牛萌萌，宣永梅，毛 燦

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

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高校建筑夏季室內(nèi)熱環(huán)境研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

牛萌萌，宣永梅，毛 燦

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

摘要：從高校建筑中的教學(xué)建筑和公寓建筑兩個方面，對高校建筑室內(nèi)熱舒適研究進行了總結(jié)及展望。歸納了高校建筑中應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)，以期提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：高校建筑；熱舒適性；建筑節(jié)能；技術(shù)

1引言

學(xué)校建筑是學(xué)生學(xué)習(xí)生活的場所，調(diào)查研究表明：學(xué)生在教室和宿舍的時間占總在校時間的80%[1]，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們生活質(zhì)量不斷提高，學(xué)生對室內(nèi)熱環(huán)境的要求也越來越高，而高校建筑室內(nèi)熱環(huán)境對學(xué)生身心健康和學(xué)習(xí)效率也有較大的影響。

我國學(xué)者對高校建筑室內(nèi)熱環(huán)境的研究主要采用調(diào)查問卷、現(xiàn)場實地測試及數(shù)值軟件模擬等方面進行研究，其中軟件模擬主要是采用DEST(建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬的軟件)、PKPM模擬軟件(PK：排架框架設(shè)計、PMCAD：平面輔助設(shè)計，合稱PKPM)和CFD(計算流體力學(xué)軟件)對室內(nèi)的熱環(huán)境及能耗進行數(shù)值模擬，分析室內(nèi)溫度、風(fēng)速、相對濕度、平均輻射溫度等因素的影響。

本文總結(jié)了我國高校教學(xué)樓及學(xué)生宿舍在夏季的室內(nèi)熱環(huán)境，并從節(jié)能技術(shù)和典型項目等方面對近幾年學(xué)者相關(guān)的研究成果進行分析、歸納，了解他們的研究動態(tài)，提出了此類研究發(fā)展的趨勢。

2建筑熱舒適性

2.1熱舒適性定義及意義

“熱舒適”是指人體對熱環(huán)境的主觀熱反應(yīng)。2013年，美國供暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會標準(ASHRAE Standard 55-2013)[2]中對熱舒適的定義是指對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)，即人體對自身的熱平衡條件和感覺到的環(huán)境狀況綜合獲得是否舒適的感覺。Gagge[3]將熱舒適定義為，一種對環(huán)境既不感到熱也不感到冷的舒適狀態(tài)， 即人們在這種狀態(tài)下會有“中性”的熱感覺。Bedford[4]1936年提出熱舒適的 7級評價指標，這一指標也反映出熱舒適和熱中性是同義的。1966年ASHRAE 開始使用7級熱感覺指標(表1)。

以往人們在一定的實驗環(huán)境下，來研究人們對環(huán)境的熱感覺，這樣受試者可以很好的回答對環(huán)境冷熱感覺的真實感受，也會很方便填寫調(diào)查問卷。但這種研究方法，不能反應(yīng)熱環(huán)境的動態(tài)變化對人體熱舒適的影響。Cabanac[5]認為，將“熱舒適”定義為“主觀上對熱環(huán)境滿

表 1　熱舒適和熱感覺評價指標

意”是不夠的，熱舒適應(yīng)由“愉快”和“不愉快”這類術(shù)語來定性描述比較恰當，而且認為這種“愉快”與“不愉快”是一種動態(tài)的感覺。牛潤萍[6]等經(jīng)過現(xiàn)場測試和問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，熱舒適不是絕對的，而是人員對于熱環(huán)境一個相對的動態(tài)感應(yīng)。因此學(xué)者認為，舒適性是一個相對動態(tài)的過程。

由于人之間的個體差異，在同一個環(huán)境下，對環(huán)境的滿意程度也不同，如何調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)，滿足多數(shù)人的舒適性，是從事建筑室內(nèi)熱舒適研究的科研人員主要任務(wù)，也是高校建筑室內(nèi)熱舒適性研究的首要任務(wù)。

2.2室內(nèi)熱舒適性的影響因素

關(guān)于室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)對熱舒適的影響，許多學(xué)者作了大量的調(diào)查研究和理論分析。1962年，Macpherson[7]定義了影響熱舒適感覺的6個因素:空氣溫度、空氣流速、相對濕度、平均輻射溫度、新陳代謝率和衣服熱阻。在這6個因素的基礎(chǔ)上，通過可控制環(huán)境參數(shù)的人工實驗室和穩(wěn)態(tài)條件下能量平衡的熱舒適模型研究， Fanger[8]建立了熱舒適方程，在搜集了1 396名美國與丹麥受測對象的熱感覺表決票的基礎(chǔ)上，他提出了一個較為客觀的度量熱感覺的尺度指標—預(yù)期平均評價指標PMV( Predicted Mean Vote)，以反映對同一環(huán)境絕大多數(shù)人的冷熱感覺。

