衡阳地区高校学生宿舍夏季室内热环境的研究

赵军辉 刘迎云 曹鼎

南华大学土木工程学院

0 引言

国内对建筑室内热舒适和热湿环境的研究主要集中在民用建筑和公共建筑方面，对高校宿舍热环境的研究较少[1]。而高校学生宿舍室内建筑使用面积小，人员密度大，单位面积散热量大，使用周期长且与学生的生活密切相关[2]。这些特点都使得高校学生宿舍室内热环境不同与住宅等建筑，因此有必要对高校学生宿舍室内的热湿环境和热舒适单独进行研究。

王剑[3]对哈尔滨某高校学生宿舍在过渡季自然通风下室内的热舒适进行研究，得到过渡季宿舍室内的舒适温度范围及热舒适适应性模型。程卫红[4]对哈尔滨地区高校学生宿舍在夏季自然通风下宿舍室内的热舒适性进行研究，得到夏季学生宿舍室内的热中性温度为23.2 ℃，热期望温度为25.2 ℃。曹桂芳[5]对湘潭地区高校学生宿舍夏季自然通风下室内的热环境及热舒适进行研究，得到夏季学生宿舍室内的热中性温度为20.17 ℃和热期望温度值为19.75 ℃。

宿舍是在校大学生学习和生活的主要场所，通过对高校学生作息模式的统计分析，发现学生在室内度过的时间约占总时间的80%，其中有50%的时间是在宿舍室内度过[6]。且学生宿舍室内环境的好坏将直接影响学生的学习效率和身心健康[7]。因此，本研究对衡阳地区高校夏季自然通风下宿舍室内的热湿环境及热舒适进行调查研究，得出夏季宿舍室内可接受的温度范围及热中性温度，为衡阳地区高校学生宿舍室内热环境的改善和设计提供参考。

1 研究方法

本次研究采用了问卷调查和现场测试相结合的方法，从主观和客观两个方面对目前衡阳地区高校学生宿舍室内的热环境和热舒适性现状进行了解。对于研究衡阳地区夏季高校学生宿舍室内热环境提供依据，以及为改善学生宿舍室内热舒适提供有效措施。

1.1 现场实测

1.1.1 测试对象

选取南华大学博学园一栋的学生宿舍楼进行测试，宿舍楼朝向为南北朝向，宿舍类型为长内廊式。该宿舍楼一共九层，每层层高3 m，每间宿舍学生人员数量为四人，宿舍建筑面积约为23 m（27 m×3.3 m），设置有阳台和独立卫生间，阳台上有两扇可开启的推拉窗（0.6 m×1.1 m）供使用者控制。本次测试对象为三间不同楼层的学生宿舍，分别位于该宿舍楼的底层、中间层和顶层南向的中间位置。夏季测试期间，阳台上的外窗全天打开，走廊侧入户门关闭但门上的开启扇处于打开状态。测试过程中受试者大多处于静坐状态且根据JGJ 347-2014《建筑热环境测试方法标准》对于室内测点布置的要求，自然通风状态下宿舍室内测点布置在室内人员活动区域的中心处且距离地面1.1 m，即学生处于静坐学习时头部的高度。

1.1.2 测试方案与仪器设备

本文采用现场测试与问卷调查相结合的方法，宿舍室内环境参数的现场测试与问卷调查同时进行。调研时间为2020 年6 月12 日～15 日，现场测试参数主要包括，宿舍室内热环境参数：空气温度、相对湿度、空气流速、黑球温度。室外环境参数：空气温度、相对湿度。室内温度，相对湿度及黑球温度等参数由测试仪器每隔0.5 h 自动记录一次数据，一天24 小时连续测试，室内空气流速利用热敏风速仪手动测量并记录数据，室外环境参数通过当地气象局获得。测试所用仪器主要有WSZY-1A 温湿度自记仪、Testo425 热敏风速仪、HQZY-1 黑球温度自记仪，且各测试仪器的量程及测量精度均满足ISO 7726 标准。测量仪器的具体参数如表1 所示。

