皖北地区自然通风建筑秋季热舒适研究.pdf

029233|2023|08建筑学摘要：文章对皖北地区自然通风建筑进行调研，研究该地区秋季室内热舒适状况。调查采用仪器测量和主观问卷结合的方法。共收到 290 份有效问卷，经统计分析得出以下结论：皖北地区秋季教室的实际热中性温度为 24，学生热期望温度约为 25.4，热舒适的相对湿度为 60.1%；由于衣着习惯和心理期望等因素的影响，人们偏好稍温暖的环境。本研究为皖北地区高校教室热环境设计提供依据。Abstract：This paper investigates the natural ventilation buildings in northern Anhui,and studies the indoor thermal comfort situation in autumn.The survey used a combination of an instrumental measurement and a subjective questionnaire.A total of 291 valid questionnaires were received,and the following conclusions were concluded:the actual thermal neutral temperature in autumn classrooms in northern Anhui is 24,the thermal expectation temperature of students is about 25.4 ,and the relative humidity of thermal comfort is 60.1%.As the result of clothing habits and psychological expectations,people prefer a slightly warm environment.This study provides a basis for the thermal environment design of classrooms in universities in northern Anhui.关键词：热舒适；教室；热感觉；自然通风；室内热环境Keywords：thermal comfort；classroom；thermal sensation；natural ventilation；indoor thermal environment文曹稳安徽科技学院建筑学院讲 师硕 士李敏安徽科技学院建筑学院刘佳颖安徽科技学院建筑学院陈丽华合肥工业大学建筑与艺术学院严涛安徽科技学院建筑学院DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.08.010引言随着国家对高等教育的重视，高校内建筑设施逐渐完善，师生工作、学习环境质量不断提高。对于高校学生而言，教室是学生活动主要场所，具有用时长、人流量大的特点1。教室内热环境质量与学生的学习效率、身体机能息息相关2-4。诸多学者通过对室内热环境的研究，得出了大量结论。如刘聪5等人在研究热不适环境对工作效率的影响时发现，热不适环境对人会产生负面的影响，人们在热不舒适环境中造成的工作效率下降是由生理机制引起的；梁东阳6在分析热舒适度与学习效率影响的性别差异时指出，持续性的长时间学习不仅会对学生的身体机能造成一定影响，还会降低其认知能力和学习效率。随环境因素变化影响，不同性别学生的机能收缩（如心率、舒张压）受环境影响的程度存在差异；侯东梁7等人研究发现，室内热舒适对学生的心情会产生影响，学生在较差的热环境中，其学习效率和心情受到不同程度的变化。因此，高校教学楼的热舒适调查研究对营造健康舒适的学习环境具有重大意义。大部分学者对于夏热冬冷地区室内热环境研究多集中在公共建筑和住宅建筑，对于皖北地区教室热舒适的研究相对较少，人们对该地区的室内热环境仍认识不足。基于此现象，文章选取蚌埠市某高校教室作为研究对象，分析秋季室内热舒适状况，客观研究人体的热舒适影响因素。将实测的室内外气象等因素与生理等效数值作回归分析，探究两者的关联性及其因果关系，为该地区高校教室热环境设计提供依据。1 研究方法1.1 调研时间与地点皖北地区位于淮河以北、长江三角洲西北角。由我国民用建筑热工设计规范GB50176-2016 可知，皖北属于夏热冬冷地区。该地区夏季闷热，冬季阴冷，年降水量大，日照及昼夜温差较小。春末夏初该地区多阴雨天，常伴有大雨或者暴雨。