上海地区不同建筑布局形式教室冬季室内空气环境的实测研究

张宁波， 亢燕铭， 钟 珂

(东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620)

上海地区不同建筑布局形式教室冬季室内空气环境的实测研究

张宁波， 亢燕铭， 钟 珂

(东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620)

对上海地区围合式与非围合式建筑形式的教室冬季室内热环境和CO2浓度进行了实测，给出了不供暖教室的空气环境特征，分析了建筑布局形式对教室冬季室内热环境和空气品质的影响．结果表明，在上海地区，不论建筑形式如何，不供暖关窗教室热环境67.8%的时间均能满足基本热舒适要求，但空气品质恶劣，53.7%的时间CO2浓度超过国家标准限值．在相同条件下，围合式建筑教室的较大冬季冷风渗透量使得其冬季室内温度低于非围合式建筑．

教室；高人员密度；围合式建筑；热环境；空气品质

教室是学校建筑最重要的功能区．教室的重要特点之一是人员密度高，人是室内主要热源和污染源(散放可挥发性有机物、水蒸气和CO2)．在拥挤空间中，大通风换气率对提高空气品质是很有必要的，但同时也可能会引起大的能量损失(对于供暖和供冷房间)或恶劣的热环境(对于无供暖和无供冷系统的房间)．人员密度大的特征使得教室空气品质与热舒适和建筑节能之间的矛盾比其他功能的建筑更加尖锐．

人们对处于成长期的青少年所处的室内空气品质尤其关注，文献[1-7]针对教室内的空气品质和热环境进行了研究．但这些研究都是以炎热及温暖气候下自然通风或房间有供暖与供冷设施为背景的，这种情况下空气品质与热舒适需求之间的矛盾或者不存在或者可以通过提高建筑能耗解决．而关于冬季寒冷地区不供暖教室的室内空气环境的研究很少[8]，这种情况下，空气品质与热舒适之间的矛盾难以解决，学生只能在空气品质恶劣和热舒适性差之间进行取舍．

上海地区尽管具有冬冷的特征，但由于冬季时间不长和经济原因，其学校建筑多为自然通风建筑，较为常见的建筑布局形式为围合式和非围合式，通常不设置机械通风、供暖和供冷系统．文献[9-11]的研究表明，由于热压的作用，围合式建筑(庭院)的房间自然通风效果好于非围合式建筑．但自然通风只能降低室内的污染物浓度，如果没有主动加热设施，在冬季很难同时保证良好空气品质与热舒适需求．

近20年，我国许多大学在新校区规划中，较多地采用围合式建筑，因此，本文通过对上海某高校围合式和非围合式教室的CO2浓度与空气温湿度的实际测量，找出无供暖措施的教室空气环境特征，以分析上海地区建筑布局形式对教室冬季室内热环境和空气品质的影响．

1 测量条件与方法

以位于上海市西南郊区的松江大学城某教学楼为背景展开实测．实测建筑结构分为A、 B两区，其中A区为围合式建筑，B区为非围合式建筑，如图1(a)所示．两种布局的建筑外围护结构的窗墙面积比和整体保温性能完全相同．

A区建筑为4层，B区建筑为5层，两区教室的层高均为4.8 m，窗墙面积比均约为70%．A区建筑在庭院顶部装有非完全封闭的玻璃顶棚，玻璃顶棚平面面积约为744.5 m2，顶棚侧面常开通风口的面积约为248.4 m2，如图1(b)所示．

为分析两种建筑布局下教室冬季室内热环境和空气品质，分别对A区和B区的典型房间进行了连续实测．被测教室均选在3层，其位置如图1(a)所示，其中教室A-N和B-N终日接收不到太阳辐射，教室A-S基本不受相邻建筑遮挡，故与教室B-S日照时间基本一致．

(a) 建筑平面布局及测点布置 (b) 建筑玻璃顶棚及侧面通风口

测量仪器为美国TSI公司的7565-X型便携式Q-Trak空气品质监测仪，可同时实测空气温度、湿度及CO2浓度等参数．实测期间，同时记录室外空气温度、相对湿度等气象参数，并分别记录A区和B区各实测教室内人数．

由于建筑布局、室内人员密度对室内温湿度和空气品质均有很大影响，故分别对教室无人和上课时的室内空气环境进行测量，以便对建筑布局和人员密度对教室空气环境的影响分别进行分析．实测时，仪器放置于课桌上，探头离地高度约为1.1 m．无课且无人时，测试仪置于教室中间位置；有课时，仪器放置在教室第一排的中间位置，并保证探头离最近学生的水平距离大于1 m．各测点的数据采样间隔为5 s，数据储存间隔为1 min，即每个数据均为1 min内12个测量值的平均值．

