基于空調(diào)與自然通風(fēng)協(xié)同的居住空間熱環(huán)境研究＊

殷嘉寧 劉依明 劉念雄

高校建筑承載了師生的科研和生活活動(dòng)，其中學(xué)生公寓具有特殊性。一方面，由于人員密度和散熱量大，學(xué)生停留時(shí)間長(zhǎng)，因而公寓熱環(huán)境對(duì)學(xué)生的生理和心理健康影響更大；另一方面，由于學(xué)生性別、熱舒適習(xí)慣等不同，他們對(duì)公寓熱環(huán)境設(shè)計(jì)需求存在個(gè)體差異。

整體而言，高校建筑的熱環(huán)境不佳，但學(xué)生對(duì)此有一定適應(yīng)性。Nyuk Hien Wong等人在對(duì)機(jī)械通風(fēng)教室的熱舒適研究中發(fā)現(xiàn)，教室熱環(huán)境較差，但學(xué)生的接受范圍卻相對(duì)較寬，并認(rèn)為冷感覺(jué)比熱感覺(jué)更容易接受。夏博在對(duì)西安某高校學(xué)生公寓的實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，其熱環(huán)境并不滿足ASHRAE（美國(guó)采暖制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)）的要求，但學(xué)生對(duì)此有較大的適應(yīng)性。楊薇等通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的熱舒適明顯受到環(huán)境溫度、風(fēng)速、衣著熱阻等影響，對(duì)不同場(chǎng)景的心理預(yù)期和調(diào)節(jié)方式也會(huì)影響熱感受。王昭俊等研究了哈爾濱某高校供暖期間教室和宿舍的中性溫度，發(fā)現(xiàn)教室中性溫度高于宿舍，原因是學(xué)生對(duì)教室溫度預(yù)期高于宿舍，從而影響了他們調(diào)節(jié)溫度的方式。

我國(guó)對(duì)于高校建筑熱舒適的研究往往集中在非空調(diào)工況下。李昇翰等采用元分析的方法，總結(jié)了近年來(lái)關(guān)于不同地域高校建筑熱環(huán)境狀況的文章，發(fā)現(xiàn)對(duì)自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)情況下熱環(huán)境的比較研究還相對(duì)欠缺。是否自然通風(fēng)與開(kāi)啟空調(diào)能影響人的熱舒適感受，而人生理的個(gè)體差異以及預(yù)期也會(huì)影響不同模式的效果。Kwok等比較了有空調(diào)與自然通風(fēng)的教室，前者相較于后者低3℃左右，通過(guò)熱舒適投票發(fā)現(xiàn)，兩者均處在ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱舒適范圍內(nèi)。汪紫璇等發(fā)現(xiàn)宿舍安裝空調(diào)能夠改善夏季熱環(huán)境，但也會(huì)造成干燥和吹風(fēng)感，此外空調(diào)的使用會(huì)將偏好行為由使用風(fēng)扇、沖涼等轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)空調(diào)、打開(kāi)門(mén)窗等。陳?ài)牡汝P(guān)注到用戶的個(gè)性化特征（如空調(diào)使用習(xí)慣），并通過(guò)對(duì)教室熱環(huán)境和用戶熱舒適的調(diào)研探究用戶特征與熱舒適規(guī)律的關(guān)系。Brager等重點(diǎn)比較了空調(diào)建筑和自然通風(fēng)建筑，發(fā)現(xiàn)行為調(diào)節(jié)和期望對(duì)熱適應(yīng)的影響很大。Black和Milroy在倫敦開(kāi)展了空調(diào)和自然通風(fēng)辦公建筑的比較，發(fā)現(xiàn)對(duì)熱環(huán)境的掌控能力可以影響人的熱舒適感受：集中空調(diào)建筑的使用者對(duì)溫度波動(dòng)忍耐度較低，而自然通風(fēng)建筑的使用者卻能承受更大的溫度波動(dòng)。

