嚴寒地區某高校教學樓室內熱環境實測與研究

朱清玥 程衛紅 程巖松 呂龍飛

(東北林業大學,黑龍江 哈爾濱 150000)

教室作為大學生日常學習生活的重要場所,室內環境的各種因素都會影響到學生的學習狀態和學習效率。

被調研高校地處哈爾濱市,為溫帶季風氣候,冬季漫長,按建筑熱工規范,處于嚴寒地區,每年供熱時間為10 月20 日- 次年4 月20 日,供熱時間為180 天,該高校采用的是集中供暖,12 月份-1 月份是該地區一年中最冷時期。

1 研究方法

在2021 年12 月9 號-2021 年12 月15 號對嚴寒地區某高校教學樓室內環境進行現場實測,測得室內的溫度、濕度、PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM2.5 等粉塵含量、二氧化碳含量和照度等,并對自習人員進行主觀調查,得到預測平均熱反應PMV/PPD 評價指標,從主觀和客觀兩方面對教學樓室內環境進行評價,適當提出可行的改進意見。

1.1 測量的教室及教室內測點選擇

該高校教學樓共10 層,建于20 世紀70 年代,該樓為框架結構,層高約4.6m,樓高約49m,1-8 層為流動上課教室,9 層以上為機房和其他專用教室,因功能教室不具有代表性,1 層為地下層存在多個特殊因素,本次調研選用2 層(進門層)、5 層、8 層(上課教室最高層)的南向和北向教室各一間。

每個教室的座位數量在123-128 之間,面積都在128m2左右,教室共有12 排座位。根據規范,測點應以對角線或梅花式均勻布置,與墻壁間距大于0.5m。根據學生上課和自習的座位分布[1],結合實際情況,本次調研在每個教室內選取9 個測點,包含了教室前部、中部、后方和靠窗側、中間位置、靠門側所有位置,具體測點安排如表1。

表1 教室內測點布置

1.2 數據測量過程

嚴寒地區冬季為散熱器供暖期,測試期間為散熱器白天供暖狀態,窗戶是關閉狀態。為更接近人在自習時的感官體驗,測試時粉塵檢測儀、溫濕度計等氣體檢測儀和照度儀放置于桌面上方30cm 左右高度,測量光照情況時模擬人的書寫狀態。每個測點停留時間為1min,每個教室每次測量時間約為10min,從早上9:00 到下午17:00 每隔兩小時采集各教室數據一次,每個教室的每個測點得到1 組數據,共54 組數據。

1.3 發放調查問卷

問卷發放調研時間是2021 年12 月11 號,地點是丹青樓2 樓、5 樓、8 樓教室中的自習人員,采取現場掃碼填寫問卷的方式,在學生中得到了較廣泛、真實的主觀調查結果。

2 室內環境測量結果與分析

測量期間基本為降雪天氣,室外溫度與濕度大致如表2 所示。

表2 測試期間室外溫濕度

2.1 教室人員密集情況室內環境情況

教學樓多為上課用,本次調研在線下課期間,實地測量了高校某教室課前課后氣體環境變化。本次測量的時間為課前7:45 與課后9:45,教室面積128m2,上課人數110 人。

根據粉塵檢測儀結果,絕大多數教室所有測點的甲醛、PM10 含量基本為0,在之后的分析中將不考慮這些參數的影響。為更好地體現室內環境在不同時段變化,在PM0.3-PM5.0 中,選取PM1.0 的測量結果代表本次調研室內粉塵含量。

2.1.1 上課前后溫濕度變化情況(圖1)

圖1 課前課后室內溫濕度變化

課后相比課前溫度略有上升,濕度大幅提高,課前室內濕度略低,課前溫度和課后溫濕度都在《室內空氣質量標準》范圍內。

2.1.2 上課前后粉塵和二氧化碳變化(圖2)

