嚴(yán)寒地區(qū)某高校圖書(shū)館室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)與調(diào)研★

莊 蕾 程衛(wèi)紅 孔鈺歌 馬苗苗 王文慧

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

隨著我國(guó)大學(xué)校園的建設(shè)水平不斷提高，高校對(duì)圖書(shū)館在數(shù)量上和質(zhì)量上的要求都有所提高。高校圖書(shū)館作為師生學(xué)習(xí)研究的重要場(chǎng)所，往往建筑規(guī)模大、人員聚集、開(kāi)放時(shí)間長(zhǎng)[1]，由此其室內(nèi)環(huán)境會(huì)極大影響到人員學(xué)習(xí)工作的效率和質(zhì)量甚至是身心健康，此外為營(yíng)造較好的室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生的建筑能耗也遠(yuǎn)高于校園其他建筑[1]，因此研究圖書(shū)館室內(nèi)熱環(huán)境并且作出改善有重要的實(shí)際意義。嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)使得圖書(shū)館的室內(nèi)熱環(huán)境更加特殊，亟待更加深入的研究。

2 研究方法

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式于2020年11月15日～12月15日對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)某高校圖書(shū)館的自習(xí)室進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試，得到溫度、濕度、風(fēng)速、CO2濃度、SO2濃度、CO濃度等測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行熱環(huán)境影響因素的分析，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果計(jì)算熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV/PPD。實(shí)測(cè)過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，力求從主觀和客觀兩方面描述室內(nèi)熱環(huán)境狀況。

2.1 測(cè)點(diǎn)的選定

選取圖書(shū)館B2自習(xí)區(qū)為研究對(duì)象，總測(cè)量面積為2 289 m2。根據(jù)實(shí)際情況，繪制出建筑平面圖并將其放入7 m×7 m網(wǎng)絡(luò)，確定測(cè)量節(jié)點(diǎn)，并在結(jié)構(gòu)變化處、接近疏散通道處、窗戶(hù)通風(fēng)處、緊鄰圍護(hù)結(jié)構(gòu)處設(shè)置特殊節(jié)點(diǎn)。最終，為方便測(cè)量，將B2自習(xí)區(qū)劃分為A和B兩個(gè)區(qū)域，A區(qū)含30個(gè)節(jié)點(diǎn)，B區(qū)含34個(gè)節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

測(cè)試過(guò)程處于散熱器供暖期，窗戶(hù)處于關(guān)閉狀態(tài)。測(cè)試人員手持溫濕度計(jì)，熱敏式風(fēng)速儀，CO2，SO2，CO氣體濃度檢測(cè)儀，紅外測(cè)溫儀，甲醛檢測(cè)儀等儀器，進(jìn)行圖書(shū)館B2自習(xí)區(qū)空氣溫濕度、氣流速度、相關(guān)氣體濃度、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度等參數(shù)的測(cè)量，測(cè)量高度在接近受試者的地方為0.6 m，在不接近受試者的地方為1.1 m。每個(gè)測(cè)點(diǎn)停留時(shí)間為3 min。測(cè)量時(shí)間共持續(xù)30 d，每5 d記錄一次上午9：00和晚上19：00的測(cè)量數(shù)據(jù)，共得到6組數(shù)據(jù)。

實(shí)測(cè)所用儀器的名稱(chēng)和測(cè)量精度見(jiàn)表1，儀器外觀見(jiàn)圖2。

表1 測(cè)試儀器

2.3 問(wèn)卷調(diào)查

問(wèn)卷調(diào)查的時(shí)間為2020年10月30日，地點(diǎn)為圖書(shū)館B2自習(xí)區(qū)，采取人工發(fā)放問(wèn)卷的形式，力求從不同位置、不同人群得到較為全面、真實(shí)的問(wèn)卷結(jié)果。問(wèn)卷主要問(wèn)題設(shè)置如表2所示。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示，圖書(shū)館B2自習(xí)區(qū)內(nèi)甲醛、SO2和CO的濃度均為0，故在以后的分析中，將不考慮這些參數(shù)對(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

3.1 空氣溫濕度

對(duì)于各測(cè)點(diǎn)的溫濕度值，采取多次測(cè)量取平均的方法，將平均值視為各測(cè)點(diǎn)的真實(shí)值，得到圖3，圖4。從結(jié)果可以看出，A區(qū)晚間濕度均大于日間濕度，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)日間和晚間溫度相差不大。B區(qū)日間和晚間濕度值波動(dòng)較大，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)晚間溫度大于日間溫度。通過(guò)曲線(xiàn)分析，A區(qū)各測(cè)點(diǎn)日間濕度處于19%～26%，晚間濕度處于24%～28%；B區(qū)各測(cè)點(diǎn)日間濕度處于22%～30%，晚間濕度處于22%～34%。

