夏热冬冷地区教学楼夏季室内热环境研究——以安徽工程大学为例

付晓惠,王惠

夏热冬冷地区教学楼夏季室内热环境研究
——以安徽工程大学为例

付晓惠,王惠

（安徽工程大学建筑工程学院,安徽芜湖241000）

以位于夏热冬冷地区的安徽工程大学典型教学楼为研究对象,利用现场实测方式对教学楼室内外热环境构成要素中的温度、相对湿度以及风速进行监测,通过分析测得的数据,提出相应的节能改进措施.结果表明：教学楼室内外温湿度曲线变化趋势一致；室内空气温度最高值出现在南向教室晚上19时左右,为30.8℃；室内空气相对湿度最高值出现在北向教室上午7时左右,为81.9%；北向教室室内通风情况优于南向教室.可通过增设建筑遮阳设施与导风构件、提高门窗隔热性能、增加绿化等几个途径改善室内热环境.

夏热冬冷地区；教学楼；热环境

为了彻底贯彻“人才强国”及“科教兴国”的战略,自20世纪末以来,高校连续多年进行扩招.随着学校规模不断扩大,许多院校面临着现有教学设施不足,难以承载实际教学需求的严峻挑战.为了应对当前困境,全国各大院校纷纷选择新建、扩建或者改建教学楼来缓解不断增长的教学需求压力,随之而来的高校教学楼建筑能耗问题也日渐突出.在能源短缺与教学发展之间的矛盾日益尖锐的情况下,高校必须坚持集约型发展原则,切实做好科学用地,提高资源使用率,降低建筑能耗,努力建设节约型校园.高校作为教育及科研的先锋,在促进高校可持续发展的同时,也要为实现社会可持续发展起到表率作用.本文以安徽工程大学西区的2号教学楼为研究对象,通过对教学楼室内外热环境构成要求进行测量和分析,提出相应的节能措施,并为同类型建筑的节能改进提供参考.

1 教学楼的主要特征

1.1 教学楼的使用功能简单,空间组成单一

按照空间使用性质,可以将教学楼的主要构成分为3个部分：①主要使用部分,如普通教室、阶梯教室、报告厅、教师休息室等；②次要使用部分,如值班室、卫生间、储藏间、设备用房等；③交通联系部分,如门厅、过厅、走廊、楼梯间、电梯厅、中庭等[1].

1.2 教学楼的使用周期明显,使用人群集中

学校开学和放假时间相对固定,教学楼在一年当中的最热月与最冷月都处于闲置状态.在学期中时,为了方便教学管理,教学楼的使用时间也相对固定.除了个别夜间自习教室,教学楼的使用时间主要集中在上午7时至夜间22时之间.此外,教学楼的使用人数较多,人流活动集中,课间换班及休息多集中在走廊、门厅或者过厅等交通空间.因此,在教学楼设计中对于公共交往空间的重视程度也在日益增长,交通空间的尺度通常较为宽松,以形成一定的缓冲空间,避免人流交叉拥堵.

1.3 教学楼室内热环境受外界因素影响明显

教室通常对光环境要求相对较高,既要有足够的照度,又要保证其分布均匀,避免眩光.因此,相较于普通公共建筑,教室开窗大且分布均匀,以便获取足够的天然采光,满足正常教学的使用需要.由于教学楼建筑窗户面积大,且其热工性能较差,使得室内热环境受外界环境因素影响较明显,从而直接影响到人体的热舒适度,也间接影响到教师的教学质量和学生的学习效率.此外,由于教室使用人数较多,人员进出频繁,人为因素对室内热环境的影响也不容忽视.

2 研究对象概况

我国地缘辽阔,不同地区的气候特征差异明显.《GB 50176—1993民用建筑设计规范》从建筑热工角度把全国划分为5个分区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区.芜湖位于安徽省的东南部,长江下游南岸,北纬31.3度,东经118.4度,属亚热带湿润季风气候,四季分明,光照充足,雨量充沛但分布不均匀,主要集中在初冬、春季以及梅雨季节.芜湖的基本气候参数[3]见表1.

表1 芜湖基本气候情况（1971—2000）Tab.1 Wuhu basic climate conditions（according to data from 1971 to 2000）

由表1可知：芜湖最热月出现在7月或8月,平均气温超过28℃,历史极端最高气温接近40℃；最冷月出现在1月,月平均气温为3℃,历史极端最低气温为-10℃.可以看出芜湖是典型的夏热冬冷地区城市,因此在考虑夏季隔热时,也要适当兼顾冬季保温要求[2].

