王蒙，徐昊，馬強，武宏博，任玉成

>(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003)

高校教學樓平均每天開放時間10 h以上，是學校的核心場所，容納學生眾多，需要一個舒適性較高的環(huán)境。教學樓內(nèi)部的熱環(huán)境優(yōu)劣程度決定了學生是否愿意上課，是否愿意在課余時間來教學樓上自習，因此，對當前教學樓室內(nèi)熱環(huán)境的研究顯得尤為重要。

在我國關于校園建筑熱舒適性的研究較多，張雪香[1]提出全球范圍內(nèi)較為認可的熱舒適度評價標準是ASHRAE Standard 55—2013[2]、ISO7730[3]這2個標準是以歐美人群為受使者，并沒有選擇亞洲人群參與實驗，同時歐美人的生理與心理與亞洲人存在著較大的差異，所以以上標準不具有全面性，對我們并不適用[4]；曹彬等[5]對嚴寒地區(qū)冬天教學樓的熱舒適性進行研究，將南方人和北方人對教學樓的熱適應性進行對比分析，得出南方學生能夠更好適應偏冷的環(huán)境；葉曉江[6]對武漢高校教學樓進行熱環(huán)境的研究，將相同溫度下不同城市的服裝熱阻進行對比分析，得出相同溫度下武漢地區(qū)的學生衣阻最?。粡堄罘錥7-8]對廣東省某高校進行熱舒適性的研究，得出該地區(qū)教學樓建筑的熱中性溫度和90%人群可接受標準的有效溫度，并且室內(nèi)布置空調(diào)系統(tǒng)的環(huán)境溫度要比自然通風低，學生對有空調(diào)的環(huán)境要求更加的苛刻，2種環(huán)境下學生更喜歡通過開窗進行降溫；王昭俊、李愛雪[9-10]對不同采暖方式空間的熱舒適性進行對比研究，得出人們在采暖期更容易感覺到熱，另外，春天的熱中性溫度低于冬天的；楊薇[11]對湖南大學建筑的熱舒適性進行研究，結果表明熱舒適中性溫度不一定是最舒適的狀態(tài)。趙西平等研究[12]表明預測平均熱感覺(PMV)模型與人們實際的熱感覺評價存在著差異，同時對生理、習慣、感知控制的作用產(chǎn)生了質(zhì)疑，并提出期望因子的模型用來修正PMV模型；YAO R M等[13]對重慶大學自然通風教室熱環(huán)境的研究發(fā)現(xiàn)，溫度適宜時人的可接受溫度范圍區(qū)間比較大，而溫度較為極端時人的可接受溫度會變小，由此提出帶期望因子PMV修正(APMV)的適應性模型，使其更加接近主觀感受，并減小了誤差。

上述學者對高校建筑做了大量熱舒適的研究，但是針對新疆嚴寒地區(qū)教學樓夏季熱舒適模型修訂的研究很少。本文以石河子大學博學樓為研究對象，通過主觀問卷調(diào)研與客觀實際測量相結合得出PMV模型與實際平均熱感覺(MTS)模型，并進行對比分析得出差異，最終修訂PMV模型，建立新疆嚴寒地區(qū)高校教學樓的熱舒適度模型，從而為該區(qū)域夏季建筑內(nèi)部空間熱環(huán)境的設計與評估提供準確的依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 調(diào)研對象概述

石河子市是新疆嚴寒地區(qū)較為典型的城市，春秋兩季較短、冬夏兩季較長，考慮到綜合高校教學樓規(guī)模與業(yè)態(tài)等方面的特點要求，本文研究選取石河子大學教學樓博學樓為研究對象。該樓分為A、B、C3個區(qū),每個區(qū)布置基本相同，大部分空間是教室，只有個別空間用于輔助用房，約400個教室，可容納約2萬人；該教學樓窗戶為雙層塑鋼向內(nèi)平開窗戶，窗外綠化較好且噪音較小，窗戶面積較大且內(nèi)部光線充足。

