既有历史建筑绿色改造后室内人体热舒性研究

于 水,张 昊,彭晓烈,吕海平

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168)

建筑热舒适性是指人对建筑室内热环境所做的主观满意度评价[1]。因此,建筑室内热舒适性是人们评判建筑环境的必要条件之一[2],除了工业建筑对室内热舒适性的要求相对较差一些之外,民用居住建筑和公共办公建筑均对室内热舒适性有着较高的要求[3]。每天80%以上时间要在室内度过的人员，对室内环境的要求也越来越高[4]。一个良好的室内热舒适性能够让室内人员精神愉悦,有助于提高工作效率[5],因此对改造后的历史建筑室内热舒适性的研究是十分必要的。张涛等[6-7]给出了人与环境的热交换方式、人与环境的热平衡、热舒适环境的定义，通过过热或过冷环境对人体的影响以及服装的热工特性等方面的研究，得出影响建筑室内热舒适性的主要因素。由于对于既有历史建筑经过绿色改造后的室内人体热舒适性的相关研究较少[8],笔者选取沈阳市第124中学5个典型的房间进行实地检测,分析既有历史建筑绿色改造后的室内人体热舒适性变化规律[9],为既有历史建筑围护结构的改造和冬季供暖标准提供技术支持。

1 研究对象和测试方法

1.1 既有历史建筑改造前后状况

以原葵寻常小学旧址沈阳市124中学为研究对象,该建筑是沈阳市不可移动历史建筑[10],沈阳市第124中学现状模型如图1所示。建筑类型为公共建筑,建筑功能为学校,占地面积为3 826.9 m2,建筑面积为6 831.7 m2,建筑高度为12.03 m。

图1 沈阳市第124中学现状模型图Fig.1 The model diagram of Shenyang No.124 Middle School

沈阳市第124中学旧址建筑的砌体外墙和内墙、屋架、屋顶、门窗、台阶、楼梯和设备设施等构件的破损状况、病害情况,建筑受损状况如图2所示。①受潮。各部位外墙墙体均存在较为严重的受潮病害。一是雨水无组织排放导致的“尿墙”受潮,局部墙面发霉、灰缝脱落;二是墙体防潮措施失效后因墙根部位积水、积雪导致的下部受潮。一层内墙因防潮措施失效导致普遍受潮严重,墙面抹灰粉化、脱落。②开裂。墙体的非受力裂缝主要集中在混凝土预制檐口及墙体顶部,多为温度差和沉降造成的斜裂缝。③腐蚀。建筑大面积外墙墙面产生粉化、起皮、酥松和剥落,同时伴有大面积的灰缝砂浆老化脱落,砌块砖松动、移位和局部弹出状况。因墙体受潮、冻融循环加剧墙面的腐蚀病害,多处墙面发霉。④破损。主要因人为原因造成墙面空洞和破损,因腐蚀造成破损部位周边连带病害。其次为部分抹灰部位开裂、剥落,导致红砖外露。

图2 改造前状况Fig.2 The situation before renovation

由于沈阳市第124中学是沈阳市不可移动历史建筑,在对其进行节能改造时不能对建筑外观进行较大的改变,因此只能通过采用内保温等形式对教学楼主体和学校礼堂的围护结构进行修缮改造,甚至是结构加固。外窗方面,通过拆除并按照原始外窗各樘的分格、颜色更换为单框中空双玻断桥铝保温窗,为了提高窗户的气密性,采用聚氨酯发泡剂填充并用密封膏嵌缝做好保温构造处理,避免产生热桥,防止窗框周围产生结露现象,造成建筑的能耗损失。屋面方面,由于沈阳市第124中学建筑的屋面形式为坡屋面,所以在对屋面节能改造时采用架空屋面隔热的方式。原有建筑屋面上设计有很多气孔,保留建筑坡屋顶上的进气口和出气口,对这些气孔进行修复,使其恢复原有功能。利用屋顶内外的热压差和迎风面的风压差,在屋架内形成空气对流,造成屋架内的自然通风,以减少有屋顶传入室内的辐射热量,从而达到隔热降温的目的,在屋面下设置一层木制屋架,在屋架上铺设岩棉板进一步改善屋面的保温隔热性能。沈阳市第124中学改造后现状如图3所示。

