鄭 敏 李百毅 趙華堂 廖佳琳

夏熱冬冷地區(qū)學(xué)校建筑室內(nèi)溫度調(diào)查研究

鄭 敏1李百毅2趙華堂3廖佳琳2

（1.四川省建筑科學(xué)研究院有限公司 成都 610000；2.西南交通大學(xué)建筑與設(shè)計學(xué)院 成都 610000；3.四川省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢測院 成都 610000）

學(xué)生1/3的時間在學(xué)校中度過，室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量關(guān)乎學(xué)生的健康、幸福感以及成績，因此學(xué)校建筑的室內(nèi)環(huán)境熱舒適性尤為重要。世界各地氣候差異較大，且人體在自然條件下可以通過調(diào)節(jié)生理、心理以及行為來適應(yīng)或改變熱環(huán)境，導(dǎo)致被調(diào)查者對熱環(huán)境的敏感程度和主觀熱感覺存在差異，為了更好地研究非穩(wěn)態(tài)工況下人體的熱反應(yīng)，針對夏熱冬冷地區(qū)學(xué)校建筑，主要從室內(nèi)熱環(huán)境的溫度方面進(jìn)行適宜室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)文獻(xiàn)調(diào)研。以03年至今夏熱冬冷地區(qū)以及國外相似氣候區(qū)關(guān)于學(xué)校建筑室內(nèi)環(huán)境的文獻(xiàn)和規(guī)范為分析資料，以主觀實地調(diào)研成果和客觀的規(guī)范指標(biāo)區(qū)間值結(jié)合分析，總結(jié)出適應(yīng)于夏熱冬冷地區(qū)學(xué)校室內(nèi)熱環(huán)境各項指標(biāo)舒適范圍值，夏季與冬季熱舒適溫度分別應(yīng)集中在24.4～29℃、15.8～24.6℃。為以后制定夏熱冬冷地區(qū)學(xué)校建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)規(guī)范提供有利的理論依據(jù)，進(jìn)而改善學(xué)校建筑的室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，提高室內(nèi)環(huán)境熱舒適度。

夏熱冬冷地區(qū)；學(xué)校建筑；室內(nèi)熱環(huán)境；熱舒適溫度范圍

0 前言

學(xué)生大部分時間在學(xué)校度過，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量（IEQ）直接影響著學(xué)生的身心健康、舒適感以及成績[1]。教室室內(nèi)環(huán)境過冷或者過熱，會加劇身體的熱應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致學(xué)生生病或者表現(xiàn)不佳[2]。經(jīng)過Anderson和Hoshiko等人研究發(fā)現(xiàn)，過高的室內(nèi)溫度會影響學(xué)生的健康，增加如中暑、呼吸和心血管疾病所導(dǎo)致的住院和死亡風(fēng)險[3,4]。室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量不僅影響學(xué)生的健康，還可能影響學(xué)生的學(xué)習(xí)能力以及學(xué)習(xí)成績。Corgnat等人分析了采暖期意大利教室的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，表明熱舒適性可能會影響學(xué)生的理解力、注意力和學(xué)習(xí)水平[5]。Mendell和Heath發(fā)現(xiàn)，溫度高于24℃會降低學(xué)生的執(zhí)行力，溫度低于22℃會降低學(xué)生手指的靈活性和速度[6]。謝琳娜測量分析了西安某大學(xué)校教室的環(huán)境參數(shù)，指出腦力勞動在25℃時工作效率最高，在低于18℃或者高于28℃的環(huán)境中，學(xué)生的注意力低下，學(xué)習(xí)效率急劇下降[7]。相關(guān)文獻(xiàn)表明，教室環(huán)境質(zhì)量與學(xué)生的表現(xiàn)相關(guān)，升高的教室溫度會降低學(xué)生的舒適性以及對學(xué)業(yè)成績產(chǎn)生負(fù)面影響，溫度和濕度超過舒適范圍會降低學(xué)生的注意力[6,8]。良好的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量可以提高學(xué)生的表現(xiàn)，降低健康風(fēng)險。

