(jié)果表明，在上海地區(qū)，不論建筑形式如何，不供暖關(guān)窗教室熱環(huán)境67.8%的時(shí)間均能滿足基本熱舒適要求，但空氣品質(zhì)惡劣，53.7%的時(shí)間CO2濃度超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值．在相同條件下，圍合式建筑教室的較大冬季冷風(fēng)滲透量使得其冬季室內(nèi)溫度低于非圍合式建筑．

教室；高人員密度；圍合式建筑；熱環(huán)境；空氣品質(zhì)

教室是學(xué)校建筑最重要的功能區(qū)．教室的重要特點(diǎn)之一是人員密度高，人是室內(nèi)主要熱源和污染源(散放可揮發(fā)性有機(jī)物、水蒸氣和CO2)．在擁擠空間中，大通風(fēng)換氣率對(duì)提高空氣品質(zhì)是很有必要的，但同時(shí)也可能會(huì)引起大的能量損失(對(duì)于供暖和供冷房間)或惡劣的熱環(huán)境(對(duì)于無(wú)供暖和無(wú)供冷系統(tǒng)的房間)．人員密度大的特征使得教室空氣品質(zhì)與熱舒適和建筑節(jié)能之間的矛盾比其他功能的建筑更加尖銳．

人們對(duì)處于成長(zhǎng)期的青少年所處的室內(nèi)空氣品質(zhì)尤其關(guān)注，文獻(xiàn)[1-7]針對(duì)教室內(nèi)的空氣品質(zhì)和熱環(huán)境進(jìn)行了研究．但這些研究都是以炎熱及溫暖氣候下自然通風(fēng)或房間有供暖與供冷設(shè)施為背景的，這種情況下空氣品質(zhì)與熱舒適需求之間的矛盾或者不存在或者可以通過(guò)提高建筑能耗解決．而關(guān)于冬季寒冷地區(qū)不供暖教室的室內(nèi)空氣環(huán)境的研究很少[8]，這種情況下，空氣品質(zhì)與熱舒適之間的矛盾難以解決，學(xué)生只能在空氣品質(zhì)惡劣和熱舒適性差之間進(jìn)行取舍．

上海地區(qū)盡管具有冬冷的特征，但由于冬季時(shí)間不長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)原因，其學(xué)校建筑多為自然通風(fēng)建筑，較為常見(jiàn)的建筑布局形式為圍合式和非圍合式，通常不設(shè)置機(jī)械通風(fēng)、供暖和供冷系統(tǒng)．文獻(xiàn)[9-11]的研究表明，由于熱壓的作用，圍合式建筑(庭院)的房間自然通風(fēng)效果好于非圍合式建筑．但自然通風(fēng)只能降低室內(nèi)的污染物濃度，如果沒(méi)有主動(dòng)加熱設(shè)施，在冬季很難同時(shí)保證良好空氣品質(zhì)與熱舒適需求．

近20年，我國(guó)許多大學(xué)在新校區(qū)規(guī)劃中，較多地采用圍合式建筑，因此，本文通過(guò)對(duì)上海某高校圍合式和非圍合式教室的CO2濃度與空氣溫濕度的實(shí)際測(cè)量，找出無(wú)供暖措施的教室空氣環(huán)境特征，以分析上海地區(qū)建筑布局形式對(duì)教室冬季室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)的影響．

1 測(cè)量條件與方法

以位于上海市西南郊區(qū)的松江大學(xué)城某教學(xué)樓為背景展開(kāi)實(shí)測(cè)．實(shí)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)分為A、 B兩區(qū)，其中A區(qū)為圍合式建筑，B區(qū)為非圍合式建筑，如圖1(a)所示．兩種布局的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的窗墻面積比和整體保溫性能完全相同．

A區(qū)建筑為4層，B區(qū)建筑為5層，兩區(qū)教室的層高均為4.8 m，窗墻面積比均約為70%．A區(qū)建筑在庭院頂部裝有非完全封閉的玻璃頂棚，玻璃頂棚平面面積約為744.5 m2，頂棚側(cè)面常開(kāi)通風(fēng)口的面積約為248.4 m2，如圖1(b)所示．

