常逸航,劉欣怡,朱孟穎,張欣悅,張一鳴,鄭武幸
(西北工業(yè)大學 力學與土木建筑學院,陜西 西安 710129)
綠色建筑也稱生態(tài)建筑、低碳建筑、可持續(xù)建筑,其主要內(nèi)涵包括在建筑選址、設計、施工、使用運營、管理及報廢的過程中,在維護生態(tài)環(huán)境平衡的條件下,充分利用資源,滿足人類經(jīng)營及活動的安全、健康、高效、舒適,達到人與建筑的生態(tài)和諧[1]。2013年,中國綠色建筑委員會發(fā)布CSUS/GBC04-2013《綠色校園評價標準》,標志著我國綠色高校建設有據(jù)可依。
高校建筑是各高等學校為幫助學生和老師達成教學目的而提供的活動場所,是校舍、校園、運動場及附屬設施的集合,其中校舍包括宿舍樓、教學樓、體育館、活動中心、圖書館和游泳池等校內(nèi)的各類建筑[2]。2019年10月1日起實施的GB/T 51356-2019《綠色校園評價標準》以單個或?qū)W校整體作為評價對象,從規(guī)劃與生態(tài)、能源與資源、環(huán)境與健康、運行與管理、教育與推廣和特色與創(chuàng)新6個方面作出規(guī)定,同時要求了校園建設應該堅持綠色節(jié)約的設計理念,保障學生的生活健康,為學生提供良好的環(huán)境[3]。
對于學生來說,最主要的室內(nèi)環(huán)境是作為公共建筑的圖書館和教室,以及用于學生休息的宿舍。本文將對這兩類校園典型建筑室內(nèi)熱舒適的研究進行綜述,有助于為高校建設節(jié)約型校園提供參考。通過本課題的討論,可以了解高校室內(nèi)舒適度,分析影響室內(nèi)熱舒適的相關因素對綠色節(jié)能建筑設計的影響。以此幫助建筑師在高校校園建筑設計上選擇設計策略,營造舒適建筑環(huán)境。
1970年,F(xiàn)anger教授進一步在人體熱平衡方程的基礎上,加入了代謝與熱感覺兩個方面,提出了預測平均投票數(shù)和預測不滿意百分比兩個熱舒適評價指標。由于預測平均投票數(shù)和預測不滿意百分比兩個熱舒適評價指標綜合樓影響熱舒適的6個因素。
熱舒適評價指標是室內(nèi)熱舒適研究的重要依據(jù)之一,1970年Fanger對McNall等在卡薩斯州立大學所進行實驗得出4種新陳代謝下的熱感覺進行曲線回歸分析,得到預測平均熱感覺滿意指數(shù)PMV,成為全世界通用的熱環(huán)境評價指標,并被國際標準IS07730收納[4]。之后Fanger教授又提出了PMV-PPD(預測不滿意百分數(shù))指標。它代表大多數(shù)人在同一情況下的冷熱感覺,可以用于預測人體在熱環(huán)境中的熱反應,是將1396名受試者在室內(nèi)參數(shù)穩(wěn)定的人工氣候?qū)嶒炇覂?nèi)進行熱舒適實驗所得的結(jié)果進行統(tǒng)計分析,并以人體舒適度方程和ASHRAE的熱感覺7級分級法為基礎,提出了體現(xiàn)人體熱舒適性的一個比較客觀的指標。PMV-PPD指標綜合考慮室內(nèi)環(huán)境因素和人體的因素,并結(jié)合人的心理和生理方面的感受,是目前考慮人體舒適性影響因素最為全面的評價指標,得到了世界的公認。
現(xiàn)如今,對建筑進行室內(nèi)熱舒適研究時,熱環(huán)境調(diào)查的方法一般分為兩類,人工氣候室模擬和現(xiàn)場調(diào)查研究。而在調(diào)查高校建筑室內(nèi)熱環(huán)境時,通常采用的是現(xiàn)場調(diào)查研究的方法。