建筑物室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)，如空氣溫度、空氣流速、相對濕度、平均輻射溫度等對熱舒適均有影響，我們不僅要考慮單一參數(shù)對熱舒適的影響，同時要針對不同參數(shù)的相互組合來討論人體熱舒適。實驗測試可以發(fā)現(xiàn)各個影響因素是相互關(guān)聯(lián)的，其中人體的新陳代謝、穿衣熱阻因個體的差異而顯得不同，實驗測試起來差別較大，相對研究的比較少，其余四個因素的研究相對比較多。例如，當室內(nèi)風(fēng)速小于0.05m/s時，室內(nèi)風(fēng)速對熱舒適幾乎沒有影響，空氣相當于靜止，人們會感到稍微不舒服；當風(fēng)速達到0.2m/s時，人們可接受的熱舒適區(qū)相當于降低1.1℃，此時人們也不會產(chǎn)生吹風(fēng)感，反而覺得很舒適。由以上數(shù)據(jù)可以看出室內(nèi)空氣流動速度較小，應(yīng)控制在0.2m/s左右[9]。

2.3熱舒適性的評價指標

在長期的研究中，由于不同學(xué)者采用不同的研究方法，因而迄今為止提出的熱舒適指標非常多，總的來說，大概有：預(yù)測平均投票值 PMV、等效溫度Teq(Equivalent Temperature)、新有效溫度ET(New Effective Temperature)、標準有效溫度SET(Standard Effective Temperature)、主觀溫度Tsub(SubjectiveTemperature)、作用溫度OT(Operative Temperature)等。這些指標由于建立時，出發(fā)點的不同以及不同的有關(guān)變量，造成它們各自相應(yīng)的作用和適用范圍，不過在環(huán)境偏離舒適條件不遠的范圍內(nèi)，它們的評價結(jié)果或者說指標值是比較接近的，但如果超出此范圍，特別是在高溫高濕區(qū)，不同指標的結(jié)果有較大的差別，有些指標甚至不能用。在這些指標中，只有PMV 指標和SET 指標綜合考慮了影響人體熱舒適的6 個因素，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

3高校建筑室內(nèi)熱環(huán)境的研究

3.1高校教學(xué)樓

近些年，重慶大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、湖南大學(xué)等學(xué)者對學(xué)校教學(xué)樓室內(nèi)熱環(huán)境進行了研究，取得了一定的研究成果。大學(xué)教室的主要使用者是18～28歲左右的青年，這個年齡段學(xué)生身體對環(huán)境變化的適應(yīng)能力比較強，這是學(xué)者通過調(diào)查問卷及實地測試結(jié)果存在差異的主要原因，表明學(xué)生對溫度、濕度、風(fēng)速的可接受熱舒適區(qū)范圍比較廣，比理論計算的數(shù)值范圍要大一些。

2005年，重慶大學(xué)的羅明智[10]等學(xué)者以重慶地區(qū)高校的教學(xué)樓為研究對象，利用問卷調(diào)查和現(xiàn)場測試的方法，從主觀和客觀兩方面描述了夏季教室內(nèi)熱環(huán)境的狀況，實測得到學(xué)生中性溫度(中性溫度是一個人感覺最舒適的環(huán)境溫度，在這個環(huán)境溫度中，人們皮膚的蒸發(fā)、散熱量最低，整個新陳代謝率也處于最低狀態(tài))為27.7 ℃，比預(yù)測中性溫度高0.3 ℃，教室內(nèi)的舒適區(qū)為ET(新有效溫度)25.5～29.8 ℃，并分析了風(fēng)速對人體熱感覺的影響，認為高溫的教室環(huán)境中，學(xué)生對風(fēng)速的忍受極限相應(yīng)增加，增加室內(nèi)風(fēng)速成為他們改善室內(nèi)熱環(huán)境的有效手段之一。

2010年，閆丙宏[11]等學(xué)者對天津某高校主教學(xué)樓室內(nèi)熱環(huán)境狀況進行研究。首先，收集了180份問卷用以調(diào)查參與者在教室內(nèi)的熱感覺。然后以現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用DEST軟件對全年教室內(nèi)的溫度變化進行模擬。研究結(jié)果表明：在夏季，教學(xué)樓一樓陰面教室室內(nèi)溫度較陽面教室室內(nèi)溫度低1.5～2 ℃，室內(nèi)熱環(huán)境較好，現(xiàn)場測試結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致。