為分析兩種建筑布局下教室冬季室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)，分別對(duì)A區(qū)和B區(qū)的典型房間進(jìn)行了連續(xù)實(shí)測(cè)．被測(cè)教室均選在3層，其位置如圖1(a)所示，其中教室A-N和B-N終日接收不到太陽(yáng)輻射，教室A-S基本不受相鄰建筑遮擋，故與教室B-S日照時(shí)間基本一致．

(a) 建筑平面布局及測(cè)點(diǎn)布置 (b) 建筑玻璃頂棚及側(cè)面通風(fēng)口

測(cè)量?jī)x器為美國(guó)TSI公司的7565-X型便攜式Q-Trak空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，可同時(shí)實(shí)測(cè)空氣溫度、濕度及CO2濃度等參數(shù)．實(shí)測(cè)期間，同時(shí)記錄室外空氣溫度、相對(duì)濕度等氣象參數(shù)，并分別記錄A區(qū)和B區(qū)各實(shí)測(cè)教室內(nèi)人數(shù)．

由于建筑布局、室內(nèi)人員密度對(duì)室內(nèi)溫濕度和空氣品質(zhì)均有很大影響，故分別對(duì)教室無(wú)人和上課時(shí)的室內(nèi)空氣環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，以便對(duì)建筑布局和人員密度對(duì)教室空氣環(huán)境的影響分別進(jìn)行分析．實(shí)測(cè)時(shí)，儀器放置于課桌上，探頭離地高度約為1.1 m．無(wú)課且無(wú)人時(shí)，測(cè)試儀置于教室中間位置；有課時(shí)，儀器放置在教室第一排的中間位置，并保證探頭離最近學(xué)生的水平距離大于1 m．各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣間隔為5 s，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存間隔為1 min，即每個(gè)數(shù)據(jù)均為1 min內(nèi)12個(gè)測(cè)量值的平均值．

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)人條件下不同建筑布局教室熱環(huán)境

在教室門窗完全關(guān)閉的情況下，于2012年2月15—17日(寒假期間)對(duì)無(wú)人使用教室的溫度和濕度進(jìn)行了連續(xù)3 d的測(cè)量．實(shí)測(cè)期間室外風(fēng)速很小，風(fēng)力均小于等于1級(jí)，大多數(shù)時(shí)間內(nèi)為靜風(fēng)環(huán)境，因此，風(fēng)力對(duì)建筑通風(fēng)的影響，相對(duì)于熱壓對(duì)通風(fēng)的影響可以忽略不計(jì)．實(shí)測(cè)3 d均為晴天，測(cè)量開(kāi)始之前一星期室外氣溫一直穩(wěn)定在4～12℃，因此，可認(rèn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱對(duì)室內(nèi)氣溫的影響，僅體現(xiàn)在白天對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收和夜間對(duì)太陽(yáng)輻射熱的釋放．圖2為冬季A和B兩區(qū)教室室內(nèi)空氣溫度的逐時(shí)變化曲線．

(a) 有日照教室

由圖2可知，無(wú)論有無(wú)日照，A、 B兩種建筑布局形式室內(nèi)氣溫的差別都很大．圍合式建筑布局教室的室內(nèi)氣溫都低于相應(yīng)的非圍合式建筑布局教室，特別是A、 B區(qū)有日照教室之間氣溫最高值相差4.0℃，溫度最大值出現(xiàn)的時(shí)間相差1.5 h．可能因?yàn)樵跓釅鹤饔孟?，圍合式建筑教室的自然通風(fēng)驅(qū)動(dòng)力比非圍合式建筑的大，當(dāng)門窗氣密性相同時(shí)，圍合式建筑的房間換氣次數(shù)較大，造成房間流失熱量較多，儲(chǔ)蓄的太陽(yáng)輻射熱較少．

為了便于比較室外氣象條件對(duì)不同布局形式建筑室內(nèi)空氣環(huán)境的影響，圖3給出了圍合式和非圍合式建筑有日照與無(wú)日照教室室內(nèi)溫度差值隨時(shí)間的變化曲線．由圖3的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，任一測(cè)試日，B區(qū)有無(wú)日照房間之間的溫差都大于A區(qū)，同樣說(shuō)明了A區(qū)在熱壓作用下的自然通風(fēng)效果良好，減少了有日照房間對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收和儲(chǔ)存，從而降低了日照對(duì)室內(nèi)氣溫的影響程度．

