基于热舒适的张家口地区高校教学楼节能设计策略研究

梅 兰 张晓云 杨 薇

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

截至2020年，我国共有高等院校2688所，在校学生达到4002万人，学校建筑面积约10亿平方米[1].其中北方高校超过半数，规模大，占地广，寒地冬季采暖能耗大，节能形势严峻.冬季人们室内活动时间增多，舒适的室内热环境可以保障其身心健康，提高学习工作效率.研究数据显示，采暖房间室内设计温度每降低1℃，能耗可减少5%～10%[2].因此，本研究从人体对环境的适应性入手，在保证室内热舒适的前提下挖掘建筑节能潜力，以期对高校既有教学楼的节能改造和新建教学楼的节能设计提供一定的理论依据和数据支撑.

1 研究对象

张家口市地处河北西北部，属于温带大陆性季风气候，建筑热工分区的寒冷气候区，全年四季分明，冬季寒冷干燥，采暖期长.本次研究对象为张家口最具代表性高校河北建筑工程学院的主教学楼.该教学楼为框架结构，坐北朝南，层数为地上8层，地下一层.建筑布局为中间廊式，教室分列南北两侧.教学楼为公共教学楼，使用频率高，能耗较大，在建筑节能方面有提升潜力，在室内热舒适性上有改善空间.

2 调研方案

2.1 调研样本选取

本次调研样本选取主教学楼内不同楼层、不同方位以及不同使用性质的6间教室，教室编号分别为116、303、501、503、507、516，教室相对位置及测点布置见图1.

图1 教室相对位置及测点布置示意图

2.2 调研时间与方法

调研时间为2020年12月27日8:00～20:00，现场测试和问卷调查同步进行.测试期间学生在上课或上自习，处于静坐或站立状态，教室门窗关闭.

需要测试的物理参数有室内空气温度、空气相对湿度和风速.空气温度和相对湿度使用温湿度仪监测，风速采用微风温度仪测量，测试时仪器距地面垂直高度保持在1.1m～1.6m.测试时间为720min，每隔60min读取一次数据.读数时每隔十秒钟记录一次数值，10分钟内共记录60组数值，计算其平均值.

2.3 问卷调查

受试者为所调研教室内师生，填写问卷时在教室内停留至少30min以上.共发放问卷300份，回收有效问卷258份.问卷的主要内容是调查师生对教室的热环境、湿环境和风环境的主观感受，对教室热舒适度的主观评价以及个体差异.

3 测试数据分析

测试当天室外空气最高温度为2℃，最低温度为-13℃，平均温度为-4.5℃，测试前后2天未出现大幅度降温，气温相对比较稳定.由于测试期间所有教室的门窗都处于关闭状态，教室内的空气流速较低，各教室风速值近似.因此，着重对测试数据中的空气温度和相对湿度这两个重要指标进行分析.所调研的6个教室室内温湿度的变化曲线如图2、图3所示，温湿度的最大值、最小值和平均值统计表见表1.我国供暖通风规范规定冬季采暖房间的舒适温度范围是18～24℃，相对湿度宜在30%～60%[3].下面从不同角度对教室温湿度进行对比分析.

图2 各教室室内空气温度变化曲线图 图3 各教室室内相对湿度变化曲线图

表1 各教室测试数据统计表

3.1 教室温湿度概况

在所调研的6个教室中，507教室室内的平均温度最高为24.8℃，501教室次之为24.6℃，这两个教室的温度超过了舒适温度的上限，室内偏热.503、516和303教室的温度在舒适范围内.116教室的平均温度最低，仅为17.4℃，低于舒适温度的下限，室内温度偏低.6个教室室内的空气相对湿度值均远低于舒适值下限，可见冬季采暖教室普遍比较干燥，湿度较低.

3.2 相同方位不同楼层教室的温湿度

通过分析相同位置不同楼层的503和303，516和116这两组教室的温湿度可知，位于五层南向的503教室其平均温度比三层相同位置的303教室高1℃，平均湿度高7.2%；位于五层北向的516教室其平均温度比一层相同位置的116教室高3.7℃，平均湿度高3.7%.可见，不同楼层对教室的温湿度有一定影响，对于相同位置同样大小的教室温湿度随楼层升高递增.