2012年，清華大學(xué)的曹彬[12]通過對北京某高校教學(xué)樓和辦公樓進行測試，分別測試其室內(nèi)空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)，并加以問卷調(diào)查的形式了解受試者個人主觀熱感覺，建立了人體熱感覺與室內(nèi)操作溫度的對應(yīng)關(guān)系。作者將受試者所在地以長江為界分為北方和南方，對其實測熱感覺投票值TSV與室內(nèi)操作溫度(綜合考慮了空氣溫度和平均輻射溫度對人體熱感覺的影響而得出的合成溫度)分別進行線性回歸所得方程如下所示：

由此得出，北方人實測中性溫度(受試者的實際熱感覺投票值TSV=0的溫度)為26.87 ℃略高于南方人實測中性溫度；由于TSV值隨操作溫度變化直線的斜率表示受試者對溫度的敏感程度，可得出北方人對溫度的敏感程度高于南方人。

為了更明確體現(xiàn)操作溫度或新有效溫度ET對人體熱感覺的影響，本文現(xiàn)將國內(nèi)部分高校建筑現(xiàn)場研究的操作溫度與實際熱感覺投票值TSV進行線性回歸，所得方程如表2所示。其中TSV值隨操作溫度或新有效溫度ET的變化直線的斜率表示受試者對溫度的敏感程度。通過對比分析得出，我國由北向南地區(qū)受試者對溫度的敏感程度依次降低，而實測中性溫度則依次增加。

表2　不同地區(qū)的熱中性溫度

2014年，邱靜[16]等對武漢地區(qū)某高校公共教室夏季室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)查研究，教學(xué)樓建筑中的多媒體教室室內(nèi)熱舒適性比一般教室室內(nèi)熱舒適性更差。教學(xué)樓建筑中，不同的教室可能會有不同的使用功能，在炎熱的夏季，應(yīng)根據(jù)具體情況加設(shè)空調(diào)設(shè)備。

3.2高校學(xué)生公寓

學(xué)生公寓因其室內(nèi)人員密度較大，人員年齡結(jié)構(gòu)比較單一，與一般的居住建筑有一定的差別。據(jù)統(tǒng)計，學(xué)生宿舍占高校建筑總建筑面積的比例大約為 15%～21%，學(xué)生在校期間，宿舍生活的時間占總時間的40%[17]。

我國地域遼闊，可以分為5個大的建筑氣候區(qū)：嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、溫和地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)。對于嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)的高校建筑室內(nèi)熱舒適性研究的比較多，而對于夏熱冬暖、溫和地區(qū)的高校建筑室內(nèi)熱舒適性研究的還相對較少。

哈爾濱屬于嚴寒地區(qū)，西安屬于寒冷地區(qū)，重慶、成都、上海屬于夏熱冬冷地區(qū)，對比可以發(fā)現(xiàn)：在嚴寒地區(qū)，夏季室外氣溫晝夜變化較大，建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)小，屋內(nèi)較涼爽，出現(xiàn)高溫情況較少，晝夜溫差比較大，人們著裝較其它地區(qū)厚，學(xué)生對宿舍的熱環(huán)境相對比較滿意[18]；在寒冷地區(qū)，夏季的室外氣溫比較高，而且太陽輻射比較強，90%以上學(xué)生對宿舍的熱環(huán)境感到不滿意，宿舍內(nèi)需要進行安裝吊扇、外窗戶需加外遮陽擋板來改善室內(nèi)熱環(huán)境[19]；在夏熱冬冷地區(qū)，夏季這些地區(qū)不但室外溫度高而且各區(qū)域的空氣相對濕度也比較大，因此其高校公寓建筑的室內(nèi)熱環(huán)境比較惡劣，需安裝空調(diào)系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境[20]。

2006年，同濟大學(xué)夏博、劉加平院士[19，21]等學(xué)者，以西安某高校學(xué)生宿舍為研究對象，針對宿舍內(nèi)的夏季熱環(huán)境狀況，利用問卷調(diào)查和現(xiàn)場測試的方法從主觀和客觀兩個方面描述了公寓室內(nèi)熱環(huán)境狀況。結(jié)果表明，學(xué)生宿舍內(nèi)熱環(huán)境處于ASHRAE給定的舒適區(qū)之外，80%以上的學(xué)生對室內(nèi)熱環(huán)境表示不滿，明顯感到夏季的炎熱，建筑不能很好發(fā)揮其隔熱的功能；并提出了可通過改善室外微氣候、采用被動式的建筑手段和改進管理方法等方面改善室內(nèi)熱環(huán)境。

