嚴寒地區(qū)高校宿舍夏季自然通風熱舒適性研究

任玉成 王蒙 李俊峰

石河子大學水利建筑工程學院

0 引言

宿舍是學生們學習、休息的主要場所，與辦公建筑相比，宿舍在室內(nèi)氣流、污染物排放等多方面有很大的區(qū)別。嚴寒地區(qū)高校宿舍里夏季學生們通常采用開門、窗來通風換氣[1-3]。有些學生三分之二的時間呆在宿舍里，因此良好的宿舍通風會對學生的學習效率和健康狀況起著非常重要的作用[4-5]。

本文采用現(xiàn)場測試，問卷調(diào)查和數(shù)值模擬相結合的方式，對學生宿舍內(nèi)自然通風狀態(tài)下氣流組織狀況及室內(nèi)人員熱舒適性進行研究。利用CFD 軟件對某學生宿舍內(nèi)外窗在不同風速下，門和門上窗在不同開啟狀態(tài)時，氣流組織狀況進行模擬，并進一步分析氣流狀況。本研究對改善宿舍內(nèi)的環(huán)境，提高宿舍內(nèi)活動人員的熱舒適性，降低學生室內(nèi)熱環(huán)境不滿意率，降低吹風感等方面具有積極意義[6-8]。

1 研究對象

選取嚴寒地區(qū)某學生宿舍樓為研究對象，該宿舍樓共6 層，南北朝向。學生宿舍為典型的4 人間宿舍，該宿舍為標準的上鋪下桌式4 人間，有一扇門，其正對面為窗戶，宿舍兩側各兩張床，床下為書桌，另有散熱器一組，公共照明用熒光燈一盞，小型風扇一臺。

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場測試

測試時間為2019 年 7 月6 日 -7 月10 日，為學校的考試期間，學生在宿舍學習的時間更多一些。測試選取了178 間宿舍，有經(jīng)常在宿舍學習習慣的232 名學生進行調(diào)查問卷。測試的內(nèi)容主要有室內(nèi)外空氣溫濕度、室內(nèi)外風速。室內(nèi)測點布置在桌面（距地1.0 m）以及床鋪（距地1.65 m）處。其中，Z=1.0 m 為宿舍內(nèi)學生在書桌學習時的平均高度，該平面可視作研究宿舍內(nèi)人員所處區(qū)域流場的代表平面。Z=1.65 m 的平面為通過實際測量的床鋪距地的距離，通過選取該平面能夠真實地反映出宿舍內(nèi)學生休息時氣流在該平面的分布情況。

測試所使用的設備參數(shù)見表1。

表1 測試設備參數(shù)表

2.2 問卷調(diào)查

評價室內(nèi)熱舒適性以及風速對室內(nèi)人員舒適性影響的很重要的一個方法是問卷調(diào)查。對男生宿舍232 名大一至大四的學生進行調(diào)查問卷，年齡在18～22歲之間。為保證調(diào)查結果的可靠性和準確性，從宿舍樓1 層至6 層，南向和北向的宿舍均有受試者接受調(diào)查。同時在調(diào)查對象選擇過程中，選擇身體健康狀況良好，身體質(zhì)量指數(shù)在標準值范圍內(nèi)的學生。調(diào)查內(nèi)容包括宿舍內(nèi)學生對熱環(huán)境的總體評價以及宿舍內(nèi)不舒適的癥狀等。

2.3 數(shù)值模擬

2.3.1 物理模型

模擬的學生宿舍的建筑結構尺寸如表2 所示。為了簡化模型，房間內(nèi)無其他的物體，同時不考慮宿舍內(nèi)走廊的影響。模擬不同風速下，門和門上窗不同開啟狀況時氣流運動情況，從而得出宿舍內(nèi)氣流組織情況。為了更加真實、準確地模擬出氣流分布情況，本例采用三維建模方式，按照1:1 的比例建立模型，物理模型如圖1 所示。

表2 宿舍建筑結構尺寸

圖1 物理模型圖

2.3.2 數(shù)學模型

模擬宿舍內(nèi)的空氣流動為穩(wěn)定流動，空氣看成不可壓縮流體，則控制方程如下：

式中：Ux，Uy，Uz分別為空氣流動三個方向的速度，是總速度是三個動量方程的廣義源項；ρ為 流體密度；p為靜壓。

湍流模型采用室內(nèi)零方程模型：

式中：μt為湍動粘度；ρ為流體密度；υ為當?shù)卣扯?；L為離最近墻的距離。

模型的邊界條件假定為：初始溫度為 28 ℃，房間墻壁靠近陽面一側的為33 ℃，其余壁面為28 ℃，風從窗戶吹進，風速為 1 m/s。數(shù)學模型采用模擬自然對流和混合對流的零方程，采用有限容積法離散方程，自然對流采用一階迎風格式，混合對流采用二階迎風格式，速度壓力耦合采用SIMPLE 算法。該模型對室內(nèi)空氣的模擬具有精度高、耗時少、收斂速度快、運算方便等優(yōu)點。

