崔倩,蔣林曉
(重慶交通大學 建筑與城市規(guī)劃學院,重慶 400074)
建筑室內熱環(huán)境對室內使用者的人體舒適度影響較大,許多學者針對建筑室內熱環(huán)境舒適度做了大量研究。 郭鐵明[1]通過試驗研究,提出了基于效用函數(shù)法的綜合舒適度評價方法。 任軍、王重等[2]研究了超低能耗既有建筑的綠色改造,通過融合建筑和綠色技術集成,研究創(chuàng)新性整合技術改造方式。 曹彬[3]針對不同地區(qū)的公共建筑熱舒適性調查,分析了人體熱適應理論。 目前,我國建筑室內熱環(huán)境的研究對象多為現(xiàn)代建筑,對歷史建筑室內熱環(huán)境的研究很少。 本文以重慶交通大學歷史建筑“青樓”為例,對高校歷史建筑室內熱環(huán)境開展現(xiàn)場調研和測試研究,通過單一環(huán)境控制因素及人體熱舒適度評測,解析重慶高校歷史建筑室內熱環(huán)境中,使用者主觀評測和儀器測評分析結果的關聯(lián)度,為歷史建筑室內熱環(huán)境后續(xù)研究提供基礎。
在重慶市公布的歷史建筑名單中,重慶大學、西南大學、四川美術學院、重慶醫(yī)科大學、重慶交通大學等高校的十余棟建筑被認定為重慶市歷史建筑,本文選取重慶交通大學歷史建筑青樓作為主要研究對象。 青樓為重慶交通大學1956 年修建的第一批教學樓,建筑造型簡潔大方,具有強烈的時代特色,目前建筑保存完好,作為辦公樓仍在使用(圖1)。
圖1 青樓
研究團隊采取問卷調查和實地數(shù)據(jù)監(jiān)測相結合的方法開展研究。 團隊對青樓內部使用人員室內熱環(huán)境的主觀感受開展問卷調查, 獲取長期使用者對該建筑室內熱環(huán)境的舒適度評測數(shù)據(jù),并結合現(xiàn)場儀器HOBO U12 Logger 測量結果進行對比分析。為便于進行數(shù)據(jù)對比研究,在同一時間內對重慶交通大學現(xiàn)代教學樓“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園”也進行了使用者調查問卷研究和數(shù)據(jù)測評分析。
項目團隊在青樓和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)樓兩棟建筑內各發(fā)放調查問卷50 份。 調研對象為兩棟建筑的內部教育相關工作人員,年齡約為30~50 歲。 問卷調查內容包括對室內溫度、濕度、氣流強度、光照強度幾個因素的單一感受以及對建筑室內整體舒適度的評價。 共回收調查問卷87 份,其中,在青樓回收有效問卷42 份,在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)樓回收有效問卷45 份,問卷有效率87%。
通過對調查問卷進行分析發(fā)現(xiàn), 針對青樓,50%受訪者表示室內溫度較低,57%受訪者表示濕度高或偏高,64%受訪者表示通風情況良好,66%受訪者明確表示光線不足。 而針對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園,50%受訪者表示溫度、 濕度適中,64%受訪者表示環(huán)境適中或干燥,35%受訪者表示通風情況較好,73%的受訪者表示室內光線適中或明亮。 也就是說,受訪者對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園環(huán)境的滿意度略高于對青樓的環(huán)境滿意度。 本文根據(jù)熱舒適標度5 級標尺對調研結果進行分析。 熱舒適標度5 級標尺將熱舒適程度分為舒適、稍不舒適、不舒適、非常不舒適、無法忍受五種程度,分別用0、+1、+2、+3、+4 分值進行程度區(qū)分。 根據(jù)調研結果,擬合下列公式,計算分析部分單一因素的主觀舒適度,最終計算結果數(shù)值較大,則表現(xiàn)為舒適程度較低。
其中:X1、X2、X3、X4、X5分別代表調查問卷中舒適度單一因數(shù)中的舒適、稍不舒適、不舒適、非常不舒適、無法忍受五種程度在此因素中的占比。
單一因素的舒適度計算評分結果(圖2)顯示:(1)在相同的室外環(huán)境條件下,建筑溫度和濕度的主觀評測相關性較強;(2)在主觀測評中,現(xiàn)代建筑創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園在溫度、濕度、光照方面舒適度高,歷史建筑在通風方面舒適度高;(3)單一因素平均綜合表現(xiàn)和主觀綜合測評結果都顯現(xiàn)出創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園室內熱環(huán)境舒適度更高。
