蔣 婧,王登甲,劉艷峰,狄育慧

(1.西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710048; 2.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

0 引 言

健康舒適的教室內(nèi)微氣候環(huán)境對(duì)中小學(xué)生的身心成長(zhǎng)至關(guān)重要,其中高水平的環(huán)境質(zhì)量可以顯著提高學(xué)生的專(zhuān)注力、感知能力、理解記憶以及判斷推理能力[1-2]。中小學(xué)生接近30%的時(shí)間都在教室度過(guò)[3],因此研究學(xué)校教室的熱環(huán)境至關(guān)重要。

目前,關(guān)于室內(nèi)溫度分布的研究多集中于住宅、辦公室等功能建筑中[4-7]。徐菁等[8]針對(duì)關(guān)中地區(qū)農(nóng)村小學(xué)教室室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行測(cè)試和調(diào)查研究,得出教室內(nèi)冬季氣溫整體偏低,但并未涉及室內(nèi)空氣溫度分布。周佐喜等[9]對(duì)空調(diào)教室內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬,研究了太陽(yáng)輻射等因素對(duì)空調(diào)教室內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響。嚴(yán)寒等[10]研究了太陽(yáng)輻射對(duì)人工氣候室內(nèi)環(huán)境參數(shù)影響。其他國(guó)外學(xué)者多采用CFD(Computational fluid dynamics)[11-12]對(duì)居住建筑[13]、辦公建筑[14]、學(xué)術(shù)報(bào)告廳[15-16]以及工業(yè)廠房[17]等室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)并評(píng)估。而對(duì)于人員密度高,房間進(jìn)深大,使用時(shí)間相對(duì)固定的教學(xué)建筑,其室內(nèi)熱環(huán)境均勻性研究較少。

受太陽(yáng)輻射和室內(nèi)氣流流動(dòng)影響,教室內(nèi)空氣溫度存在水平和垂直方向差異。室內(nèi)空氣溫度差異分布可導(dǎo)致教室內(nèi)部分區(qū)域的人員產(chǎn)生不舒適感覺(jué)。為了降低并消除這種熱不舒適性,本文通過(guò)對(duì)青海省某典型的鄉(xiāng)域中小學(xué)校教室內(nèi)外環(huán)境溫度分布進(jìn)行全面實(shí)地測(cè)試,掌握教室內(nèi)外熱環(huán)境變化、分布特性及影響溫度分布的主要因素，定量分析教室內(nèi)垂直方向和水平方向的空氣溫度分布特性,為該地區(qū)教學(xué)建筑熱工設(shè)計(jì)、采暖系統(tǒng)設(shè)置等提供指導(dǎo)。

1 實(shí)地測(cè)試

1.1 基本概況

測(cè)試教室位于青海省湟中縣,東經(jīng)101°49′,北緯36°34′,海拔2 645 m,年平均溫度5.1 ℃,降水509.8 mm。測(cè)試時(shí)間為12月5日—11日，即一年中最冷時(shí)段,連續(xù)測(cè)量7 d,測(cè)試教室內(nèi)外景見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)試教室室外布局圖Fig.1 Outdoor layout of the testing classroom

教室位于三層教學(xué)樓二樓中間位置,東西墻不與室外相鄰。測(cè)試期間,教室內(nèi)有學(xué)生36人,教室內(nèi)設(shè)置電取暖設(shè)備。該教學(xué)樓滿足當(dāng)?shù)匦陆ń虒W(xué)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。其中，東、西、北向墻由20 mm石灰砂漿抹灰+300 mm加氣磚+20 mm聚苯乙烯板+20 mm石灰砂漿抹灰構(gòu)成;屋頂由200 mm鋼筋混凝土+50 mm加氣混凝土+80 mm聚苯乙烯板組成;地面由200 mm鋼筋混凝土+100 mm澆筑混凝土+80 mm聚苯乙烯板組成。窗戶的傳熱系數(shù)為1.1 W/(m2·℃)。南向2個(gè)窗戶,尺寸為2.3 m×1.8 m;北向1個(gè)窗戶，尺寸為1.8 m×0.9 m;北向前后內(nèi)門(mén)尺寸均為2.1 m×0.9 m。