图3 改造后现状Fig.3 Current status after transformation

1.2 测量方法

室内人体热舒适性的评价是建筑改造效果必不可少的一部分,因此需要对室内人体热舒适性检测,评价沈阳市第124中学的改造效果。

为了精准和科学地评价沈阳市第124中学的改造后室内人体热舒适性的效果,选取不同楼层、不同朝向、不同使用功能的5个典型房间进行测试,分别是123办公室、礼堂、206教室、208办公室和225电教室,具体位置如图4所示。测试时间为2020-01-13至2020-01-15,在测试时室内人员均保证在静止的状态,根据实际情况设置室内人体衣服热阻为0.230(m2·K)/W,检测时长为20 min,检测频率为30次/min[11]。

图4 监测房间位置分布Fig.4 Testing room location distribution map

笔者测试采用testo480检测仪器和相对应的探头检测典型房间内预计平均热感觉指数(PMV)和预计不满意率(PPD)两项指标[12]。检测设备主要包括:testo480检测主机、球形探头直径150 mm-K型热电偶、舒适度探头、IAQ室内空气质量探头等。

1.3 测试内容

测试的主要内容是影响建筑室内热舒适性因素:空气温度、平均辐射温度、气流速度、空气湿度、新陈代谢率和人员着装情况。其中空气温度、平均辐射温度、气流速度、空气湿度属于建筑室内物理客观因素[13],主要与建筑围护结构的状况、冬季供暖效果、通风时间和频率相关[14]。新陈代谢率和着装情况属于室内人体主观影响因素[15],最终热舒适性的评测结果受这6因素的综合影响决定。PMV与热感觉的关系如表1所示。

表1 PMV值与热感觉的关系Table 1 Relationship between PMV value and thermal sensation

将检测的各项数据通过迭代计算出平均热感觉指数PMV。

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.027 5]×

{M-W-3.05×10-3[5 733-6.99(M-W-Pa)]-

0.42(M-W-58.2)-0.001 73M(5 867-Pa)-

0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-

(1)

tcl=35.7-0.028(M-W)-

fclhc(tcl-ta)}.

(2)

(3)

(4)

当PMV值确定后,计算出预测不满意率PPD。

PPD=100-95exp[-(0.033 53PMV4+

0.217 9PMV2)].

(5)

2 结果与分析

通过采用testo480在沈阳市第124中学选取的5个典型房间进行实地测试。测试系统计算得出5个检测房间的PMV与PPD检测结果(见图5)。测量5个房间基本信息如表2所示。各房间内的学生和老师均静坐状态,衣着服装为冬季一般服装,衣服热阻为0.230(m2·K)/W,通过各个房间的测量基本信息数据,运用PMV和PPD的迭代计算式(1)～式(5)得出各个房间的PMV和PPD的具体结果如表3所示。

图5 典型房间检测PMV-PPD结果Fig.5 PMV-PPD of typical room

表2 5个典型房间的测量基本信息Table 2 Physical parameters in 5 typical rooms

表3 不同教室PMV-PPD Table 3 PMV-PPD of different classrooms

根据《热环境的人类工效学 通过计算PMV和PPD指数与局部热舒适准则对热舒适进行分析测定与解释》(GBT_18049—2017)中规定:学校等公共机构的PMV值处于-1和+1为正常范围,根据检测结果,第124中学5个检测房间的室内人员热感觉处于人体热舒适度正常范围,符合国家标准的要求。保障了室内师生的正常要求和舒适度。

3 结 论

(1)礼堂的PMV值为-0.23,相对其他房间的PMV值最小,但仍处在国家标准规定的-1至+1正常范围内,人体热感觉适中,基本上满足礼堂内人员对热舒适性的要求。

(2)206教室的PMV值为0.43,相对其他房间的PMV值最大,室内人体预计不满意率最高,原因是室内温度较高,应当适当开启门窗,在保证室内温度在正常范围内的前提下,增加室内通风。

(3)通过对5个典型房间的检测结果,进一步验证了沈阳市第124中学建筑配套的围护结构改造方案的正确性和科学性,实现对历史建筑的绿色改造,保障了室内师生的热舒适性要求,使历史建筑重新焕发生机,满足了绿色建筑的要求。