重慶高校歷史建筑室內(nèi)熱環(huán)境測試研究
——以重慶交通大學(xué)青樓為例

崔倩，蔣林曉

（重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

建筑室內(nèi)熱環(huán)境對室內(nèi)使用者的人體舒適度影響較大，許多學(xué)者針對建筑室內(nèi)熱環(huán)境舒適度做了大量研究。 郭鐵明[1]通過試驗(yàn)研究，提出了基于效用函數(shù)法的綜合舒適度評價(jià)方法。 任軍、王重等[2]研究了超低能耗既有建筑的綠色改造，通過融合建筑和綠色技術(shù)集成，研究創(chuàng)新性整合技術(shù)改造方式。 曹彬[3]針對不同地區(qū)的公共建筑熱舒適性調(diào)查，分析了人體熱適應(yīng)理論。 目前，我國建筑室內(nèi)熱環(huán)境的研究對象多為現(xiàn)代建筑，對歷史建筑室內(nèi)熱環(huán)境的研究很少。 本文以重慶交通大學(xué)歷史建筑“青樓”為例，對高校歷史建筑室內(nèi)熱環(huán)境開展現(xiàn)場調(diào)研和測試研究，通過單一環(huán)境控制因素及人體熱舒適度評測，解析重慶高校歷史建筑室內(nèi)熱環(huán)境中，使用者主觀評測和儀器測評分析結(jié)果的關(guān)聯(lián)度，為歷史建筑室內(nèi)熱環(huán)境后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。

1 研究對象

在重慶市公布的歷史建筑名單中，重慶大學(xué)、西南大學(xué)、四川美術(shù)學(xué)院、重慶醫(yī)科大學(xué)、重慶交通大學(xué)等高校的十余棟建筑被認(rèn)定為重慶市歷史建筑，本文選取重慶交通大學(xué)歷史建筑青樓作為主要研究對象。 青樓為重慶交通大學(xué)1956 年修建的第一批教學(xué)樓，建筑造型簡潔大方，具有強(qiáng)烈的時(shí)代特色，目前建筑保存完好，作為辦公樓仍在使用（圖1）。

圖1 青樓

2 研究方法及過程

研究團(tuán)隊(duì)采取問卷調(diào)查和實(shí)地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測相結(jié)合的方法開展研究。 團(tuán)隊(duì)對青樓內(nèi)部使用人員室內(nèi)熱環(huán)境的主觀感受開展問卷調(diào)查， 獲取長期使用者對該建筑室內(nèi)熱環(huán)境的舒適度評測數(shù)據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場儀器HOBO U12 Logger 測量結(jié)果進(jìn)行對比分析。為便于進(jìn)行數(shù)據(jù)對比研究，在同一時(shí)間內(nèi)對重慶交通大學(xué)現(xiàn)代教學(xué)樓“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園”也進(jìn)行了使用者調(diào)查問卷研究和數(shù)據(jù)測評分析。

2.1 室內(nèi)熱環(huán)境舒適度問卷調(diào)查

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在青樓和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)樓兩棟建筑內(nèi)各發(fā)放調(diào)查問卷50 份。 調(diào)研對象為兩棟建筑的內(nèi)部教育相關(guān)工作人員，年齡約為30～50 歲。 問卷調(diào)查內(nèi)容包括對室內(nèi)溫度、濕度、氣流強(qiáng)度、光照強(qiáng)度幾個(gè)因素的單一感受以及對建筑室內(nèi)整體舒適度的評價(jià)。 共回收調(diào)查問卷87 份，其中，在青樓回收有效問卷42 份，在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)樓回收有效問卷45 份，問卷有效率87%。

通過對調(diào)查問卷進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)， 針對青樓，50%受訪者表示室內(nèi)溫度較低，57%受訪者表示濕度高或偏高，64%受訪者表示通風(fēng)情況良好，66%受訪者明確表示光線不足。 而針對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園，50%受訪者表示溫度、 濕度適中，64%受訪者表示環(huán)境適中或干燥，35%受訪者表示通風(fēng)情況較好，73%的受訪者表示室內(nèi)光線適中或明亮。 也就是說，受訪者對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園環(huán)境的滿意度略高于對青樓的環(huán)境滿意度。 本文根據(jù)熱舒適標(biāo)度5 級標(biāo)尺對調(diào)研結(jié)果進(jìn)行分析。 熱舒適標(biāo)度5 級標(biāo)尺將熱舒適程度分為舒適、稍不舒適、不舒適、非常不舒適、無法忍受五種程度，分別用0、+1、+2、+3、+4 分值進(jìn)行程度區(qū)分。 根據(jù)調(diào)研結(jié)果，擬合下列公式，計(jì)算分析部分單一因素的主觀舒適度，最終計(jì)算結(jié)果數(shù)值較大，則表現(xiàn)為舒適程度較低。

其中：X1、X2、X3、X4、X5分別代表調(diào)查問卷中舒適度單一因數(shù)中的舒適、稍不舒適、不舒適、非常不舒適、無法忍受五種程度在此因素中的占比。