圖3 有日照與無(wú)日照教室室內(nèi)溫度差值隨時(shí)間的變化Fig.3 Variations of the indoor air temperature difference between classrooms with and without solar radiation

天氣突然降溫時(shí)，墻體的熱惰性可阻止室內(nèi)空氣溫度急劇下降．因此，在2月18日室外溫度突然降低時(shí)(即對(duì)穩(wěn)定室外天氣條件下的測(cè)量完成后)，對(duì)教室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了測(cè)量．圖4(a)和(b)分別給出了室外氣溫下降時(shí)，冬季陰雨(2月18日)和晴好(2月19日)天氣時(shí)不同建筑布局教室內(nèi)空氣溫濕度的實(shí)測(cè)曲線．

由圖4(a)可知，陰雨天氣時(shí)(沒(méi)有太陽(yáng)輻射加熱作用)，由于實(shí)測(cè)之前已有一星期相對(duì)較高溫度的天氣，使得建筑物墻體本身溫度較高(即墻體蓄熱)，故盡管室外溫度突然降低了，但室內(nèi)溫度仍明顯高于室外．而且，雖然A、 B兩區(qū)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性能完全相同，但B區(qū)無(wú)人教室內(nèi)部溫度仍明顯高于相同朝向的A區(qū)教室，最高溫度的差值約為1.5℃．另外，由圖4(a)還可看到，由于建筑蓄熱性能導(dǎo)致庭院內(nèi)部溫度延遲變化，2月18日在10：00之前，A區(qū)庭院溫度高于外部溫度，隨后在A區(qū)庭院自然通風(fēng)的作用下，庭院內(nèi)外氣溫趨于相同．

圖4(b)為寒潮第二天(2月19日)的實(shí)測(cè)結(jié)果，環(huán)境氣溫進(jìn)一步降低，但為晴天且微風(fēng)．由于太陽(yáng)輻射的加熱作用，庭院內(nèi)溫度約高于室外溫度1.5℃， A區(qū)和B區(qū)教室內(nèi)部氣溫都高于室外和庭院溫度．與圖4(a)的測(cè)量結(jié)果相同，B區(qū)無(wú)人教室內(nèi)部溫度仍明顯高于A區(qū)教室，并且不同布局有日照房間室內(nèi)溫差最大值達(dá)到了5℃．由于室內(nèi)無(wú)濕源，兩天室內(nèi)相對(duì)濕度均隨著氣溫的升高而降低．

(a) 2月18日陰雨天氣

(b) 2月19日晴好天氣

圖2和4的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，建筑布局形式對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有很大影響，相同條件下，圍合式建筑冬季室內(nèi)氣溫低于非圍合式建筑．

2.2 教室上課時(shí)A和B區(qū)建筑室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)

由于實(shí)測(cè)教室沒(méi)有裝設(shè)供暖和供冷設(shè)施，為盡可能滿足室內(nèi)熱舒適要求，不同季節(jié)的窗戶開(kāi)啟程度不同．冬季，為防止自然通風(fēng)帶走過(guò)多的能量，通常上課時(shí)門窗完全關(guān)閉．

教室上課期間，照明燈具和人體散熱是室內(nèi)主要熱源．由于教室照明燈具的功率為9～11 W/m2[12]， 故室內(nèi)人員密度成為每個(gè)教室溫、濕度不同的重要原因．忽略可揮發(fā)性有機(jī)物的散發(fā)，則人體呼出的CO2是室內(nèi)唯一污染源．圖5給出了冬季有課時(shí)不同室外天氣情況下，實(shí)測(cè)各教室的室內(nèi)溫濕度和CO2濃度的變化情況．圖5中灰色區(qū)域?yàn)闊o(wú)課時(shí)間，在上課時(shí)段，圖中標(biāo)出了滿座率(即室內(nèi)人數(shù)占座位數(shù)的百分比，可間接表示室內(nèi)人員密度)，無(wú)課時(shí)教室內(nèi)僅有很少人在自習(xí)，滿座率都小于10.0%．