現(xiàn)場調(diào)查研究一般采用實地考察加問卷調(diào)查的方式進行。實地考察采用的儀器主要有黑球溫度儀,萬向風速儀,溫濕度計等(圖1、圖2、圖3)。實地考察利用實測數(shù)據(jù)對房間進行對比分析,從客觀的角度對房間室內(nèi)熱舒適進行研究,但由于一些變量無法長期實時進行監(jiān)測(如實時天氣、溫度、氣流流速、人為進出等因素),所得結(jié)果只能在一定程度上反應房間的熱舒適條件。問卷調(diào)查根據(jù)調(diào)查對象,選擇最合適的樣本范圍,使得所選擇的樣本可以基本代表這一人群的熱感覺。對于問卷的設計,應該對問題多次修改調(diào)整,并根據(jù)反饋對問卷的內(nèi)容進行再次調(diào)整,最終達到問題清晰化,回答最簡單,最直接,最真實的反映出受試者真實的熱感覺,從而獲得受試人群最準確,最具有代表性的主觀熱反饋。
圖1 黑球溫度儀
圖2 萬向風速儀
我國不同地區(qū)氣候條件對建筑影響具有差異性,1993年我國制訂了《民用建筑熱工設計規(guī)范》,確定了我國建筑熱工設計分區(qū)的原則和分區(qū)范圍。整個建筑熱工設計分區(qū)將全國劃分為5個建筑熱工設計分區(qū)我國。分別是嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)(表1)。每個地區(qū)高校室內(nèi)熱舒適的研究應當根據(jù)其不同的氣候條件分別進行分析[5]。本文根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》中不同氣候區(qū)的差異,主要分為嚴寒地區(qū)與寒冷地區(qū),夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)與溫和地區(qū)兩類。
圖3 溫濕度計
李愛雪[6]在對哈爾濱大學的研究中,根據(jù)實地調(diào)研測量出的熱環(huán)境數(shù)據(jù)與收集到的基于ASHRAE 55標準中的熱舒適等級所制的調(diào)查問卷,并通過對問卷分析得出舒適濕度,對平均熱感覺投票值MTS的分析得出熱中性溫度,與自制模型模擬所得環(huán)境熱舒適溫度進行比較,從而對教室內(nèi)學生熱舒適感覺進行了評價。然而所得熱中性溫度與預測舒適溫度仍存在較大差異。這是因為他們所采用的分析模型與傳統(tǒng)的PMV—PPD模型相似,沒有考慮到人的心理因素和心理影響[7]。
表1 建筑熱工設計分區(qū)及設計要求
代金、姜曙光、徐鑫、吳夢云在對石河子大學教室進行研究時[8],就對人的主觀這一方面進行了更深的探究。他們根據(jù)Fanger提出的期望因子e,修正當量穩(wěn)態(tài)空調(diào)條件下計算出來的PMV,得到了修正模型PMVe,然后采用不同于PMV/PPD的Griffiths模型,其考慮被測試者經(jīng)過一段時間對熱環(huán)境的適應及自我調(diào)節(jié),從而降低回歸相關系數(shù),得出舒適溫度。Griffiths模型適用條件廣泛,不受地區(qū)以及通風、制冷模式限制[9]。而在楊松的研究中[10],則對人的主觀感受又進行了細分,如性別、體型、年齡以及是否北方人四部分。并采用chi-square檢驗方法[11]來驗證這些因素是否可能會影響到人體的熱感覺投票值,得出的預測熱舒適環(huán)境更為精確。由此可以看到,北方教室內(nèi)熱環(huán)境舒適度評價的精準與否主要取決于調(diào)查研究時有沒有考慮人對環(huán)境熱感覺心理接受程度這一指標。原因可能在于人對嚴寒地區(qū)教室內(nèi)熱環(huán)境的心理預期較低,身體也在一定程度上適應了嚴寒地區(qū)教室內(nèi)熱環(huán)境條件,而影響舒適的主要原因往往就是室外天氣轉(zhuǎn)變,例如冬季轉(zhuǎn)春季時,教室內(nèi)采暖情況仍與之前冬季相同,從而導致了人體熱感覺明顯發(fā)生變化。