本文所选取的研究对象为芜湖市区内的安徽工程大学西区2号教学楼（见图1）.该教学楼是一个多层框架结构的单体建筑,主要由普通教室、阶梯教室、教辅办公室及一个可容纳220人的小型报告厅组成.建筑朝向为南偏东5°,建筑平面采用分隔性的空间组合形式,以内外廊相结合的方式将各个房间组织在一起,建筑整体呈“口”字形布局,主要使用房间沿用地南北两侧布置,交通联系紧密,围合形成的中间内庭院东侧局部开敞,庭院内部全部为硬质铺装,无任何绿化（见图2）.

图1 教学楼首层平面及测点布置示意图Fig.1 The firstfloorplan and measure pointofthe teaching building

图2 教学楼内庭院Fig.2 The courtyard ofthe teaching building

3 现场实测

芜湖地区全年最热月为7—8月,且由于7月上旬已经进入学期末考试周,学生使用教室频率增加,教室室内热环境舒适度会直接影响到学生的期末复习状态.因此,此次测试时间选定为2016年7月8日上午8时00分至7月9日上午8时00分.测试期间天气多云,微风.用便携式温湿度电子记录仪和热球式风速仪,对当天室外、2号教学楼的102与106两间教室的温度、相对湿度及风速进行多点实测,仪器布置在地面以上0.8 m处的工作面上,温湿度记录仪设置为每隔5 min测试记录一次,风速测定间隔时间同样为5 min.测试期间教室为自然通风状态,测点布置示意图见图1.每个时段的温度、相对湿度及风速值取该时段所有测点数据的平均值.

4 结果与分析

4.1 温度

室内外温度测试结果见图3.

图3 夏季全天教室室内外温度曲线Fig.3 Indoor and outdoortemperature curves ofthe classroom allday in summer

由图3可知：室外空气温度变化范围约为25～32℃.最低值出现在上午5时左右,温度为25.1℃；最高值出现在下午17时左右,温度为32.2℃.教学楼南向教室（106）室内空气温度变化范围为27～31℃.最低值出现在上午6时左右,温度为27.0℃；最高值出现在晚上19时左右,温度为30.8℃.教学楼北向教室（102）室内空气温度变化范围为27～30℃.最低值出现在上午6时左右,温度为27.2℃；最高值出现在晚上19时左右,温度为30.3℃.

从总体上看,教学楼室内外温度曲线变化趋势类似,室内日温差小于室外日温差,室内外温度最低值与最高值出现时间存在大约1～2个小时的时差,这是由于围护结构本身的热惰性所致.教学楼南向教室（106）与北向教室（102）室内温度曲线变化趋势趋同,最低温及最高温出现时间基本一致.南向教室（106）室内温度在绝大部分时间略高于北向教室（102）,下午时段表现更为明显,温差最大值出现在下午15时左右,温差为0.8℃.教学楼南北向教室室内平均温度存在温差是由于南向教室南侧窗户外部无任何遮阳构件,且开窗面积较大,夏季日间大量太阳辐射能够毫无阻碍地透过玻璃窗直接进入室内,同时墙体本身也吸收大量太阳辐射升温,从而向室内不断辐射热量,导致室内温度升高,下午时段表现尤为明显.北向教室南侧窗户为高侧窗且开窗面积小,其南向外廊本身可起到遮阳作用,一方面能够阻止过多太阳辐射直接进入室内,另一方面也避免南侧墙体长时间暴露在太阳辐射直接照射下,从而减少太阳辐射对室内温度的影响.

4.2 相对湿度

室内相对湿度测试结果见图4.

图4 夏季全天教室室内外相对湿度曲线Fig.4 Indoor and outdoor relative humidity curves ofthe classroom allday in summer

由图4可知：室外空气相对湿度变化范围约为68%～91%.最低值出现在下午15时左右,相对湿度为68.8%；最高值出现在上午7时左右,相对湿度为91.2%.教学楼南向教室（106）与北向教室（102）室内空气相对湿度曲线变化趋势基本一致,变化范围为73%～82%.两个教室的空气相对湿度最低值均出现在下午14时左右,南向教室（106）为73.1%,北向教室（102）为73.0%；两个教室的空气相对湿度最高值均出现在上午7时左右,南向教室（106）为81.6%,北向教室（102）为81.9%.