1.2 研究方法

1.2.1 熱環(huán)境參數(shù)測試方法

熱環(huán)境參數(shù)測試的內(nèi)容主要是包括室內(nèi)與室外的參數(shù)采集，采用的設備及其參數(shù)見表1。實測之前按照ISO7726標準要求進行調(diào)試儀器，測試參數(shù)包括室內(nèi)外溫度、濕度、風速(空氣流速)。測試點選取模擬人體坐姿的高度安放。為保證實測數(shù)據(jù)的準確性，將實驗設備置于測試位置10 min以上待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進行讀取。

在每層樓各選取5間面積和朝向各不同的教室為測試地點，由于該建筑每層布局基本相同，所以每層選取相似的測試地點，如圖1所示。在不影響教學和學生自習的情況下，進行實驗測試點布置。將測試儀器布置在距墻水平距離0.5 m、高度1.2 m，每個測試點以1 h為一個時間區(qū)間進行實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，所用的測試儀器見表1。測試的時間為2019年7月某周日10:00—22:00，測試內(nèi)容包括溫度、濕度、風速等。

圖1 博學樓測點圖

表1 熱環(huán)境測試儀器

1.2.2 主觀感受研究方法

主觀感受研究方法實質(zhì)為問卷調(diào)查方法。本文調(diào)研對象是在石河子大學博學樓上自習的學生，其身體狀況良好。問卷調(diào)查的主要內(nèi)容包括受試者的年齡、性別、衣著、活動狀態(tài)等信息，以及其主觀感受。

首先，問卷采用4級標尺的熱舒適投票，以及相關的熱期望投票。在進行問卷調(diào)查時，受試者均處于靜坐的狀態(tài)，有少部分受試者0.5 h前進行活動，本文將這類受試者視為新陳代謝率超過2.0 met，為確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，筆者將該類問卷剔除。

其次，問卷采用7級標尺投票，即實際平均熱感覺(MTS)研究方法，該方法是將測試溫度以0.5 ℃為一個區(qū)間，分為n個區(qū)間，并在這些區(qū)間里以溫度為自變量，采取問卷的形式讓受試者進行熱感覺的投票，最終根據(jù)投票求出每個區(qū)間內(nèi)投票的平均值，最后得出溫度與熱感覺的回歸方程，計算出投票值為0時所對應的中性溫度[14]。

最終得到有效問卷482份，其中男性261份、女性221份。受試者的服裝熱阻、新陳代謝率按照ASHRAE 55—2004標準[15]進行計算，在教室靜坐的學生要加上座椅的熱阻[16]，通過評估得到受試者的平均代謝率為1.1 met。

有關受試者的問卷研究分為橫向、縱向2個部分，橫向研究是指每位受試者被研究一次，縱向研究是指每位研究者被研究多次[17]。本文研究充分考慮到學生分布的廣泛性、填寫問卷和身體狀況等因素，選擇的受試者均是隨機上自習的學生，且采用橫向研究。

1.2.3 PMV模型研究方法

PMV模型是關于人體熱輻射的模型，指當事人處于相對穩(wěn)定的熱環(huán)境內(nèi)人體的熱負荷大小決定了人體的熱舒適度。當人體的熱負荷在0以上，其值越大，人體感知越熱；當人體的熱負荷在0以下，其值越小，人體感知越冷。FANGER P O[18]在美國和丹麥抽取了若干受試者進行了有關熱舒適度的實驗，得出了人的熱感覺與負荷之間的研究內(nèi)容[19]。

根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》[20]的標準，將實測的濕度、風速、平均輻射溫度、衣阻力、代謝率等相關數(shù)值代入公式(1)，計算得出預測的熱感覺投票值，得到PMV的數(shù)值。

PMV=[0.303×10-3×e-0.036M+0.028]{M-W-3.05×10-3[5733-6.99(M-W)-Pa]-0.42[(M-W)-58.15]-1.7×10-5M(5867-Pa)-0.0014M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(s+273)4]-fclhc(tcl-ta)。

(1)

1.2.4 APMV模型研究方法

經(jīng)典的適應性熱舒適理論認為人的熱舒適度的影響因素主要是由心理、生理、行為組成，而FANGER P O的PMV模型[18]并沒有考慮人的適應性行為這一因素，從而導致PMV與MTS模型存在一定差異。而姚潤明針對這一差異，將人體的適應性行為作為實驗研究的一部分，同時將黑箱法用于熱舒適的模型之中，提出適應性的PMV模型，即APMV模型。該模型可用公式表達為