2009年，重慶大學(xué)王琳[22]通過對重慶地區(qū)高校學(xué)生宿舍調(diào)查和測試，對學(xué)生宿舍室內(nèi)熱環(huán)境進行了主觀評價與客觀分析；然后結(jié)合調(diào)查結(jié)果，利用DEST-h軟件模擬了不同圍護結(jié)構(gòu)熱工性能和通風(fēng)換氣次數(shù)下室內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)，結(jié)合有效實感溫度AT值(Ambient Temperature)的舒適度模型所確定熱舒適評價標準，其模型是根據(jù)人體熱平衡原理和我國人體特點所建立的，模型中AT值包含了四個影響人體熱舒適的參數(shù)，分別是空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速和平均輻射溫度。

通過理論計算的數(shù)據(jù)，可回歸求得偏熱、偏冷環(huán)境下的AT值簡化公式：

其中，Ta為室內(nèi)空氣溫度(℃)，Pa為空氣中的水蒸氣分壓力(kPa)。AT值不受地區(qū)的限制，適用于全國各地。利用AT公式計算上海、武漢、北京的AT值并與我國目前應(yīng)用的地方人體舒適度統(tǒng)計模型計算結(jié)果相比較，可以確定出AT值的舒適度區(qū)間：AT<15 時為低溫不適，AT>28 時為高溫不適，15≤AT≤28 時為舒適區(qū)。

作者同時對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、外窗遮陽系數(shù)及通風(fēng)換氣次數(shù)等因素對室內(nèi)熱環(huán)境的影響分別進行了定量分析，得到了不同建筑形式、不同使用特征和不同位置學(xué)生宿舍室內(nèi)冷、熱不舒適時數(shù)和全年任意時刻室內(nèi)的最佳通風(fēng)換氣次數(shù)。其中調(diào)查結(jié)果表明：夏季60%以上的學(xué)生可接受的溫度范圍為24～32 ℃，可接受的濕度范圍為50%～90%，學(xué)生對濕度的敏感程度低于溫度；模擬評價結(jié)果顯示：單元型宿舍(如圖1)不同朝向室內(nèi)的熱不舒適時數(shù)大小為：南向熱不舒適時數(shù)最少，北向比南向高37～120 h，西向比南向高79～152 h，東向比西向高5～36 h。

2013年，東華大學(xué)張寧波[20]等學(xué)者，以上海高校居住建筑為例，對我國的夏熱冬冷地區(qū)室內(nèi)熱舒適性進行了研究，通過對自然通風(fēng)條件下學(xué)生宿舍室內(nèi)熱環(huán)境進行了連續(xù)7 d實測，分析了不同朝向宿舍室內(nèi)熱環(huán)境特征。結(jié)果表明：夏季在自然通風(fēng)條件下，盡管夜間室內(nèi)熱環(huán)境略好于晝間，但溫度均高于26 ℃；由于室內(nèi)通風(fēng)狀況良好，房間內(nèi)熱濕環(huán)境仍處于多數(shù)學(xué)生可以接受的

范圍內(nèi)，室內(nèi)空氣品質(zhì)較好；另外，太陽輻射對房間內(nèi)溫度分布有重要影響，南向房間平均溫度高于北向房間約0.8 ℃，晝間兩者最大溫差達2.6 ℃。

2015年，東北林業(yè)大學(xué)的程衛(wèi)紅[18]等對哈爾濱地區(qū)夏季自然通風(fēng)下高校學(xué)生宿舍人體熱舒適進行了研究，問卷調(diào)查分析統(tǒng)計：90%左右的學(xué)生對所處環(huán)境下的熱濕感覺表示滿意，99%學(xué)生對調(diào)查時所處環(huán)境下的吹風(fēng)感表示可以接受。測試結(jié)果分析表明: 在哈爾濱市夏季自然通風(fēng)學(xué)生宿舍內(nèi)，學(xué)生的熱中性溫度為23.2 ℃ ，熱期望溫度約25.2 ℃ 。

3.3改善高校建筑室內(nèi)熱環(huán)境的措施

通過對學(xué)校建筑室內(nèi)熱環(huán)境的研究，并結(jié)合學(xué)者對建筑節(jié)能改造技術(shù)的研究，總結(jié)出學(xué)校建筑室內(nèi)熱環(huán)境改善的主要措施如下[23，24]。

(1)對建筑圍護結(jié)構(gòu)進行改造：外墻和屋面的保溫；確定合理的窗墻比，控制建筑物開窗面積；對外窗增設(shè)遮陽措施；盡量使用平開式外窗，其優(yōu)點是開啟面積大、通風(fēng)、保溫、抗?jié)B性能良好。

