上海地區(qū)不同建筑布局形式教室冬季室內(nèi)空氣環(huán)境的實測研究

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)

上海地區(qū)不同建筑布局形式教室冬季室內(nèi)空氣環(huán)境的實測研究

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)

對上海地區(qū)圍合式與非圍合式建筑形式的教室冬季室內(nèi)熱環(huán)境和CO2濃度進行了實測，給出了不供暖教室的空氣環(huán)境特征，分析了建筑布局形式對教室冬季室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)的影響．結果表明，在上海地區(qū)，不論建筑形式如何，不供暖關窗教室熱環(huán)境67.8%的時間均能滿足基本熱舒適要求，但空氣品質(zhì)惡劣，53.7%的時間CO2濃度超過國家標準限值．在相同條件下，圍合式建筑教室的較大冬季冷風滲透量使得其冬季室內(nèi)溫度低于非圍合式建筑．

教室；高人員密度；圍合式建筑；熱環(huán)境；空氣品質(zhì)

教室是學校建筑最重要的功能區(qū)．教室的重要特點之一是人員密度高，人是室內(nèi)主要熱源和污染源(散放可揮發(fā)性有機物、水蒸氣和CO2)．在擁擠空間中，大通風換氣率對提高空氣品質(zhì)是很有必要的，但同時也可能會引起大的能量損失(對于供暖和供冷房間)或惡劣的熱環(huán)境(對于無供暖和無供冷系統(tǒng)的房間)．人員密度大的特征使得教室空氣品質(zhì)與熱舒適和建筑節(jié)能之間的矛盾比其他功能的建筑更加尖銳．

人們對處于成長期的青少年所處的室內(nèi)空氣品質(zhì)尤其關注，文獻[1-7]針對教室內(nèi)的空氣品質(zhì)和熱環(huán)境進行了研究．但這些研究都是以炎熱及溫暖氣候下自然通風或房間有供暖與供冷設施為背景的，這種情況下空氣品質(zhì)與熱舒適需求之間的矛盾或者不存在或者可以通過提高建筑能耗解決．而關于冬季寒冷地區(qū)不供暖教室的室內(nèi)空氣環(huán)境的研究很少[8]，這種情況下，空氣品質(zhì)與熱舒適之間的矛盾難以解決，學生只能在空氣品質(zhì)惡劣和熱舒適性差之間進行取舍．

上海地區(qū)盡管具有冬冷的特征，但由于冬季時間不長和經(jīng)濟原因，其學校建筑多為自然通風建筑，較為常見的建筑布局形式為圍合式和非圍合式，通常不設置機械通風、供暖和供冷系統(tǒng)．文獻[9-11]的研究表明，由于熱壓的作用，圍合式建筑(庭院)的房間自然通風效果好于非圍合式建筑．但自然通風只能降低室內(nèi)的污染物濃度，如果沒有主動加熱設施，在冬季很難同時保證良好空氣品質(zhì)與熱舒適需求．

近20年，我國許多大學在新校區(qū)規(guī)劃中，較多地采用圍合式建筑，因此，本文通過對上海某高校圍合式和非圍合式教室的CO2濃度與空氣溫濕度的實際測量，找出無供暖措施的教室空氣環(huán)境特征，以分析上海地區(qū)建筑布局形式對教室冬季室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)的影響．

1 測量條件與方法

以位于上海市西南郊區(qū)的松江大學城某教學樓為背景展開實測．實測建筑結構分為A、 B兩區(qū)，其中A區(qū)為圍合式建筑，B區(qū)為非圍合式建筑，如圖1(a)所示．兩種布局的建筑外圍護結構的窗墻面積比和整體保溫性能完全相同．

A區(qū)建筑為4層，B區(qū)建筑為5層，兩區(qū)教室的層高均為4.8 m，窗墻面積比均約為70%．A區(qū)建筑在庭院頂部裝有非完全封閉的玻璃頂棚，玻璃頂棚平面面積約為744.5 m2，頂棚側面常開通風口的面積約為248.4 m2，如圖1(b)所示．

為分析兩種建筑布局下教室冬季室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)，分別對A區(qū)和B區(qū)的典型房間進行了連續(xù)實測．被測教室均選在3層，其位置如圖1(a)所示，其中教室A-N和B-N終日接收不到太陽輻射，教室A-S基本不受相鄰建筑遮擋，故與教室B-S日照時間基本一致．