圖2 課前課后室內粉塵和二氧化碳的變化

課后室內粉塵含量和CO2含量約為課前的4 倍,課后室內CO2含量超出2000ppm,根據GB/T18883 要求,我國一般教室需要控制在1000ppm 以下,教室需要在課中增加通風,可以在中間休息期間采用人工開窗、開門換氣,也可以加裝通風系統,實時監測室內CO2含量,與通風系統聯動,超出要求時啟動換氣。粉塵含量超標時解決方法如上。

2.2 人員不密集情況室內環境情況

因疫情原因,數據測量調研期間,該高校大部分時間采用線上授課模式,一日中教室內人員皆在自習,單個教室的自習人數在8-12 人,人員數量相對少且穩定,對室內熱環境的影響都也相對穩定。

2.2.1 溫濕度測量結果和分析

對教室每個時間段各測點處的溫濕度,采用多次測量取中間值的方法,并取9 個測點的平均值作為教室該時間下的溫濕度值(圖3)。

圖3 南向與北向教室的溫濕度值

由測量數據可得,在自習人數基本一致的情況下,南向教室日間溫度大于北向教室,主要原因為朝向不同,但是不同位置和朝向對于建筑全年能耗的相對影響范圍較小[2]。數據顯示,該棟樓兩層教室室內溫度遠低于5 層和8 層的教室的溫度,主要原因有兩點：

第一,供熱工程中的垂直失調；

第二,兩層連接外門,在散熱器片數與其他層教室布置相同情況下兩層室內溫度較低。

通過折線可知,一天中教室內的日間濕度較穩定,早晨相對較低,后慢慢升高,室內濕度低于室外濕度。

2.2.2 CO2含量與PM1.0 測量結果和分析(圖4)

圖4 南向與北向教室的粉塵和二氧化碳含量

由折線可知,日間教室內的CO2含量呈上升趨勢,都在舒適范圍內。

2.3 日間照度測量結果與分析

人員密集與否對室內光照基本無影響。室內照度上午9：00 時約在400-500lux,中午11:00 與下午13:00 有所上升,均值在600-900lux,下午15:00 與17:00 照度在400-600lux。某教室同個時間段的9 個測點照度分別為583.1、673.12、595.5、526.8、562.3、552.3、463.9、348.5、339.1lux。因日間教室室內日光燈不是全部打開的狀態,測點間的照度相差較大,教室內光照不均勻,并且低樓層室內照度低于同時段的高樓層。

2.4 結論與改進

教室內人員密集情況一天中各數據波動較人員較少情況劇烈很多,為給學生提供更好的上課環境,我們做出提出建議：課間打開教室前部和后部各一扇窗戶與一扇門,并保持打開狀態5min(以下簡稱開窗情況),并實測該情況下課前課后的室內環境。

溫濕度變化差異不明顯,課前溫度基本相同時,課后溫度開窗情況比課間不開窗情況低1℃左右,濕度低6%左右,粉塵與CO2含量有很大不同,如圖5 所示。

圖5 中途通風時課前課后室內溫濕度變化

對于開窗情況課后的粉塵與CO2含量是中途無通風的一半左右,說明課中開門窗換氣的措施能極大降低人員密集場所粉塵與CO2含量大幅升高對室內的人帶來的影響。

繼續改變中途通風時間進行測量對比,發現當課中通風時間超過8min 時,溫度和濕度收到影響較大,可能是引起不適。建議中途換氣時間不超過8min,打開的窗戶數量與換氣時間可根據教室內人數與人數/空座數跳整。

3 基于客觀數據的熱環境舒適分析

3.1 預測平均評價

為了量化人的冷熱感,本次調研采用具有代表性的熱環境綜合性評價指標——預測平均熱反應PMV 評價指標[3],其中人的熱感覺與人體熱負荷之間關系的實驗回歸公式[4]：

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.0275]TL

因供暖時期窗戶緊閉,取風速v=1.0m/s,每個教室溫度與濕度取一天中不同時間段的平均值作為該教室日間溫濕度,得到每個教室的PPD 數值,見表3。

表3 各教室的PMV 值

3.2 預測不滿意百分比

為了預測教室室內環境中所有人群的感受情況,本次調研采用預測不滿意百分比PPD 指標進行分析,其中不滿意百分比PPD 采用公式：

PPD=100-95exp[-(0.3353÷PMV4+0.2179PMV2)]