表2 調(diào)查問(wèn)卷主要問(wèn)題設(shè)置

3.2 室內(nèi)風(fēng)速

室內(nèi)風(fēng)速是影響吹風(fēng)感的重要因素，風(fēng)速過(guò)高，雖然能夠保證人體的散熱需要，使人處于熱中性的狀態(tài)，但卻會(huì)給人帶來(lái)吹風(fēng)的煩擾感、壓力感、黏膜的不適感等[2]。因此，在實(shí)測(cè)過(guò)程中，對(duì)靠近窗戶(hù)處、墻縫處和中間區(qū)域進(jìn)行風(fēng)速的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

4 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的熱環(huán)境舒適度分析

4.1 預(yù)測(cè)平均熱反應(yīng)PMV評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了使對(duì)圖書(shū)館自習(xí)區(qū)室內(nèi)熱環(huán)境的舒適度評(píng)價(jià)有一定客觀性，本文采用具有代表性的熱環(huán)境綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)——預(yù)測(cè)平均熱反應(yīng)PMV評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用人的熱感覺(jué)與人體熱負(fù)荷之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)回歸公式：

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.027 5]TL。

4.1.1 參數(shù)獲取

公式中的變量含義及其數(shù)據(jù)來(lái)源詳細(xì)列在表3中。

表3 參數(shù)含義及數(shù)值

4.1.2 數(shù)據(jù)處理

獲取每個(gè)測(cè)點(diǎn)空氣中水蒸氣的分壓力數(shù)據(jù)之后，發(fā)現(xiàn)人員密集區(qū)域的測(cè)點(diǎn)(即A區(qū)測(cè)點(diǎn)13～測(cè)點(diǎn)27，B區(qū)測(cè)點(diǎn)16～測(cè)點(diǎn)35)測(cè)量數(shù)據(jù)彼此接近，因此選擇這些點(diǎn)的數(shù)據(jù)平均值來(lái)代表整個(gè)區(qū)域的相關(guān)空氣參數(shù)，得到了四組均值數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 水蒸氣分壓力和人體周?chē)諝鉁囟葦?shù)值

根據(jù)以上確定的四組變量數(shù)值，我們計(jì)算得到了日間和夜間兩個(gè)區(qū)域的PMV數(shù)值，結(jié)果如表5所示。

表5 PMV計(jì)算值

4.2 預(yù)測(cè)不滿(mǎn)意百分比PPD

PMV指標(biāo)代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺(jué)，但是人與人存在個(gè)體差異，并不一定能夠代表所有個(gè)體的感覺(jué)。因此，本文在PMV指標(biāo)的基礎(chǔ)上采用預(yù)測(cè)不滿(mǎn)意百分比PPD指標(biāo)來(lái)進(jìn)行分析：

計(jì)算預(yù)測(cè)不滿(mǎn)意百分比PPD采用公式：

PPD=100-95exp[-(0.033 53PMV4+0.217 9PMV2)]。

代入數(shù)據(jù)得到PPD數(shù)值如表6所示。

表6 PPD計(jì)算值 %

5 主觀調(diào)查結(jié)果與分析

問(wèn)卷調(diào)查的目的是從主觀角度研究圖書(shū)館使用人員對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的熱感覺(jué)情況以及熱舒適性。本調(diào)查問(wèn)卷對(duì)象是圖書(shū)館B2自習(xí)區(qū)的在校師生和工作人員，調(diào)查對(duì)象男女比例均衡、涵蓋專(zhuān)業(yè)廣，全面性強(qiáng)。本次調(diào)查問(wèn)卷共發(fā)放305份，其中包含285名學(xué)生、15名工作人員和5名教師，學(xué)生平均年齡21.8歲，工作人員平均年齡40歲，教師平均年齡為38歲。調(diào)查的主要內(nèi)容包括：1)熱感覺(jué)；2)濕感覺(jué)；3)室內(nèi)吹風(fēng)感。

5.1 熱感覺(jué)