1.2 測(cè)試參數(shù)和儀器

1.2.1 測(cè)試參數(shù) 教室外空氣溫濕度、太陽(yáng)輻射,教室內(nèi)空氣溫濕度、黑球溫度、空氣流速和壁面溫度等。

1.2.2 測(cè)試儀器 TR-72ui自記式溫度計(jì)(測(cè)量溫度,量程-20～60 ℃,精度±0.2 ℃;測(cè)量相對(duì)濕度,量程10%～95%,精度±5%);HQZY-1型黑球溫度計(jì)(測(cè)量平均輻射溫度,量程-20～80 ℃,精度±0.3 ℃);ZRQF-F30型風(fēng)速儀(測(cè)量空氣流速,量程0.05～30 m/s,精度±(4%±0.055%));CENTER309熱電偶測(cè)溫儀(測(cè)量壁面溫度,精度±(0.3%rdg)+1 ℃)。各參數(shù)每10 min自動(dòng)記錄1次。

TBD-1型太陽(yáng)輻射儀和Vantage Pro2微型氣象站布置于屋頂,四周無(wú)遮擋;室外溫濕度及風(fēng)速、太陽(yáng)輻射測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1)位于屋面背陰處,并以錫箔紙遮蔽,室內(nèi)溫濕度測(cè)點(diǎn)也以錫箔紙遮蔽。室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)各測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)2～9)布置如圖2所示,其中,測(cè)點(diǎn)2位于距地面高2.3 m處,測(cè)點(diǎn)3位于距地面高1.60 m處,測(cè)點(diǎn)4位于距地面高1.10 m處,測(cè)點(diǎn)5位于距地面高0.25 m處,測(cè)點(diǎn)6～9位于距地面高2.30 m處。

圖2 測(cè)試教室尺寸及測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Size and measuring points of the test classroom

2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

2.1 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)

由圖3可知,室外日平均空氣溫度-1.3 ℃,相對(duì)濕度54.6%。室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍為6.1～13.4 ℃,平均值為8.7 ℃。相對(duì)濕度變化范圍為16%～74%,風(fēng)速變化范圍為0～0.49 m/s。但對(duì)于教學(xué)建筑來(lái)說(shuō),教室使用時(shí)間集中在晝間7∶00～18∶00,室外溫度波動(dòng)為-6.2～8.1 ℃,平均值為1.8 ℃;室內(nèi)溫度波動(dòng)為6.1～13.4 ℃,平均值為10.8 ℃,太陽(yáng)總輻射的平均值為311.4 W/m2。

圖3 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)圖Fig.3 Parameters of indoor and outdoor air temperatures and solar radiation intensity

2.2 教室壁面溫度參數(shù)

測(cè)試日室內(nèi)平均溫度為8.7 ℃,上課期間的平均溫度為10.8 ℃,如圖4所示。上課期間,室內(nèi)平均溫度分別比南墻外表面溫度和北墻外表面溫度高2.4 ℃和11.8 ℃,而南向外墻面的平均溫度比北向外墻面高9 ℃以上,引起這種差異的主要原因是建筑南向墻面接收到的太陽(yáng)輻射遠(yuǎn)大于北向。南北向外墻面溫度的差異是導(dǎo)致教室內(nèi)水平向溫度分布不均勻的原因之一。

圖4 教室外墻壁面溫度分布Fig.4 Temperature distribution of the classroom walls

2.3 教室內(nèi)溫度分布

建筑不同朝向的環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度存在較大差異,此類(lèi)差異在一定程度上影響了建筑內(nèi)溫度場(chǎng)的分布。根據(jù)本次實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看,被測(cè)建筑內(nèi)的溫度場(chǎng)分布存在較大的不均勻性。

2.3.1 垂直方向溫度分布 如圖5(a)所示,教室內(nèi)垂直方向存在明顯的溫度梯度,空氣溫度隨著高度增加而升高。從圖5(a)可以看出,4條線的變化趨勢(shì)大致相同。在大課間、午飯及午休時(shí)段由于人員短暫離開(kāi)造成了先下降后上升的波動(dòng)。學(xué)生處于靜坐狀態(tài)時(shí),其活動(dòng)區(qū)域高度約為1.10 m。早晨7∶00上課后,教室內(nèi)空氣溫度在學(xué)生等內(nèi)熱源作用下逐漸升高；8∶00后,隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng),教室內(nèi)溫度升高幅度加快,同時(shí),垂直方向上的溫差逐漸增大。上課時(shí)間段,0.25 m與1.10 m處的最大溫差達(dá)2.3 ℃。

為了方便分析,選取8∶00,10∶30,12∶00,12∶30,14∶30,16∶10等代表性時(shí)刻的數(shù)據(jù)分析非均勻性,不同時(shí)刻不同點(diǎn)的溫度分布如圖5(b)所示。由圖5(b)可見(jiàn),各測(cè)點(diǎn)處溫度分布趨勢(shì)幾乎相同,呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。對(duì)不同時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)取平均值,計(jì)算得到相類(lèi)似的曲線。由于人體散熱的原因,在0.25～1.10 m范圍內(nèi),溫度增長(zhǎng)率較大，約為2.0 ℃/m;而在1.10～2.30 m處,已超出中小學(xué)生坐姿活動(dòng)范圍高度,人員密度及活動(dòng)強(qiáng)度較低,溫度增長(zhǎng)速率明顯變小，為0.8 ℃/m。

