高校建筑夏季室内热环境研究现状与应用

中图分类号:X5文献标识码:A文章编号:16749944(2016)02009705

1引言

学校建筑是学生学习生活的场所,调查研究表明:学生在教室和宿舍的时间占总在校时间的80百分号[1],随着经济的高速发展,人们生活论文网质量不断提高,学生对室内热环境的要求也越来越高,而高校建筑室内热环境对学生身心健康和学习效率也有较大的影响。

学者对高校建筑室内热环境的研究主要采用调查问卷。现场实地测试及数值软件模拟等方面进行研究,其中软件模拟主要是采用DEST(建筑环境及HVAC系统模拟的软件)。PKPM模拟软件(PK:排架框架设计。PMCAD:平面辅助设计,合称PKPM)和CFD(计算流体力学软件)对室内的热环境及能耗进行数值模拟,分析室内温度。风速。相对湿度。平均辐射温度等因素的影响。

本文总结了高校教学楼及学生宿舍在夏季的室内热环境,并从节能技术和典型项目等方面对近几年学者相关的研究成果进行分析。归纳,了解他们的研究动态,提出了此类研究发展的趋势。

2建筑热舒适性

2。1热舒适性定义及意义

热舒适“是指人体对热环境的主观热反应。2013年,美国供暖。制冷与空调工程师协会标准(ASHRAEStandard55-2013)[2]中对热舒适的定义是指对热环境表示满意的意识状态,即人体对自身的热平衡条件和感觉到的环境状况综合获得是否舒适的感觉。Gagge[3]将热舒适定义为,一种对环境既不感到热也不感到冷的舒适状态,即人们在这种状态下会有中性“的热感觉。Bedford[4]1936年提出热舒适的7级评价指标,这一指标也反映出热舒适和热中性是同义的。1966年ASHRAE开始使用7级热感觉指标(表1)。

以往人们在一定的实验环境下,来研究人们对环境的热感觉,这样受试者可以很好的回答对环境冷热感觉的真实感受,也会很方便填写调查问卷。但这种研究方法,不能反应热环境的动态变化对人体热舒适的影响。Cabanac[5]认为,将热舒适“定义为主观上对热环境满

2。2室内热舒适性的影响因素

关于室内热环境参数对热舒适的影响,许多学者作了大量的调查研究和理论分析。1962年,Macpherson[7]定义了影响热舒适感觉的6个因素:空气温度。空气流速。相对湿度。平均辐射温度。新陈代谢率和衣服热阻。在这6个因素的基础上,通过可控制环境参数的人工实验室和稳态条件下能量平衡的热舒适模型研究,Fanger[8]建立了热舒适方程,在搜集了1396名美国与丹麦受测对象的热感觉表决票的基础上,他提出了一个较为客观的度量热感觉的尺度指标―预期平均评价指标PMV(PredictedMeanVote),以反映对同一环境绝大多数人的冷热感觉。

建筑物室内热环境参数,如空气温度。空气流速。相对湿度。平均辐射温度等对热舒适均有影响,我们不仅要考虑单一参数对热舒适的影响,同时要针对不同参数的相互组合来讨论人体热舒适。实验测试可以发现各个影响因素是相互关联的,其中人体的新陈代谢。穿衣热阻因个体的差异而显得不同,实验测试起来差别较大,相对研究的比较少,其余四个因素的研究相对比较多。例如,当室内风速小于0。05m/s时,室内风速对热舒适几乎没有影响,空气相当于静止,人们会感到稍微不舒服;当风速达到0。2m/s时,人们可接受的热舒适区相当于降低1。1℃,此时人们也不会产生吹风感,反而觉得很舒适。由以上数据可以看出室内空气流动速度较小,应控制在0。2m/s左右[9]。