3 結果與分析

3.1 現(xiàn)場測試結果分析

測試時間為2019 年 7 月6 日 -7 月10 日，對宿舍樓室外環(huán)境的溫度、濕度、風速進行測量，宿舍室外環(huán)境參數(shù)測試結果如表3 所示。

表3 宿舍室外環(huán)境參數(shù)測試結果

測試期間，室外最低溫度為 18.3 ℃，最高溫度為36.4 ℃，平均溫度為 28.5 ℃，經(jīng)過多次測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在8 點左右室外溫度通常達到最小值，在 17 點左右溫度通常達到最大值。室外平均風速為1.64 m/s，最大值為3.82 m/s。

通過現(xiàn)場測試，宿舍室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測試結果如表4 所示。

表4 宿舍室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測試結果

室內(nèi)最高溫度為35.6 ℃，最低溫度為 19.2 ℃，平均溫度為28.3 ℃，高于ISO 7730 標準規(guī)定的夏季室內(nèi)舒適溫度范圍為t=23.0～26.0 ℃。夏季室內(nèi)風速最小值和最大值分別出現(xiàn)在宿舍門后和宿舍外窗處。實驗測得外窗處風速0.82～2.51 m/s，經(jīng)過多次測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在8:00 左右風速通常達到最小值，在16:00 左右風速通常達到最大值。室內(nèi)平均風速為0.14 m/s，低于ISO 7730 標準規(guī)定的夏季平均風速v≤0.25 m/s。

3.2 問卷調(diào)查結果分析

對男生宿舍232 名學生進行調(diào)查問卷，調(diào)查宿舍內(nèi)學生對熱環(huán)境的總體評價以及宿舍內(nèi)不舒適的癥狀，調(diào)查結果如圖2 所示。

圖2 調(diào)查問卷結果

根據(jù)調(diào)查結果可以看出，學生對宿舍內(nèi)熱環(huán)境總體感覺較不舒適，不舒適的比例達 73.2%，僅有 13.1%的學生感覺舒適，因此，研究宿舍內(nèi)熱環(huán)境非常有意義。此外，對學生在宿舍內(nèi)不舒適的癥狀進行了調(diào)查，不舒適的癥狀主要體現(xiàn)在口渴、瞌睡、疲倦、皮膚干燥，有90%的學生會有口渴的癥狀，出現(xiàn)瞌睡、疲倦、皮膚干燥的癥狀比例分別為84%、8 1%、7 8%。因此，宿舍內(nèi)的不舒適癥狀也亟待改進。

3.3 室內(nèi)平均風速和熱舒適性關系分析

室內(nèi)環(huán)境熱舒適性的評價指標有多種，用熱環(huán)境的不滿意百分數(shù)來評價是其中一種方式。為了不影響受試者的正常休息，測試時間選在 8:00-0:00，每隔 2 h對室內(nèi)的風速和受試者對宿舍內(nèi)熱環(huán)境的不滿意率進行測試和調(diào)查，測試結果如圖3 所示。

圖3 室內(nèi)平均風速和熱環(huán)境不滿意百分數(shù)的關系

由圖3 可以看出，室內(nèi)平均風速與熱環(huán)境不滿意百分數(shù)成反比關系。根據(jù)ISO 7730 中所規(guī)定的人員不滿意率的允許范圍，吹風感引起的不滿意率為 20%。因此，僅在 14:00-20:00 之間，室內(nèi)人員的不滿意率符合規(guī)范要求。在該環(huán)境下，風速為 0.2～0.45 m/s 范圍內(nèi)，室內(nèi)人員的舒適度高。其余測試時間段內(nèi)，室內(nèi)人員不滿意率較高，反映出人員較不舒適。

3.4 模擬結果及評價分析

通過模擬外窗在不同風速狀態(tài)下，門上窗和門的開、關狀態(tài)對室內(nèi)氣流產(chǎn)生的影響，分8 種情況，如表5 所示。表中的風速為靠近室外的窗打開時，在外窗處的風速。