綜上所述，目前就高校學(xué)生公寓空調(diào)和自然通風(fēng)協(xié)同的熱環(huán)境研究較少，特別是由于室內(nèi)窗扇、空調(diào)位置分布帶來(lái)的人體熱舒適感受不同。因此，本研究根據(jù)客觀物理數(shù)據(jù)，探究不同的開(kāi)窗和空調(diào)運(yùn)行模式對(duì)不同床位溫濕度的影響，采取問(wèn)卷調(diào)查了解學(xué)生的主觀熱環(huán)境評(píng)價(jià)，綜合主客觀數(shù)據(jù)為學(xué)生公寓設(shè)計(jì)與改造提出建議。

1 研究方法

1.1 空調(diào)和自然通風(fēng)條件下學(xué)生公寓熱環(huán)境指標(biāo)收集

清華大學(xué)紫荊公寓采取內(nèi)廊式布局，基本單元為二室一廳，各房間開(kāi)間3.6m，分為4個(gè)床位，采用“上鋪下居”的方式。由于各床位和空調(diào)、門(mén)窗的位置布局相對(duì)不均，因此當(dāng)夏季空調(diào)開(kāi)啟或打開(kāi)門(mén)窗自然通風(fēng)時(shí)學(xué)生熱感受不同。選取清華大學(xué)紫荊公寓11號(hào)樓南向的某個(gè)空房間為研究對(duì)象，用溫濕度自記儀測(cè)量?jī)?nèi)部不同床位的空氣溫度和相對(duì)濕度，并比較開(kāi)窗通風(fēng)和不同空調(diào)溫度的影響。房間內(nèi)部4個(gè)床位以及門(mén)窗、空調(diào)的相對(duì)位置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)從6月12日15:00開(kāi)始到6月17日結(jié)束，每隔24h改變實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如密閉、開(kāi)窗通風(fēng)，空調(diào)溫度分別為30、22、26℃。6月12—17日的天氣分別經(jīng)歷了多云、雷陣雨、小雨和晴天，每日室外溫度存在一定差異，可能會(huì)對(duì)室內(nèi)溫濕度造成影響?？照{(diào)22℃條件下受天氣影響，打開(kāi)陽(yáng)臺(tái)門(mén)導(dǎo)致室內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)受到干擾，因此在分析時(shí)將其舍去。

1.2 學(xué)生主觀熱環(huán)境評(píng)價(jià)調(diào)查

了解問(wèn)卷填寫(xiě)者的公寓基本情況，并調(diào)查其在公寓的熱感覺(jué)和潮濕覺(jué)，以及在學(xué)習(xí)、睡眠模式下的熱環(huán)境滿意度。學(xué)生主觀熱環(huán)境評(píng)價(jià)問(wèn)卷共獲得46份樣本，關(guān)鍵問(wèn)題：1）你的房間是否經(jīng)常使用空調(diào)？如果是，房間一般采用的溫度是；2）室內(nèi)空調(diào)的開(kāi)啟狀況是（基本不開(kāi)/全天開(kāi)/白天開(kāi)/晚上開(kāi)）；3）請(qǐng)對(duì)你所在床位對(duì)應(yīng)的熱感覺(jué)指標(biāo)做出客觀評(píng)價(jià)；4）請(qǐng)對(duì)你所在床位對(duì)應(yīng)的濕感覺(jué)指標(biāo)做出客觀評(píng)價(jià)；5）請(qǐng)對(duì)你在公寓內(nèi)學(xué)習(xí)的熱環(huán)境滿意度進(jìn)行打分；6）請(qǐng)對(duì)你在公寓內(nèi)睡眠的熱環(huán)境滿意度進(jìn)行打分。

2 主客觀數(shù)據(jù)分析方法

2.1 空調(diào)和自然通風(fēng)條件下公寓熱環(huán)境指標(biāo)分析

2.1.1 通風(fēng)條件下床位溫濕度變化

在密閉條件結(jié)束后進(jìn)行了房間的自然通風(fēng)處理，通過(guò)對(duì)比兩種情況下不同床位的溫濕度可以發(fā)現(xiàn)通風(fēng)能在一定程度上降低夏季室內(nèi)溫度，并增加濕度，其中夜間通風(fēng)能明顯降低室內(nèi)溫度。