調(diào)查問(wèn)卷采用ASHRAE 7點(diǎn)標(biāo)度，-3為冷，-2為涼，-1較涼，0適中，+1較暖，+2暖，+3熱[4]?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果如圖6所示。由圖6可得，82%的人認(rèn)為館內(nèi)熱環(huán)境適中，11%的人認(rèn)為較暖，4%的人認(rèn)為暖，3%的人認(rèn)為較涼。可見(jiàn)，絕大部分受測(cè)者對(duì)于周?chē)h(huán)境的溫度值表示滿(mǎn)意。

5.2 濕感覺(jué)

同樣采用ASHRAE 7點(diǎn)標(biāo)度表示，-3很干燥，-2干燥，-1較干燥，0舒適，+1 較潮濕，+2潮濕，+3很潮濕?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果如圖7所示。由圖7可得，在圖書(shū)館19%～34%的相對(duì)濕度范圍內(nèi)，有61%的人認(rèn)為較干燥，有29%的人認(rèn)為干燥，有7%的人認(rèn)為很干燥，有3%的人認(rèn)為舒適。可見(jiàn)，超九成的受試者認(rèn)為館內(nèi)濕環(huán)境不能達(dá)到舒適性標(biāo)準(zhǔn)。因此，在冬季采暖期間，圖書(shū)館的相對(duì)濕度需較大程度增加，來(lái)滿(mǎn)足《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求。

5.3 室內(nèi)吹風(fēng)感

將整個(gè)自習(xí)區(qū)分為3個(gè)區(qū)域，分別為：中間區(qū)域、空曠區(qū)和靠近門(mén)窗、墻縫區(qū)。對(duì)3個(gè)區(qū)域的調(diào)查問(wèn)卷進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可得，在中間區(qū)域，絕大多數(shù)人認(rèn)為室內(nèi)空氣流速適中，無(wú)吹風(fēng)感。在空曠區(qū)，近40%受試者認(rèn)為空氣流速較大，有輕微吹風(fēng)感；二成受試者認(rèn)為空氣流速大，有明顯吹風(fēng)感。在靠近門(mén)窗、墻縫區(qū)，有80%的人認(rèn)為空氣流速大，有明顯吹風(fēng)感。因此，建議圖書(shū)館采取門(mén)窗縫隙、墻縫的密封措施，加強(qiáng)嚴(yán)密性。

6 結(jié)論

1)根據(jù)GB/T 18883—2002室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在冬季采暖房間內(nèi)，溫度標(biāo)準(zhǔn)值為16 ℃～24 ℃，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)值為30%～60%，空氣流速為0.2 m/s。圖書(shū)館實(shí)測(cè)室內(nèi)溫度為20 ℃～25.8 ℃，比標(biāo)準(zhǔn)值略高，由于在實(shí)測(cè)期間，室外溫度比供暖室外計(jì)算溫度略高，室內(nèi)外溫差小，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量小，導(dǎo)致實(shí)際的熱量大于失熱量，室內(nèi)溫度升高；在沒(méi)有加濕設(shè)備前提下，空氣絕對(duì)含濕量變化微小，但飽和含濕量隨溫度的升高而增加，導(dǎo)致實(shí)測(cè)相對(duì)濕度低于標(biāo)準(zhǔn)值；由于窗縫、墻縫存在漏風(fēng)現(xiàn)象，近一半測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)室內(nèi)風(fēng)速大于0.2 m/s，其中一處最大風(fēng)速達(dá)0.68 m/s，周?chē)h(huán)境的熱舒適性受到較大影響。2)利用PMV-PPD整體評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)GB/T 50785—2012民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)的規(guī)定，除晚間B區(qū)為Ⅱ級(jí)外，日間兩區(qū)、晚間A區(qū)均為Ⅲ級(jí)。進(jìn)一步分析原因可知，晚間B區(qū)滿(mǎn)座率為75%，低于A區(qū)的89%，且人員流動(dòng)性較大；相對(duì)于A區(qū)和日間B區(qū)，晚間B區(qū)的開(kāi)窗通風(fēng)次數(shù)較多，空氣齡較低，水蒸氣分壓力較大，相對(duì)濕度較高，室內(nèi)空氣質(zhì)量較好。3)問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示，認(rèn)為室內(nèi)熱環(huán)境暖和較暖的受試者中有79%是男性，有74%的人處在18歲～30歲；認(rèn)為室內(nèi)濕度舒適的受試者均是男性；認(rèn)為室內(nèi)空氣流速適中的受試者中有74%是男性。說(shuō)明中年人比青年人更喜歡較高室溫，女性比男性更喜歡較高室溫，并且女性的舒適性標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)男性較高。這些與著裝習(xí)慣、新陳代謝速度和感官敏感程度有關(guān)。