夏熱冬冷地區(qū)典型學生宿舍夏季室內(nèi)空氣環(huán)境的研究

張寧波，亢燕銘，鐘 珂

（東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620）

夏熱冬冷地區(qū)典型學生宿舍夏季室內(nèi)空氣環(huán)境的研究

張寧波，亢燕銘，鐘 珂

（東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620）

對夏熱冬冷地區(qū)典型學生宿舍建筑自然通風條件下的夏季室內(nèi)空氣環(huán)境進行了連續(xù)7d實測和問卷調(diào)查，分析了不同朝向房間的室內(nèi)空氣環(huán)境特征.結果表明，夏季自然通風條件下，盡管夜間室內(nèi)熱環(huán)境略好于晝間，但溫度均高于26℃；由于室內(nèi)通風好，房間內(nèi)熱濕環(huán)境仍處于多數(shù)學生可以接受的范圍內(nèi)，室內(nèi)空氣品質(zhì)好；另外，太陽輻射對房間內(nèi)溫度分布有重要影響，南向房間平均溫度高出北向房間約0.8℃，晝間兩者最大溫差達2.6℃.

宿舍建筑；自然通風；室內(nèi)空氣環(huán)境；CO2濃度

隨著人們對室內(nèi)熱舒適、空氣品質(zhì)［1－3］及建筑節(jié)能等問題［4－5］的日益重視，10余年來，室內(nèi)空氣環(huán)境受到了廣泛研究.文獻［6］進行了一項長期現(xiàn)場實測以考查上海自然通風居住建筑內(nèi)居住者的熱感覺.文獻［7］通過問卷調(diào)查和現(xiàn)場實測中國中南部熱濕氣候下的熱環(huán)境參數(shù)，討論了3個城市居住建筑內(nèi)人員的熱舒適.

室內(nèi)空氣環(huán)境的研究方法主要有現(xiàn)場實測、問卷調(diào)查和數(shù)值模擬等.文獻［8］基于一項熱舒適指標調(diào)查了各種通風策略和立面設計對新加坡自然通風居住建筑內(nèi)熱環(huán)境的影響.文獻［9］考查了夜間通風對馬來西亞熱濕氣候下居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果.文獻［10］現(xiàn)場調(diào)查了中國東北通過炕和被動式太陽能集熱墻采暖的鄉(xiāng)村建筑的室內(nèi)熱環(huán)境.另外，文獻［11］測量和評估了一個大型帶拱頂體育場的室內(nèi)熱環(huán)境.文獻［4］研究了一個大空間綜合體育館在典型季節(jié)的室內(nèi)熱環(huán)境，并分析了其能耗情況.文獻［12］通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬，分析了由冷卻頂板系統(tǒng)控制的辦公室空間的室內(nèi)熱環(huán)境.文獻［13］通過計算流體動力學（CFD）程序同時求解了流動模型、耦合的熱傳遞和輻射模型，鑒別出了測量室內(nèi)熱舒適參數(shù)的探頭最佳位置，并在計算出熱反應和氣流分布后，給出了測點區(qū)和人員活動區(qū)熱舒適參數(shù)間的相關性.

高校宿舍建筑是學生學習和日?；顒拥闹匾獔鏊?，具有室內(nèi)人員密度大的特點，人均面積僅為5～6.5m2，室內(nèi)散熱量大，污染源強度大，使得其室內(nèi)空氣環(huán)境不同于普通民居，與學生的學習效果和身體健康密切相關.文獻［14－15］通過主觀評價和實測方法研究了高中和大學教室內(nèi)的熱環(huán)境.但目前室內(nèi)空氣環(huán)境的實測研究主要集中在民居建筑，關于學生宿舍室內(nèi)空氣環(huán)境的研究還鮮有文獻涉及，因此很有必要研究和分析此類建筑的室內(nèi)空氣環(huán)境.

長江三角洲地區(qū)屬亞熱帶季風性氣候，具有夏熱冬冷的特征.但這一地區(qū)的高校學生宿舍建筑一般不設置集中供暖和空調(diào)系統(tǒng)，使得極端季節(jié)時建筑環(huán)境可能處于熱舒適較差的狀態(tài).因此，本文將以此為背景，選擇上海典型高校宿舍建筑進行研究和分析.

1 現(xiàn)場實測

1.1 學生宿舍建筑的描述

所考查的學生宿舍建筑位于上海市西南郊的大學城（距市中心約30km），7層高（約21m），建造于2002年.每間宿舍建筑面積約20m2，陽臺有使用者可控制的1扇門（0.8m×2m）和2個窗戶（0.6m×0.9m，單層有窗簾），如圖1（a）所示.