圖2 青樓與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園單一因素舒適度評測對比
2.2.1 測試對象
本文在歷史建筑青樓和現(xiàn)代建筑創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園中分別選取兩處相似的測試點進行對比分析。 青樓建筑面積2600m2, 東西長55m,南北寬17m,建筑形態(tài)呈一字形,東西朝向,磚混結構,目前一層為辦公區(qū)域,二層及以上空置。 現(xiàn)代建筑重慶交通大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園與青樓在建筑形式、平面功能、房間布局上類似。
2.2.2 測試設備
研究團隊利用多渠道能源環(huán)境監(jiān)測儀器HOBO U12 Logger(Mult-channel energy & environmental monitoring) 對重慶交通大學青樓和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園進行室內測試。 該儀器可監(jiān)測多達4 個通道的能源和環(huán)境數(shù)據(jù),支持測量溫度、相對濕度、露點、通風量、光照強度等參數(shù)。測溫范圍為-20℃~70℃,精度為±0.35℃。相對濕度測量范圍為5%~95%RH,精度約為±2.5%。 光照強度測量范圍為1~3000 lmens/ft2,氣流響應時間為1m/s。
2.2.3 測試方法
本文一共選取4 個參考點,分別為青樓301 教室、青樓3 層走廊、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園樓501 教室、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園樓5 層走廊(圖3、圖4)。 測試項目為溫度、相對濕度、氣流速度及光照強度,測量頻率為1 次/5min。 測試時間為2019 年4 月18 日下午5 點至2019 年4 月25 日下午5 點, 期間最高溫度在29℃~34℃, 最低溫度在19℃~22℃,4 月18 日、21—23 日為多云,4 月19—20 日為中雨,4月24—25 日晴。 風向多為東南風、東北風,風速為1~2 級。
圖3 青樓三層平面圖(圓點為測點位置)
圖4 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園五層平面圖(圓點為測點位置)
2.2.4 測試結果分析
根據(jù)現(xiàn)場儀器進行測試,室內每日平均溫度如圖5 所示。 由圖5 可知,在相同的室外氣候條件下,青樓和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園溫度表現(xiàn)均較為平穩(wěn)。 4 月19 日至22 日期間,重慶氣溫出現(xiàn)波動下行,室外氣溫波動較大,在4 月23 日后室外溫度平穩(wěn)。 在歷史建筑青樓中,兩個測試點在相同時間,室內溫度測試結果基本一致,室內溫度隨室外溫度波動較大,和室外溫度波動趨勢基本一致,但溫度顯示有一定滯后。 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園兩個測試點的室內溫度表現(xiàn)相對穩(wěn)定,受室外溫度波動影響小,同時間與青樓測試點最大溫差達到5℃。
圖5 青樓與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園溫度對比圖
室內濕度測試顯示,4 月18 日至25 日,青樓301 室相對濕度平均值為77.54%, 青樓走廊相對濕度平均值為71.99%, 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園501 室相對濕度平均值為57.28%, 外側走廊相對濕度平均值為61.67%。4 月19 日至20 日重慶降雨期間,測量結果顯示,青樓室內濕度受室外降雨影響較大。 室外天氣轉晴后,各個測試點相對濕度逐漸趨于平緩(圖6)。
圖6 青樓與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)樓相對濕度對比圖
由圖5、 圖6 可知, 建筑室內濕度隨著室外溫度的增加而減小,存在近似的線性關系。 在同一室外環(huán)境下,歷史建筑青樓的室內溫濕度變化與室外環(huán)境變化基本一致,創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園由于具備較好的維護保溫結構,體現(xiàn)出較強的保溫和抗?jié)裥阅堋?/p>