(a) 垂直方向溫度變化

(b) 垂直方向不同高度處不同時(shí)刻溫度分布圖5 垂直方向溫度分布Fig.5 Temperature distribution in vertical direction

2.3.2 水平南北向溫度分布 由圖6(a)可見(jiàn),早上10∶00前,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較小,教室水平方向各測(cè)點(diǎn)溫差較小,室內(nèi)空氣溫度相對(duì)均勻。10∶00后,太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng),一部分透過(guò)南向窗戶直接照入室內(nèi),通過(guò)壁面輻射和壁面與空氣對(duì)流換熱使室內(nèi)空氣溫度升高;一部分被南墻吸收,南墻外表面的溫度先升高,經(jīng)過(guò)衰減和延遲后傳入室內(nèi),使南側(cè)測(cè)點(diǎn)9的空氣溫度明顯高于其他測(cè)點(diǎn)。南側(cè)測(cè)點(diǎn)9的平均值為11.4 ℃,北側(cè)測(cè)點(diǎn)6的平均溫度為10.7 ℃,兩者平均值相差0.7 ℃。除了測(cè)點(diǎn)9,其他測(cè)點(diǎn)處溫度波動(dòng)趨勢(shì)基本相同。由于測(cè)點(diǎn)9受太陽(yáng)輻射的影響最強(qiáng)烈，在16∶00～17∶00溫度急速上升。而南北朝向環(huán)境溫度產(chǎn)生差異的原因如下:一方面,冬季建筑物的南北兩側(cè)室外環(huán)境溫度存在差異,造成北側(cè)熱量損失比南側(cè)多；另一方面,南側(cè)太陽(yáng)輻射的熱量比北側(cè)多。

同上所述,選取8∶00,10∶30,12∶00,12∶30,14∶30,16∶10等代表性時(shí)刻的數(shù)據(jù)分析非均勻性,不同時(shí)刻不同點(diǎn)的溫度分布如圖6(b)所示。由圖6(b)可知，離南墻越近溫度差異越明顯。在1.5～2.7 m,2.7～3.9 m及3.9～5.1 m范圍內(nèi)，溫度梯度分別為0.38 ℃/m,0.09 ℃/m及0.06 ℃/m。在8∶00,由于太陽(yáng)輻射較弱,南北向溫度差異不大；其他時(shí)刻由于太陽(yáng)輻射的不斷增強(qiáng),且南向輻射高于北向,使得南向溫度均高于北向溫度。南北朝向環(huán)境溫度產(chǎn)生差異的原因?yàn)椋阂环矫?冬季建筑物的南北兩側(cè)室外環(huán)境溫度存在差異,造成北側(cè)熱量損失比南側(cè)多；另一方面,南側(cè)太陽(yáng)輻射的熱量比北側(cè)多。綜上所述,太陽(yáng)輻射是引起南北向溫度差異的主要因素。

(a) 水平南北向溫度變化

(b) 水平南北向不同時(shí)刻溫度分布圖6 水平方向溫度分布Fig.6 Temperature distribution in horizontal direction

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試青海省某典型鄉(xiāng)域中小學(xué)校教室內(nèi)外空氣溫度，分析西北太陽(yáng)能資源富集區(qū)中小學(xué)教室內(nèi)、外熱環(huán)境變化及分布特性，為該地區(qū)中小學(xué)教室內(nèi)教學(xué)建筑熱工設(shè)計(jì)、采暖系統(tǒng)設(shè)置等提供依據(jù)。

(1) 上課期間,垂直方向上測(cè)點(diǎn)2.3 m處與0.25 m 處最大溫差達(dá)3.0 ℃,平均溫差2.7 ℃。在0.25～1.10 m 范圍內(nèi),溫度梯度約為2.0 ℃/m;而在1.10～2.30 m處,溫度梯度減小為0.8 ℃/m。

(2) 南北方向最大溫差達(dá)4 ℃,平均溫差0.7 ℃。離南墻越近溫度差異越明顯,在1.5～2.7 m，2.7～3.9 m及3.9～5.1 m范圍內(nèi)溫度梯度分別為0.38 ℃/m，0.09 ℃/m及0.06 ℃/m。

(3) 在所選典型時(shí)刻,垂直方向溫度一直存在差異,南北水平方向的溫差隨時(shí)間增加而增大。