桂林某高校图书馆冬季室内热环境与热舒适性研究

郑文亨,苏绍映,李倍宇,李梅香,何智鹏

(桂林电子科技大学 建筑与交通工程学院,广西 桂林 541004)

作为大学校园核心场所的图书馆,是学生常去的阅读和学习之地,具有学生停留时间长和人员密度高的特点,其室内热舒适性优劣直接影响到室内人员的学习效率高低。为此,研究满足健康和高效要求的校园图书馆室内环境条件显得十分重要。

目前关于热舒适的研究,多数学者主要通过对住宅、办公建筑、商场等场所展开大量的现场调查[1-9],得到不同地区的人体热舒适需求和热适应特征,对于高校图书馆的热舒适性研究相对较少[10-11],尤其是针对夏热冬冷的南部地区高校图书馆的热舒适性研究。为此,笔者尝试对桂林某高校图书馆进行现场调查与分析,初步探究该地区高校图书馆冬季室内热环境情况,寻找该类建筑内的中性温度和可接受温度范围,为高校图书馆的设计提供依据。

1 研究方法

1.1 桂林地区气候特点

桂林地处南岭山系西南部, 广西壮族自治区东北部, 湘桂走廊南端, 属亚热带季风气候。 年平均气温为19.3 ℃， 七八月最热, 月平均气温为28 ℃；

1月最冷, 月平均气温7.9 ℃。 年平均相对湿度为73%～79%。

1.2 数据采集

调研于2016年12月中旬至2017年1月中旬进行,期间共进行了10天的现场调查测试,测试时间段为9:00—17:00,地点为桂林市某大学的图书馆。该图书馆地上4层,地下1层,建筑面积约41 000 m2,调研中先后涉及1～4层的不同区域。测试内容主要包括现场问卷调查和环境参数测试两部分,测点高度取1.1 m,对应人体坐姿的头部高度。于自然通风状态下进行测试。

1.2.1 现场环境参数测试 在问卷调查的同时也进行了现场环境参数测试, 主要包括室内外空气流速、 空气温度、 相对湿度及室内辐射温度。 所用仪器为MI6401热舒适度测量仪, 精度如表1所示。

表1 仪器测试范围及精度

1.2.2 现场主观问卷调查 从图书馆内的学生中随机选择受试者,问卷调查内容主要包括:(1)被测试学生的基本情况,包括性别、年龄、停留时间等;(2)受试者的衣着情况和活动量,包括上装、下装情况及活动状态等;(3)人体的热感觉和热舒适调查，包括学生的热感觉和对室内环境的满意程度,对潮湿状况、风速等的主观评价,其中热感觉的投票值采用ASHRAE(美国供暧、制冷与空调工程师学会)七级指标表示[12]。

2 调查结果与分析

2.1 样本情况

通过现场调查测试,共得到664份有效调查问卷。受试者中男生389人,男生占比58.6%、女生占比41.4%,女生比例略低于男生。受试者年龄分布为18～25岁,接受调查时在馆内停留时间均超过0.5 h,其中停留时间超过2 h的受试者比例为58.9%。

2.2 室内外环境参数

室内外环境参数统计结果见表2。可知,冬季室内外空气温度的均值分别为19.9、13.3 ℃,室内外相对湿度的均值分别为49.7%和68.2%。室外空气温度在8.1～17.9 ℃,可基本代表桂林市冬季室外温度的变化。

表2 室内外环境参数统计结果

图1～图3为调研期间室内外空气温度和相对湿度的分布频率及潮湿感接受率。调查测试期间,室外温度主要分布在11～16 ℃,占调查总数的93%以上；室内温度低于18 ℃的温度段占总数的30.6%,说明调研期间室内温度有近1/3的时间低于《民用建筑室内热湿环境评价标准》(GB/T 50785—2012)中规定的非人工冷热源热湿环境室内体感温度18 ℃的下限。室内相对湿度大多分布在30%～70%,但室外相对湿度大多超过70%。受试者对室内湿环境感到满意的潮湿感投票为微湿、正好、微干,分别占总数的10%、61%、24.7%,仅有4.5%的人认为图书馆干燥,说明绝大多数的受试者对馆内的潮湿感表示接受,约占总数的95.5%。

图1 室内外温度及频率分布Fig.1 Indoor and outdoor temperature and frequency distribution

图2 相对湿度及频率分布Fig.2 Relative humidity and frequency distribution

图3 潮湿感投票结果Fig.3 Wet feeling voteing

图4和图5为图书馆室内空气流速频率分布与吹风感投票结果。导致室内产生不适宜吹风感的最低风速约为0.25 m/s[13]。调查测试期间的室内风速均低于0.25 m/s,说明图书馆内的风速符合人体对室内空气流速的舒适要求,但仍有2%的受试者觉得有不适宜吹风感,20.5%的受试者感到闷。这是由于人对吹风的感觉不仅与气流速度有关,还与室内环境的温度、气流的分布状态以及受试者自身所处的热状态等因素有关。

图4 室内空气流速及频率分布Fig.4 Indoor air flow rate and frequency distribution

图5 吹风感投票结果Fig.5 Blowing feeling voteing

2.3 服装热阻与人员活动水平

受试者的衣着情况在问卷调查中进行了详细的记录, 参考ISO 7730:2005[13]标准确定每种服装类型的热阻值, 并根据ASHRAE[14]规定的组合服装热阻计算标准进行累加计算, 得到本次调查测试受试者的服装热阻范围为0.57～1.36 clo, 平均值为1.01 clo, 分布情况见图6。

