嚴(yán)寒C 區(qū)過渡季高校綜合教學(xué)建筑熱舒適研究

徐文文 白葉飛 康曉龍 唐汝寧

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

為研究嚴(yán)寒C 類地區(qū)綜合教學(xué)類建筑內(nèi)部不同特征空間區(qū)域熱舒適差異性，以呼和浩特市內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑館為研究對(duì)象，針對(duì)其內(nèi)部封閉大空間、封閉小空間、半開放空間、過渡空間區(qū)域，采用現(xiàn)場調(diào)研及正交試驗(yàn)的方法，分析其熱中性溫度及熱舒適影響因素。

1 調(diào)研對(duì)象

本文以內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑館為研究對(duì)象，針對(duì)其內(nèi)部不同特征空間區(qū)域，進(jìn)行熱舒適分析。

建筑館建筑面積5900 m2，地上三層，一層為圖書閱覽室、藝術(shù)沙龍等，二層為計(jì)算機(jī)房、行政辦公室等，三層為研究生工作室、研究所等。其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)主要由封閉大空間、封閉小空間、半開放空間、過渡空間等區(qū)域組成。各區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)形式特征具體如表1、圖1 所示。

表1 不同區(qū)域空間結(jié)構(gòu)形式特征

圖1 各空間區(qū)域圖片

2 實(shí)驗(yàn)方案

測試對(duì)象選取建筑館內(nèi)封閉大空間區(qū)域本科設(shè)計(jì)教室、封閉小空間區(qū)域?qū)I(yè)小教室、半開放空間區(qū)域研究所、過渡區(qū)域直走步梯、連廊等區(qū)域，進(jìn)行熱環(huán)境參數(shù)實(shí)測和主觀問卷調(diào)查。

2.1 熱環(huán)境參數(shù)實(shí)測

測試時(shí)間為2020 年9 月20 日至10 月20 日之間，房間的測試周期為早上8:00 至晚上21:00，測試記錄時(shí)間間隔為5 min，由測量儀器自動(dòng)記錄。測點(diǎn)布置方案根據(jù)房間內(nèi)實(shí)際情況以及《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50785-2012》[1]，在測試區(qū)域內(nèi)選擇有代表性的地點(diǎn)布置檢測點(diǎn)。室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測試包括空氣溫度、相對(duì)濕度、空氣流速、黑球溫度。室外參數(shù)測試報(bào)空氣溫度、相對(duì)濕度。所用測試儀器性能參數(shù)如表2 所示。

表2 熱環(huán)境測試儀器

2.2 主觀問卷調(diào)查

在熱環(huán)境參數(shù)測試的同時(shí)，對(duì)建筑館內(nèi)各區(qū)域?qū)W生隨機(jī)發(fā)放問卷，回收有效問卷244 份。調(diào)查主要分為受訪者基本信息和熱濕感受兩部分，其中受訪者基本信息包括性別、年齡、籍貫、著裝情況。熱濕感受主要包括熱感覺、濕感覺、熱環(huán)境舒適度、熱環(huán)境接受程度投票等。

3 熱舒適評(píng)價(jià)

3.1 客觀調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)建筑館內(nèi)不同空間區(qū)域熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表3 所示。

由表3 可知，建筑館內(nèi)各區(qū)域空氣溫度平均值僅封閉小空間區(qū)域滿足《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T 50736-2012》[2]中規(guī)定的室內(nèi)熱舒適等級(jí)Ⅱ級(jí)的溫度要求，其他區(qū)域受供暖末端位置及數(shù)量影響，容易造成人員不舒適。各區(qū)域相對(duì)濕度和空氣流速的平均值均滿足熱舒適Ⅱ級(jí)要求。

表3 建筑館過渡季室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)

3.2 主觀調(diào)查問卷結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2.1 受試者基本信息統(tǒng)計(jì)

主觀調(diào)查問卷中，隨機(jī)挑選的受試者主要為本科生及研究生，南北方受試者人群以集中供熱區(qū)和非集中供熱區(qū)為界線劃分，被調(diào)查者的年齡、服裝熱阻及人體代謝率的詳細(xì)情況如表4 所示。被調(diào)查者的性別比例、南北方受試者人數(shù)比例如圖2 所示。