2。3热舒适性的评价指标

在长期的研究中,由于不同学者采用不同的研究方法,因而迄今为止提出的热舒适指标非常多,总的来说,大概有:预测平均投票值PMV。等效温度Teq(EquivalentTemperature)。新有效温度ET(NewEffectiveTemperature)。标准有效温度SET(StandardEffectiveTemperature)。主观温度Tsub(SubjectiveTemperature)。作用温度OT(OperativeTemperature)等。这些指标由于建立时,出发点的不同以及不同的有关变量,造成它们各自相应的作用和适用范围,不过在环境偏离舒适条件不远的范围内,它们的评价结果或者说指标值是比较接近的,但如果超出此范围,特别是在高温高湿区,不同指标的结果有较大的差别,有些指标甚至不能用。在这些指标中,只有PMV指标和SET指标综合考虑了影响人体热舒适的6个因素,因而得到了广泛的应用。

3高校建筑室内热环境的研究

3。1高校教学楼

近些年,重庆大学。西安建筑科技大学。湖南大学等学者对学校教学楼室内热环境进行了研究,取得了一定的研究成果。大学教室的主要使用者是18～28岁左右的青年,这个年龄段学生身体对环境变化的适应能力比较强,这是学者通过调查问卷及实地测试结果存在差异的主要原因,表明学生对温度。湿度。风速的可接受热舒适区范围比较广,比理论计算的数值范围要大一些。

2005年,重庆大学的罗明智[10]等学者以重庆地区高校的教学楼为研究对象,利用问卷调查和现场测试的方法,从主观和客观两方面描述了夏季教室内热环境的状况,实测得到学生中性温度(中性温度是一个人感觉最舒适的环境温度,在这个环境温度中,人们皮肤的蒸发。散热量最低,整个新陈代谢率也处于最低状态)为27。7℃,比预测中性温度高0。3℃,教室内的舒适区为ET(新有效温度)25。5～29。8℃,并分析了风速对人体热感觉的影响,认为高温的教室环境中,学生对风速的忍受极限相应增加,增加室内风速成为他们改善室内热环境的有效手段之一。2010年,闫丙宏[11]等学者对天津某高校主教学楼室内热环境状况进行研究。首先,收集了180份问卷用以调查参与者在教室内的热感觉。然后以现场测试数据为基础,利用DEST软件对全年教室内的温度变化进行模拟。研究结果表明:在夏季,教学楼一楼阴面教室室内温度较阳面教室室内温度低1。5～2℃,室内热环境较好,现场测试结果与模拟结果基本一致。

2012年,清华大学的曹彬[12]通过对北京某高校教学楼和办公楼进行测试,分别测试其室内空气温度。平均辐射温度。相对湿度。风速等环境参数,并加以问卷调查的形式了解受试者个人主观热感觉,建立了人体热感觉与室内操作温度的对应关系。作者将受试者所在地以长江为界分为北方和南方,对其实测热感觉投票值TSV与室内操作温度(综合考虑了空气温度和平均辐射温度对人体热感觉的影响而得出的合成温度)分别进行线性回归所得方程如下所示:

由此得出,北方人实测中性温度(受试者的实际热感觉投票值TSV=0的温度)为26。87℃略高于南方人实测中性温度;由于TSV值随操作温度变化直线的斜率表示受试者对温度的敏感程度,可得出北方人对温度的敏感程度高于南方人。

为了更明确体现操作温度或新有效温度ET对人体热感觉的影响,本文现将国内部分高校建筑现场研究的操作温度与实际热感觉投票值TSV进行线性回归,所得方程如表2所示。其中TSV值随操作温度或新有效温度ET的变化直线的斜率表示受试者对温度的敏感程度。通过对比分析得出,由北向南地区受试者对温度的敏感程度依次降低,而实测中性温度则依次增加。

3。2高校学生公寓

学生公寓因其室内人员密度较大,人员年龄结构比较单一,与一般的居住建筑有一定的差别。据统计,学生宿舍占高校建筑总建筑面积的比例大约为15百分号～21百分号,学生在校期间,宿舍生活的时间占总时间的40百分号＼[17＼]。

地域辽阔,可以分为5个大的建筑气候区:严寒地区。寒冷地区。温和地区。夏热冬冷地区及夏热冬暖地区。对于严寒地区。寒冷地区和夏热冬冷地区的高校建筑室内热舒适性研究的比较多,而对于夏热冬暖。温和地区的高校建筑室内热舒适性研究的还相对较少。