(a) 建筑平面布局及測點布置 (b) 建筑玻璃頂棚及側面通風口

測量儀器為美國TSI公司的7565-X型便攜式Q-Trak空氣品質(zhì)監(jiān)測儀，可同時實測空氣溫度、濕度及CO2濃度等參數(shù)．實測期間，同時記錄室外空氣溫度、相對濕度等氣象參數(shù)，并分別記錄A區(qū)和B區(qū)各實測教室內(nèi)人數(shù)．

由于建筑布局、室內(nèi)人員密度對室內(nèi)溫濕度和空氣品質(zhì)均有很大影響，故分別對教室無人和上課時的室內(nèi)空氣環(huán)境進行測量，以便對建筑布局和人員密度對教室空氣環(huán)境的影響分別進行分析．實測時，儀器放置于課桌上，探頭離地高度約為1.1 m．無課且無人時，測試儀置于教室中間位置；有課時，儀器放置在教室第一排的中間位置，并保證探頭離最近學生的水平距離大于1 m．各測點的數(shù)據(jù)采樣間隔為5 s，數(shù)據(jù)儲存間隔為1 min，即每個數(shù)據(jù)均為1 min內(nèi)12個測量值的平均值．

2 結果與分析

2.1 無人條件下不同建筑布局教室熱環(huán)境

在教室門窗完全關閉的情況下，于2012年2月15—17日(寒假期間)對無人使用教室的溫度和濕度進行了連續(xù)3 d的測量．實測期間室外風速很小，風力均小于等于1級，大多數(shù)時間內(nèi)為靜風環(huán)境，因此，風力對建筑通風的影響，相對于熱壓對通風的影響可以忽略不計．實測3 d均為晴天，測量開始之前一星期室外氣溫一直穩(wěn)定在4～12℃，因此，可認為圍護結構蓄熱對室內(nèi)氣溫的影響，僅體現(xiàn)在白天對太陽輻射熱的吸收和夜間對太陽輻射熱的釋放．圖2為冬季A和B兩區(qū)教室室內(nèi)空氣溫度的逐時變化曲線．

(a) 有日照教室

由圖2可知，無論有無日照，A、 B兩種建筑布局形式室內(nèi)氣溫的差別都很大．圍合式建筑布局教室的室內(nèi)氣溫都低于相應的非圍合式建筑布局教室，特別是A、 B區(qū)有日照教室之間氣溫最高值相差4.0℃，溫度最大值出現(xiàn)的時間相差1.5 h．可能因為在熱壓作用下，圍合式建筑教室的自然通風驅動力比非圍合式建筑的大，當門窗氣密性相同時，圍合式建筑的房間換氣次數(shù)較大，造成房間流失熱量較多，儲蓄的太陽輻射熱較少．

為了便于比較室外氣象條件對不同布局形式建筑室內(nèi)空氣環(huán)境的影響，圖3給出了圍合式和非圍合式建筑有日照與無日照教室室內(nèi)溫度差值隨時間的變化曲線．由圖3的結果可以發(fā)現(xiàn)，任一測試日，B區(qū)有無日照房間之間的溫差都大于A區(qū)，同樣說明了A區(qū)在熱壓作用下的自然通風效果良好，減少了有日照房間對太陽輻射熱的吸收和儲存，從而降低了日照對室內(nèi)氣溫的影響程度．

圖3 有日照與無日照教室室內(nèi)溫度差值隨時間的變化Fig.3 Variations of the indoor air temperature difference between classrooms with and without solar radiation

天氣突然降溫時，墻體的熱惰性可阻止室內(nèi)空氣溫度急劇下降．因此，在2月18日室外溫度突然降低時(即對穩(wěn)定室外天氣條件下的測量完成后)，對教室內(nèi)熱環(huán)境進行了測量．圖4(a)和(b)分別給出了室外氣溫下降時，冬季陰雨(2月18日)和晴好(2月19日)天氣時不同建筑布局教室內(nèi)空氣溫濕度的實測曲線．