來自不同地區(qū)的學生都居住在后勤部門管理的宿舍建筑內(nèi)，他們有著不同的生活方式和經(jīng)歷.除開關陽臺門窗外，他們沒有其他允許的辦法自行改善宿舍熱環(huán)境.

選擇2個代表性房間，即1間北向房間（Site 1）和1間南向房間（Site 2）進行現(xiàn)場實測，如圖1（b）所示.

圖1 宿舍建筑及陽臺示意圖Fig.1 Schematic of the dormitory buildings and balconies

1.2 測量房間與方法

為分析夏熱冬冷地區(qū)自然通風條件下學生宿舍建筑的夏季室內(nèi)空氣環(huán)境，本文選擇2間中間樓層中間位置的房間為實測對象，兩房間均住3名學生，使用情況相同，僅朝向不同.夏季測試期間，入戶門均關閉，陽臺門窗均打開，晚上睡覺時拉上窗簾以保護隱私，白天窗簾收起，故實測房間的自然通風情況較好.

暑假期間會有部分碩士、博士生留在學校，但人數(shù)偏少，相對于本科生人數(shù)可以忽略.本文目的在于測量和調(diào)查學生宿舍夏季惡劣熱環(huán)境的總體狀況，因此不必考慮放假期間的情況.故實測時間選在開學后有大量學生居住的最熱時段，即2011年9月2至9日.在此期間（均為晴好天氣）對上述2間代表性房間同時進行了為期7d的連續(xù)逐時實測，并記錄當?shù)貧庀笳镜氖彝鈿庀髤?shù).

所采用測量儀器為美國TSI公司生產(chǎn)的7565型Q－Trak空氣品質(zhì)監(jiān)測儀，可同時實時監(jiān)測和記錄室內(nèi)空氣溫度、相對濕度及CO2濃度，數(shù)據(jù)采樣和存儲間隔分別為5s和10min，探頭固定在支架上并放置于房間中心離地1.1m高度處.

2 測量結果及分析

2.1 室內(nèi)熱環(huán)境

實測房間室內(nèi)外空氣溫度的逐時變化曲線如圖2所示.由圖2可知，盡管測試期間自然通風良好，北向和南向房間的溫度分布均靠近室外溫度的高值且波動范圍明顯小于室外，反映出圍護結構對房間室內(nèi)溫度分布的重要影響.北向與南向房間的室內(nèi)溫度變化范圍分別為25.8～29.5℃和26.3～30.0℃，南向房間的室內(nèi)平均溫度高于北向房間0.8 ℃以上，最高達2.6 ℃（夜間2.1 ℃），這主要是因為前者受太陽輻射的影響大于后者.另外，晝間午后室外溫度出現(xiàn)峰值的時段，南向房間溫度低于室外的時間短于北向房間，且與室外溫度的差值小于北向房間；而室外溫度降低后，南向和北向房間的室內(nèi)溫度均普遍高于室外4℃以上，南向房間室內(nèi)溫度高于室外的時間長于北向房間，且與室外溫度的差值大于北向房間.

由于夜間睡眠時段（23：00～07：00）學生均在宿舍，房間室內(nèi)外的熱環(huán)境狀態(tài)更穩(wěn)定且更能說明其特征，為進一步比較分析，給出了測試期間夜間睡眠時段整點時刻北向和南向房間室內(nèi)外溫度的關系，如圖3所示.由圖3可知，夜間睡眠時段盡管通風良好，但北向和南向房間室內(nèi)溫度均明顯高于室外，且室外溫度越低，室內(nèi)外溫差越大，可能主要是圍護結構傳熱延遲效果的影響.

夏季室內(nèi)環(huán)境熱舒適溫度范圍為22～28℃，熱舒適相對濕度范圍為40%～65%［16］.圖4給出了相應睡眠時段（23：00～07：00）北向和南向房間室內(nèi)溫度的頻率分布.由圖4可知，夜間睡眠時段南向房間室內(nèi)溫度均高于26℃，有近一半的時間（48.8%）其室內(nèi)溫度超過28℃，最高可達近29.5℃，室內(nèi)偏熱.北向房間雖僅有10.7%的時間室內(nèi)溫度超過28℃，但也均高于26℃.