从总体上看,教学楼室内外空气相对湿度曲线变化趋势一致,室外空气相对湿度差值大于室内空气相对湿度差值,1时至10时这一时段表现相对较为明显,平均差值约为6.7%.两个教室的空气相对湿度曲线变化基本一致,南向教室（106）空气相对湿度整体略微高于北向教室（102）,但差值很小.两个教室均全天保持自然通风,室内空气相对湿度受室外空气相对湿度影响较大,因此变化趋势基本一致,但通风状况受窗面积限制,室内空气相对湿度峰值在出现时间上略有差异.

4.3 风速

室内风速测定结果见表2,风速分布见表3.

表2 教室平均风速Tab.2 The mean wind speed in classrooms m/s

表3 教室风速分布Tab.3 The distribution ofwind speed in classrooms%

由表2和表3可知：总体上看,北向教室（102）室内通风情况优于南向教室（106）,平均风速分别为1.81 m/s和1.34 m/s,且两个教室绝大部分时间风速低于2.0 m/s.两个教室靠近外窗位置的4号测点平均风速整体高于房间其他位置,靠近内墙中部的5号测点平均风速最低.房间中部的2号测点平均风速相对于1号及3号测点要低.有研究表明,随着房间进深的逐渐增大,通风效果会越来越不理想[4].南向教室（106）进深要比北向教室（102）大很多,通风效果相较而言更不理想.两个教室均采用侧窗形式,但靠近内侧走廊一侧为高侧窗,且侧窗面积较小,对流效果不明显,因此导致教室内侧中部的5号测点风速较低,而靠近外窗的4号测点通风条件比教室其他几个测点要好一些.教室前端的1号测点及后端的3号测点由于门窗对开形成对流,通风状况比教室中段的2号测点要好一些.

5 节能改造建议

通过对此次实测结果的分析,结合夏热冬冷地区的相关气候特征及学校实际情况,提出合理选择建筑遮阳设施、改善室内通风状况、提高门窗隔热性能及增加绿化等建议.

5.1 合理选择建筑遮阳设施

合理设置遮阳设施能够有效减少太阳辐射进入室内从而引起室内温度过高的现象.建筑遮阳构件根据其安装位置可以分为外遮阳、内遮阳及中间遮阳.相对而言,外遮阳设施效果最好.相关研究结果表明,建筑外遮阳可以将总太阳辐射量的60%～80%直接反射或者吸收掉,避免室内得热过多,有效降低室内温度3～6℃,减少夏季空调制冷能耗[5].此外,将相同的布帘或软百叶帘等内遮阳设施改为外遮阳设施后,传入室内的热量将由60%降低至30%[6].因此,可考虑将教学楼南向教室的内布帘更换为浅色外遮阳设施.遮阳形式可选择水平遮阳百叶与挡板相结合的形式,在满足遮阳的同时不影响室内采光,而北向教室由于其南侧外廊已有很好的遮阳效果,无需另设遮阳设施.

5.2 改善室内通风状况

空气流经房间时会带走大量热量.影响空气流速的主要因素包括进出风口的面积、位置、室外风速及风向等.芜湖地区夏季空气相对湿度较大,昼夜温差及平均风速较小,室内通风效果不理想.改造时,可利用风压通风原理为室内引进对流通风来提高人体舒适度.当空气流经建筑物时,迎风面形成高压区,背风面形成低压区,气流速度取决于进出口之间的压力差.建筑朝向与主导风向垂直时,压力差最大,风速最大,因此建筑迎风面房间通风条件较好,而背风面房间通风状况往往不太理想.此外,当房间进深较大时,室内通风条件往往较差.在建筑朝向及房间进深无法更改的前提下,仍可采用在建筑迎风侧的窗户设置导风构件如翼墙等方式,以改变建筑物周围的风压分布,引导风沿着与主导风平行的方向流过窗户,并提高空气流速,从而改善室内通风状况.翼墙尺寸确定应根据开窗尺寸及间距确定,当建筑采用外遮阳时,应考虑将二者进行整合设计.