由圖4(a)可知，陰雨天氣時(沒有太陽輻射加熱作用)，由于實測之前已有一星期相對較高溫度的天氣，使得建筑物墻體本身溫度較高(即墻體蓄熱)，故盡管室外溫度突然降低了，但室內(nèi)溫度仍明顯高于室外．而且，雖然A、 B兩區(qū)建筑的圍護結構蓄熱性能完全相同，但B區(qū)無人教室內(nèi)部溫度仍明顯高于相同朝向的A區(qū)教室，最高溫度的差值約為1.5℃．另外，由圖4(a)還可看到，由于建筑蓄熱性能導致庭院內(nèi)部溫度延遲變化，2月18日在10：00之前，A區(qū)庭院溫度高于外部溫度，隨后在A區(qū)庭院自然通風的作用下，庭院內(nèi)外氣溫趨于相同．

圖4(b)為寒潮第二天(2月19日)的實測結果，環(huán)境氣溫進一步降低，但為晴天且微風．由于太陽輻射的加熱作用，庭院內(nèi)溫度約高于室外溫度1.5℃， A區(qū)和B區(qū)教室內(nèi)部氣溫都高于室外和庭院溫度．與圖4(a)的測量結果相同，B區(qū)無人教室內(nèi)部溫度仍明顯高于A區(qū)教室，并且不同布局有日照房間室內(nèi)溫差最大值達到了5℃．由于室內(nèi)無濕源，兩天室內(nèi)相對濕度均隨著氣溫的升高而降低．

(a) 2月18日陰雨天氣

(b) 2月19日晴好天氣

圖2和4的實測數(shù)據(jù)表明，建筑布局形式對室內(nèi)熱環(huán)境有很大影響，相同條件下，圍合式建筑冬季室內(nèi)氣溫低于非圍合式建筑．

2.2 教室上課時A和B區(qū)建筑室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)

由于實測教室沒有裝設供暖和供冷設施，為盡可能滿足室內(nèi)熱舒適要求，不同季節(jié)的窗戶開啟程度不同．冬季，為防止自然通風帶走過多的能量，通常上課時門窗完全關閉．

教室上課期間，照明燈具和人體散熱是室內(nèi)主要熱源．由于教室照明燈具的功率為9～11 W/m2[12]， 故室內(nèi)人員密度成為每個教室溫、濕度不同的重要原因．忽略可揮發(fā)性有機物的散發(fā)，則人體呼出的CO2是室內(nèi)唯一污染源．圖5給出了冬季有課時不同室外天氣情況下，實測各教室的室內(nèi)溫濕度和CO2濃度的變化情況．圖5中灰色區(qū)域為無課時間，在上課時段，圖中標出了滿座率(即室內(nèi)人數(shù)占座位數(shù)的百分比，可間接表示室內(nèi)人員密度)，無課時教室內(nèi)僅有很少人在自習，滿座率都小于10.0%．

(a) 2月20日陰雨，南向教室

(b) 2月28日陰雨，北向教室

(c) 3月13日晴好，南向教室

(d) 3月21日晴好，北向教室

由圖5可看出，隨著上課時間的持續(xù)，室內(nèi)人員散發(fā)的熱量、水蒸氣和CO2不斷積聚，室內(nèi)的溫度、相對濕度和CO2濃度均持續(xù)升高，出現(xiàn)峰值且明顯高于無課時情況，其中CO2的濃度甚至高達0.38%．室內(nèi)人員密度(即滿座率)越大，最終CO2濃度升高幅度越大．課間時，大部分學生離開教室，室內(nèi)各參量急劇下降，特別是CO2濃度．由圖5(a)還可看到，人員密度高時，盡管A區(qū)教室的人員密度為B區(qū)教室的1.1～1.2倍，但A區(qū)教室氣溫仍低于B區(qū)教室氣溫．對比圖5(a)和(b)可看出，人員密度小時，盡管A區(qū)教室的人員密度是B區(qū)教室的1.3～2.2倍，但二者的氣溫卻比較接近．這再一次表明圍合式和非圍合式布局建筑的房間通風熱損失存在明顯差別．由于兩種布局建筑的外圍護結構窗墻面積比和整體保溫性能完全相同，故造成房間熱損失不同的原因是圍合式布局建筑房間的通風量較大．