夏季太阳辐射强烈，黄梅季节持续阴雨，因空气中水蒸气含量过高，易造成潮湿闷热。冬季空气温度低，阴雪绵绵，日照不足，日照率远低于北方，由东向西急剧Research on Autumn Thermal Comfort of Natural Ventilation Buildings in Northern Anhui皖北地区自然通风建筑秋季热舒适研究基金项目：安徽省哲学社会科学规划项目（项目编号：AHSKQ2021D132）0302.3 衣服热阻根据调查数据显示可知：受访者的服装热阻范围主要分布于 0.4 1.0clo 区间，占总数的 61.72%。主要因为学生服装调整受教室环境的限制9，故热阻值分布较集中。此外，蚌埠属亚热带季节气候，秋季多风且室外温度较低，教室开窗面积较大，因此热阻值整体较高。分析服装热阻值与室内温度的关系得到拟合 方 程 Icl -0.1075t 3.1631，其 R20.93736clo（图 2）。衣服的热阻值总体上随操作温度的升高而减小，两者呈负相关且线性相关系数为 0.1.75，即操作温度 t 平均每升高1，衣服热阻降低 0.1075clo。即学生通过减少服装适应升高的温度，说明学生的着装与温度存在显著的线性关系。2.4 主观问卷结果2.4.1 稳态热感觉中性温度指在一定环境中，当人体热感觉值为“不冷不热”时的温度，即受访者的热感觉投票为“中性”时所对应的温度10。文章绘制了室内受访者实际平均热感觉投票（mean thermal sensation vote）与操作温度的分布关系图（图 3）。在分析学生实际热感觉（TSV）与操作温度之间的关系时，将调查样本以0.5为间隔进行分箱处理11。分析数据得到 TSV 与操作温度 t 的线性拟合方程：TSV 0.1069t 2.5696，R20.3187（图 4）。两者呈正相关且线性相关系数为 0.1069，即操作温度每升高 1，平均热感觉值（TSV）增加 0.1069。当 TSV 0 时，根据方程得到 t 24.0，即学生在教感觉、热舒适、湿感觉等。热感觉投票值采用 ASHARE-55 中的 7 点标尺（-3 为冷，-2为 凉，-1 为 微 凉，0 为 适 中，+1 为 温 暖，+2 为暖，+3 为热），湿感觉投票值也采用了ASHARE-55 的 7 点标尺（+3 为很湿，+2 为湿，+1 为稍湿，0 为不干不湿，-1 为稍干，-2为干，-3 为很干）。2 结果与分析2.1 室内外环境参数调研过程中，通过校园气象站收集的室外数据与仪器测得的室内测量数据相比较，得到室内外温度与相对湿度的变化分布图（图 1）。由图可知：研究期间，外部温度的变化范围为 0 30，平均温度为 18.4；相对湿度变化范围为 40%100%，平均相对湿度为 90.8%；室内温度（仅上课时间）变化范围为 15 27，平均温度为 21.8，相对湿度（仅上课时间）变化范围为 37%83%，平均相对湿度为 53.5%，符合皖北地区属于温带半湿润季风气候的地理特点。2.2 受访者信息两个月的调查共收到 290 份有效问卷。对受访对象人群进行分析统计可知：受访者中男性为 217 人，占总体人数的 74.8，女性为 73 人，占总体的 25.2；受访者的年龄范围介于 20 24 岁之间，平均年龄为 22岁；身高范围在 157 190cm，平均身高为173cm；体重范围在 40 150kg，平均体重64kg；衣服热阻范围为 0.2 1.76clo，平均值在 0.86clo。减少，易感到潮湿阴冷8。此次研究调查时间为2020年9月至11月。调研教室平面形状为矩形平面（宽 7.8m，长1.04m）。教室内桌椅布置与图中相同，共有学生座位 80 个。室内讲台位于教室东北角，且黑板处设有多媒体投屏仪和幕布。教室内无空调设备，有四台吊扇，吊扇档位均可由学生自行调节。1.2 测试仪器与精度调研期间所用测量仪器为 JA-IAQ-50 系列空间热环境及舒适性检测仪、TR-72nw 系列温度记录仪，仪器测量频率均为 1min/次。仪器分别位于测试教室中的四角及中间位置。仪器测量室内的热环境，包括空气温度、湿度、风速、黑球温度等。测量点的高度为 0.6m，对应于身体在腹部区域的位置高度。测试仪器于课前 10min 布置，以稳定仪器性能，减少外部环境因素对测量数据的影响，使测量数据更符合实际情况。研究期间的室外温度、相对湿度等数据来自校园气象站。1.3 调查问卷调研采取现场测量和主观问卷相结合的方式进行。采用横向加纵向的问卷调查方法，考虑受访者样本性别、年龄等因素的均匀分布。在调查过程中，详细记录每位受访者的衣着情况和新陈代谢率。