單一因素的舒適度計(jì)算評分結(jié)果（圖2）顯示：（1）在相同的室外環(huán)境條件下，建筑溫度和濕度的主觀評測相關(guān)性較強(qiáng)；（2）在主觀測評中，現(xiàn)代建筑創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園在溫度、濕度、光照方面舒適度高，歷史建筑在通風(fēng)方面舒適度高；（3）單一因素平均綜合表現(xiàn)和主觀綜合測評結(jié)果都顯現(xiàn)出創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園室內(nèi)熱環(huán)境舒適度更高。

圖2 青樓與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園單一因素舒適度評測對比

2.2 室內(nèi)熱環(huán)境測試

2.2.1 測試對象

本文在歷史建筑青樓和現(xiàn)代建筑創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園中分別選取兩處相似的測試點(diǎn)進(jìn)行對比分析。 青樓建筑面積2600m2， 東西長55m，南北寬17m，建筑形態(tài)呈一字形，東西朝向，磚混結(jié)構(gòu)，目前一層為辦公區(qū)域，二層及以上空置。 現(xiàn)代建筑重慶交通大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園與青樓在建筑形式、平面功能、房間布局上類似。

2.2.2 測試設(shè)備

研究團(tuán)隊(duì)利用多渠道能源環(huán)境監(jiān)測儀器HOBO U12 Logger（Mult-channel energy & environmental monitoring） 對重慶交通大學(xué)青樓和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園進(jìn)行室內(nèi)測試。 該儀器可監(jiān)測多達(dá)4 個(gè)通道的能源和環(huán)境數(shù)據(jù)，支持測量溫度、相對濕度、露點(diǎn)、通風(fēng)量、光照強(qiáng)度等參數(shù)。測溫范圍為-20℃～70℃，精度為±0.35℃。相對濕度測量范圍為5%～95%RH，精度約為±2.5%。 光照強(qiáng)度測量范圍為1～3000 lmens/ft2，氣流響應(yīng)時(shí)間為1m/s。

2.2.3 測試方法

本文一共選取4 個(gè)參考點(diǎn)，分別為青樓301 教室、青樓3 層走廊、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園樓501 教室、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園樓5 層走廊（圖3、圖4）。 測試項(xiàng)目為溫度、相對濕度、氣流速度及光照強(qiáng)度，測量頻率為1 次/5min。 測試時(shí)間為2019 年4 月18 日下午5 點(diǎn)至2019 年4 月25 日下午5 點(diǎn)， 期間最高溫度在29℃～34℃， 最低溫度在19℃～22℃，4 月18 日、21—23 日為多云，4 月19—20 日為中雨，4月24—25 日晴。 風(fēng)向多為東南風(fēng)、東北風(fēng)，風(fēng)速為1～2 級。

圖3 青樓三層平面圖（圓點(diǎn)為測點(diǎn)位置）

圖4 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園五層平面圖（圓點(diǎn)為測點(diǎn)位置）

2.2.4 測試結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場儀器進(jìn)行測試，室內(nèi)每日平均溫度如圖5 所示。 由圖5 可知，在相同的室外氣候條件下，青樓和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園溫度表現(xiàn)均較為平穩(wěn)。 4 月19 日至22 日期間，重慶氣溫出現(xiàn)波動下行，室外氣溫波動較大，在4 月23 日后室外溫度平穩(wěn)。 在歷史建筑青樓中，兩個(gè)測試點(diǎn)在相同時(shí)間，室內(nèi)溫度測試結(jié)果基本一致，室內(nèi)溫度隨室外溫度波動較大，和室外溫度波動趨勢基本一致，但溫度顯示有一定滯后。 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園兩個(gè)測試點(diǎn)的室內(nèi)溫度表現(xiàn)相對穩(wěn)定，受室外溫度波動影響小，同時(shí)間與青樓測試點(diǎn)最大溫差達(dá)到5℃。

圖5 青樓與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園溫度對比圖

室內(nèi)濕度測試顯示，4 月18 日至25 日，青樓301 室相對濕度平均值為77.54%， 青樓走廊相對濕度平均值為71.99%， 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園501 室相對濕度平均值為57.28%， 外側(cè)走廊相對濕度平均值為61.67%。4 月19 日至20 日重慶降雨期間，測量結(jié)果顯示，青樓室內(nèi)濕度受室外降雨影響較大。 室外天氣轉(zhuǎn)晴后，各個(gè)測試點(diǎn)相對濕度逐漸趨于平緩（圖6）。

圖6 青樓與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)樓相對濕度對比圖

由圖5、 圖6 可知， 建筑室內(nèi)濕度隨著室外溫度的增加而減小，存在近似的線性關(guān)系。 在同一室外環(huán)境下，歷史建筑青樓的室內(nèi)溫濕度變化與室外環(huán)境變化基本一致，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園由于具備較好的維護(hù)保溫結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出較強(qiáng)的保溫和抗?jié)裥阅堋?/p>