2 结果与分析

2.1 无人条件下不同建筑布局教室热环境

在教室门窗完全关闭的情况下，于2012年2月15—17日(寒假期间)对无人使用教室的温度和湿度进行了连续3 d的测量．实测期间室外风速很小，风力均小于等于1级，大多数时间内为静风环境，因此，风力对建筑通风的影响，相对于热压对通风的影响可以忽略不计．实测3 d均为晴天，测量开始之前一星期室外气温一直稳定在4～12℃，因此，可认为围护结构蓄热对室内气温的影响，仅体现在白天对太阳辐射热的吸收和夜间对太阳辐射热的释放．图2为冬季A和B两区教室室内空气温度的逐时变化曲线．

(a) 有日照教室

由图2可知，无论有无日照，A、 B两种建筑布局形式室内气温的差别都很大．围合式建筑布局教室的室内气温都低于相应的非围合式建筑布局教室，特别是A、 B区有日照教室之间气温最高值相差4.0℃，温度最大值出现的时间相差1.5 h．可能因为在热压作用下，围合式建筑教室的自然通风驱动力比非围合式建筑的大，当门窗气密性相同时，围合式建筑的房间换气次数较大，造成房间流失热量较多，储蓄的太阳辐射热较少．

为了便于比较室外气象条件对不同布局形式建筑室内空气环境的影响，图3给出了围合式和非围合式建筑有日照与无日照教室室内温度差值随时间的变化曲线．由图3的结果可以发现，任一测试日，B区有无日照房间之间的温差都大于A区，同样说明了A区在热压作用下的自然通风效果良好，减少了有日照房间对太阳辐射热的吸收和储存，从而降低了日照对室内气温的影响程度．

图3 有日照与无日照教室室内温度差值随时间的变化Fig.3 Variations of the indoor air temperature difference between classrooms with and without solar radiation

天气突然降温时，墙体的热惰性可阻止室内空气温度急剧下降．因此，在2月18日室外温度突然降低时(即对稳定室外天气条件下的测量完成后)，对教室内热环境进行了测量．图4(a)和(b)分别给出了室外气温下降时，冬季阴雨(2月18日)和晴好(2月19日)天气时不同建筑布局教室内空气温湿度的实测曲线．

由图4(a)可知，阴雨天气时(没有太阳辐射加热作用)，由于实测之前已有一星期相对较高温度的天气，使得建筑物墙体本身温度较高(即墙体蓄热)，故尽管室外温度突然降低了，但室内温度仍明显高于室外．而且，虽然A、 B两区建筑的围护结构蓄热性能完全相同，但B区无人教室内部温度仍明显高于相同朝向的A区教室，最高温度的差值约为1.5℃．另外，由图4(a)还可看到，由于建筑蓄热性能导致庭院内部温度延迟变化，2月18日在10：00之前，A区庭院温度高于外部温度，随后在A区庭院自然通风的作用下，庭院内外气温趋于相同．

图4(b)为寒潮第二天(2月19日)的实测结果，环境气温进一步降低，但为晴天且微风．由于太阳辐射的加热作用，庭院内温度约高于室外温度1.5℃， A区和B区教室内部气温都高于室外和庭院温度．与图4(a)的测量结果相同，B区无人教室内部温度仍明显高于A区教室，并且不同布局有日照房间室内温差最大值达到了5℃．由于室内无湿源，两天室内相对湿度均随着气温的升高而降低．

(a) 2月18日阴雨天气

(b) 2月19日晴好天气

图2和4的实测数据表明，建筑布局形式对室内热环境有很大影响，相同条件下，围合式建筑冬季室内气温低于非围合式建筑．

2.2 教室上课时A和B区建筑室内热环境和空气品质

由于实测教室没有装设供暖和供冷设施，为尽可能满足室内热舒适要求，不同季节的窗户开启程度不同．冬季，为防止自然通风带走过多的能量，通常上课时门窗完全关闭．

教室上课期间，照明灯具和人体散热是室内主要热源．由于教室照明灯具的功率为9～11 W/m2[12]， 故室内人员密度成为每个教室温、湿度不同的重要原因．忽略可挥发性有机物的散发，则人体呼出的CO2是室内唯一污染源．图5给出了冬季有课时不同室外天气情况下，实测各教室的室内温湿度和CO2浓度的变化情况．图5中灰色区域为无课时间，在上课时段，图中标出了满座率(即室内人数占座位数的百分比，可间接表示室内人员密度)，无课时教室内仅有很少人在自习，满座率都小于10.0%．