(2)

式(2)中λ是受試者為適應環(huán)境進行調(diào)節(jié)的反應，該符號及其絕對值大小分別表示反饋調(diào)節(jié)的方向和程度，其公式為

(3)

2 結果與分析

2.1 熱環(huán)境參數(shù)研究

結果(圖1～5)可知：在夏季最熱月無機械通風的情況下，五層閱覽空間的溫度大小依次為五層>四層>三層>二層>一層，且各層溫度總體與室外溫度變化相同，5個樓層的溫度差別較小，各層平均溫度分別為29.4、30.1、30.8、31.5、31.44 ℃，其溫度變化幅度小于室外溫度變化幅度；室外最低溫度為22.3 ℃，室內(nèi)最低溫度為23.2 ℃，而室外最高溫度為37.1 ℃，室內(nèi)最高溫度為37.2 ℃。室內(nèi)濕度較小(均低于35%)，室內(nèi)較為干燥。

由圖2、3可知：溫度和濕度的曲線成反比例關系，在18：00―23：00時段，溫度下降而濕度上升；在8：00―19：00 時段，溫度上升而濕度下降。

圖2 博學樓室內(nèi)平均溫度

圖3 博學樓室內(nèi)平均濕度

由圖4、5可知：各層風速的瞬時變化較為復雜，缺少規(guī)律性，其總體的趨勢與室內(nèi)外的溫度變化和濕度變化的趨勢沒有關聯(lián)性，一至五層的風速平均值為0.28、0.35、0.37、0.41、0.43 m/s，一、三、四、五層的平均風速的最高值出現(xiàn)在9：00—11：00，二層平均風速的最高值出現(xiàn)在18：00—19：00。風速隨層數(shù)的變化并不明顯，大致為五層>四層>三層>二層>一層。

圖4 博學樓室內(nèi)平均風速

圖5 博學樓室外平均溫度

2.2 主觀問卷調(diào)查研究

結果見圖6～10和表2。

圖6 受試者年齡構成

由圖6可知：超過75%的比例人數(shù)是小于25歲的本科生，而小于25%比例的人數(shù)是大于25歲的研究生、教師、外來學習的社會人員。

由圖7可知：被調(diào)研者的比例基本相同，其中女生的比例略大于男生。

圖7 受試者的性別比例

由表2可知：由于被調(diào)研者大部分是本科生，所以平均年齡集中在20.5歲，最大值是49歲的教師，而最小值是18歲的大一新生。在石河子居住的平均年限為2.3年，說明被調(diào)研者主要是大二、大三的學生，在石河子居住最小年限為0.1年，該被調(diào)研者是大一的新生以上數(shù)據(jù)符合教學樓本身的年齡分布特點，因此該樣本具有典型性和代表性。

表2 受試者年齡與在石河子居住時間統(tǒng)計

由圖8可知：稍暖、暖、熱的占比為84%，中性的占比為14%，稍涼的占比為2%，說明環(huán)境屬于偏熱的狀態(tài)；投票在-1～+1之間的比例為46%，表明大部分人覺得熱環(huán)境是可以接受的。

圖8 熱感覺投票頻率分布

在熱舒適投票中，該環(huán)境不舒適或較不舒適的比例為40%，而較舒適和舒適的比例為60%，該數(shù)據(jù)大于圖9的可接受率46%，表明夏天偏熱的環(huán)境是較為舒適的。除此之外，部分受試者表示熱感覺偏熱是由于室內(nèi)沒有窗簾造成陽光直射，除去這2種因素后室內(nèi)的熱感受應是較舒適的，這是造成上述2種投票差異的主要因素。

圖9 熱舒適度投票頻率分布

由圖10可知：溫度熱期望投票中，有62%的人希望溫度降低，也有26%的人希望溫度不變，這驗證了上述整體熱感覺投票偏熱的統(tǒng)計結果。濕度期望投票中，期望濕度提高的人占62%，表明目前室內(nèi)相對濕度過低，空氣干燥。風速期望投票中，67%的受試者希望增加風速，說明受試者在風速方面對當前環(huán)境接受程度不高，即受試者在較熱的環(huán)境下需要更強烈吹風感。