每周进行 1 2 次调查，时间为每天上午 9 3010 30，下午15 3016 30。受访者多为四年级在校学生，他们在学校生活三年及以上，充分适应当地气候，且都有一定的建筑物理知识基础，对自身的热感觉和环境的舒适性把握更加准确，避免了受访者因为自身的知识背景因素对人体热舒适性主观调查产生影响。同时，为了减少调查期间受访者步行等人为因素对主、客观数据的影响，在问卷调查中，受访者应保持最初的活动状态，通常是坐立。热环境的各项指标测试与调查问卷同步进行，最终共获取有效问卷 290 份。调查问卷的内容参照 ASHARE-55，调查问卷包括受访者信息和热环境的主观评价两部分。其中受访者信息包括性别、身高、体重以及服装热阻等；主观评价部分包括热图 1室内外温度与相对湿度分布情况（图片来源：作者自绘）图 2衣服热阻与室内操作温度的关系（图片来源：作者自绘）表 1各地区热中性温度（表格来源：作者自绘）031233|2023|08建筑学室室内实际热中性温度（tn）为 24。得到的 tn 与 ASHRAE 55（20.9 28.3）和EN15251 2007（22.1 28.7）给定的热中性温度范围相符合12。当 TSV 1，得到 t 14.6 和 33，即教室在自然通风状态下可接受的温度区间为 14.6 33。并将文章研究结果与国内其他调研结论进行对比可知：不同地域、不同季节影响了受访者对热环境的感知能力，从而产生的人体热中性温度不同13（表 1）。以 ASHRA-5521中 通 用 的 7 级 热 感 觉标尺作为学生对热环境的评价指标，对问卷数据统计分析得到整体热感觉分布。在自然通风状态下，人们在教室中整体感觉较舒适，其中感受“冷”的人群为 2.8%；感受“凉”的人群为 5.2%；感受“稍凉”的人群为 28.6%；感觉“不冷不热”的人群近39.3%，占比最大；感觉“稍暖”的人群为4.8%；感觉“暖”的人群为 17.9%；感觉“热”的人群为 1.4%。据上述结果统计可知，大部分受访学生在室内感受较为舒适。2.4.2 热舒适感知对不同温度下热舒适度数据测量分析得出：当温度高于 16.1时，“舒适”的投票占比最大。其中以室内中性温度 24为分界，当温度低于 24时，随着温度的升高，人群中“热舒适”投票的占比不断提高。当温度大于 24后，随着温度的升高，人群中“热舒适”投票的占比不断降低，而“热不舒适”的投票则与之相反。2.4.3 热接受值为研究学生对秋季室内的热接受程度，调查期间将热接受度的评价采用 7 级指标，即 1 7 由“完全不接受”到“完全接受”进行划分。分别抽取最高温度、最低温度中不同性别人群对热接受程度的平均值，并将调查结果进行分析得到如下结论。秋季人们对室内热环境的整体接受度较好，且愿意接受更高的室内温度；最高温度接受度上男、女分别为 4.41、4.32；最低温度接受度上男、女分别为 3.71、3.73；男、女平均接受度分别为 4.33、4.35。由上述结论对比可发现：男女学生对温度的接受度基本一致。2.4.4 湿感觉值湿感觉（MHS）的 7 级指标为-3（很湿）3（很干）。MHS 的主要影响因素是相对湿度（RH）。分析 MHS 与 RH 的关系（图4），经过线性拟合得出回归方程为 MHS 0.0132RH-0.7941，线性拟合系数为 R20.2455。两者呈正相关，线性相关系数为0.0132，即随着室内相对湿度的不断增大，湿感觉值呈上升趋势，平均每相对湿度（RH）升高 1%，湿感觉值（MHS）增加 0.0132。2.4.5 热期望温度热期望温度采取间接方法计算，即统计所期望的热环境比此刻较暖或较凉的百分比。将室内作业温度分别与冷热感期望值百分比进行线性回归，两条直线的交点所对应的温度即为期望温度。利用此方法分别得出冷热期望方程。（1）热期望拟合方程：y1-6.7654x 189.17，R2 0.7405（图 5）。两 者 呈负相关且线性相关系数为-6.7654，即随着室内操作温度 t 的不断增大，热期望值呈下降趋势，平均每操作温度 t 升高 1，热期望值下降 189.17。（2）冷期望拟合方程：y2 2.2787x 40.57，R2 0.7691（图 5）。两者呈正相关且线性相关系数为 2.2787，即随着室内操作温度 t 的不断增大，冷期望值呈上升趋势，平均每操作温度 t 升高 1，冷期望值上升40.57。将两条方程置于同一坐标系，其方程交点横坐标即为期望温度值，约为 25.4。结语文章对皖北地区秋季自然通风状态下的教室进行为期 2 个月的调研。