陜西關中鄉(xiāng)域中小學教室冬季熱舒適調(diào)查研究

王登甲，王晗旭，劉艷峰，劉加平

（1.西安建筑科技大學環(huán)境學院，陜西 西安710055；2. 西安建筑科技大學建筑學院，陜西 西安710055）

目前，在熱舒適研究領域國際通用的熱舒適標準為ISO7730[1]和ASHRAE55-2013[2]，而這兩個標準并未考慮氣候變化、適用人群等產(chǎn)生的差異．近年來，國內(nèi)外學者進行的大量現(xiàn)場研究表明，人們對室內(nèi)熱環(huán)境的實際熱感覺與上述兩個標準的預測結果存在明顯差異，而引起差異的主要原因可歸結為人對氣候的行為、生理適應性及心理期望值[3]．我國室內(nèi)熱舒適的研究多集中在各氣候區(qū)的居住、辦公等類型建筑[4-8]，關于教學建筑也主要針對的是高校[9-10]，而對于中小學教室研究較少，鄉(xiāng)域中小學教室則更是鮮有關注．

人員密度大、使用時段集中、以青少年學生為主是中小學教室的主要特征，有別于居住、辦公、高校教室等建筑的室內(nèi)熱環(huán)境需求及評價方法．而受經(jīng)濟技術水平限制，鄉(xiāng)域中小學與城鎮(zhèn)中小學的室內(nèi)熱環(huán)境需求也存在差異．因此，以陜西關中地區(qū)鄉(xiāng)域中小學教室為對象，對其室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)進行了現(xiàn)場測試，同時以問卷方式調(diào)查了學生對熱環(huán)境的主觀評價．以期獲得該地區(qū)鄉(xiāng)域中小學教室內(nèi)學生冬季的中性溫度、期望溫度、舒適的溫度范圍等，提出適用于鄉(xiāng)域中小學教學建筑的室內(nèi)熱環(huán)境評價分析模型．

1 調(diào)查概況

1.1 調(diào)查對象

調(diào)查于2014年11月中旬至2015年1月初進行，選取陜西關中地區(qū)4所鄉(xiāng)域中小學校的14間教室進行了現(xiàn)場測試和問卷調(diào)查，發(fā)放調(diào)查問卷440份，收回有效問卷421份，有效收回率95.7%．其中男生196人（占46.6%），女生225人（占53.4%），年齡在9～16歲之間，平均年齡為12.6歲．

1.2 主觀問卷調(diào)查

問卷內(nèi)容包括：①學生性別、年齡、衣著情況等基本信息；②調(diào)查時刻學生的熱感覺、濕感覺、舒適感等主觀感受，熱感覺投票采用ASHRAE 7級標尺，熱舒適投票采用 5級標尺；③期望度（以Preference標度表示，-1涼一些，0不變，1暖一些）調(diào)查．

1.3 測試儀器及布置

測試參數(shù)主要包括教室內(nèi)外空氣溫濕度、室內(nèi)黑球溫度、空氣流速和壁面溫度等，所用儀器主要有 TR-72ui自記式溫度計、TR102S黑球溫度計、ZRQF-F30風速儀、CENTER309熱電偶測溫儀等，間隔10 min自動記錄一次．測點布置采用五點法，距離地面垂直高度為 1.1 m（代表坐姿受試者的頸部高度）；窗戶、外墻的溫度分別測試5個點，內(nèi)墻、地面和屋頂在其中心位置各測試1個點．

1.4 熱舒適評價指標

當相對濕度在熱舒適范圍內(nèi)，且室內(nèi)空氣流速較低時，宜采用操作溫度to作為熱舒適指標來描述寒冷地區(qū)冬季人體熱感覺[11]．to由下式計算得到[12]：

式中：tmr為平均輻射溫度，℃；ta為室內(nèi)空氣溫度，℃；hc、hr分別為對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)．坐姿時hc取值 4.0[12]；在室溫條件下hr取值4.7[2]．平均輻射溫度由下式計算[12]：

式中：tg為黑球溫度，℃；v為室內(nèi)空氣流速，m/s．

2 調(diào)查結果與分析

2.1 新陳代謝率及服裝熱阻

相比于成年人，青少年新陳代謝旺盛，體溫通常高于成年人約0.5 ℃[4]．ASHRAE給出的代謝率是以普通成人為對象獲得的[2]；G.HAVENITH通過研究給出了 9～18歲不同年齡中小學生在不同課程類型下所具有的活動量和代謝率[13]．本文中小學生年齡均在 9～16歲之間，且主要坐著看書、寫字、聽講及討論問題等，結合上述研究，中小學生新陳代謝率選定為坐姿輕微活動者所具有的代謝水平1.2 met (70 W/m2)．