2.1.2 空調(diào)對(duì)床位溫濕度的影響

實(shí)驗(yàn)第一天和第五天開(kāi)啟空調(diào)，分別設(shè)定溫度為30℃和26℃。由于室內(nèi)形成一個(gè)相對(duì)密閉的環(huán)境，因而每個(gè)床位溫濕度變化都較為平緩。通過(guò)對(duì)4條曲線比較發(fā)現(xiàn)，2號(hào)床位受到空調(diào)的影響較大，其溫度更接近于空調(diào)的設(shè)定溫度，且在空調(diào)溫度改變時(shí)出現(xiàn)高頻率的波動(dòng)；而3號(hào)床位溫濕度變化則相對(duì)平緩，可能是因?yàn)橄鄬?duì)2號(hào)離窗和空調(diào)較遠(yuǎn)，相較于1號(hào)、4號(hào)離門(mén)較遠(yuǎn)（表1）。

曹彬等人的研究發(fā)現(xiàn)北京夏季室內(nèi)中性工作溫度為26.8℃?！妒覂?nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883?2002）規(guī)定，在夏季空調(diào)環(huán)境下，室內(nèi)濕度要在40%～80%之間。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的比較可以發(fā)現(xiàn)相較于空調(diào)開(kāi)啟，自然通風(fēng)條件下的溫度雖然波動(dòng)較大，但更符合人的熱舒適需求；而在兩種模式下，學(xué)生公寓內(nèi)的濕度均處在一個(gè)相對(duì)合適的水平。

2.2 問(wèn)卷數(shù)據(jù)分析

2.2.1 空調(diào)使用頻率數(shù)據(jù)

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，空調(diào)在夏季學(xué)生公寓溫濕度調(diào)節(jié)中起到較為關(guān)鍵的作用。相較于采取自然通風(fēng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，大部分學(xué)生傾向于通過(guò)空調(diào)控制（圖2,3）。超過(guò)一半的學(xué)生將空調(diào)設(shè)定為人體最佳舒適溫度26℃，其他人設(shè)定低于26℃，在一定程度上證實(shí)了Nyuk Hien Wong等關(guān)于學(xué)生對(duì)冷感覺(jué)接受度更高的研究結(jié)果。在空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)間上，接近50%的人全天都開(kāi)空調(diào)，近30%的人只在白天開(kāi)空調(diào)，學(xué)生公寓夏季熱環(huán)境不通過(guò)空調(diào)調(diào)節(jié)的較少。

2.2.2 公寓主觀熱環(huán)境評(píng)價(jià)

約50%的被訪者認(rèn)為學(xué)生公寓熱感覺(jué)、濕感覺(jué)以及學(xué)習(xí)、睡眠熱環(huán)境可以接受，約40%的人認(rèn)為公寓更涼爽，說(shuō)明空調(diào)在炎熱夏日對(duì)調(diào)節(jié)公寓溫度起到了顯著作用。超過(guò)30%的人認(rèn)為公寓有些干燥，說(shuō)明空調(diào)在調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度時(shí)會(huì)帶來(lái)室內(nèi)濕度降低的問(wèn)題（圖4,5）。

2.2.3 床位對(duì)熱環(huán)境評(píng)價(jià)的影響

利用回歸分析總結(jié)以上調(diào)研結(jié)果，床位與熱感覺(jué)的相關(guān)系數(shù)為0.288，存在弱相關(guān)，其模型R值為0.077，表明床位布置可以解釋熱感覺(jué)指標(biāo)的7.7%變化原因。

1 公寓床位與門(mén)窗、空調(diào)位置

2 空調(diào)使用習(xí)慣

3 空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間

4 室內(nèi)熱感覺(jué)指標(biāo)

5 室內(nèi)濕感覺(jué)指標(biāo)

表1 床位溫濕度變化情況

床位與學(xué)習(xí)和睡眠時(shí)的熱評(píng)價(jià)相關(guān)系數(shù)分別為0.017和0.018，說(shuō)明二者幾乎不存在相關(guān)性（表2）。因此，雖然床位能對(duì)學(xué)生主觀熱感受造成一定影響，但對(duì)學(xué)習(xí)和睡眠不會(huì)產(chǎn)生太大干擾，這與夏博提到的相比于ASHRAE舒適區(qū)學(xué)生可接受的溫濕度范圍更寬相契合。