表5 不同送風氣流狀態(tài)下，門上窗和門的開、關狀態(tài)

模擬結果分析中截取兩個典型的平面，Z=1.0 m和Z=1.65 m 兩個平面，通過選取該平面能夠真實地反映出宿舍內(nèi)學生休息時氣流在該平面的分布情況。

限于篇幅，本文僅選取部分模擬圖進行參考比較。通過對模型的模擬計算，得出了宿舍門和門上窗同時關閉情況下的風速度矢量圖如圖4 所示。

圖4 狀態(tài)1 速度矢量圖

從圖4 可以看出，外窗風速v=1 m/s 時，門和門上窗保持關閉狀態(tài)，在Z=1.0 m 剖面，氣流進入后呈直線運動，碰到墻壁后往兩側擴散運動，在距離窗戶較近處（0＜X＜1）的兩側出現(xiàn)了漩渦，距離窗戶較遠的左右兩張床位處風速較小，通風換氣效果不理想。為了改善室內(nèi)氣流狀況，將宿舍門上窗開啟，模擬結果如圖5 所示。由圖5 中可以看出，當外窗風速v=1 m/s 時，門仍保持關閉狀態(tài)，開啟門上窗，在Z=1 m 的剖面上，氣流速度變化不大，因為門上窗在距地 2 m處，與Z=1 m 的平面相距較遠，其開啟對Z=1 m 的影響較小。而在Z=1.65 m 平面，氣流從窗戶進入，往門方向運動，形成了對流，氣流的擴散速度比門上窗關上時大，對上部的氣流也產(chǎn)生一個動力，使得整個房間內(nèi)新鮮空氣的范圍明顯比關上門上窗時大。

圖5 狀態(tài)2 速度矢量圖

為了研究外窗風速對宿舍內(nèi)氣流狀況的影響，外窗風速設為 2 m/s，對狀態(tài) 6 進行模擬，模擬結果如圖6 所示。由圖中可以看出，外窗風速為2 m/s 狀態(tài)下，當門上窗開啟時，在Z=1 m 和Z=1.65 m 的剖面上，氣流擾動增加，產(chǎn)生的速度漩渦更加明顯，同時門上窗附近氣流速度也相應增加。

圖6 狀態(tài)6 速度矢量圖

經(jīng)測量，人員經(jīng)?；顒訁^(qū)的范圍大約為 1＜X＜ 4 m，為進一步分析不同狀態(tài)下人員活動范圍內(nèi)氣流組織狀況，做了以下幾個方面的比較：

1）將狀態(tài) 1 與狀態(tài) 2 進行比較，模擬結果如圖 7所示。由模擬結果知，門保持關閉狀態(tài)，門上窗的開、關對Z=1.65 m 剖面的氣流狀況有明顯的改變，在X=5.4 m 處，速度由 0.05 m/s 增加到約 1 m/s。而對Z=1.0 m 剖面的氣流狀況改變不明顯，速度由 0.05 m/s增加到約0.25 m/s。原因是門上窗距地面2 m，且門上窗面積較小，因此對Z=1.0 m 剖面的氣流影響較小。人員活動范圍內(nèi)，Z=1.0 m 剖面處，在 3＜X＜4 m 處，風速小于0.1 m/s，在此活動區(qū)內(nèi)的人員感受到的室外新鮮空氣較少。Z=1.65 m 剖面處，風速大小約為 0.3＜v＜0.5 m/s，因此滿足人體舒適性要求。

圖7 狀態(tài)1 與狀態(tài)2 在不同平面速度分布情況

2）將狀態(tài) 1 與狀態(tài) 3 進行比較，模擬結果如圖 8所示。由模擬結果知，門上窗保持關閉狀態(tài)，門的開、關對Z=1.65 m 和Z=1.0 m 剖面的氣流狀況均有明顯的改變，Z=1.65 m 剖面上最大速度達到約 1.9 m/s，Z=1.65 m 剖面上最大速度也達到1.6 m/s。但是在人員活動范圍內(nèi)，僅在 1＜X＜1.5 m 處，風速大小約為0.5＜v＜0.8 m/s，在此較小的活動區(qū)內(nèi)人員感受到一定的吹風感；其余活動區(qū)風速均保持約 0.3 m/s，滿足人體舒適性要求。