3.3 相同楼层不同方位教室的温湿度

对五层相同功能不同方位的501、503、516三个教室的温湿度进行对比分析得知，501教室的平均温度最高，这是由于501教室位于西南角，不仅南向阳光充足，还受西晒的影响，因此温度相对偏高，也导致水蒸气蒸发快，所以室内平均湿度较低.位于教学楼北侧的516教室平均温度低于南侧相对的503教室，在数值上相差近3℃，充分说明了朝向对室内温度的影响.503教室的平均湿度最大，其次是516教室，最低的是501教室.

3.4 相同楼层方位不同使用功能教室的温湿度

对同样位于五楼南侧的公共教室503和专业教室507的温湿度进行对比分析可知，507教室的平均温度比503教室高，两教室的平均湿度相近.这是由于专业教室使用学生固定，学生停留时间长，而公共教室学生流动性大，考虑到人体热源的影响，专业教室比公共教室的温度更高.

3.5 同一教室不同测点的温湿度

根据507教室6个测点的平均温湿度值以及距房间四壁0.5m处的温湿度值，分别绘制出如图4和图5所示的温度和湿度等值线图.在温度方面，教室大部分空间的温度在22.0～24.6℃，中央区域温度较高，温度相对较低的区域出现在门窗洞口处，这是由于门窗洞口气密性不好造成冷风渗透所致.在湿度方面，教室大部分空间的相对湿度在14.5%～19.5%之间，教室前部比中后部湿度大，可能是由于教室中后部的温度比前部高.

图4 507教室温度等值线图 图5 507教室湿度等值线图

4 热舒适调查分析

4.1 热感觉投票(TSV)

参照ASHRAE的热感觉评价标度，将人体对教室温度的冷热感觉划分7级标度为很冷、冷、有点冷、适中、有点热、热、很热，对应的投票值为-3、-2、-1、0、+1、+2、+3.热感觉投票值分布频率如图6所示，有87.6%的人热感觉投票值在-1，0，+1，根据PMV-PPD指标[5]可知师生对教室的冷热环境可以接受.但是，感觉偏热(投票值为+1、+2、+3)的人比感觉偏冷(投票值为-3、-2、-1)的人多23.2%.

4.2 湿感觉投票(HSV)

将人体对教室的潮湿感受划分7级标度为很干、干燥，有点干、适中、有点湿、潮湿、很潮湿，对应的投票值为-3、-2、-1、0、+1、+2、+3.湿感觉投票结果如图6所示，湿感觉投票值在-1，0，+1的人仅有70.9%，表明师生对教室的湿环境不满意，有71.7%的人感觉教室偏干燥(投票值为-3、-2、-1).调查中发现很多师生在教室上课会有口干喉痛、皮肤干燥等不适反应.

4.3 热舒适投票(TCV)

对人体的热舒适满意度进行7级评价标度：非常不舒适(-3)、不舒适、有点不舒适(-2)、一般(0)、比较舒适(+1)、舒适(+2)、很舒适(+3)，投票结果如图7所示.由图可知，有81.0%的人热舒适满意度的投票值在-1，0，+1，表明师生对教室的热舒适基本满意.也说明受试者对环境的适应能力较强，即使感觉教室偏热和偏干燥的人很多，但他们依然接受这样的热环境.

图6 热感觉和湿感觉投票分布频率 图7 热舒适投票分布频率

5 节能策略

(1)确定合理的室内舒适温度.考虑到人体热源的作用以及人体对热舒适的适应性，对于使用频率高、可容纳学生多的教室，其室内热舒适温度范围可以适当下调，从而降低冬季教室采暖温度，以节约能耗.

(2)设置可调控的采暖系统.综合上述分析结果可知，不同楼层、不同朝向、不同使用功能对教室温湿度均有一定影响.但是采暖系统设置时一般并未考虑到这些因素的作用.因此，采暖系统可以通过加设控制阀门和温感装置，分楼层、分朝向进行分区调控.对于朝向好、楼层高的教室可以在使用高峰期降低供热温度.对于温度偏低的教室可考虑增加散热器数量以确保教室热环境舒适性.

(3)加强教室门窗的保温性能.通过教室温度的等值线图可知，教室内部的门窗洞口是保温的薄弱环节.由于门窗本身导热系数大，缝隙处又容易造成冷风渗透.因此应选择保温隔热性能更好的节能门窗，并对缝隙处进行密封保温处理加强气密性.

(4)加设排气、加湿装置.测试结果显示教室内湿度很低，空气干燥.且问卷调查也表明师生对教室湿环境不接受，很多师生出现口干喉痛、皮肤干燥等不适感受.因此，可以在教室设置排气、加湿装置以改善室内湿环境，通过湿度控制器配合供暖设备共同调节室内的热环境.