研究室內(nèi)熱環(huán)境的文獻(xiàn)很多，大都是關(guān)于辦公室、住宅等建筑類型的研究，采集數(shù)據(jù)是以成年人為對象。相較于辦公室等建筑，學(xué)校建筑是特別的存在，它的主要使用者是未成年人，與成人相比，學(xué)生的代謝率較高，熱損失速率更快，對溫度變化不那么敏感，而且對更高的溫度更敏感[9,10]。近年來學(xué)校建筑研究的數(shù)量有所增加，主要表現(xiàn)在理論方法、教育水平和氣候帶上的差異[11]。按照所處氣候帶進(jìn)行大致分類，關(guān)于亞熱帶國家的研究數(shù)量最多，其次是溫帶國家[12]。中國幅員遼闊，自北向南橫跨寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶等氣候帶，按照柯本氣候分類法，我國夏熱冬冷地區(qū)所對應(yīng)的氣候類型為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，屬于濕潤性溫和型氣候區(qū)冬干溫暖型氣候[13]。《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》[14]將我國分為五個氣候區(qū)：嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。夏熱冬冷地區(qū)緯度在北緯25°～34°，位于我國中部的長江流域及其周圍廣大地區(qū)，大致范圍為南嶺以北，隴海線以南，四川盆地以東，包括重慶、上海、湖北、四川、貴州、安徽、等16個省、市、自治區(qū)。該地區(qū)夏季悶熱，冬季濕冷，晝夜溫差小，年降水量大，日照偏小。春末夏初該地區(qū)多陰雨天，常伴有大雨或者暴雨。夏季太陽輻射強(qiáng)烈，黃梅季節(jié)持續(xù)陰雨，因空氣中水蒸氣含量過高，易造成潮濕悶熱。冬季空氣溫度低，陰雪綿綿，日照不足，日照率遠(yuǎn)低于北方，由東向西急劇減少，易感到潮濕陰冷[15]。

在我國夏熱冬冷地區(qū)，許多學(xué)者對學(xué)校建筑的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了研究。羅明智等人研究了夏季重慶某高校自然通風(fēng)教室的熱環(huán)境[16]；李百戰(zhàn)等人調(diào)查分析了冬季重慶無供暖教室的室內(nèi)熱環(huán)境[17]；葉曉江等人研究了不同城市自然通風(fēng)建筑的熱舒適狀況[18]；劉晶對夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)教學(xué)樓熱環(huán)境進(jìn)行了研究[19]。此外，國外學(xué)者在與我國夏熱冬冷地區(qū)氣候相似的國家及地區(qū)進(jìn)行了學(xué)校建筑室內(nèi)熱環(huán)境研究，例如，De Dear等人在澳大利亞的中小學(xué)進(jìn)行了適應(yīng)性熱舒適研究[20]；Zaki等人以夏季馬來西亞和日本的三所大學(xué)為調(diào)查對象進(jìn)行適應(yīng)性熱舒適研究[21]；Munonye和Ji評估了尼日利亞暖濕氣候下自然通風(fēng)學(xué)校的熱環(huán)境感知[22]；Aghniaey等人對美國一所大學(xué)的空調(diào)教室進(jìn)行了熱舒適性評價[23]。

目前，國際上通用的預(yù)測和評價室內(nèi)熱環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，如ASHRAE 55-2017和ISO 7730等，都是基于熱感覺處于中性熱舒適，并且主要適用于穩(wěn)態(tài)工況下，根據(jù)越來越多的現(xiàn)場研究測試表明，在自然通風(fēng)或者非空調(diào)建筑內(nèi)，這類模型不能準(zhǔn)確預(yù)測出人體的熱反應(yīng)。我國夏熱冬冷地區(qū)夏季悶熱高濕、冬季陰冷潮濕，大多數(shù)情況屬于非穩(wěn)態(tài)工況，在此情況下人體為了達(dá)到舒適的狀態(tài)，會積極主動從生理、心理和行為上對熱環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時所預(yù)測的人體熱反應(yīng)會與實際情況存在差異[14]。因此有必要對夏熱冬冷地區(qū)學(xué)校建筑的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行研究，提高非穩(wěn)態(tài)工況下預(yù)測人體熱反應(yīng)的準(zhǔn)確度。本文以2003年至今夏熱冬冷地區(qū)以及國外相似氣候區(qū)關(guān)于學(xué)校建筑室內(nèi)熱環(huán)境的文獻(xiàn)為分析資料，同時參閱國內(nèi)外關(guān)于室內(nèi)熱環(huán)境的規(guī)范，將文獻(xiàn)中的研究數(shù)據(jù)與規(guī)范值進(jìn)行對比分析。本文將室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)分為溫度、濕度、風(fēng)速三個方面，對室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀以及規(guī)范值按照指標(biāo)范圍、前置條件等進(jìn)行列表分析，總結(jié)適應(yīng)于夏熱冬冷地區(qū)學(xué)校室內(nèi)熱環(huán)境各項指標(biāo)舒適范圍值，為以后相關(guān)規(guī)范的修訂提供參考與理論依據(jù)，進(jìn)而提高學(xué)校建筑的室內(nèi)環(huán)境熱舒適度，確保學(xué)生的身心健康。