5.3 提高门窗隔热性能

围护结构的保温隔热性能直接影响着室内热环境,而建筑门窗则恰恰是建筑能耗最薄弱的部分.目前教学楼南侧教室已经全部安装空调制冷设备,然而教室原有普通门窗材料的隔热性能较差,导致空调能耗较大.改造时可根据需要更换选用节能门窗产品,如选用外层Low-E镀膜玻璃或单层镀膜玻璃窗等,以减少建筑空调能耗.虽然节能门窗产品造价相较于普通门窗要高很多,但从长远及整体角度来看,仍能有效降低建筑运营成本.

5.4 增加绿化

下垫面的材质对室外热环境影响很大.2号教学楼内庭院地面采用陶瓷地砖铺面,夏季白天太阳辐射强度大,材料吸收大量太阳辐射致使表面温度较高,材料与空气的换热强度大,同时,温度较高的地砖不断向周围空间发射长波辐射从而引起周围温度升高.此外,陶瓷地砖材料透水性差,降水过后地表雨水被排水管道快速排离,地面水分蒸发量小,导致水分蒸发潜热较少,而相对于材料表面升温向空气传输的显热则较多.因此,可以适当减少内庭院地面硬质铺装面积,增加绿化面积.植被作为调节室外热环境的重要手段,可以起到对周围环境降温增湿的作用.它通过对太阳辐射的吸收和反射,以及利用植物的光合作用和叶片蒸腾作用,将部分太阳能转化为化学能,并消耗大量蒸发潜热,从而降低周围空气温度.

此外,除了上述被动措施之外,在建筑的日常使用管理过程中,应注意人为因素对室内热环境的影响,如夏季空调开启期间,使用者应注意保证教室门窗关闭严实,根据室外气候变化及时调整空调设置温度,从而降低空调负荷节省能源等.

6 结语

高校教学楼夏季室内热环境设计应根据建筑所在地气候特征及实际使用需求,合理选用建筑节能技术策略,首选被动式节能技术策略来改善室内热环境,如合理布置建筑布局与朝向、建筑遮阳设施及中庭等措施.当上述策略仍无法满足使用需求时,应结合主动式节能技术策略,合理选用机械设备,共同为使用者营造出一个舒适、健康、卫生的室内环境.

[1]张文忠.公共建筑设计原理[M].北京：中国建筑工业出版社,2008：24.

[2]民用建筑热工设计规范：GB 50176—1993[S].北京：中国建筑工业出版社,1993：11.

[3]国家气象中心气象资料室.中国气象资料1971—2000整编成果[DB/OL].（2005-04-25）[2017-01-05].http://data.cma. cn/data/detail/dataCode/SURF_CLT_CHN_MUL_MMON_19712000.html.

[4]卓高松.夏热冬冷地区绿色办公建筑的被动式策略研究[D].北京：清华大学,2013：26.

[5]建筑遮阳工程技术规范：JGJ 237—2011[S].北京：中国建筑工业出版社,2011：37-39.

[6]李峥嵘,赵群,展磊.建筑遮阳与节能[M].北京：中国建筑工业出版社,2009.

（责任编辑：邓天福）

Study on indoor thermal environment in summer of teaching building in hot-summer and cold-winter zone

FU Xiaohui,WANG Hui
（College ofArchitecture and Engineering,AnhuiPolytechnic University,Wuhu 241000,China）

A typical teaching building of universities which was located in hot-summer and cold-winter zone was taken as the research object in this paper.The method of field measurement to monitor the factors of the indoor and outdoor thermal environment including temperature,relative humidity and wind speed was taken use of,and the field measurement data was collected and analyzed.Overall,the indoor and outdoor temperature and humidity curves of the teaching building were consistent,the highest value of indoor air temperature was 30.8℃in the south classroom at around 19 pm；the highest value of indoor air relative humidity was 81.9%in the north classroom at around 7 am；the indoor ventilation of the north classroom was better than the south one,and then they were proposed by adding the building shading facilities and the wind guiding components,improving the thermal insulation performance of doors and windows and increasing the greening and so on to improve the indoor thermal environment.

hot-summer and cold-winter zone；teaching buildings；thermal environment

TU111.3

A

1008-7516（2017）02-0034-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.02.008

2017-01-05

安徽省高等教育提升计划自然科学研究一般项目（TSK2016B28）；安徽工程大学青年科研基金（2015YQ07）

付晓惠（1986―）,女,河北石家庄人,硕士,助教.主要从事绿色建筑设计研究.