表4 過渡季受試者基本信息

圖2 性別比例、南北方受試者人數(shù)比例

3.2.2 熱感覺投票

熱感覺投票如圖3 所示，各空間區(qū)域熱感覺投票不同。從熱感覺投票百分比來看，封閉小空間區(qū)域熱感覺評(píng)價(jià)最高，說明本區(qū)域溫度較高，室內(nèi)人員容易感覺到熱；過渡空間區(qū)域熱感覺評(píng)價(jià)最低，說明本區(qū)域溫度較低，在本區(qū)域停留的人員容易感覺冷。

圖3 熱感覺投票頻率分布圖

3.2.3 濕感覺投票

濕感覺投票如圖4 所示，各空間區(qū)域濕感覺投票呈現(xiàn)出差異性。封閉小空間區(qū)域濕感覺評(píng)價(jià)最高，有三分之一的投票認(rèn)為本區(qū)域濕感覺“適中”；過渡空間區(qū)域濕感覺評(píng)價(jià)最低，有三分之二的投票認(rèn)為本區(qū)域濕感覺“干”和“很干”。

圖4 濕感覺投票頻率分布圖

3.2.4 熱環(huán)境舒適度投票

熱感覺投票和濕感覺投票差異性造成熱環(huán)境舒適度投票不同，如圖5 所示。與熱感覺投票和濕感覺投票分布規(guī)律相似，各空間區(qū)域熱環(huán)境舒適度呈現(xiàn)出差異性。對(duì)于封閉大空間區(qū)域投票集中在“比較舒適”、“一般”和“有點(diǎn)不舒適”范圍；對(duì)于封閉小空間區(qū)域投票集中在“舒適”、“比較舒適”和“一般”范圍；對(duì)于半開放空間區(qū)域投票集中在“比較舒適”、“一般”、“有點(diǎn)不舒適”和“不舒適”范圍；對(duì)于過渡空間區(qū)域投票集中在“一般”、“有點(diǎn)不舒適”和“不舒適”范圍。從熱環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)來看，封閉小空間區(qū)域評(píng)價(jià)最高，有近一半投票都給本區(qū)域較高的評(píng)價(jià)；過渡空間區(qū)域評(píng)價(jià)較低，超過三分之二的投票都給本區(qū)域較低的評(píng)價(jià)。

圖5 熱環(huán)境舒適度投票頻率分布圖

3.2.5 熱環(huán)境接受程度投票

熱環(huán)境接受程度投票如圖6 所示，各空間區(qū)域熱環(huán)境投票呈現(xiàn)出差異性。對(duì)于封閉大空間區(qū)域，59%的投票認(rèn)為“可接受”，23.5%的投票認(rèn)為“較不滿意”，17.5%的投票對(duì)熱環(huán)境滿意；對(duì)于封閉小空間區(qū)域，61.2%的投票認(rèn)為“可接受”，38.8%的投票對(duì)熱環(huán)境滿意；對(duì)于半開放空間區(qū)域，29.7%的投票對(duì)熱環(huán)境不滿意，55.3%的投票認(rèn)為“可接受”，15%的投票對(duì)熱環(huán)境滿意；對(duì)于過渡空間區(qū)域，57.5%的投票對(duì)熱環(huán)境不滿意，僅8%的投票對(duì)熱環(huán)境滿意。從熱環(huán)境接受程度評(píng)價(jià)來看，封閉小空間區(qū)域評(píng)價(jià)最高；過渡空間區(qū)域評(píng)價(jià)最低。

圖6 熱環(huán)境接受程度投票頻率分布圖

3.3 TSV 模型

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和主觀調(diào)查問卷得到的結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)分析，建立TSV 模型，得出各區(qū)域的熱舒適差異。

采用溫度頻率法，將13～22 ℃范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度[3]以0.5 ℃為間隔，劃分為18 個(gè)溫度區(qū)間，以每個(gè)溫度區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度（SET）為自變量，以每個(gè)溫度區(qū)間的實(shí)際測量人員熱感覺TSV 值為因變量，得到實(shí)際人員測量熱感覺隨標(biāo)準(zhǔn)有效溫度變化的規(guī)律，如圖7 所示。