代入PMV 數據得到PPD 值如表4 所示。

表4 各教室的PPD 值

4 主觀調查結果與分析

本次調研參考相關資料,結合教室室內環境情況,最終選用“問卷星”平臺,發布了關于“某高校丹青樓教室室內環境舒適度調查表”的調查問卷,內容包括了熱感覺、濕感覺、異味、光照等,通過掃描二維碼進入填寫頁面。本次調研共收到110 份有效問卷,110 名被調查者都為學生,男性占39.09%,女性占60.91%。

4.1 熱感覺調查結果

本次調研采用ASHRAE 7 點標度,-3、-2、-1、0、+1、+2、+3 分別為冷、涼、較涼、適中、較暖、暖、熱。熱感覺調研結果：36.36%的人認為教室內熱環境適中,16.36%的人認為較涼,10%的人認為涼,21.82%的人認為冷,10.91%的人認為較暖,3.64%的人認為暖,0.91%的人認為熱。

4.2 濕感覺調查結果

與熱感覺一樣,濕感覺采用ASHARE 7 點標度表示,-3、-2、-1、0、+1、+2、+3 分別為很干燥、干燥、較干燥、舒適、較潮濕、潮濕、很潮濕。濕感覺調查結果：11.82%的受試者認為很干燥,17.27%的人認為干燥,40.91%的人認為較干燥,24.55%的人認為舒適,5.45%的人認為較潮濕,大多數受試者覺得教學樓室內環境偏干燥。

4.3 教室室內異味

因調研時間處于嚴寒地區冬季供暖期間,教室窗戶緊閉,通風相對較差,空氣流通減少,有53.64%的人認為教室內存在輕微異味,16.36%的人認為教室內存在較強的異味,30%的人認為教室內沒有異味。

4.4 教室室內粉塵

該教學樓每天有保潔人員進行1-2 次定時清掃,39.09%的受試者覺得教室內無粉塵感,50%的受試者覺得教室內存在輕微灰塵,10.91%的受試者覺得教室內異物感明顯,該教學樓清掃工作基本符合學生需求。

4.5 教室室內光照情況

關于教室內明暗程度,本次調研,7.27%受試者認為室內過暗,40.91%的受試者認為有些暗,45.45%的受試者認為亮度適中,看室內黑板比較清晰,6.36%的受試者認為過亮。

4.6 教室室內環境總體滿意度調查結果與分析

對教室室內環境總體滿意度調查中,學生對教室室內環境的滿意度總體較高,比較認可,具體數據如圖6。

圖6 教室室內環境總體滿意度調查結果

4.7 結論與改進

通過本次對哈爾濱某高校室內熱環境實測中可以發現,學生對教室室內環境總體滿意度較高,根據調查結果,具體建議如下：

4.7.1 教室室內異味方面需要關注,建議每日保持一定次數的開窗通風,課中保持一定時間的通風后67%的學生認為沒有異味,總體滿意度上升15%。

4.7.2 教室室內溫度偏低,不滿足大多同學的熱舒適要求,尤其是2 樓教室溫度偏低,建議加強外門處入口的防冷風滲透,可以加裝熱空氣幕等。

4.7.3 學生普遍反映室內偏暗,可以根據實際要求調整感應燈的靈敏度,延長照明時間,或調整人工照明的布置。

5 結論

5.1 結合主觀與客觀結果分析,人員密集情況下,中途保持通風換氣對室內空氣質量改善較明顯,該做法可以應用至日常上課。

5.2 室內熱環境預測滿意度和實際調研滿意度不夠理想,PMV 值較低,PPD 值較高根據實測結果主要是溫度偏低,結合主觀客觀調查結果分析得,需適當加強冬季教學樓供暖。

5.3 冬季供熱期間室內相對濕度較低,學生感覺較干燥,可采取適當加濕方式(如加設加濕器、灑水等策略)提高室內相對濕度,使室內環境更加舒適。