2.3 冬季教室上課時空氣環(huán)境的統(tǒng)計結果與改善方法

根據(jù)2.1～2.2節(jié)的實測結果可知，教室通風量和室內(nèi)人員密度對教室內(nèi)空氣溫濕度和CO2濃度的影響很大．為此，圖6給出了上課期間教室滿座率為50%～70%時(人均面積約為2.32 m2/人)的室內(nèi)溫度和CO2濃度實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果．

冬季在教室上課的學生的常見衣著情況為毛衣毛褲加羽絨服，服裝熱阻約為2.0 clo[13]，人體處于輕度勞動狀態(tài)．由于門窗關閉，室內(nèi)氣流速度很小(低于0.05 m/s)．這種情況下，人體感覺舒適的氣溫為13℃[13]．

(a) 溫度

(b) CO2濃度

由圖6(a)可看到，在冬季實測期間，教室氣溫大于13℃的時間比例約為67.8%，即在學期最冷的上課時間里，讓大多數(shù)人能夠適應的熱環(huán)境的出現(xiàn)頻率將近70%．在上海地區(qū)，這樣寒冷程度的時間并不長，約為2星期，對學生的有害影響是有限的．然而，教室冬季室內(nèi)CO2濃度的情況不容樂觀，從圖6(b)可看出，僅有22.5%的時間低于我國國家標準[14]規(guī)定的0.10%的CO2濃度限值，有約53.7%的時間CO2濃度高于0.15%，而我國關于學校教室衛(wèi)生的國家標準[15]規(guī)定教室的CO2濃度不得超過0.15%．顯然，冬季上課期間，缺乏通風導致了教室內(nèi)空氣品質(zhì)的惡化．

雖然對教室供暖、加強機械通風可同時解決熱舒適和空氣品質(zhì)的問題，但由于能源現(xiàn)狀的限制，對該地區(qū)的教室全面實行供暖和機械通風至少在可預見的未來是不現(xiàn)實的．

文獻[2]的研究結果表明，將教學建筑中的輔助空間作為緩沖區(qū)對新鮮空氣進行預熱，可以得到明顯的節(jié)能效果．根據(jù)本文的實測結果，太陽輻射使得庭院內(nèi)空氣溫度比外部空氣溫度高1.5℃(見圖4(b)，若將圖1所示的通風口封閉，則庭院內(nèi)氣溫將更高)．若關閉教室聯(lián)通室外空氣的窗戶，打開教室聯(lián)通庭院的門窗，就可使庭院成為對新鮮空氣進行有效預熱的緩沖區(qū)，在改善教室空氣品質(zhì)的同時，使室內(nèi)熱環(huán)境也得到相應保障．

非圍合式建筑的冷風滲透熱損失雖然小于圍合式建筑(庭院)，但教室人員密度高，對通風量的極大需求使其冷風滲透量小的優(yōu)點在教學建筑中不能發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢，同時又缺乏可以得到大量太陽輻射的通風緩沖區(qū)(庭院)．因此，非圍合式建筑作為教學建筑不具備節(jié)能優(yōu)勢．

3 結 語

教室人員密度大，為保證空氣品質(zhì)需要較大的通風換氣量，但這勢必造成房間熱損失過大．長江三角洲地區(qū)的絕大多數(shù)教室冬季不供暖，因此該地區(qū)教室空氣品質(zhì)與熱舒適之間的矛盾比其他地區(qū)更加尖銳．本文以上海地區(qū)圍合式與非圍合式建筑為實測對象，通過對教室內(nèi)熱環(huán)境和CO2濃度的實測和分析，得到以下主要結論．

在上海地區(qū)，實測教室空氣溫度能夠滿足著冬裝學生熱舒適要求的時間約為67.8%，但有約53.7%的時間CO2濃度超過相關標準規(guī)定的0.15%限值，表明在上海地區(qū)，如果沒有主動供暖措施，教室內(nèi)空氣環(huán)境只能滿足基本熱舒適要求，空氣品質(zhì)難以得到保證．由于不開窗通風，室內(nèi)CO2濃度可能高達0.38%．

在熱壓作用下，圍合式建筑教室的冬季冷風滲透量較大，不利于教室對已接收太陽輻射的儲存和利用，使得相同條件下圍合式建筑教室冬季室內(nèi)溫度低于非圍合式建筑教室．