哈尔滨属于严寒地区,西安属于寒冷地区,重庆。成都。上海属于夏热冬冷地区,对比可以发现:在严寒地区,夏季室外气温昼夜变化较大,建筑围护结构传热系数小,屋内较凉爽,出现高温情况较少,昼夜温差比较大,人们着装较其它地区厚,学生对宿舍的热环境相对比较满意＼[18＼];在寒冷地区,夏季的室外气温比较高,而且太阳辐射比较强,90百分号以上学生对宿舍的热环境感到不满意,宿舍内需要进行安装吊扇。外窗户需加外遮阳挡板来改善室内热环境＼[19＼];在夏热冬冷地区,夏季这些地区不但室外温度高而且各区域的空气相对湿度也比较大,因此其高校公寓建筑的室内热环境比较恶劣,需安装空调系统进行调节室内热环境＼[20＼]。

2006年,同济大学夏博。刘加平院士＼[19,21＼]等学者,以西安某高校学生宿舍为研究对象,针对宿舍内的夏季热环境状况,利用问卷调查和现场测试的方法从主观和客观两个方面描述了公寓室内热环境状况。结果表明,学生宿舍内热环境处于ASHRAE给定的舒适区之外,80百分号以上的学生对室内热环境表示不满,明显感到夏季的炎热,建筑不能很好发挥其隔热的功能;并提出了可通过改善室外微气候。采用被动式的建筑手段和改进管理方法等方面改善室内热环境。

2009年,重庆大学王琳＼[22＼]通过对重庆地区高校学生宿舍调查和测试,对学生宿舍室内热环境进行了主观评价与客观分析;然后结合调查结果,利用DESTh软件模拟了不同围护结构热工性能和通风换气次数下室内的热环境参数,结合有效实感温度AT值(AmbientTemperature)的舒适度模型所确定热舒适评价标准,其模型是根据人体热平衡原理和人体特点所建立的,模型中AT值包含了四个影响人体热舒适的参数,分别是空气温度。相对湿度。风速和平均辐射温度。

通过理论计算的数据,可回归求得偏热。偏冷环境下的AT值简化公式:

ATr,h=-1。481+0。916Ta+0。949Pa(Ta>21℃)

8。152+0。665Ta-0。645Pa(Ta≤21℃)

其中,Ta为室内空气温度(℃),Pa为空气中的水蒸气分压力(kPa)。AT值不受地区的限制,适用于全国各地。利用AT公式计算上海。武汉。北京的AT值并与目前应用的地方人体舒适度统计模型计算结果相比较,可以确定出AT值的舒适度区间:AT<15时为低温不适,AT>28时为高温不适,15≤AT≤28时为舒适区。

作者同时对围护结构传热系数。外窗遮阳系数及通风换气次数等因素对室内热环境的影响分别进行了定量分析,得到了不同建筑形式。不同使用特征和不同位置学生宿舍室内冷。热不舒适时数和全年任意时刻室内的最佳通风换气次数。其中调查结果表明:夏季60百分号以上的学生可接受的温度范围为24～32℃,可接受的湿度范围为50百分号～90百分号,学生对湿度的敏感程度低于温度;模拟评价结果显示:单元型宿舍(如图1)不同朝向室内的热不舒适时数大小为:南向热不舒适时数最少,北向比南向高37～120h,西向比南向高79～152h,东向比西向高5～36h。

2013年,东华大学张宁波＼[20＼]等学者,以上海高校居住建筑为例,对的夏热冬冷地区室内热舒适性进行了研究,通过对自然通风条件下学生宿舍室内热环境进行了连续7d实测,分析了不同朝向宿舍室内热环境特征。结果表明:夏季在自然通风条件下,尽管夜间室内热环境略好于昼间,但温度均高于26℃;由于室内通风状况良好,房间内热湿环境仍处于多数学生可以接受的

