基于熱舒適的張家口地區(qū)高校教學(xué)樓節(jié)能設(shè)計策略研究

梅 蘭 張曉云 楊 薇

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

截至2020年，我國共有高等院校2688所，在校學(xué)生達(dá)到4002萬人，學(xué)校建筑面積約10億平方米[1].其中北方高校超過半數(shù)，規(guī)模大，占地廣，寒地冬季采暖能耗大，節(jié)能形勢嚴(yán)峻.冬季人們室內(nèi)活動時間增多，舒適的室內(nèi)熱環(huán)境可以保障其身心健康，提高學(xué)習(xí)工作效率.研究數(shù)據(jù)顯示，采暖房間室內(nèi)設(shè)計溫度每降低1℃，能耗可減少5%～10%[2].因此，本研究從人體對環(huán)境的適應(yīng)性入手，在保證室內(nèi)熱舒適的前提下挖掘建筑節(jié)能潛力，以期對高校既有教學(xué)樓的節(jié)能改造和新建教學(xué)樓的節(jié)能設(shè)計提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐.

1 研究對象

張家口市地處河北西北部，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，建筑熱工分區(qū)的寒冷氣候區(qū)，全年四季分明，冬季寒冷干燥，采暖期長.本次研究對象為張家口最具代表性高校河北建筑工程學(xué)院的主教學(xué)樓.該教學(xué)樓為框架結(jié)構(gòu)，坐北朝南，層數(shù)為地上8層，地下一層.建筑布局為中間廊式，教室分列南北兩側(cè).教學(xué)樓為公共教學(xué)樓，使用頻率高，能耗較大，在建筑節(jié)能方面有提升潛力，在室內(nèi)熱舒適性上有改善空間.

2 調(diào)研方案

2.1 調(diào)研樣本選取

本次調(diào)研樣本選取主教學(xué)樓內(nèi)不同樓層、不同方位以及不同使用性質(zhì)的6間教室，教室編號分別為116、303、501、503、507、516，教室相對位置及測點布置見圖1.

圖1 教室相對位置及測點布置示意圖

2.2 調(diào)研時間與方法

調(diào)研時間為2020年12月27日8:00～20:00，現(xiàn)場測試和問卷調(diào)查同步進(jìn)行.測試期間學(xué)生在上課或上自習(xí)，處于靜坐或站立狀態(tài)，教室門窗關(guān)閉.

需要測試的物理參數(shù)有室內(nèi)空氣溫度、空氣相對濕度和風(fēng)速.空氣溫度和相對濕度使用溫濕度儀監(jiān)測，風(fēng)速采用微風(fēng)溫度儀測量，測試時儀器距地面垂直高度保持在1.1m～1.6m.測試時間為720min，每隔60min讀取一次數(shù)據(jù).讀數(shù)時每隔十秒鐘記錄一次數(shù)值，10分鐘內(nèi)共記錄60組數(shù)值，計算其平均值.

2.3 問卷調(diào)查

受試者為所調(diào)研教室內(nèi)師生，填寫問卷時在教室內(nèi)停留至少30min以上.共發(fā)放問卷300份，回收有效問卷258份.問卷的主要內(nèi)容是調(diào)查師生對教室的熱環(huán)境、濕環(huán)境和風(fēng)環(huán)境的主觀感受，對教室熱舒適度的主觀評價以及個體差異.

3 測試數(shù)據(jù)分析

測試當(dāng)天室外空氣最高溫度為2℃，最低溫度為-13℃，平均溫度為-4.5℃，測試前后2天未出現(xiàn)大幅度降溫，氣溫相對比較穩(wěn)定.由于測試期間所有教室的門窗都處于關(guān)閉狀態(tài)，教室內(nèi)的空氣流速較低，各教室風(fēng)速值近似.因此，著重對測試數(shù)據(jù)中的空氣溫度和相對濕度這兩個重要指標(biāo)進(jìn)行分析.所調(diào)研的6個教室室內(nèi)溫濕度的變化曲線如圖2、圖3所示，溫濕度的最大值、最小值和平均值統(tǒng)計表見表1.我國供暖通風(fēng)規(guī)范規(guī)定冬季采暖房間的舒適溫度范圍是18～24℃，相對濕度宜在30%～60%[3].下面從不同角度對教室溫濕度進(jìn)行對比分析.

圖2 各教室室內(nèi)空氣溫度變化曲線圖 圖3 各教室室內(nèi)相對濕度變化曲線圖

表1 各教室測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3.1 教室溫濕度概況

在所調(diào)研的6個教室中，507教室室內(nèi)的平均溫度最高為24.8℃，501教室次之為24.6℃，這兩個教室的溫度超過了舒適溫度的上限，室內(nèi)偏熱.503、516和303教室的溫度在舒適范圍內(nèi).116教室的平均溫度最低，僅為17.4℃，低于舒適溫度的下限，室內(nèi)溫度偏低.6個教室室內(nèi)的空氣相對濕度值均遠(yuǎn)低于舒適值下限，可見冬季采暖教室普遍比較干燥，濕度較低.

3.2 相同方位不同樓層教室的溫濕度

通過分析相同位置不同樓層的503和303，516和116這兩組教室的溫濕度可知，位于五層南向的503教室其平均溫度比三層相同位置的303教室高1℃，平均濕度高7.2%；位于五層北向的516教室其平均溫度比一層相同位置的116教室高3.7℃，平均濕度高3.7%.可見，不同樓層對教室的溫濕度有一定影響，對于相同位置同樣大小的教室溫濕度隨樓層升高遞增.