圖7 TSV 模型

由圖7 可知，各空間區(qū)域的TSV 模型擬合曲線不同，擬合線的斜率表示不同空間的人群對(duì)溫度變化的適應(yīng)能力和敏感程度[4]，過渡空間的擬合線的斜率最小，表明過渡空間人員對(duì)溫度變化的適應(yīng)能力最強(qiáng)，對(duì)溫度變化的敏感程度最低。封閉小空間擬合線的斜率最大，表明封閉小空間人員對(duì)溫度變化的適應(yīng)能力最弱，對(duì)溫度變化的敏感程度最高。擬合線與TSV=0 的交點(diǎn)的SET 值為實(shí)際熱中性溫度，可以看出各空間的熱中性溫度存在差異，其中封閉小空間的實(shí)際熱中性溫度為19.18 ℃，表明封閉小空間的人員對(duì)熱的承受能力最強(qiáng)。過渡空間的實(shí)際熱中性溫度為15.86 ℃，表明過渡空間的人員對(duì)熱的承受能力最弱。

4 人體熱舒適影響因素正交分析

為進(jìn)一步探索不同特征空間區(qū)域引起熱中性溫度和舒適溫度區(qū)間差異的原因，對(duì)影響人體熱舒適的環(huán)境因素和人體因素進(jìn)行正交分析。

4.1 人體熱舒適影響因素

經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的研究，發(fā)現(xiàn)有六個(gè)因素對(duì)人體熱舒適起著決定性的作用[5]，包含兩類：一類環(huán)境因素，主要包括空氣溫度、平均輻射溫度、相對(duì)濕度以及空氣流速。另一類是人體因素，分別是服裝熱阻和人體代謝率。

4.2 正交分析

通過正交試驗(yàn)，對(duì)影響人體熱舒適的各因素進(jìn)行分析，得出影響人體熱舒適的顯著因素。各區(qū)域功能特點(diǎn)不同導(dǎo)致人體代謝率不同。封閉大空間用作本科生的設(shè)計(jì)教室，人員處于立姿，輕度活動(dòng)狀態(tài)，代謝率取1.6 met；封閉小空間用作普通小教室，人員處于坐姿放松狀態(tài)，代謝率取1.0 met；半開放空間用作研究所，人員處于坐姿及活動(dòng)狀態(tài)，代謝率取1.2 met；過渡空間用作休息空間，人員處于坐姿或靜止站立狀態(tài)，代謝率取1.0 met[6]。選取空氣溫度、平均輻射溫度、相對(duì)濕度、空氣流速及服裝熱阻5 個(gè)因素，每個(gè)因素選取9 種水平，利用SPSS 軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)，各空間區(qū)域影響因素水平設(shè)置表如表5 所示。

表5 各空間區(qū)域正交試驗(yàn)影響因素水平設(shè)置表

將正交試驗(yàn)結(jié)果記錄在表格中，顯著性P＜0.05，說明結(jié)果有參考意義，Ⅲ類平方和大小表示該因素對(duì)人體熱舒適影響程度的強(qiáng)弱，各空間區(qū)域主體間效應(yīng)檢驗(yàn)如表6 所示。

表6 各空間區(qū)域主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

各空間區(qū)域人體熱舒適影響因素的程度順序如表7 所示。

表7 各空間區(qū)域因素影響程度順序

由表7 可知，對(duì)于封閉大空間區(qū)域、半開放空間區(qū)域，服裝熱阻是影響人體熱舒適的顯著因素。對(duì)于封閉小空間區(qū)域、過渡空間區(qū)域，空氣溫度是影響人體熱舒適的顯著因素。

5 結(jié)論

本文以內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑館為研究對(duì)象，對(duì)其內(nèi)部封閉大空間、封閉小空間、半開放空間、過渡空間采用現(xiàn)場實(shí)測和調(diào)查的方法，得到以下結(jié)論：

1）由主觀問卷調(diào)查結(jié)果和TSV 模型可知，封閉小空間熱環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)最高；過渡空間評(píng)價(jià)最低；過渡空間人員對(duì)溫度變化的適應(yīng)能力最強(qiáng)，對(duì)溫度變化的敏感程度最低；封閉小空間人員對(duì)溫度變化的適應(yīng)能力最弱，對(duì)溫度變化的敏感程度最高；四類空間實(shí)際熱中性溫度分別為17.83、19.18、16.28、15.86 ℃，80%可接受的實(shí)際舒適溫度區(qū)間分別是14.59～21.09℃、16.16～22.18 ℃、12.28～20.29 ℃、8.84～22.88 ℃。

2）對(duì)影響人體熱舒適的因素進(jìn)行正交試驗(yàn)可知，封閉大空間和半開放空間人體熱舒適受服裝熱阻影響顯著；封閉小空間和過渡空間人體熱舒適受空氣溫度影響顯著。