本文實測的圍合式建筑庭院上方采用玻璃頂棚部分封閉，實測結果表明，晴天時庭院內(nèi)空氣溫度比外部溫度高1.5℃．若玻璃頂棚完全封閉，庭院內(nèi)氣溫將更高．冬季非供暖房間空氣品質(zhì)與熱舒適對通風量的需求恰好相反，充分利用庭院對新風的預加熱作用，可成為解決這一矛盾的有效途徑．

[1] KWOK A G, CHUN C. Thermal comfort in Japanese schools [J]. Solar Energy, 2003, 74(3): 245-252.

[2] BECKER R, GOLDBERGER I, PACIUK M. Improving energy performance of school buildings while ensuring indoor air quality ventilation [J]. Building and Environment, 2007, 42(9): 3261-3276.

[3] LIU S, YOSHINO H, MOCHIDA A. A measurement study on the indoor climate of a college classroom [J]. International Journal of Ventilation, 2011, 10(3): 251-261.

[4] 羅明智,李百戰(zhàn),徐小林.重慶夏季教室熱環(huán)境研究[J].重慶建筑大學學報,2005,27(1):88-91.

[5] 王劍,王昭俊,郭曉男.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的哈爾濱高校教室熱環(huán)境特征模型研究[J].建筑科學,2009,25(8):89-93.

[6] 管勇,陳超.冬季蘭州市高校教室熱環(huán)境調(diào)查[J].環(huán)境與健康雜志,2010,27(2):159-160.

[7] 陶求華,李莉.廈門高校教室冬季熱環(huán)境測試及熱舒適預測[J].暖通空調(diào),2012,42(4):72-75.

[8] 李百戰(zhàn),劉晶,姚潤明.重慶地區(qū)冬季教室熱環(huán)境調(diào)查分析[J].暖通空調(diào),2007,37(5):115-117.

[9] RAJAPAKSHA I, NAGAI H, OKUMIYA M. A ventilated courtyard as a passive cooling strategy in the warm humid tropics [J]. Renewable Energy, 2003, 28(11): 1755-1778.

[10] 李念平,何東岳,李靖,等.中庭式住宅建筑熱壓通風的預測模型研究[J].湖南大學學報:自然科學版,2010,37(6):6-10.

[11] 亢燕銘,張寧波,寇麗,等.地面熱力條件對庭院式建筑內(nèi)部空氣環(huán)境的影響[J].東華大學學報:自然科學版,2011,37(6):767-773.

[12] GB 7793—2010 中小學校教室采光和照明衛(wèi)生標準[S].

[13] KANG Y, WANG Y, ZHONG K, et al. Temperature ranges of the application of air-to-air heat recovery ventilator in supermarkets in winter, China [J]. Energy and Buildings, 2010, 42(12): 2289-2295.

[14] GB/T 18883—2002 室內(nèi)空氣質(zhì)量標準[S].

[15] GB/T 17226—1998 中小學校教室換氣衛(wèi)生標準[S].

Study on the Air Environment in Classrooms with Different Building Layouts in Winter, Shanghai

ZHANGNing-bo,KANGYan-ming,ZHONGKe

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The thermal environment and CO2concentration in classrooms with enclosed and non-enclosed building layouts in winter in Shanghai were measured, the air environment features of unheated classrooms were given, and the effects of building layout on the thermal environment and air quality in the classroom in winter were analyzed. The results show that in Shanghai, the thermal environment in an unheated classroom when its windows are closed can satisfy the basic thermal comfort requirements for 67.8% of the time no matter what the building layout of the classroom is, however, the air quality in such a classroom is poor, the CO2concentration exceeds the national standard limit for 53.7% of the time. The large amount of cold air infiltration from a classroom of an enclosed building in winter results in its indoor air temperature lower than that of a classroom of a non-enclosed building under the same conditions.

classroom; high occupant density; enclosed building; thermal environment; air quality

1671-0444(2015)05-0670-06

2014-06-08

國家自然科學基金資助項目(51478098)；上海市教育委員會科研創(chuàng)新資助項目(13ZZ054)

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 鐘 珂(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 111.1; TU 834.2

A