圖3 夜間睡眠時段室內(nèi)外溫度的關系Fig.3 Relationships between indoor and outdoor temperature during the sleeping hours at night

圖4 實測房間夜間睡眠時段室內(nèi)空氣溫度的頻率分布Fig.4 Frequency distribution of indoor temperature of each sampling dormitory during the sleeping hours at night

實測房間室內(nèi)外空氣相對濕度的逐時變化曲線如圖5所示.由圖5可知，相對濕度變化規(guī)律與所示的溫度變化曲線相關性很強，表明實測房間良好的自然通風使人體散發(fā)的水蒸氣對室內(nèi)熱環(huán)境的影響可以忽略不計.由圖5還可看出，南向和北向房間室內(nèi)空氣相對濕度的變化范圍分別為48.2%～78.6%和45.1%～77.6%，其分布情況基本相似，波動都比較大且南向房間的波動范圍稍小于北向房間，與室外相對濕度變化相比較，南向和北向房間的變化范圍均明顯小于室外.

為得出各測試房間人員在宿舍時室內(nèi)濕度的具體情況，圖6給出了夜間睡眠時段北向和南向房間室內(nèi)相對濕度的頻率分布.由圖6可知，北向和南向房間夜間睡眠時段室內(nèi)相對濕度范圍均為55%～80%，各僅有28.6%的時間處于我國國家標準給出的舒適相對濕度范圍（40%～65%）內(nèi)，且都在高位區(qū)間（50%～65%），71.4%的時間房間室內(nèi)相對濕度超出了65%的限值.綜合圖4和6可知，在無集中空調(diào)的條件下，盡管大部分時間內(nèi)北向和南向房間室內(nèi)溫度都在我國國家標準給出的舒適范圍內(nèi)，但由于濕度過大，室內(nèi)空氣環(huán)境偏熱，基本處于濕熱狀態(tài).

圖5 實測房間室內(nèi)外空氣相對濕度的逐時變化曲線Fig.5 Hourly indoor and outdoor relative humidity profile of each sampling dormitory

圖6 實測房間夜間睡眠時段室內(nèi)空氣相對濕度的頻率分布Fig.6 Frequency distribution of indoor relative humidity of each sampling dormitory during the sleeping hours at night

2.2 室內(nèi)CO2濃度

實測房間室內(nèi)CO2濃度的逐時變化曲線如圖7所示.由圖7可知，總體而言，北向和南向房間室內(nèi)CO2濃度的分布規(guī)律類似，北向房間室內(nèi)平均CO2濃度高于南向房間約4%.另外，夜間睡眠時段的CO2濃度高于其他時段，這主要是因為相對其他時段，此期間室內(nèi)源強度（人體）大，而通風量小.

圖7 實測房間室內(nèi)CO2濃度的逐時變化曲線Fig.7 Hourly indoor CO2concentration profile of each sampling dormitory

圖8給出了夜間睡眠時段各測試房間室內(nèi)CO2濃度的頻率分布.由圖8可知，北向房間96.4%的夜間睡眠時段室內(nèi)CO2濃度為1 050～1 150mg／m3，南向房間則有97.0%的夜間睡眠時段室內(nèi)CO2濃度為1 000～1 150mg／m3.室內(nèi)環(huán)境CO2體積分數(shù)限值為0.1% （即1 964mg／m3）［17］，北向和南向房間所有夜間睡眠時段的室內(nèi)CO2濃度均未超出我國國家標準.可知在夏季夜間自然通風條件下，由于室內(nèi)既熱又濕，居住者打開陽臺門窗并使用電風扇加強房間通風換氣，可確保室內(nèi)空氣品質(zhì)良好.

圖8 實測房間夜間睡眠時段室內(nèi)CO2濃度的頻率分布Fig.8 Frequency distribution of indoor CO2concentration of each sampling dormitory during the sleeping hours at night

3 問卷調(diào)查

3.1 問卷內(nèi)容

上海市夏季通風和空調(diào)的室外計算（干球）溫度分別為32和34℃［16］，而為期7d的實測期間，室外氣溫最高、平均和最低的測量值分別為33，25.6和21℃.

與實測同期，對居住在學生宿舍區(qū)的350名學生進行了問卷調(diào)查，并最終回收有效問卷320份，其中受試者包括女生158名和男生162名.問卷內(nèi)容包括受試者對所在宿舍熱濕環(huán)境的評價和房間夏季的室內(nèi)吹風感.