圖10 熱期望頻率分布

2.3 MTS模型

通過實際平均熱感覺研究方法擬合得出夏季MTS與操作溫度的函數(shù)關系(圖11)顯示：隨著溫度的升高，教學樓內(nèi)被調(diào)查者的夏季熱感覺也隨之升高。

圖11 夏季MTS與操作溫度的回歸曲線

MTS模型的關系式為

MTS=0.162 t-4.029，R2=0.829 56。

(4)

由式(4)可知，當MTS為0時，對應室內(nèi)實際中性溫度為24.9 ℃，80%可接受率下的舒適度范圍是19.6～30.1 ℃。

2.4 PMV模型

將溫度、濕度、風速等實測的參數(shù)帶入式(1)得出PMV的數(shù)值，并將其數(shù)據(jù)進行擬合，得到夏季PMV與操作溫度的回歸曲線，該函數(shù)為

PMV=0.202t-4.909，R2=0.901。

(5)

由圖12可知：隨著操作溫度t升高，熱感覺預測值隨之上升，當PMV為0時，其預測的中性溫度為24.3 ℃，80%可接受率下的熱舒適溫度范圍為20.1～28.5 ℃。

圖12 夏季PMV與操作溫度的回歸曲線

2.5 MTS、PMV模型的對比分析

為了研究PMV與MTS的關系，將上述2種模型進行了加權性擬合如圖13所示。

圖13 MTS、PMV與室內(nèi)操作溫度關系

由圖13可知：MTS與PMV模型相同點都是呈線性關系，不同點是二者斜率呈現(xiàn)了明顯的差異，PMV模型的斜率大于MTS模型的斜率；隨著操作溫度的增加時，2種模型的曲線偏離越大。

FANGER P O[18]根據(jù)PMV模型將ASHRAE熱感覺劃分成了3個標尺，其中當PMV為±0.85時，80%受試者滿意當時的熱環(huán)境。本文分別將±0.85這2組數(shù)據(jù)帶入PMV模型的回歸函數(shù)中，得到對應的溫度范圍是20.1～28.5 ℃，并將±0.85這2組數(shù)據(jù)帶入MTS模型中，得到對應的PMV模型中性溫度大于MTS模型的，但MTS模型的可接受溫度范圍大于PMV模型的，溫度區(qū)間為19.6～30.1 ℃。另外，將PMV=0和MTS=0帶入回歸函數(shù)中得到的中性溫度分別為24.3 ℃、24.9 ℃。

2.6 APMV模型

通過上述研究結果可知PMV模型與MTS模型存在著差異，所以需要對原始的PMV模型進行修正。本文引入TAO R M等[20]提出的適應系數(shù)λ修正模型，將實測的數(shù)值帶入式(3)得λ=0.0295，由此得出修正后的嚴寒地區(qū)高校教學樓建筑熱感覺評價的模型為：

(6)

2.7 APMV模型的驗證

由圖13可知：隨著溫度的升高PMV模型的數(shù)值與MTS模型的數(shù)值偏差越大，所以為了驗證修正模型的可靠性，選取37、39、41、43 ℃較高溫度作為樣本，將這4個樣本帶入式(5)，得出PMV值分別為2.57、2.96、3.37、3.78；將上述得出的PMV值帶入式(6)得出APMV值分別為2.39、2.72、3.07、3.40，再將4個樣本帶入公式(4)得出MTS的值為1.97、2.29、2.61、2.94，由上述數(shù)據(jù)可知：相同溫度下APMV比PMV的數(shù)值更加接近MTS模型的數(shù)值且誤差較小，即修正模型APMV的可靠性優(yōu)于PMV模型。

3 結論

本文通過對嚴寒地區(qū)夏季教學樓熱舒適度PMV、MTS、APMV三種模型研究結果的對比分析，得出以下結論：

(1)PMV模型和MTS模型與操作溫度都是正相關，且PMV模型的斜率要大于MTS模型。

(2)教學樓的實際中性溫度為24.9 ℃，與PMV計算得出的中性溫度結果不同，實際的熱舒適性范圍為19.6 ℃～30.1 ℃，這也與PMV模型的預測的結果存在差異。