通过专业仪器测得客观数据与受访同学填写的 290 份有效数据进行对比分析，最终得出以下结论。皖北地区秋季高校教室内实际可接受温度范围为 14.6 33，较宽的可接受区间使人们的整体满意度较高。通过分析受访者热感觉、相对湿度与环境之间的关系计算稳态热感觉，借助线性拟合方程得出：教室室内实际热中性温度为24；相对湿度在 60.1%时最适宜。男女的热感觉值随着温度的升高而升高，二者对热感觉的感知以及接受程度基本一致。通过间接方法计算所获得的学生热期望温度约为 25.4，比实测的室内平均温度高，即在皖北地区，秋季人们更喜欢稍温暖的环境。参考文献：1赵莹莹,宋金峰,郝振凯,等.济南某高校教室室内环境测试与问卷调查J.建筑热能通风空调,2020,39(05):33-37+32.2Zhaojun Wang,Aixue Li,Jing Ren,et al.Thermal adaptation and thermal environment in university classrooms and offices in HarbinJ.Energy and Buildings,2014,77:192-196.3Valeria De Giulia,Roberto Zecchina,Livio Corain,et al.Measured and perceived environmental comfort:Field monitoring in an Italian schoolJ.Applied Ergonomics,2014,45:1035-1047.4Yang Xiaomin,Wang Weihao,Li Xinfu,et al.Investigation of a Classroom Indoor Environment Quality in Summer in Hengyang City of ChinaJ.JCEC(Journal of civil engineering and construction,ISSN 2051-7769),2014,3(02):67-76.5刘聪,李国建,何宇航.热不适环境对人体生理反应和工作效率的影响J.建筑热能通风空调,2020,39(10):21-25+42.6梁东阳.温度对热舒适度及学习效率影响的性别差异研究D.中原工学院,2021.7侯东梁,杨晓敏,王哲.关于大学生学习环境舒适度调查报告J.洁净与空调技术,2016(04):40-43.8郑敏,李百毅,赵华堂,等.夏热冬冷地区学校建筑室内温度调查研究J.制冷与空调(四川),2020,34(05):565-570.9Zahra Sadat Zomorodian,Mohammad Tahsildoost,Mohammadreza Hafezi.Thermal comfort in educational buildings:A review articleJ.Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,59(05):895-906.10尹佳星.基于人体热适应的寒冷地区自然通风建筑热工参数研究D.哈尔滨工业大学,2021.11葛翠玉,杨柳.吐鲁番农村住宅冬季室内热舒适调查研究J.暖通空调,2014,44(11):94-99.12余贞贞,符永正,陈敏.基于自然通风建筑的热舒适模型研究J.建筑科学,2017,33(10):176-182.13常逸航,刘欣怡,朱孟颖,等.不同气候区高校建筑室内热舒适研究J.绿色科技,2020(24):233-237.14闫旭峰.寒冷地区太原高校教室冬季室内热环境实验测试和热舒适研究D.太原理工大学,2021.15代金,姜曙光,徐鑫,等.北疆地区高校教室夏季自然通风热舒适性研究J.建筑科学,2020,36(02):79-86.16赵西平,艾闪,王欢.榆林地区中学教室冬季热舒适研究J.城市建筑,2020,17(25):39-41.17刘晓艳,向艳.成都某高校教室夏季热舒适调查研究J.制冷与空调(四川),2017,31(01):96-101.18李敏,曹彬,欧阳沁,等.北京地区大学教室热舒适长期调查研究J.暖通空调,2014,44(12):67-70.19彭磊磊.海南地区高校教学建筑热舒适及设计优化研究D.海南大学,2020.20陶求华,李莉.厦门高校教室冬季热环境测试及热舒适预测J.暖通空调,2012,42(04):72-75.图3平均热感觉与室内操作温度的关系（图片来源：作者自绘）图4平均湿感觉与室内相对湿度的关系（图片来源：作者自绘）图 5冷热期望与室内温度的关系（图片来源：作者自绘）