(a) 2月20日阴雨，南向教室

(b) 2月28日阴雨，北向教室

(c) 3月13日晴好，南向教室

(d) 3月21日晴好，北向教室

由图5可看出，随着上课时间的持续，室内人员散发的热量、水蒸气和CO2不断积聚，室内的温度、相对湿度和CO2浓度均持续升高，出现峰值且明显高于无课时情况，其中CO2的浓度甚至高达0.38%．室内人员密度(即满座率)越大，最终CO2浓度升高幅度越大．课间时，大部分学生离开教室，室内各参量急剧下降，特别是CO2浓度．由图5(a)还可看到，人员密度高时，尽管A区教室的人员密度为B区教室的1.1～1.2倍，但A区教室气温仍低于B区教室气温．对比图5(a)和(b)可看出，人员密度小时，尽管A区教室的人员密度是B区教室的1.3～2.2倍，但二者的气温却比较接近．这再一次表明围合式和非围合式布局建筑的房间通风热损失存在明显差别．由于两种布局建筑的外围护结构窗墙面积比和整体保温性能完全相同，故造成房间热损失不同的原因是围合式布局建筑房间的通风量较大．

2.3 冬季教室上课时空气环境的统计结果与改善方法

根据2.1～2.2节的实测结果可知，教室通风量和室内人员密度对教室内空气温湿度和CO2浓度的影响很大．为此，图6给出了上课期间教室满座率为50%～70%时(人均面积约为2.32 m2/人)的室内温度和CO2浓度实测数据的统计结果．

冬季在教室上课的学生的常见衣着情况为毛衣毛裤加羽绒服，服装热阻约为2.0 clo[13]，人体处于轻度劳动状态．由于门窗关闭，室内气流速度很小(低于0.05 m/s)．这种情况下，人体感觉舒适的气温为13℃[13]．

(a) 温度

(b) CO2浓度

由图6(a)可看到，在冬季实测期间，教室气温大于13℃的时间比例约为67.8%，即在学期最冷的上课时间里，让大多数人能够适应的热环境的出现频率将近70%．在上海地区，这样寒冷程度的时间并不长，约为2星期，对学生的有害影响是有限的．然而，教室冬季室内CO2浓度的情况不容乐观，从图6(b)可看出，仅有22.5%的时间低于我国国家标准[14]规定的0.10%的CO2浓度限值，有约53.7%的时间CO2浓度高于0.15%，而我国关于学校教室卫生的国家标准[15]规定教室的CO2浓度不得超过0.15%．显然，冬季上课期间，缺乏通风导致了教室内空气品质的恶化．

虽然对教室供暖、加强机械通风可同时解决热舒适和空气品质的问题，但由于能源现状的限制，对该地区的教室全面实行供暖和机械通风至少在可预见的未来是不现实的．

文献[2]的研究结果表明，将教学建筑中的辅助空间作为缓冲区对新鲜空气进行预热，可以得到明显的节能效果．根据本文的实测结果，太阳辐射使得庭院内空气温度比外部空气温度高1.5℃(见图4(b)，若将图1所示的通风口封闭，则庭院内气温将更高)．若关闭教室联通室外空气的窗户，打开教室联通庭院的门窗，就可使庭院成为对新鲜空气进行有效预热的缓冲区，在改善教室空气品质的同时，使室内热环境也得到相应保障．

非围合式建筑的冷风渗透热损失虽然小于围合式建筑(庭院)，但教室人员密度高，对通风量的极大需求使其冷风渗透量小的优点在教学建筑中不能发挥节能优势，同时又缺乏可以得到大量太阳辐射的通风缓冲区(庭院)．因此，非围合式建筑作为教学建筑不具备节能优势．

3 结 语

教室人员密度大，为保证空气品质需要较大的通风换气量，但这势必造成房间热损失过大．长江三角洲地区的绝大多数教室冬季不供暖，因此该地区教室空气品质与热舒适之间的矛盾比其他地区更加尖锐．本文以上海地区围合式与非围合式建筑为实测对象，通过对教室内热环境和CO2浓度的实测和分析，得到以下主要结论．