光照強度方面,由于青樓測試樓層閑置,測量期間未使用人工照明,僅采用天然采光,整體光環(huán)境較差,白天照度不足5 lum/ft2(55 lx);創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園在白天天然采光和少量人工照明下,測試照度為13lum/ft2(144 lx),晚上有室內燈光照明,光照強度增大(圖7)。測量結果顯示,青樓天然光環(huán)境差,白天光照變化不明顯。結合周邊環(huán)境進行分析可知,這主要由于其整體區(qū)域周邊植被茂盛,遮擋了光線進入室內(圖8)。
表7 青樓與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)樓光照強度對比圖
圖8 青樓外側植被遮擋光照
氣流速度方面, 青樓301 室內空氣流速維持在60~70fpm 之間,遠高于青樓走廊(兩側窗關閉)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園的兩個測試點(圖9)。據(jù)現(xiàn)場分析,這主要是由于青樓301 教室兩側設有較大平開窗,與走廊另一側的教室形成穿堂風,故氣流速度較其他測試點快(圖10)。
圖9 青樓與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園氣流速度對比圖
圖10 青樓301教室與走廊另一側教室形成穿堂風
在上述單一因素舒適度評測分析后, 本文采用丹麥學者Fanger 在20 世紀70 年代提出的熱感覺指數(shù)PMV 作為分析標準。 PMV 指標通過求解人體在穩(wěn)態(tài)條件下達到熱平衡的舒適方程,將空氣溫度ta、平均輻射溫度tr 、相對濕度Rh、風速V、衣著量Icl、活動量M 這六個參數(shù)換算為人體熱感覺[3]。 PMV 是目前預測室內熱環(huán)境模型中應用最為廣泛的參數(shù), 體現(xiàn)人體對某種環(huán)境因素組合的熱感覺,該指數(shù)與人體熱感覺之間的關系如表1所示, 國際標準化組織推薦的室內環(huán)境熱舒適標準的PMV 值在-0.5~0.5 之間[4]。
表1 PMV值與熱感覺的關系[4]
根據(jù)PMV 計算式 (BS EN ISO 7730—2005 建筑熱濕環(huán)境領域的標準), 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園的PMV 計算數(shù)值主要集中在-1~1 之間,屬舒適區(qū)。 青樓整體數(shù)值波動明顯,受室外溫度影響較大,4 月18日至21 日期間PMV 計算數(shù)值有明顯的下降, 整體舒適度不佳。可以得出:(1)青樓走廊窗封閉、氣密性較好,整體PMV 數(shù)值表現(xiàn)較青樓301 室好;(2)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園由于外墻保溫性能較好,教室和走廊表現(xiàn)基本一致,總體保溫性能大幅度高于青樓教室和走廊。
本文通過對重慶高校歷史建筑青樓進行調研, 并結合現(xiàn)代建筑創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園進行數(shù)據(jù)分析, 闡述了基于單一因素和整體舒適度下的歷史建筑和現(xiàn)代建筑的室內熱環(huán)境測評對比結果。結果顯示:(1)在相同的室外環(huán)境,且單一因素作用下,和現(xiàn)代建筑相比,歷史建筑室內熱環(huán)境受室外環(huán)境影響明顯;(2)加強室內密閉性,可以增強歷史建筑內部空間的熱環(huán)境舒適度;(3)相比儀器測量的具體數(shù)值, 歷史建筑內使用者對室內熱環(huán)境舒適程度主觀感受敏銳度偏低。
測評結果可為后續(xù)繼續(xù)深入研究歷史建筑室內熱環(huán)境舒適度提供基礎,現(xiàn)對本文的研究結果進行探討:(1)測試誤差的控制。 本文選取兩棟建筑的室內熱環(huán)境進行比對,建筑尺度和測試點均采取了近似處理, 在后續(xù)研究中將針對原始環(huán)境進行預處理和系數(shù)折減,進一步優(yōu)化誤差處理和結果分析;(2)后續(xù)研究將持續(xù)進行歷史建筑室內熱環(huán)境的改造模擬, 研究建筑熱傳遞系數(shù)、密閉性等單一設計因素和室內舒適度的相關性,以便提出歷史建筑的改造優(yōu)化策略。