所調(diào)查教室座椅為木椅，不考慮其對服裝熱阻的附加值[14]．受試者總服裝熱阻值由式（3）計算[12]：

式中：Icl為單人整套服裝的熱阻，clo，1clo=0.155℃·m2/W；Iclu,i為單件服裝的熱阻，clo．受試者所穿服裝熱阻值的分布頻率如圖1所示．

圖1 服裝熱阻分布頻率Fig.1 Frequency distribution of clothing insulation value

由圖 1可知，服裝熱阻主要集中在 1.2～1.8clo之間，頻率最大值出現(xiàn)在1.6 clo，熱阻平均值為1.56 clo，遠高于 ASHRAE55-2013[2]舒適標準規(guī)定的冬季服裝熱阻值0.9 clo．主要由于該地區(qū)冬季室外氣溫低，且鄉(xiāng)域中小學教室大多無采暖措施，學生長期處于低溫環(huán)境中，普遍穿著較厚的衣服御寒，通過自身行為調(diào)節(jié)以適應當?shù)睾涞臍夂驐l件；同時，進出教室的學生并沒有頻繁更換衣物的習慣，這一點與城市居住和辦公建筑有很大差別．

2.2 室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)

測試期間室外溫度變化范圍為：-4.9～10.2℃，平均值約為 2.0℃；室外相對濕度變化范圍為：20%～65%，平均值約為45%．

對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計結果見表1，ta為空氣溫度，℃；to為操作溫度，℃；tmr為平均輻射溫度，℃；φ為相對濕度，%；v為室內(nèi)空氣流速，m/s．to、φ和v的分布頻率如圖2-4所示．

表1 室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of indoor environment parameters

由圖2-4可知，上課期間室內(nèi)操作溫度to位于6.3～17.3℃之間，且主要集中在10.5～13.5℃（約占70%），平均值為12.3℃．室內(nèi)相對濕度范圍為16%～55%，平均值為40%，絕大多數(shù)在30%～60%的正常范圍內(nèi)[15]，滿足衛(wèi)生要求．風速范圍為0～0.35 m/s，平均值為0.085 m/s，其中低于0.2 m/s的樣本量占92.8%．

圖2 操作溫度to的分布頻率Fig.2 Frequency distribution of operative temperature

圖3 相對濕度的分布頻率Fig.3 Frequency distribution of relative humidity

圖4 室內(nèi)空氣流速v的分布頻率Fig.4 Frequency distribution of air velocity

2.3 熱中性溫度

人對風速的感覺閾為0.2 m/s，選取風速v≤0.2 m/s的樣本（占總樣本的 92.8%），采用溫度頻率法[11]分別回歸出實測的熱感覺投票平均值MTS（Mean Thermal Sensation）隨操作溫度to、空氣溫度ta變化的曲線（擬合曲線見圖7），線性回歸方程分別為：MTS=0.178to-2.561(相關系數(shù)R2=0.765)；MTS=0.181ta-2.745(相關系數(shù)R2=0.778)．當MTS=0時由to表示的中性溫度為14.4℃，大于冬季室內(nèi)操作溫度平均值12.3℃，這與國際熱舒適數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計結果相近[16]，說明了人對熱環(huán)境的生理適應性．當MTS=0時由ta表示的中性溫度為15.2℃，低于嚴寒和寒冷地區(qū)冬季中小學教室建議值16～18℃[17]．

人體的新陳代謝率越小，對溫度變化感受越敏感[4]．學生在教室內(nèi)的活動主要為坐著學習，活動量相對較小，由于冬季學生的衣著量普遍較大，熱感覺隨室內(nèi)溫度的變化并不太敏感，當室內(nèi)空氣溫度每改變1℃，其熱感覺相應僅改變0.181個標度．

2.4 熱接受率

將操作溫度及其對應的可接受率（熱感覺投票值為-1、0、1時，表示對此時的熱環(huán)境可接受）采用拋物線回歸，即得到熱接受率與操作溫度的關系，如圖5所示．

圖5 熱接受率Fig. 5 Distribution of thermal acceptability

ASHRAE標準分別將80%、90%的室內(nèi)人員感到滿意的熱環(huán)境確定為可接受及舒適的熱環(huán)境．由圖5可知，以80%界定，冬季中小學生可接受溫度下限為10.6℃（以to表示）；90%的中小學生感到滿意的舒適溫度范圍為12.7～16.9℃．

2.5 熱期望溫度

期望溫度的計算采用概率統(tǒng)計法：以 0.5℃為組距統(tǒng)計所期望的熱環(huán)境比此刻較暖和較涼的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例，并將熱期望和冷期望作線性回歸，兩條曲線的交點所對應的溫度即為期望溫度，如圖6所示．

圖6 期望溫度的確定Fig.6 Determining the preferred temperature

由圖6可知，冬季學生的期望溫度為15.3℃（以to表示），比中性溫度高1.1℃．Humphreys研究認為人們期望的熱環(huán)境可能偏離中性溫度，寒冷地區(qū)人們所期望的熱環(huán)境偏向于稍暖的一側(cè)[18]．本研究結果與Humphreys的這一結論是一致的．