(a) 2月20日陰雨，南向教室

(b) 2月28日陰雨，北向教室

(c) 3月13日晴好，南向教室

(d) 3月21日晴好，北向教室

由圖5可看出，隨著上課時(shí)間的持續(xù)，室內(nèi)人員散發(fā)的熱量、水蒸氣和CO2不斷積聚，室內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度和CO2濃度均持續(xù)升高，出現(xiàn)峰值且明顯高于無(wú)課時(shí)情況，其中CO2的濃度甚至高達(dá)0.38%．室內(nèi)人員密度(即滿座率)越大，最終CO2濃度升高幅度越大．課間時(shí)，大部分學(xué)生離開(kāi)教室，室內(nèi)各參量急劇下降，特別是CO2濃度．由圖5(a)還可看到，人員密度高時(shí)，盡管A區(qū)教室的人員密度為B區(qū)教室的1.1～1.2倍，但A區(qū)教室氣溫仍低于B區(qū)教室氣溫．對(duì)比圖5(a)和(b)可看出，人員密度小時(shí)，盡管A區(qū)教室的人員密度是B區(qū)教室的1.3～2.2倍，但二者的氣溫卻比較接近．這再一次表明圍合式和非圍合式布局建筑的房間通風(fēng)熱損失存在明顯差別．由于兩種布局建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)窗墻面積比和整體保溫性能完全相同，故造成房間熱損失不同的原因是圍合式布局建筑房間的通風(fēng)量較大．

2.3 冬季教室上課時(shí)空氣環(huán)境的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與改善方法

根據(jù)2.1～2.2節(jié)的實(shí)測(cè)結(jié)果可知，教室通風(fēng)量和室內(nèi)人員密度對(duì)教室內(nèi)空氣溫濕度和CO2濃度的影響很大．為此，圖6給出了上課期間教室滿座率為50%～70%時(shí)(人均面積約為2.32 m2/人)的室內(nèi)溫度和CO2濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果．

冬季在教室上課的學(xué)生的常見(jiàn)衣著情況為毛衣毛褲加羽絨服，服裝熱阻約為2.0 clo[13]，人體處于輕度勞動(dòng)狀態(tài)．由于門窗關(guān)閉，室內(nèi)氣流速度很小(低于0.05 m/s)．這種情況下，人體感覺(jué)舒適的氣溫為13℃[13]．

(a) 溫度

(b) CO2濃度

由圖6(a)可看到，在冬季實(shí)測(cè)期間，教室氣溫大于13℃的時(shí)間比例約為67.8%，即在學(xué)期最冷的上課時(shí)間里，讓大多數(shù)人能夠適應(yīng)的熱環(huán)境的出現(xiàn)頻率將近70%．在上海地區(qū)，這樣寒冷程度的時(shí)間并不長(zhǎng)，約為2星期，對(duì)學(xué)生的有害影響是有限的．然而，教室冬季室內(nèi)CO2濃度的情況不容樂(lè)觀，從圖6(b)可看出，僅有22.5%的時(shí)間低于我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14]規(guī)定的0.10%的CO2濃度限值，有約53.7%的時(shí)間CO2濃度高于0.15%，而我國(guó)關(guān)于學(xué)校教室衛(wèi)生的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15]規(guī)定教室的CO2濃度不得超過(guò)0.15%．顯然，冬季上課期間，缺乏通風(fēng)導(dǎo)致了教室內(nèi)空氣品質(zhì)的惡化．

雖然對(duì)教室供暖、加強(qiáng)機(jī)械通風(fēng)可同時(shí)解決熱舒適和空氣品質(zhì)的問(wèn)題，但由于能源現(xiàn)狀的限制，對(duì)該地區(qū)的教室全面實(shí)行供暖和機(jī)械通風(fēng)至少在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)是不現(xiàn)實(shí)的．