光照強(qiáng)度方面，由于青樓測試樓層閑置，測量期間未使用人工照明，僅采用天然采光，整體光環(huán)境較差，白天照度不足5 lum/ft2（55 lx）；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園在白天天然采光和少量人工照明下，測試照度為13lum/ft2（144 lx），晚上有室內(nèi)燈光照明，光照強(qiáng)度增大（圖7）。測量結(jié)果顯示，青樓天然光環(huán)境差，白天光照變化不明顯。結(jié)合周邊環(huán)境進(jìn)行分析可知，這主要由于其整體區(qū)域周邊植被茂盛，遮擋了光線進(jìn)入室內(nèi)（圖8）。

表7 青樓與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)樓光照強(qiáng)度對比圖

圖8 青樓外側(cè)植被遮擋光照

氣流速度方面， 青樓301 室內(nèi)空氣流速維持在60～70fpm 之間，遠(yuǎn)高于青樓走廊（兩側(cè)窗關(guān)閉）和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園的兩個(gè)測試點(diǎn)（圖9）。據(jù)現(xiàn)場分析，這主要是由于青樓301 教室兩側(cè)設(shè)有較大平開窗，與走廊另一側(cè)的教室形成穿堂風(fēng)，故氣流速度較其他測試點(diǎn)快（圖10）。

圖9 青樓與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園氣流速度對比圖

圖10 青樓301教室與走廊另一側(cè)教室形成穿堂風(fēng)

在上述單一因素舒適度評測分析后， 本文采用丹麥學(xué)者Fanger 在20 世紀(jì)70 年代提出的熱感覺指數(shù)PMV 作為分析標(biāo)準(zhǔn)。 PMV 指標(biāo)通過求解人體在穩(wěn)態(tài)條件下達(dá)到熱平衡的舒適方程，將空氣溫度ta、平均輻射溫度tr 、相對濕度Rh、風(fēng)速V、衣著量Icl、活動量M 這六個(gè)參數(shù)換算為人體熱感覺[3]。 PMV 是目前預(yù)測室內(nèi)熱環(huán)境模型中應(yīng)用最為廣泛的參數(shù)， 體現(xiàn)人體對某種環(huán)境因素組合的熱感覺，該指數(shù)與人體熱感覺之間的關(guān)系如表1所示， 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的室內(nèi)環(huán)境熱舒適標(biāo)準(zhǔn)的PMV 值在-0.5～0.5 之間[4]。

表1 PMV值與熱感覺的關(guān)系[4]

根據(jù)PMV 計(jì)算式 （BS EN ISO 7730—2005 建筑熱濕環(huán)境領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)）， 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園的PMV 計(jì)算數(shù)值主要集中在-1～1 之間，屬舒適區(qū)。 青樓整體數(shù)值波動明顯，受室外溫度影響較大，4 月18日至21 日期間PMV 計(jì)算數(shù)值有明顯的下降， 整體舒適度不佳。可以得出：（1）青樓走廊窗封閉、氣密性較好，整體PMV 數(shù)值表現(xiàn)較青樓301 室好；（2）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園由于外墻保溫性能較好，教室和走廊表現(xiàn)基本一致，總體保溫性能大幅度高于青樓教室和走廊。

3 結(jié)論與探討

本文通過對重慶高校歷史建筑青樓進(jìn)行調(diào)研， 并結(jié)合現(xiàn)代建筑創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園進(jìn)行數(shù)據(jù)分析， 闡述了基于單一因素和整體舒適度下的歷史建筑和現(xiàn)代建筑的室內(nèi)熱環(huán)境測評對比結(jié)果。結(jié)果顯示：（1）在相同的室外環(huán)境，且單一因素作用下，和現(xiàn)代建筑相比，歷史建筑室內(nèi)熱環(huán)境受室外環(huán)境影響明顯；（2）加強(qiáng)室內(nèi)密閉性，可以增強(qiáng)歷史建筑內(nèi)部空間的熱環(huán)境舒適度；（3）相比儀器測量的具體數(shù)值， 歷史建筑內(nèi)使用者對室內(nèi)熱環(huán)境舒適程度主觀感受敏銳度偏低。

測評結(jié)果可為后續(xù)繼續(xù)深入研究歷史建筑室內(nèi)熱環(huán)境舒適度提供基礎(chǔ)，現(xiàn)對本文的研究結(jié)果進(jìn)行探討：（1）測試誤差的控制。 本文選取兩棟建筑的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行比對，建筑尺度和測試點(diǎn)均采取了近似處理， 在后續(xù)研究中將針對原始環(huán)境進(jìn)行預(yù)處理和系數(shù)折減，進(jìn)一步優(yōu)化誤差處理和結(jié)果分析；（2）后續(xù)研究將持續(xù)進(jìn)行歷史建筑室內(nèi)熱環(huán)境的改造模擬， 研究建筑熱傳遞系數(shù)、密閉性等單一設(shè)計(jì)因素和室內(nèi)舒適度的相關(guān)性，以便提出歷史建筑的改造優(yōu)化策略。