其中,92.3%的被测试者的服装热阻在0.8～1.3 clo。整体而言,受试者的服装热阻分布较广且整体较低,这是因为桂林位于夏热冬冷区最南端，冬季较为暖和，同时也与受试者多来自于广西地区、长期处于湿热气候环境下的穿衣习惯有关。

测试期间,受试者主要是坐着学习或偶尔在室内活动, 属于轻体力活动类型, 新陈代谢率平均为1.2 met[15]。

图6 冬季图书馆服装热阻分布频率Fig.6 Winter library clothing thermal resistance distribution frequency

2.4 平均热感觉与中性温度

图书馆内学生的热感觉分布频率如图7所示。有50.9%的学生热感觉投票为0(适中),14.8%的热感觉投票为+1(微暖)，17.5%的热感觉投票为-1(微凉),对于偏离中性较大的其他热感觉投票共占16.8%。若将投票在-1、0 和+1的比例表示认为可接受的热感觉,那么有83.2%的学生对图书馆室内热感觉表示可接受。

图7 热感觉投票的分布频率Fig.7 Distribution frequency of hot feeling voting

采用温度频率法[16]将室内测点温度以0.5 ℃为间隔分成若干操作温度区间, 操作温度to的计算公式

to=Ata+(1-A)tr,

(1)

式中：ta、tr分别为室内空气温度和平均辐射温度, 系数A从《民用建筑室内热湿环境评价标准》(GB/T 50785—2012)附录D表D.0.2中选取。以每一区间的中心温度作为自变量, 每一个温度区间内的受试者的平均热感觉(MTS)值为因变量, 通过线性回归分析, 得到平均热感觉投票值MTS与操作温度to的关系, 如图8所示。

图8 MTS与操作温度to的线性回归分析曲线Fig.8 Linear regression analysis curve of MTS and operating temperature to

回归方程(相关系数R2=0.738 6)为

MTS=0.166 8to-3.285 3。

(2)

令MTS=0，求解得到室内的热中性温度为19.7 ℃, 与调研期间的室内平均温度19.9 ℃相近,80%满意度的热舒适温度范围为13.7～25.7 ℃。

2.5 热接受率与热舒适区间(PPD与操作温度拟合分析)

以热感觉投票值为-1、0、+1的人数占该温度区间内所有投票人数的比例为实测的热可接受率,根据图7的热感觉投票的分布频率可知,有83.2%受试者对图书馆室内环境感到满意。将操作温度to作为自变量,预测不满意比例(PPD)作为因变量,通过回归分析,得到预测不满意比例(PPD)与操作温度to的关系,如图9所示。

图9 PPD与操作温度to的回归分析曲线Fig.9 Regression analysis curve of PPD and operating temperature to

回归方程(相关系数R2=0.810 0)为

PPD=0.846 7to2-40.369 4to+491.558 0。

(3)

在ASHRAE标准和ISO 7730:2005标准中有80%的测试者可接受时说明室内热环境处于舒适状态, 也即预测不满意比例PPD≤20%时的温度范围属于可接受温度范围。 令PPD≤20%时，求得室内可接受温度范围为20.5～27.2 ℃。

3 讨 论

3.1 平均热感觉投票(MTS)与预测平均热感觉(PMV)对比

将实测的室内空气温度、相对湿度、空气流速、黑球温度、服装热阻和新陈代谢率等数据代入PMV计算程序,可计算得到预测平均热感觉PMV,将得到的PMV值和对应操作温度to进行回归,得到如图10所示的关系曲线。

图10 PMV与操作温度to的线性回归分析曲线Fig.10 Linear regression analysis curve of PMV and operating temperature to

预测平均热感觉PMV与操作温度的回归方程(相关系数R2=0.809 9)为

PMV=0.228 2to- 5.350 3。

(4)

令PMV=0, 可以得到室内PMV预测热中性温度为23.4 ℃,80%满意度的热舒适温度范围为19.1～27.8 ℃。

由图8和图10可以看出,MTS与PMV的线性回归曲线的形式变化趋势基本一致,但PMV回归曲线的斜率明显大于MTS的回归曲线,通过PMV预测得到的热中性温度明显高于实测的热中性温度,说明受试者对当地气候环境具有较好的适应性,冷适应能力要比预测值高。同时也说明采用适用于稳态环境的PMV指标来评价自然通风建筑时,评价结果与实际情况会有一定的偏差。

4 结 论

通过对桂林市某高校图书馆冬季热舒适调查分析,得到以下结论:

(1)在自然通风环境下,冬季热中性温度为19.7 ℃,低于PMV模型预测的热中性温度23.4 ℃,两者相差3.7 ℃，表明PMV模型预测的热感觉与实际感觉存在一定偏差。

(2)80%学生可接受的温度范围为13.7～25.7 ℃,受试者满意率为83.2%,说明图书馆室内环境基本能够满足人体热舒适。可接受室内温度下限较低,主要原因是桂林属于夏热冬冷地区的最南端,冬季室外平均气温较高,学生通过服装调节、心理适应等方式适应冬季偏冷的环境。

(3)图书馆有95.5%的学生可接受室内空气湿度,无需对室内进行除湿处理。室内空气流速基本满足人体的热舒适要求,但仍有20.5%的学生感觉风速不够,应在适当时段开启窗户引入新鲜空气。