1 室內(nèi)熱環(huán)境物理參數(shù)適宜范圍值研究

通過收集資料、整理和總結(jié)現(xiàn)有的國內(nèi)外規(guī)范及研究文獻(xiàn)，對比分析規(guī)范中的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和文獻(xiàn)中的參數(shù)建議值，最終獲得一個適合于夏熱冬冷地區(qū)學(xué)校室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)指標(biāo)的舒適區(qū)間值，為以后制定夏熱冬冷地區(qū)學(xué)校建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)規(guī)范提供有利的理論依據(jù)。

1.1 室內(nèi)溫度現(xiàn)狀值

對于室內(nèi)熱濕環(huán)境來說，室內(nèi)溫度是影響人體在室內(nèi)環(huán)境的舒適程度的重要參數(shù)之一。在同一個空間的不同位置，室內(nèi)溫度是存在差異的，造成差異的原因與建筑外的氣候環(huán)境、建筑本身的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及建筑使用的設(shè)備有關(guān)。這些差異會使室內(nèi)產(chǎn)生水平和垂直方向的溫度差，若在有著明顯溫度差的室內(nèi)活動，對溫度比較敏感的頭部、腹部和腳踝三個垂直點(diǎn)能同時感受到溫度差異，ASHRAE 55-2017[24]中規(guī)定坐著的人員頭部和腳踝水平之間的空氣溫差不得超過3℃，站立人員不得超過4℃，較大的垂直溫差可增加人體對環(huán)境的不適感，因此垂直溫差更能影響室內(nèi)環(huán)境人體的舒適度[18]。

樣本選取了室內(nèi)外調(diào)研數(shù)據(jù)均保留的比較完整的文獻(xiàn)。通過觀察表格中提取的數(shù)據(jù)，可以看出室內(nèi)溫度隨室外溫度的變化而變化，國內(nèi)外夏季室內(nèi)溫度平均值分布在24～30℃不等；國內(nèi)6、7月份室內(nèi)溫度偏高，平均值≥30℃，而在1、2月份溫度最低，平均值分布在9～12℃不等；相較于國內(nèi)，國外夏季室內(nèi)溫度較低，平均值≤30℃，馬來西亞地區(qū)溫度稍高，平均值在32℃左右，在降溫季節(jié)室內(nèi)溫度平均值比中國高，維持在21℃左右。因此，可以確定室內(nèi)溫度的變化主要取決于室外空氣溫度。對比室內(nèi)外溫度的變化可以發(fā)現(xiàn)室內(nèi)溫度普遍高于所對應(yīng)的室外溫度，這也是與室內(nèi)人群行為活動有著密不可分的關(guān)系。