(2)對建筑布局進行改造：合理的建筑布局使建筑形成穿堂風(fēng)和利用樓梯間的煙囪效應(yīng)，促進建筑內(nèi)自然通風(fēng)。

(3)對建筑外部環(huán)境進行改造：根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件和地理環(huán)境，合理規(guī)劃布置建筑物；盡量增加建筑物外的綠化面積，改善建筑物的微環(huán)境。

(4)在建筑物的屋頂種上綠色植物，建成綠色屋頂，植物對于太陽輻射有很好的吸收效果，可以防止頂層房屋室內(nèi)的溫度過高。

4國內(nèi)外高校典型節(jié)能建筑項目

高校作為教學(xué)、生活及科研的大型綜合體，也是主要的能源單位之一。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前全國校園能耗占社會總能耗的8%[25]，高校建筑能耗占學(xué)?？偰芎牡?4%左右，并且通過調(diào)查夏熱冬冷地區(qū)的13所高校的平均能耗發(fā)現(xiàn)，其平均能耗為全國人均能耗的2倍左右，其中最高的達到4倍之多，可見高校建筑能耗存在較大的節(jié)能潛力[26，27]。

我國高校建筑節(jié)能主要有4個方面，分別是建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫、建筑室內(nèi)用電設(shè)備節(jié)能、可再生能源應(yīng)用技術(shù)和建筑管理措施節(jié)能。部分高校在校園建筑和改造項目中采用了多種節(jié)能相關(guān)技術(shù)，其中，清華大學(xué)、同濟大學(xué)文遠樓和山東建筑工程學(xué)院分別根據(jù)其建筑節(jié)能方面的研究成果，建設(shè)了校園節(jié)能示范性建筑，表3列出了其代表性建筑采用的建筑節(jié)能技術(shù)[28～32]。從表3中可見，這3個高校的示范性節(jié)能建筑都綜合采用了多項節(jié)能技術(shù)，包含了建筑形式及圍護結(jié)構(gòu)、室內(nèi)環(huán)境控制、能源系統(tǒng)、測量和控制系統(tǒng)等多方面的優(yōu)化技術(shù)。

表3　代表性建筑采用的建筑節(jié)能技術(shù)

5結(jié)語

(1)我國高校建筑夏季熱環(huán)境普遍集中在對溫度、濕度、平均輻射溫度、空氣流速的影響，而缺少了對服裝熱阻及人體的新陳代謝率影響的研究，而國外學(xué)者對這個兩個方面的影響已經(jīng)開始研究。

(2)對于嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)的高校建筑夏季室內(nèi)熱舒適性研究的比較多，而對于夏熱冬暖、溫和地區(qū)的高校建筑夏季室內(nèi)熱舒適性研究的還相對較少，可進一步對這兩個氣候區(qū)的高校建筑進行研究，進而總結(jié)出適用于高校建筑的熱舒適性標準。

(3)國內(nèi)學(xué)者對高校建筑節(jié)能方面的研究主要集中于建筑圍護結(jié)構(gòu)對建筑能耗的影響，應(yīng)根據(jù)使用功能，結(jié)合當?shù)氐臍夂蛱攸c，采用與我國高校建筑物相適宜的改造措施對建筑進行改造，合理布置教學(xué)樓、宿舍、圖書館等建筑的具體方位、朝向等，在滿足人體的熱舒適條件下，盡可能地減少建筑能耗。

(4)應(yīng)該盡快完善國內(nèi)高校建筑的綜合性節(jié)能指標體系，建立起符合各個不同地區(qū)特點的外墻、屋面、門窗等方面節(jié)能指標，在滿足學(xué)生對室內(nèi)舒適度的要求下，降低建筑的能耗。

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Research Status and Application of the Summer Indoor Thermal Environment of College Buildingsin China

Niu Mengmeng，XuanYongmei，Mao Can

(CollegeofEnvironmentalandChemicalEngineering，Xi′anPolytechnicUniversity，Xi′an710048，China)

Abstract:This article summarizes and prospects the researches of indoor thermal comfort in the collegebuildings，mainly from aspects of the teaching buildings and apartment buildings.In the meantime，the article summarizes the application of energy-saving technologies in college buildings，which aimsto provide references for the future research.

Key words:college building;thermal comfort; building energy-saving technology

文章編號：1674-9944(2016)02-0097-05

中圖分類號：X5

文獻標識碼：A

作者簡介：牛萌萌(1990—)，男，河南商丘人，西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院碩士研究生。

收稿日期：2015-11-03