表2 床位對(duì)熱感覺(jué)、學(xué)習(xí)熱環(huán)境、睡眠熱環(huán)境滿意度的影響

3 基于空調(diào)與自然通風(fēng)協(xié)同的居住熱環(huán)境調(diào)節(jié)策略

通過(guò)對(duì)學(xué)生公寓居住空間內(nèi)部物理環(huán)境的實(shí)測(cè)以及學(xué)生主觀熱感受評(píng)價(jià)的問(wèn)卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)夏季學(xué)生公寓居住空間空調(diào)開(kāi)啟與自然通風(fēng)對(duì)不同床位的影響：1）相較于自然通風(fēng)，空調(diào)開(kāi)啟模式下不同床位的溫濕度變化區(qū)間較小，但會(huì)造成干燥的感受。自然通風(fēng)更有利于將室內(nèi)溫度控制在舒適的范圍內(nèi)，但由于學(xué)生對(duì)于冷感受更不敏感，因而他們更傾向于通過(guò)空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度；2）相較于其他床位，2號(hào)床位在自然通風(fēng)和空調(diào)開(kāi)啟條件下溫濕度更易受到干擾，特別是在空調(diào)剛剛開(kāi)啟或者溫度調(diào)整時(shí)，2號(hào)床位的溫濕度會(huì)出現(xiàn)較高頻率波動(dòng)；3）2號(hào)床位的同學(xué)在夏季更容易產(chǎn)生較涼的感受，但室內(nèi)學(xué)習(xí)和睡眠的熱評(píng)價(jià)并不容易受到床位的影響，這說(shuō)明學(xué)生對(duì)溫濕度有較大的舒適接受區(qū)間；4）在未來(lái)學(xué)生公寓分配中，可以通過(guò)預(yù)先問(wèn)卷調(diào)查，將2號(hào)床位分配給對(duì)溫濕度較不敏感的同學(xué)，以更好匹配相對(duì)個(gè)性化的需求（圖6）。

基于夏季自然通風(fēng)和空調(diào)調(diào)節(jié)帶來(lái)的溫濕度特性，雖然空調(diào)能夠較恒定地將室內(nèi)溫度控制在人體舒適的范圍內(nèi)，但同樣需要適時(shí)引入自然通風(fēng)降低空調(diào)開(kāi)啟帶來(lái)的干燥感。在未來(lái)學(xué)生公寓設(shè)計(jì)層面上，亦可以通過(guò)合理布置空調(diào)，避免對(duì)某一床位直吹，改善調(diào)節(jié)過(guò)程中溫濕度波動(dòng)較大的問(wèn)題。

4 結(jié)論與展望

本研究對(duì)密閉、開(kāi)窗通風(fēng)和不同空調(diào)溫度設(shè)定條件下不同床位的溫濕度變化進(jìn)行實(shí)測(cè)，并通過(guò)主觀熱評(píng)價(jià)問(wèn)卷對(duì)學(xué)生在公寓內(nèi)學(xué)習(xí)、睡眠的熱感受進(jìn)行調(diào)研分析，探討了基于空調(diào)與自然通風(fēng)協(xié)同的居住空間熱環(huán)境的調(diào)節(jié)方法。研究發(fā)現(xiàn)，雖然采用空調(diào)調(diào)節(jié)是目前學(xué)生公寓降低室內(nèi)溫度的主要方式，但協(xié)同自然通風(fēng)和空調(diào)調(diào)節(jié)將起到更好的熱環(huán)境改善作用。此外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免將空調(diào)直吹床位，防止室內(nèi)溫濕度分布不均勻。

研究受到清華大學(xué)（建筑學(xué)院）臨沂城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司建筑全生命周期品質(zhì)管理聯(lián)合研究中心（2021-B2）支持。

＊ 本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目“高能效智能建筑環(huán)境營(yíng)造原理與性能化設(shè)計(jì)新方法”（52130803）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于機(jī)器學(xué)習(xí)的寒冷地區(qū)綠色住宅空間環(huán)境變量耦合機(jī)制與數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方法研究”（52078262）資助。

1-6作者自繪

表1,2作者自繪