在上海地区，实测教室空气温度能够满足着冬装学生热舒适要求的时间约为67.8%，但有约53.7%的时间CO2浓度超过相关标准规定的0.15%限值，表明在上海地区，如果没有主动供暖措施，教室内空气环境只能满足基本热舒适要求，空气品质难以得到保证．由于不开窗通风，室内CO2浓度可能高达0.38%．

在热压作用下，围合式建筑教室的冬季冷风渗透量较大，不利于教室对已接收太阳辐射的储存和利用，使得相同条件下围合式建筑教室冬季室内温度低于非围合式建筑教室．

本文实测的围合式建筑庭院上方采用玻璃顶棚部分封闭，实测结果表明，晴天时庭院内空气温度比外部温度高1.5℃．若玻璃顶棚完全封闭，庭院内气温将更高．冬季非供暖房间空气品质与热舒适对通风量的需求恰好相反，充分利用庭院对新风的预加热作用，可成为解决这一矛盾的有效途径．

[1] KWOK A G, CHUN C. Thermal comfort in Japanese schools [J]. Solar Energy, 2003, 74(3): 245-252.

[2] BECKER R, GOLDBERGER I, PACIUK M. Improving energy performance of school buildings while ensuring indoor air quality ventilation [J]. Building and Environment, 2007, 42(9): 3261-3276.

[3] LIU S, YOSHINO H, MOCHIDA A. A measurement study on the indoor climate of a college classroom [J]. International Journal of Ventilation, 2011, 10(3): 251-261.

[4] 罗明智,李百战,徐小林.重庆夏季教室热环境研究[J].重庆建筑大学学报,2005,27(1):88-91.

[5] 王剑,王昭俊,郭晓男.基于神经网络的哈尔滨高校教室热环境特征模型研究[J].建筑科学,2009,25(8):89-93.

[6] 管勇,陈超.冬季兰州市高校教室热环境调查[J].环境与健康杂志,2010,27(2):159-160.

[7] 陶求华,李莉.厦门高校教室冬季热环境测试及热舒适预测[J].暖通空调,2012,42(4):72-75.

[8] 李百战,刘晶,姚润明.重庆地区冬季教室热环境调查分析[J].暖通空调,2007,37(5):115-117.

[9] RAJAPAKSHA I, NAGAI H, OKUMIYA M. A ventilated courtyard as a passive cooling strategy in the warm humid tropics [J]. Renewable Energy, 2003, 28(11): 1755-1778.

[10] 李念平,何东岳,李靖,等.中庭式住宅建筑热压通风的预测模型研究[J].湖南大学学报:自然科学版,2010,37(6):6-10.

[11] 亢燕铭,张宁波,寇丽,等.地面热力条件对庭院式建筑内部空气环境的影响[J].东华大学学报:自然科学版,2011,37(6):767-773.

[12] GB 7793—2010 中小学校教室采光和照明卫生标准[S].

[13] KANG Y, WANG Y, ZHONG K, et al. Temperature ranges of the application of air-to-air heat recovery ventilator in supermarkets in winter, China [J]. Energy and Buildings, 2010, 42(12): 2289-2295.

[14] GB/T 18883—2002 室内空气质量标准[S].

[15] GB/T 17226—1998 中小学校教室换气卫生标准[S].

Study on the Air Environment in Classrooms with Different Building Layouts in Winter, Shanghai

ZHANGNing-bo,KANGYan-ming,ZHONGKe

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The thermal environment and CO2concentration in classrooms with enclosed and non-enclosed building layouts in winter in Shanghai were measured, the air environment features of unheated classrooms were given, and the effects of building layout on the thermal environment and air quality in the classroom in winter were analyzed. The results show that in Shanghai, the thermal environment in an unheated classroom when its windows are closed can satisfy the basic thermal comfort requirements for 67.8% of the time no matter what the building layout of the classroom is, however, the air quality in such a classroom is poor, the CO2concentration exceeds the national standard limit for 53.7% of the time. The large amount of cold air infiltration from a classroom of an enclosed building in winter results in its indoor air temperature lower than that of a classroom of a non-enclosed building under the same conditions.

classroom; high occupant density; enclosed building; thermal environment; air quality

1671-0444(2015)05-0670-06

2014-06-08

国家自然科学基金资助项目(51478098)；上海市教育委员会科研创新资助项目(13ZZ054)

张宁波(1986—)，男，河南开封人，博士研究生，研究方向为建筑环境与空气品质．E-mail: zhang.ningbo@hotmail.com 钟 珂(联系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 111.1; TU 834.2

A