3 討論

3.1 MTS與預測平均熱感覺PMV的比較

利用測試所得室內(nèi)溫度、相對濕度、風速、平均輻射溫度及中小學生服裝熱阻、新陳代謝率計算預測PMV值，將其與MTS作比較，如圖7所示．

圖7 MTS、PMV與室內(nèi)操作溫度的關系對比Fig.7 Comparison of MTS and PMV

由圖7可知，PMV和MTS存在明顯的偏差．當PMV=0時，得到預測熱中性溫度to為14.9℃，高于冬季實測的熱中性溫度14.4℃，表明冬季中小學生對冷的承受能力要比預測值高．在低于熱中性環(huán)境中PMV值的分布比實測的MTS向較冷側(cè)偏移，且斜率較大，說明學生對溫度的變化沒有預測的那么敏感，通過自身調(diào)節(jié)形成了對偏冷環(huán)境的適應性．

3.2 適應性預測平均熱感覺aPMV模型

由前所述，適應性是造成MTS和PMV產(chǎn)生差異的主要原因．姚潤明[19]將氣候、季節(jié)、社會文化等影響人體熱舒適的因素考慮在內(nèi)，運用“黑箱”理論提出了預計適應性平均熱感覺aPMV模型（Adaptive Predicted Mean Vote model），模型中采用自適應系數(shù)λ將PMV與aPMV聯(lián)系起來，用以解釋MTS和PMV之間的差異，見式（4）：

利用最小二乘法[19]求解自適應系數(shù)λ，得到λ=-0.42（PMV＜0），λ=0.28（PMV＞0）．由λ和PMV值可計算得到aPMV指標，如圖10所示．

由圖8可知，對偏冷和偏熱的熱環(huán)境采取不同水平的自適應調(diào)節(jié)后得到的aPMV模型能夠較好的預測人體平均熱感覺．分析發(fā)現(xiàn)，相比于PMV＞0的偏熱環(huán)境中，PMV＜0時的偏冷環(huán)境中λ的絕對值更大，說明學生對偏冷的環(huán)境有更強的適應性，而對偏熱環(huán)境的適應性較差．同時，當PMV＜0時，MTS均大于aPMV且兩者相差較大；當PMV＞0時兩者相差較小，再次說明冬季中小學生對偏冷的室內(nèi)環(huán)境有較強的適應性，而對偏熱的室內(nèi)環(huán)境較為敏感．此時，如果室內(nèi)溫度維持過高，不僅浪費能源，也容易引起學生的熱不適感．

圖8 MTS、aPMV與室內(nèi)操作溫度的關系對比Fig.8 Comparison of MTS and aPMV

3.3 與其他研究結果的比較

國內(nèi)外諸多學者對冬季室內(nèi)熱環(huán)境進行了研究，表2給出了本研究結果與國內(nèi)外其他研究結果的比較．不同的研究選取的溫度指標不同，ET*為新有效溫度，℃．

由表2可知，本研究的熱中性溫度和可接受溫度下限分別為 14.4℃、10.6℃，均低于其他研究結果；熱感覺模型中的平均熱感覺隨溫度變化的斜率較低（0.188）．這是因為與其他現(xiàn)場研究相比，鄉(xiāng)域中小學教室有如下特征：中小學生衣著量較大（平均值為1.56clo），且進出教室沒有頻繁更換衣物的習慣；冬季室外氣溫低、鄉(xiāng)域中小學教室普遍無采暖措施，使得長期處于低溫環(huán)境中的中小學生對冷形成了心理上的適應性；此外，相比成年人，中小學生新陳代謝旺盛，使得中小學生對偏熱的環(huán)境較為敏感，對于寒冷環(huán)境則表現(xiàn)出耐受性．

鑒于此，該地區(qū)冬季鄉(xiāng)域中小學教室內(nèi)設計溫度取值應結合當?shù)氐臍夂驐l件，充分考慮中小學生的衣著習慣、心理期望、生理特點等因素的特殊性，提出適合于鄉(xiāng)域中小學生的熱舒適評價指標．

表2 與國內(nèi)外冬季其他現(xiàn)場研究結果的比較Tab.2 The comparison with other field study results in winter

4 結論

(1)陜西關中鄉(xiāng)域中小學教室冬季室內(nèi)溫度普遍較低，中小學生的服裝熱阻較大（平均值為1.56clo）．學生的熱中性溫度為14.4℃，期望溫度為 15.3℃，80%可接受溫度下限為 10.6℃，90%舒適溫度范圍為12.7～16.9℃．

(2)由于學生自身對熱環(huán)境的適應性，冬季中小學生的MTS和PMV存在較大偏差．根據(jù)實測數(shù)據(jù)獲得的適應性aPMV模型能很好的預測中小學生的平均熱感覺，自適應系數(shù)λ=-0.42（PMV＜0），λ=0.28（PMV＞0）．

(3)在寒冷的冬季，中小學生對于偏冷的環(huán)境表現(xiàn)出耐受性，而對偏熱的環(huán)境較為敏感．室內(nèi)設計溫度的選取應充分考慮當?shù)氐臍夂驐l件及中小學生的服裝熱阻、生理特點、心理適應性等實際情況，如果室內(nèi)溫度維持過高，不僅浪費能源，也容易引發(fā)學生的熱不舒適感．

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