图1单元式学生宿舍标准层平面

范围内,室内空气品质较好;另外,太阳辐射对房间内温度分布有重要影响,南向房间平均温度高于北向房间约0。8℃,昼间两者最大温差达2。6℃。2015年,东北林业大学的程卫红＼[18＼]等对哈尔滨地区夏季自然通风下高校学生宿舍人体热舒适进行了研究,问卷调查分析统计:90百分号左右的学生对所处环境下的热湿感觉表示满意,99百分号学生对调查时所处环境下的吹风感表示可以接受。测试结果分析表明:在哈尔滨市夏季自然通风学生宿舍内,学生的热中性温度为23。2℃,热期望温度约25。2℃。

3。3改善高校建筑室内热环境的措施

通过对学校建筑室内热环境的研究,并结合学者对建筑节能改造技术的研究,总结出学校建筑室内热环境改善的主要措施如下＼[23,24＼]。

(1)对建筑围护结构进行改造:外墙和屋面的保温;确定合理的窗墙比,控制建筑物开窗面积;对外窗增设遮阳措施;尽量使用平开式外窗,其优点是开启面积大。通风。保温。抗渗性能良好。

(2)对建筑布局进行改造:合理的建筑布局使建筑形成穿堂风和利用楼梯间的烟囱效应,促进建筑内自然通风。

(3)对建筑外部环境进行改造:根据当地的气候条件和地理环境,合理规划布置建筑物;尽量增加建筑物外的绿化面积,改善建筑物的微环境。

(4)在建筑物的屋顶种上绿色植物,建成绿色屋顶,植物对于太阳辐射有很好的吸收效果,可以防止顶层房屋室内的温度过高。

4国内外高校典型节能建筑项目

高校作为教学。生活及科研的大型综合体,也是主要的能源单位之一。调查发现,目前全国校园能耗占社会总能耗的8百分号＼[25＼],高校建筑能耗占学校总能耗的24百分号左右,并且通过调查夏热冬冷地区的13所高校的平均能耗发现,其平均能耗为全国人均能耗的2倍左右,其中最高的达到4倍之多,可见高校建筑能耗存在较大的节能潜力＼[26,27＼]。

高校建筑节能主要有4个方面,分别是建筑围护结构保温。建筑室内用电设备节能。可再生能源应用技术和建筑管理措施节能。部分高校在校园建筑和改造项目中采用了多种节能相关技术,其中,清华大学。同济大学文远楼和山东建筑工程分别根据其建筑节能方面的研究成果,建设了校园节能示范性建筑,表3列出了其代表性建筑采用的建筑节能技术[28～32]。从表3中可见,这3个高校的示范性节能建筑都综合采用了多项节能技术,包含了建筑形式及围护结构。室内环境控制。能源系统。测量和控制系统等多方面的优化技术。

5结语

(1)高校建筑夏季热环境普遍集中在对温度。湿度。平均辐射温度。空气流速的影响,而缺少了对服装热阻及人体的新陈代谢率影响的研究,而国外学者对这个两个方面的影响已经开始研究。

(2)对于严寒地区。寒冷地区和夏热冬冷地区的高校建筑夏季室内热舒适性研究的比较多,而对于夏热冬暖。温和地区的高校建筑夏季室内热舒适性研究的还相对较少,可进一步对这两个气候区的高校建筑进行研究,进而总结出适用于高校建筑的热舒适性标准。

(3)国内学者对高校建筑节能方面的研究主要集中于建筑围护结构对建筑能耗的影响,应根据使用功能,结合当地的气候特点,采用与高校建筑物相适宜的改造措施对建筑进行改造,合理布置教学楼。宿舍。图书馆等建筑的具体方位。朝向等,在满足人体的热舒适条件下,尽可能地减少建筑能耗。

(4)应该尽快完善国内高校建筑的综合性节能指标体系,建立起符合各个不同地区特点的外墙。屋面。门窗等方面节能指标,在满足学生对室内舒适度的要求下,降低建筑的能耗。

高校建筑夏季室内热环境研究现状与应用