表1 學(xué)校建筑樣本室內(nèi)溫度值

續(xù)表1 學(xué)校建筑樣本室內(nèi)溫度值

1.2 室內(nèi)溫度規(guī)范值

根據(jù)現(xiàn)行關(guān)于教學(xué)樓室內(nèi)溫度要求的各類規(guī)范統(tǒng)計，國內(nèi)規(guī)范夏季室內(nèi)溫度給出的最低值為22℃，最高值為28℃，冬季室內(nèi)溫度最低值為12℃（非空調(diào)房間）和16℃（空調(diào)房間），最高值為26℃；國外規(guī)范夏季室內(nèi)溫度給出的最低值為23℃，最高值為28℃，冬季室內(nèi)溫度最低值為19℃，最高值為26℃。國內(nèi)規(guī)范夏季室內(nèi)舒適溫度在24～28℃，冬季適宜溫度在16～24℃，而對于由采暖系統(tǒng)的房間來說，室內(nèi)設(shè)計溫度值在16～22℃之間；國外規(guī)范夏季室內(nèi)舒適溫度在23～26℃，冬季適宜溫度在20～24℃。研究文獻(xiàn)對于夏季室內(nèi)可接受溫度的給出的最低值為19.5℃，最高值為31.5℃；冬季溫度最低值為14.04℃，最高值為24.2℃。統(tǒng)計后，夏季可接受范圍值為25～30℃，冬季可接受溫度值為15～24℃。通過與國內(nèi)外規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)值（夏季24～28℃，冬季16～24℃，ASHRAE 55 23～26℃）對比，可以發(fā)現(xiàn)實際調(diào)研得出的主觀數(shù)據(jù)人體可接受溫度范圍要寬于標(biāo)準(zhǔn)值，這與人體自我調(diào)節(jié)能力有不可或缺的關(guān)系，根據(jù)“適應(yīng)性理論”，人不是熱環(huán)境的被動接受者，而是根據(jù)自我需求通過調(diào)整生理、心理和行為來改變或適應(yīng)環(huán)境。對標(biāo)準(zhǔn)值和實測建議值進(jìn)行整合，夏季熱舒適溫度集中在24.4～29℃，冬季室內(nèi)熱舒適溫度集中于15.8～24.6℃。

表2 學(xué)校建筑室內(nèi)溫度規(guī)范值

2 結(jié)語

學(xué)生每天在學(xué)校度過的時間不低于8小時，學(xué)校建筑的熱不適會降低學(xué)生的注意力，影響學(xué)生的健康以及成績，因此通過研究室內(nèi)熱環(huán)境，探究可接受溫度范圍和中性溫度來提高室內(nèi)熱舒適性是很重要的。通過對夏熱冬冷地區(qū)學(xué)校建筑室內(nèi)熱環(huán)境的現(xiàn)場研究成果和現(xiàn)行國內(nèi)外室內(nèi)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)整理和分析，總結(jié)出夏熱冬冷地區(qū)教學(xué)建筑室內(nèi)熱舒適溫度的分布范圍，夏季熱舒適溫度集中在24.4～29℃，冬季室內(nèi)熱舒適溫度集中于15.8～24.6℃，為以后制定夏熱冬冷地區(qū)學(xué)校建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)規(guī)范提供有利的參考和理論依據(jù)，進(jìn)而提高學(xué)校建筑的室內(nèi)環(huán)境熱舒適度。

[1] Mendell M J, Eliseeva E A, Davies M M, et al. Do classroom ventilation rates in California elementary schools influence standardized test scores? Results from a prospective study[J]. Indoor Air, 2016,26(4): 546-557.

[2] Kruger E L, Zannin P H. Acoustic, thermal and luminous comfort in classrooms[J]. Building and Environment, 2004,39(9):1055-1063.

[3] Anderson B, Dominici F, Wang Y, et al. Heat-related emergency hospitalizations for respiratory diseases in the Medicare population[J]. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine, 2013,187(10): 1098-1103.

[4] Hoshiko S, English P, Smith D, et al. A simple method for estimating excess mortality due to heat waves, as applied to the 2006 California heat wave[J]. International Journal of Public Health, 2010,55(2):133- 137.

[5] S P Corgnati, M Filippi, S Viazzo. Perception of the thermal environment inhigh school and university classrooms: subjective preferences and thermal comfort[J]. Building and Environment, 2007,42(2): 951-959.

[6] Mendell M J, Heath G A. Do indoor pollutants andthermal conditions in schools influence student performance? A critical review of the literature[J]. Indoor Air, 2005,15(1),27-52.

[7] 謝琳娜,劉加平.普通教室的熱環(huán)境特性及熱工設(shè)計問題[J].山西建筑,2006,(3):174-175.

[8] Zeiler W, Boxem G. Effects of thermal activated building systems in schools on thermal comfort in winter[J]. Building and Environment, 2009,44(11): 2308-2317.

[9] Humphreys M A. A study of the thermal comfort of primary school children in summer[J]. Building and Environment, 1977,12(4),231-239.

[10] Mccullough E A, Eckels S, Harms C A, et al. Determining temperature ratings for children's cold weather clothing[J]. Applied Ergonomics, 2009,40(5): 870-877.