文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)果表明，將教學(xué)建筑中的輔助空間作為緩沖區(qū)對(duì)新鮮空氣進(jìn)行預(yù)熱，可以得到明顯的節(jié)能效果．根據(jù)本文的實(shí)測(cè)結(jié)果，太陽(yáng)輻射使得庭院內(nèi)空氣溫度比外部空氣溫度高1.5℃(見(jiàn)圖4(b)，若將圖1所示的通風(fēng)口封閉，則庭院內(nèi)氣溫將更高)．若關(guān)閉教室聯(lián)通室外空氣的窗戶，打開(kāi)教室聯(lián)通庭院的門窗，就可使庭院成為對(duì)新鮮空氣進(jìn)行有效預(yù)熱的緩沖區(qū)，在改善教室空氣品質(zhì)的同時(shí)，使室內(nèi)熱環(huán)境也得到相應(yīng)保障．

非圍合式建筑的冷風(fēng)滲透熱損失雖然小于圍合式建筑(庭院)，但教室人員密度高，對(duì)通風(fēng)量的極大需求使其冷風(fēng)滲透量小的優(yōu)點(diǎn)在教學(xué)建筑中不能發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又缺乏可以得到大量太陽(yáng)輻射的通風(fēng)緩沖區(qū)(庭院)．因此，非圍合式建筑作為教學(xué)建筑不具備節(jié)能優(yōu)勢(shì)．

3 結(jié) 語(yǔ)

教室人員密度大，為保證空氣品質(zhì)需要較大的通風(fēng)換氣量，但這勢(shì)必造成房間熱損失過(guò)大．長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的絕大多數(shù)教室冬季不供暖，因此該地區(qū)教室空氣品質(zhì)與熱舒適之間的矛盾比其他地區(qū)更加尖銳．本文以上海地區(qū)圍合式與非圍合式建筑為實(shí)測(cè)對(duì)象，通過(guò)對(duì)教室內(nèi)熱環(huán)境和CO2濃度的實(shí)測(cè)和分析，得到以下主要結(jié)論．

在上海地區(qū)，實(shí)測(cè)教室空氣溫度能夠滿足著冬裝學(xué)生熱舒適要求的時(shí)間約為67.8%，但有約53.7%的時(shí)間CO2濃度超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.15%限值，表明在上海地區(qū)，如果沒(méi)有主動(dòng)供暖措施，教室內(nèi)空氣環(huán)境只能滿足基本熱舒適要求，空氣品質(zhì)難以得到保證．由于不開(kāi)窗通風(fēng)，室內(nèi)CO2濃度可能高達(dá)0.38%．

在熱壓作用下，圍合式建筑教室的冬季冷風(fēng)滲透量較大，不利于教室對(duì)已接收太陽(yáng)輻射的儲(chǔ)存和利用，使得相同條件下圍合式建筑教室冬季室內(nèi)溫度低于非圍合式建筑教室．

本文實(shí)測(cè)的圍合式建筑庭院上方采用玻璃頂棚部分封閉，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，晴天時(shí)庭院內(nèi)空氣溫度比外部溫度高1.5℃．若玻璃頂棚完全封閉，庭院內(nèi)氣溫將更高．冬季非供暖房間空氣品質(zhì)與熱舒適對(duì)通風(fēng)量的需求恰好相反，充分利用庭院對(duì)新風(fēng)的預(yù)加熱作用，可成為解決這一矛盾的有效途徑．

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Study on the Air Environment in Classrooms with Different Building Layouts in Winter, Shanghai

ZHANGNing-bo,KANGYan-ming,ZHONGKe

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The thermal environment and CO2concentration in classrooms with enclosed and non-enclosed building layouts in winter in Shanghai were measured, the air environment features of unheated classrooms were given, and the effects of building layout on the thermal environment and air quality in the classroom in winter were analyzed. The results show that in Shanghai, the thermal environment in an unheated classroom when its windows are closed can satisfy the basic thermal comfort requirements for 67.8% of the time no matter what the building layout of the classroom is, however, the air quality in such a classroom is poor, the CO2concentration exceeds the national standard limit for 53.7% of the time. The large amount of cold air infiltration from a classroom of an enclosed building in winter results in its indoor air temperature lower than that of a classroom of a non-enclosed building under the same conditions.

classroom; high occupant density; enclosed building; thermal environment; air quality

1671-0444(2015)05-0670-06

2014-06-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478098)；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(13ZZ054)

張寧波(1986—)，男，河南開(kāi)封人，博士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖh(huán)境與空氣品質(zhì)．E-mail: zhang.ningbo@hotmail.com 鐘 珂(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 111.1; TU 834.2

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