3.3 相同樓層不同方位教室的溫濕度

對五層相同功能不同方位的501、503、516三個教室的溫濕度進(jìn)行對比分析得知，501教室的平均溫度最高，這是由于501教室位于西南角，不僅南向陽光充足，還受西曬的影響，因此溫度相對偏高，也導(dǎo)致水蒸氣蒸發(fā)快，所以室內(nèi)平均濕度較低.位于教學(xué)樓北側(cè)的516教室平均溫度低于南側(cè)相對的503教室，在數(shù)值上相差近3℃，充分說明了朝向?qū)κ覂?nèi)溫度的影響.503教室的平均濕度最大，其次是516教室，最低的是501教室.

3.4 相同樓層方位不同使用功能教室的溫濕度

對同樣位于五樓南側(cè)的公共教室503和專業(yè)教室507的溫濕度進(jìn)行對比分析可知，507教室的平均溫度比503教室高，兩教室的平均濕度相近.這是由于專業(yè)教室使用學(xué)生固定，學(xué)生停留時間長，而公共教室學(xué)生流動性大，考慮到人體熱源的影響，專業(yè)教室比公共教室的溫度更高.

3.5 同一教室不同測點的溫濕度

根據(jù)507教室6個測點的平均溫濕度值以及距房間四壁0.5m處的溫濕度值，分別繪制出如圖4和圖5所示的溫度和濕度等值線圖.在溫度方面，教室大部分空間的溫度在22.0～24.6℃，中央?yún)^(qū)域溫度較高，溫度相對較低的區(qū)域出現(xiàn)在門窗洞口處，這是由于門窗洞口氣密性不好造成冷風(fēng)滲透所致.在濕度方面，教室大部分空間的相對濕度在14.5%～19.5%之間，教室前部比中后部濕度大，可能是由于教室中后部的溫度比前部高.

圖4 507教室溫度等值線圖 圖5 507教室濕度等值線圖

4 熱舒適調(diào)查分析

4.1 熱感覺投票(TSV)

參照ASHRAE的熱感覺評價標(biāo)度，將人體對教室溫度的冷熱感覺劃分7級標(biāo)度為很冷、冷、有點冷、適中、有點熱、熱、很熱，對應(yīng)的投票值為-3、-2、-1、0、+1、+2、+3.熱感覺投票值分布頻率如圖6所示，有87.6%的人熱感覺投票值在-1，0，+1，根據(jù)PMV-PPD指標(biāo)[5]可知師生對教室的冷熱環(huán)境可以接受.但是，感覺偏熱(投票值為+1、+2、+3)的人比感覺偏冷(投票值為-3、-2、-1)的人多23.2%.

4.2 濕感覺投票(HSV)

將人體對教室的潮濕感受劃分7級標(biāo)度為很干、干燥，有點干、適中、有點濕、潮濕、很潮濕，對應(yīng)的投票值為-3、-2、-1、0、+1、+2、+3.濕感覺投票結(jié)果如圖6所示，濕感覺投票值在-1，0，+1的人僅有70.9%，表明師生對教室的濕環(huán)境不滿意，有71.7%的人感覺教室偏干燥(投票值為-3、-2、-1).調(diào)查中發(fā)現(xiàn)很多師生在教室上課會有口干喉痛、皮膚干燥等不適反應(yīng).

4.3 熱舒適投票(TCV)

對人體的熱舒適滿意度進(jìn)行7級評價標(biāo)度：非常不舒適(-3)、不舒適、有點不舒適(-2)、一般(0)、比較舒適(+1)、舒適(+2)、很舒適(+3)，投票結(jié)果如圖7所示.由圖可知，有81.0%的人熱舒適滿意度的投票值在-1，0，+1，表明師生對教室的熱舒適基本滿意.也說明受試者對環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，即使感覺教室偏熱和偏干燥的人很多，但他們依然接受這樣的熱環(huán)境.

圖6 熱感覺和濕感覺投票分布頻率 圖7 熱舒適投票分布頻率

5 節(jié)能策略

(1)確定合理的室內(nèi)舒適溫度.考慮到人體熱源的作用以及人體對熱舒適的適應(yīng)性，對于使用頻率高、可容納學(xué)生多的教室，其室內(nèi)熱舒適溫度范圍可以適當(dāng)下調(diào)，從而降低冬季教室采暖溫度，以節(jié)約能耗.

(2)設(shè)置可調(diào)控的采暖系統(tǒng).綜合上述分析結(jié)果可知，不同樓層、不同朝向、不同使用功能對教室溫濕度均有一定影響.但是采暖系統(tǒng)設(shè)置時一般并未考慮到這些因素的作用.因此，采暖系統(tǒng)可以通過加設(shè)控制閥門和溫感裝置，分樓層、分朝向進(jìn)行分區(qū)調(diào)控.對于朝向好、樓層高的教室可以在使用高峰期降低供熱溫度.對于溫度偏低的教室可考慮增加散熱器數(shù)量以確保教室熱環(huán)境舒適性.

(3)加強(qiáng)教室門窗的保溫性能.通過教室溫度的等值線圖可知，教室內(nèi)部的門窗洞口是保溫的薄弱環(huán)節(jié).由于門窗本身導(dǎo)熱系數(shù)大，縫隙處又容易造成冷風(fēng)滲透.因此應(yīng)選擇保溫隔熱性能更好的節(jié)能門窗，并對縫隙處進(jìn)行密封保溫處理加強(qiáng)氣密性.

(4)加設(shè)排氣、加濕裝置.測試結(jié)果顯示教室內(nèi)濕度很低，空氣干燥.且問卷調(diào)查也表明師生對教室濕環(huán)境不接受，很多師生出現(xiàn)口干喉痛、皮膚干燥等不適感受.因此，可以在教室設(shè)置排氣、加濕裝置以改善室內(nèi)濕環(huán)境，通過濕度控制器配合供暖設(shè)備共同調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱環(huán)境.