[11] Zomorodian Z S, Tahsildoost M, Hafezi M, et al. Thermal comfort in educational buildings: A review article[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2016:895-906.

[12] Singh M K, Ooka R, Rijal H B, et al. Progress in thermal comfort studies in classrooms over last 50 years and way forward[J]. Energy and Buildings, 2019: 149-174.

[13] 朱耿睿,李育.基于柯本氣候分類的1961-2013年我國氣候區(qū)類型及變化[J].干旱區(qū)地理,2015,38(6):1121- 1132.

[14] GB50176-2016,民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.

[15] 劉晶.夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境與人體熱舒適的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2007.

[16] 羅明智,李百戰(zhàn),徐小林.重慶夏季教室熱環(huán)境研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報,2005,(1):88-91.

[17] 李百戰(zhàn),劉晶,姚潤明.重慶地區(qū)冬季教室熱環(huán)境調(diào)查分析[J].暖通空調(diào),2007,(5):115-117.

[18] 葉曉江,周正平,連之偉,等.不同城市自然通風(fēng)建筑熱舒適狀況研究[J].建筑節(jié)能,2007,(4):55-57.

[19] 劉晶.夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境與人體熱舒適的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2007.

[20] De Dear R, Kim J, Candido C, et al. Adaptive thermal comfort in Australian school classrooms[J]. Building Research and Information, 2015,43(3):383-398.

[21] Zaki S A, Damiati S A, Rijal H B, et al. Adaptive thermal comfort in university classrooms in Malaysia and Japan[J]. Building and Environment, 2017:294- 306.

[22] Munonye C, Ji Y. Evaluating the perception of thermal environment in naturally ventilated schools in a warm and humid climate in Nigeria[J]. Building Services Engineering Research and Technology, 2020: 0143624420911148.

[23] Aghniaey S, Lawrence T M, Sharpton T N, et al. Thermal comfort evaluation in campus classrooms during room temperature adjustment corresponding to demand response[J]. Building and Environment, 2019,148:488-497.

[24] ASHRAE (2017) ANSI/ASHRAE Standard 55-2017: thermal environmental conditions for human occupancy. American Society of Heating Refrigerating and Air-conditioning Engineers (ASHRAE)[S]. Atlanta, GA.

Investigation on Indoor Temperature of School Building in Hot Summer and Cold Winter Area

Zheng Min1Li Baiyi2Zhao Huatang3Liao Jialing2

( 1.Sichuan Institute of Building Research, Chengdu, 61000; 2.Southwest jiaotong university, Chengdu, 61000;3.Sichuan Institute of Product Quality Supervision and Inspection, Chengdu, 61000 )

Students spend 1/3 of their time in the school, the quality of indoor thermal environment of classroom is related to the health, happiness and performance of students. Therefore, the thermal comfort degree of indoor environment of the school building is particularly important. Climates around the world vary greatly, and the human body can adapt or change the thermal environment by adjusting physiology, psychology, and behavior under natural conditions, resulting in differences in the sensitivity and subjective thermal perception of the respondents to the thermal environment. In order to research the thermal response of the human body under non-steady-state conditions, taken the school buildings in hot summer and cold winter areas as research object, this paper conduct a literature survey mainly on the suitable temperature indicator of indoor thermal environment . The literature and norms of school building indoor environment in hot summer and cold winter areas and foreign similar climate regions from 2003 to present is taken as analysis data, combined analysis of subjective field survey results and objective normative index interval values, the comfort range values of the various indicators of the indoor thermal environment of the regional school in hot summer and cold winter area can be concluded out: the thermal comfort temperature in summer and winter area should be concentrated at 24.4～29℃ and 15.8～24.6℃ respectively. This study will provide a favorable theoretical basis for the future formulation of school building indoor environmental parameter index specifications in hot summer and cold winter areas, thereby improving the indoor thermal environment quality of school buildings and improving the thermal comfort of the indoor environment.

Hot summer and cold winter area; School building; Indoor thermal environment; Thermal comfort temperature range

TU111.19+1

A

1671-6612（2020）05-565-06

鄭 敏（1976-），女，博士，高級工程師，E-mail：894248768@qq.com

趙華堂（1962-），男，碩士，高級工程師，E-mail：sczhaoht@163.com

2020-08-17