寒冷地區(qū)的熱環(huán)境特點與嚴寒地區(qū)有一定的相似之處,因為在冬季時,兩種地區(qū)教室內(nèi)都采取的是集中供暖方式,因此寒冷地區(qū)教室內(nèi)也存在過渡季節(jié)室內(nèi)空調(diào)溫度及濕度調(diào)節(jié)不自然,感覺不舒適的問題[12]。但與此同時,寒冷地區(qū)也有它獨特的地方,在趙雪[13]的文章中,調(diào)查發(fā)現(xiàn)寒冷地區(qū)學生感到舒適的溫度范圍比美國采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(ASHRAE)給出的舒適區(qū)溫度更寬。而王雪人的研究中[14],對西安某教學樓教室內(nèi)熱環(huán)境的現(xiàn)場儀器測量和基于ASHRAE7點標尺的問卷調(diào)查所得到的結(jié)果進行分析,發(fā)現(xiàn)寒冷地區(qū)學生對教室內(nèi)熱環(huán)境的接受率相當高,而對氣流速度和空氣質(zhì)量的滿意度則較低,這點在鄭州的教室內(nèi)熱環(huán)境研究中也有所體現(xiàn)[15],因此王雪等將所有熱環(huán)境可接受投票對應的室內(nèi)操作溫度與室外月平均溫度坐標集中繪制,并將ASHRAE標準熱適應舒適區(qū)繪于其中,得出高校受試者可接受溫度的范圍超出ASHRAE熱適應模型??梢娫诤涞貐^(qū)教室內(nèi),學生對環(huán)境內(nèi)的熱舒適敏感度更偏向于風速,可見對寒冷地區(qū)的教室內(nèi)整體熱舒適進行評價時,人體的操作溫度的影響應該占比更多。
在衡陽南華大學楊曉敏的研究中[16],根據(jù)問卷所得數(shù)據(jù)進行了MATLAB編程,得到了全體熱期望溫度,并與武漢葉曉江得出的教室內(nèi)熱期望溫度基本吻合[17],并指出,夏熱冬冷地區(qū)教室內(nèi)熱環(huán)境具有冬季陰冷、夏季濕熱的特點。而在無集中供暖的夏熱冬冷地區(qū),教室作為長時間使用及人員聚集的地方,溫濕度的調(diào)節(jié)問題從經(jīng)濟與節(jié)能的方面來看,應該主要藉由通風來解決。邱靜與凌強在研究夏熱冬冷地區(qū)教室內(nèi)人體熱舒適時就發(fā)現(xiàn)了舒適溫濕度調(diào)節(jié)與通風情況的聯(lián)系[18]。而李娟、沈天清的研究中[19],就結(jié)合典型年逐時氣象數(shù)據(jù),運用人體室內(nèi)舒適溫度計算公式針對自然通風對熱舒適溫濕度調(diào)節(jié)的影響進行了分析,得到的結(jié)論是,自然通風調(diào)節(jié)熱環(huán)境能力最高的時間段主要集中在6—9月份,在7月份,由于空氣相對濕度較大,教室內(nèi)人體舒適溫度最高值被降低,從而補償效果會受限??傮w來說,在夏熱冬冷地區(qū)普遍環(huán)境下,教室內(nèi)的通風情況對熱舒適的調(diào)節(jié)是相當重要的。
在季節(jié)滿意度調(diào)查方面,楊曉敏得出的結(jié)論是過渡季節(jié)>夏季>冬季,這與嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)有明顯的不同,說明夏熱冬冷地區(qū)的教室熱環(huán)境還與使用人群有一定的關系,因為一般根據(jù)學生入學的地域性特征來說,嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)或者夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū),都主要是本地區(qū)的學生入學,夏熱冬冷地區(qū)則是南北方學生都占有一定比例,而兩個群體對熱環(huán)境的敏感度各不相同,楊曉敏等將對熱舒適的調(diào)查分為南方組和北方組[20],研究分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)南方學生對夏熱冬冷氣候的適應性高于北方學生。因此人群的分類也是夏熱冬冷地區(qū)教室內(nèi)熱舒適研究的一項重要考量。
在夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū),室內(nèi)熱環(huán)境的特點沒有其他熱工分區(qū)那樣較為突出[21]。但因為這兩個地區(qū)的主要熱工要求是夏季防熱,因此,保證人體熱舒適和建筑節(jié)能的關鍵是控制夏季空調(diào)房間的室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度以及氣流速度,尤其是空氣溫度和氣流速度[22]。在夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū),對教室內(nèi)人體熱舒適范圍的確定應該是熱舒適研究的重點。
馬倩[23]主要將空氣溫度、濕度、空氣流速、平均輻射溫度、人體活動情況和衣服熱阻這六大影響人體熱舒適的因素采用層次分析法進行相互比較(表1),然后通過矩陣對特征值進行分析,從而判斷各個因素間的相對重要程度。同時,馬倩還結(jié)合了問卷調(diào)查所得的主觀的評價,來對熱舒適進行模糊綜合評判。
表2 判斷矩陣標度及其含義
應用層次分析法,馬倩對空調(diào)房間的夏季室內(nèi)熱環(huán)境評價進行了組合優(yōu)化,得出了在不同著裝、不同濕度、不同活動情況下,滿足熱舒適條件的室內(nèi)溫度和風速組合變化范圍,進一步證實了人體活動強度和空氣濕度的影響主要表現(xiàn)在高溫和低風速場合,且這種不適感會隨空氣濕度和人體活動量的增加而增加,與問卷所得熱感覺評價基本一致。這為以后的夏熱冬暖地區(qū)及溫和地區(qū)的教室內(nèi)熱舒適研究發(fā)展提供了一個可行的方向。
圖書館作為除教室以外使用最多的公共空間,熱舒適問題與教室基本相同,但圖書館也有本身獨特的熱環(huán)境問題,一是由于圖書館內(nèi)采光所需要的大面積玻璃導致的夏季室內(nèi)氣溫上升導致熱舒適下降的問題,在朱尚斌的研究中[24],學生對圖書館熱環(huán)境的不滿意評價基本是因為對夏季圖書館內(nèi)靠窗位置與屋頂天窗下的中庭位置過高溫度的不適應,靠近建筑內(nèi)部的座位大多感覺比較舒適,以及一層學生大多感覺溫度舒適,頂層學生感覺溫度過高;二是在夏季有相當一部分學生對室內(nèi)風速感覺到不滿意[25,26],大部分學生都感覺無風或悶熱,尤其是在中庭空間,而僅僅在通風口處的同學有微風感??梢园l(fā)現(xiàn),學生在圖書館內(nèi)熱舒適熱感覺所存在的問題基本與所在位置有關系,比如頂層靠窗同學就不如一層內(nèi)部的學生來的舒適,在之后關于圖書館熱環(huán)境學生熱舒適的研究應該注意學生所處的位置信息,確保對學生熱舒適的評價足夠準確客觀。
根據(jù)上文可以得出,在嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)進行校園公共空間室內(nèi)熱舒適研究時,調(diào)查時一定要考慮學生對環(huán)境熱感覺心理接受程度狀況;而在夏熱冬冷地區(qū)則需要考慮人員的地域性,因為南北方的學生對夏熱冬冷地區(qū)的環(huán)境需求與適應還存在很大的差異,夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)則需要綜合考慮各項數(shù)據(jù)確定舒適度范圍。針對不同的地區(qū)內(nèi)的公共建筑,室內(nèi)人體熱舒適的測量應考慮建筑內(nèi)部的某些特殊點,否則會導致最終評價結(jié)果與實際調(diào)查有所差距,從而失去研究的合理性。
據(jù)王竹林[5]調(diào)查,嚴寒地區(qū)宿舍內(nèi)學生對偏冷環(huán)境比較敏感,但對于很冷的環(huán)境反而很強的適應性,這與校園公共建筑室內(nèi)熱環(huán)境研究所得結(jié)論基本一致,但是室內(nèi)空氣溫度稍低時,學生還是希望宿舍更暖一點,這是因為宿舍作為學生上完課休息的場所,學生更加想要一個溫暖舒適的環(huán)境。這也說明了宿舍與教室、圖書館的不同,即受試者的熱阻值受到室內(nèi)外環(huán)境和行為調(diào)節(jié)方式的影響,各階段內(nèi)教室、圖書館內(nèi)學生的熱阻值都大于宿舍內(nèi)學生的熱阻值[27]。