3.2 問卷結果

問卷受試者對所在房間熱環(huán)境的主觀感受如圖9所示.由圖9可知，57%的受試者認為房間溫度再低一些會更舒服，表明盡管溫濕度偏高，但室內(nèi)熱環(huán)境處于半數(shù)學生可以接受范圍內(nèi)；32%的受試者認為房間溫度必須低很多才能感覺舒服，希望溫度可以降低.

圖9 受試者對房間熱環(huán)境的評價Fig.9 Evaluation of the respondents to the indoor thermal environment

問卷受試者對房間夏季室內(nèi)吹風感的評價如圖10所示.由圖10可知，認為房間夏季室內(nèi)吹風感很小、小、較小和適中的比例分別為32%，8%，18%和37%，僅有5%的問卷受試者覺得夏季房間室內(nèi)吹風感為大或較大.可以認為，學生宿舍內(nèi)夏季室內(nèi)風速總體體感較好.

圖10 房間夏季室內(nèi)吹風感Fig.10 Sensation of wind in the room in summer

學生宿舍夏季室內(nèi)干濕感覺如圖11所示.由圖11可知，只有15%的受試者認為房間空氣再潮濕一些也覺得舒服，38%的受試者認為房間空氣再干燥一些會更舒服，37%的受試者希望房間空氣干濕狀況能保持現(xiàn)狀，另外，10%的受試者則認為房間空氣必須干燥很多才能感覺舒服.圖11反映了學生宿舍夏季室內(nèi)空氣偏潮濕，但能被絕大多數(shù)學生接受，結合圖10，可以認為是由于較好的室內(nèi)吹風感改善了人體熱濕感覺.

圖11 室內(nèi)空氣干濕情況Fig.11 Conditions of indoor air humidity in the room

4 結 語

通過對夏熱冬冷地區(qū)自然通風條件下典型學生宿舍建筑夏季室內(nèi)空氣環(huán)境進行的實測和問卷及所做的分析，比較了不同朝向房間內(nèi)的空氣環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律，得到下述結論：

（1）夏季自然通風條件下，夜間睡眠時段（23：00～07：00）室內(nèi)熱環(huán)境略好于晝間，夜間學生宿舍室內(nèi)溫度略低于國家相關標準規(guī)定的舒適上限溫度，室內(nèi)濕度較大，大多數(shù)時間的空氣相對濕度高于相關標準限值.但由于室內(nèi)通風好，主觀調(diào)查結果表明，房間內(nèi)熱濕環(huán)境仍處于多數(shù)學生可以接受的范圍內(nèi).

（2）實測與分析結果表明，房間朝向?qū)κ覂?nèi)溫度影響很大，南向房間平均溫度高出北向房間約0.8 ℃，晝間兩者最大溫差達2.6℃.

（3）盡管室內(nèi)人員密度大，由于學生為改善室內(nèi)熱環(huán)境而加強通風換氣，使室內(nèi)CO2濃度符合標準規(guī)定，空氣品質(zhì)良好.

參 考 文 獻

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Study on the Summer Indoor Air Environment of Typical University Dormitory Buildings in Hot Summer and Cold Winter Zone

ZHANGNing－bo，KANGYan－ming，ZHONGKe
（School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The summer indoor air environment of typical university dormitory buildings under natural ventilation in hot summer and cold winter zone was studied through a 7－day continuous field measurement and questionnaire survey，and the characteristic of indoor air environment of rooms with different orientations was analyzed.The results show that though the indoor thermal environment of the naturally ventilated rooms during the sleeping hours at night is comparatively better than that during the day，the indoor temperature is all above 26 ℃.Due to the effective ventilation of the room，the indoor thermal and humidity environment is in the range that most of the students can accept，and the indoor air quality is good.In addition，solar radiation has significant influence on the indoor air temperature of different rooms，the indoor temperature of south－facing rooms is 0.8 ℃ higher than that of the north－facing rooms in average，and the maximum temperature difference in the daytime may reach 2.6 ℃.

dormitory building；natural ventilation；indoor air environment；CO2concentration

TU 111.1；TU 834.2

A

1671－0444（2013）05－0656－06

2012－06－26

國家自然科學基金資助項目（40975093）；中央高校基本科研業(yè)務費專項基金資助項目（CUSF－DH－D－2013051）

張寧波（1986—），男，河南開封人，博士研究生，研究方向為建筑環(huán)境與空氣品質(zhì).E－mail：zhang.ningbo＠hotmail.com

亢燕銘（聯(lián)系人），男，教授，E－mail：ymkang＠dhu.edu.cn