圖8 狀態(tài)1 與狀態(tài)3 在不同平面速度分布情況

3）將狀態(tài) 3 與狀態(tài) 4 進行比較，模擬結果如圖 9所示。由模擬結果知，門保持開啟狀態(tài)，門上窗的開、關對Z=1.65 m 和Z=1.0 m 平面的氣流狀況均有所改變。Z=1.0 m 剖面上最大的速度達到約2.0 m/s，Z=1.65 m 剖面上最大速度也達到1.6 m/s。此外，當門開啟時，門上窗的開、關對人員經(jīng)?；顒訁^(qū)內(nèi)的氣流速度影響不大。

圖9 狀態(tài)3 與狀態(tài)4 在不同平面速度分布情況

4）將狀態(tài)2 與狀態(tài)6 進行比較，模擬結果如圖10所示。由模擬結果知，門保持關閉、門上窗保持開啟狀態(tài)，當外窗風速達到2 m/s 時，對1＜X＜4 m 的區(qū)域內(nèi)的氣流速度有一定的提高。在Z=1.65 m 剖面處該區(qū)域內(nèi)最低速度由 0.35 m/s 增加到 0.65 m/s；Z=1.0 m 剖面該區(qū)域內(nèi)最低速度由 0.25 m/s 增加到 0.6 m/s。因此，這會給宿舍內(nèi)人員帶來一定的吹風感，會感覺不舒適。

圖10 狀態(tài)2 與狀態(tài)6 在不同平面速度分布情況

3.5 現(xiàn)場測試、問卷調(diào)查與模擬結果分析

通過對不同送風氣流狀態(tài)下室內(nèi)平均風速與學生熱環(huán)境不滿意百分數(shù)的測試分析結果如圖11 所示。由圖 11 可知，在狀態(tài) 4 的環(huán)境下，室內(nèi)熱環(huán)境不滿意率最低，僅為8%，符合規(guī)范的要求。因此，可認為該環(huán)境狀態(tài)下，室內(nèi)人員是舒適的。通過模擬和現(xiàn)場測試，可以看出，室內(nèi)平均風速與學生熱環(huán)境不滿意率成反比關系，在一定范圍內(nèi)風速越大，室內(nèi)人員熱舒適性越高，當超過一定風速時，室內(nèi)人員熱舒適性又會降低，室內(nèi)人員會感到一定的吹風感。

圖11 不同送風氣流狀態(tài)下室內(nèi)平均風速與學生熱環(huán)境不滿意百分數(shù)的關系

通過模擬和實驗測試綜合分析，得出夏季較適宜的室內(nèi)宿舍平均氣流速度 0.28～0.32 m/s，該數(shù)值略高于 ISO 7730 標準中規(guī)定的，夏季平均風速v≤0.25 m/s。而目前宿舍風速達不到該標準，因此需要采取一些措施，比如設置空調(diào)來降低室內(nèi)溫度或者采用風扇機械送風方式等，從而提高室內(nèi)熱舒適性。

4 結論

本文采用現(xiàn)場測試，問卷調(diào)查和數(shù)值模擬相結合的方式，對學生宿舍內(nèi)自然通風狀態(tài)下氣流組織狀況及室內(nèi)人員熱舒適性進行研究，得出以下結論：

1）測試期間自然通風狀態(tài)下，室內(nèi)平均風速為0.14 m/s，風速低于熱舒適標準的要求值。

2）通過對學生進行問卷調(diào)查，學生對宿舍內(nèi)熱環(huán)境總體感覺較不舒適，不舒適的比例達 73.2%，不舒適的癥狀主要體現(xiàn)在口渴、瞌睡、疲倦、皮膚干燥等。

3）通過模擬，得出宿舍內(nèi)門和門上窗的開、關對宿舍氣流有很大影響。門上窗的開、關對Z=1.0 m 剖面的氣流影響不大，但對改善Z=1.65 m 剖面的氣流狀況起著非常重要的作用，因此在床鋪上休息時，為保持宿舍內(nèi)良好的氣流狀況建議長期打開門上窗。同時，在宿舍內(nèi)學習時，為保持工作面上的良好氣流組織，建議適當開啟門。

4）通過模擬發(fā)現(xiàn)，外窗風速在v=1 m/s 時，可以較好地滿足宿舍內(nèi)人員活動區(qū)內(nèi)熱舒適性，而當風速增大到2 m/s 時，雖然宿舍內(nèi)整體氣流有所改進，但人員活動區(qū)內(nèi)風速稍大，產(chǎn)生吹風感，人員不舒適性增強。

5）夏季自然通風狀態(tài)下，為提高宿舍內(nèi)活動人員的熱舒適性，降低學生室內(nèi)熱環(huán)境不滿意率，宿舍內(nèi)較適宜的平均氣流速度為0.28～0.32 m/s。