從客觀角度來看,宿舍空間較為狹小,在不開窗或開門的情況下,熱量不易散發(fā),因此學生的環(huán)境舒適范圍比在公共建筑里更大一些,但同時,開窗或開門會導致冷風滲透,靠近外窗和門的學生會有吹風感,在嚴寒地區(qū)冬季,這種冷風對人體熱舒適的影響非常大。
在過渡季節(jié),學生的接受度則相較于教室要更高一點,這也是因為學生更需要宿舍的環(huán)境相較于教室等公共建筑能夠更溫暖一些。而到了夏季,因為宿舍狹小,通風不暢,北方天氣又較為干燥,室內(nèi)溫度在大多時間里超過了學生的熱舒適范圍。
寒冷地區(qū)宿舍內(nèi)學生熱舒適情況與嚴寒地區(qū)大致相同,寒冷地區(qū)的學生也不能忍受夏季宿舍室內(nèi)的高溫環(huán)境[28],這與宿舍設計有一定的關系,嚴寒地區(qū)與寒冷地區(qū)宿舍設計均偏向保溫方面,主要以冬季及和過渡季節(jié)的學生熱舒適為主,犧牲了夏季室內(nèi)熱環(huán)境的合理調(diào)節(jié),導致大部分學生在夏季的室內(nèi)熱環(huán)境滿意度偏低,且會主要采取使用空調(diào)或晝夜開窗的方法來調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境,來加強室內(nèi)空氣對流[29]??梢?,在嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的學生宿舍進行室內(nèi)熱環(huán)境及人體熱舒適調(diào)查研究中,如果要對宿舍熱舒適進行全方位的評價,針對不同季節(jié)進行判斷相當重要,這是因為嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的學生們在不同的季節(jié)里,對宿舍熱環(huán)境的主觀期待是不一樣的。
在夏熱冬冷地區(qū),學生宿舍的熱舒適問題則更為明顯。張啟寧[30]通過對合肥地區(qū)的高校宿舍進行現(xiàn)場實測和問卷調(diào)查以及分析得出,宿舍室內(nèi)熱舒適存在以下問題:夏季宿舍隔熱性能差,從而室內(nèi)溫度高;夏季宿舍內(nèi)的通風差,不合理的通風導致熱量不能散出;冬季宿舍保溫性能差,從而使冬季室內(nèi)溫度低造成人體舒適度下降:建筑的門窗氣密性不足使冷風滲透現(xiàn)象嚴重。晏旺[31]結(jié)合了實測熱感覺投票值TSV與PMVe預測模型進行分析,得出的結(jié)論也基本印證了這一觀點:在夏季,學生的期望溫度比預測所得熱中性溫度低,學生期望更涼爽的環(huán)境;而在冬季,學生的期望溫度比預測所得熱中性溫度高,學生期望更溫暖的環(huán)境。
由此可見,夏熱冬冷地區(qū)的宿舍建筑所存在的主要問題是維護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱。而在學生普遍對宿舍室內(nèi)熱環(huán)境不滿意的情況下,也必然會采取一定的適應行為。在進行夏熱冬冷地區(qū)的宿舍熱舒適研究時,將這些行為也加以考慮,則會使得研究所得學生熱舒適范圍更為合理。
夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)的學生宿舍不用考慮室內(nèi)的保溫,在冬季,這些地區(qū)的學生對宿舍室內(nèi)熱環(huán)境滿意度較高,陰壯琴[32]等人采取了問卷調(diào)查及現(xiàn)場實測的方式,并以PMV、MTS與標準有效溫度SET為主要熱舒適指標對所得數(shù)據(jù)進行了分析,并判斷出在冬季,學生在宿舍所測得的MTS基本都大于PMV,溫度越低,差值越明顯。這是因為基于PMV制定的國際標準并不完全適用于我國的夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)這種濕熱地區(qū)。同時他們將實測學生熱不滿意率與PMV-PPD回歸方程所得預測熱不滿意率進行了比較,實測值比預測值要低得多,說明學生對夏熱冬暖地區(qū)冬季的宿舍室內(nèi)熱環(huán)境還是比較滿意的。而利一峰[33]著重研究了夏季有空調(diào)情況下宿舍室內(nèi)熱舒適的情況,問卷調(diào)查得到,學生大多數(shù)對室內(nèi)熱環(huán)境表示滿意或可以接受,但問卷中濕感覺為有點干的比例占41.0%,而對室內(nèi)濕感覺表示舒適的僅占29.5%。究其原因是由于學生宿舍空調(diào)的設定溫度普遍過低,這也從側(cè)面反映了學生降低室內(nèi)空調(diào)設定溫度,導致室內(nèi)空氣偏干燥。
現(xiàn)在宿舍熱舒適仍存在有許多的問題,在嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū),宿舍通風設計差,在夏季時,室內(nèi)熱輻射不能很好的散發(fā),導致大多數(shù)學生不能忍受室內(nèi)的高溫環(huán)境;而夏熱冬冷地區(qū)大部分宿舍不僅夏季室內(nèi)通風差溫度高導致學生舒適度下降,而且還存在冬季維護結(jié)構(gòu)保溫性能不足室內(nèi)溫度低導致學生舒適度下降的情況;夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)存在的問題不是很明顯,絕大部分學生對宿舍室內(nèi)熱環(huán)境表示滿意,但也有夏季空調(diào)溫度過低導致室內(nèi)空氣干燥,從而一定程度上降低學生舒適度的現(xiàn)象??傮w來說,宿舍作為學生在校期間使用時間最久的休居住場所,受季節(jié),也就是室外熱環(huán)境影響非常大,無論在哪種地區(qū),在對其進行舒適度評價時應該盡量收集測量到各個季節(jié)的數(shù)據(jù),再加以比較分析,才能準確且全面地得出結(jié)論。
我國綠色建筑與綠色校園發(fā)展較國外來說比較緩慢,現(xiàn)有校園建筑室內(nèi)熱舒適都存在著一定的問題,而且不同熱工分區(qū)、不同建筑類型的建筑在不同的季節(jié)里所表現(xiàn)出來的問題都有相當顯著的差異,這給以后校園建筑室內(nèi)熱環(huán)境的改造帶來了一定的難度。
同時因為人體本身對環(huán)境的習慣與心理預期的原因,來自不同地區(qū)的學生們對熱環(huán)境的感知有所差異,北方學生對熱的敏感度要高于南方學生,而南方學生對冷的敏感度則要高于北方學生。南北方學生對環(huán)境變化的感知不同,再加上季節(jié)變化的影響,導致學生們對室內(nèi)熱環(huán)境的舒適需求是動態(tài)變化的,而現(xiàn)有的大部分高校建筑并沒有辦法滿足這種動態(tài)需求。
因此,我國校園建筑室內(nèi)熱環(huán)境在進行研究改造時要對不同季節(jié)、不同建筑類型、不同熱工分區(qū)的校園建筑室內(nèi)熱環(huán)境情況進行綜合對比,有針對性地采取加強措施。更重要的是,校園建筑室內(nèi)熱舒適的研究應該著重分析學生們對各種熱環(huán)境因素的適應性和不同學生之間的差異性,并多利用數(shù)學模型統(tǒng)合數(shù)據(jù),結(jié)合當?shù)責岘h(huán)境分析各種主要因素對熱舒適的影響程度,并最終結(jié)合使用者主觀熱感受與客觀熱環(huán)境條件來對室內(nèi)熱舒適情況進行模擬調(diào)查。這樣才能夠更精確得出在本地區(qū)最適合絕大多數(shù)學生使用的室內(nèi)熱環(huán)境條件參數(shù),從而打造更舒適、更節(jié)能的、更高效的校園環(huán)境。