表1 实验仪器参数

1.2 问卷调查

问卷调查了南华大学学生宿舍的常驻学生，对夏季学生宿舍室内热舒适状况进行初步研究。本次共发放200 份问卷，收到有效问卷192 份，回收率达96%。问卷调查对象为在校本科生和研究生，年龄范围在20岁～28 岁之间，均在衡阳地区居住满1 年及以上，有相关研究表示人体适应新的环境需要一年时间[8]，因此本次受试者对衡阳地区的气候条件已经基本适应。问卷调查的主要内容包括：被调查对象的背景资料；被调查者的热感觉、湿感觉及吹风感；宿舍室内热舒适满意程度；着装情况。

2 测试结果与分析

2.1 现场测试结果及分析

2.1.1 室外温湿度分析

宿舍室外空气温湿度的测试结果如图1 所示。从图1 中可以看出，测试期间室外空气温度的波动幅度较大，日温差为6.8 ℃，空气温度变化范围为28.8～35.6 ℃，室外空气温度的最大值出现在下午四点左右，平均温度为32.1 ℃。室外空气相对湿度的日变化趋势与室外空气温度的变化相反，室外空气相对湿度的变化范围为50%～83%，相对湿度的最大值出现在夜间，平均相对湿度为65.7%。从以上测试数据可以得出，夏季衡阳地区的室外气温偏高且潮湿。

图1 室外空气温湿度分布

2.1.2 室内外空气温度分析

宿舍室内外空气温度的测试结果如图2 所示。由图2 可知，宿舍室内温度的日变化趋势与室外温度的变化趋势相近，但室内空气温度的波动幅度相对较小，主要是由于建筑围护结构对室内温度的分布具有一定的影响。顶层学生宿舍室内空气温度的变化范围为31.5～34 ℃，平均温度为32.8 ℃，日温差为2.5 ℃。中间层学生宿舍室内空气温度的变化范围为30.7～32.9 ℃，平均温度为31.8 ℃，日温差为2.1 ℃。底层宿舍室内空气温度变化范围为29.3～30.4 ℃，平均温度为29.8 ℃，日温差为1.1 ℃。通过测试结果可知，顶层宿舍室内平均温度最高，中间层次之，底层宿舍室内平均温度最低，但均高于ASHRAE 标准规定的夏季室内热环境舒适温度范围23～26 ℃。顶层宿舍日温差最大为2.5 ℃，底层宿舍日温差最小为1.1 ℃，说明底层宿舍室内环境的热稳定性相比于顶层宿舍较好。主要原因为顶层宿舍的散热面积较大，受太阳辐射的影响较大，导致宿舍室内温度较高且波动较大，底层宿舍受太阳辐射的影响相对较小，因而底层宿舍室内温度较低且波动较小。

图2 室内外空气温度分布

2.1.3 室内外相对湿度分析

宿舍室内外空气相对湿度的测试结果如图3 所示。由图3 可知，宿舍室内相对湿度的变化趋势与室外相对湿度的变化趋势相符，但室内相对湿度的波动幅度较小。顶层宿舍室内相对湿度的变化范围为57%～66.5%，平均相对湿度为62%。中间层宿舍室内相对湿度的变化范围为60.8%～75.7%，平均相对湿度为68.3%。底层宿舍室内相对湿度变化范围为76.6%～86.1%，平均相对湿度为81.7%。通过测试数据可以看出，不同楼层宿舍室内相对湿度的变化与室内温度的变化相反，顶层宿舍室内相对湿度最低，中间层次之，底层宿舍室内相对湿度最高。顶层和中间层宿舍室内平均相对湿度满足ASHRAE 标准要求，夏季室内环境的热舒适相对湿度为40%～70%，但底层宿舍室内相对湿度明显超出ASHRAE 标准规定的范围。在高温的环境中，当空气相对湿度高于70%时，人体会感觉到不舒适并且随着相对湿度的增加人体的这种不适感也会增加[9]。而且空气中的相对湿度较高也会导致建筑室内潮湿，有利于霉菌和细菌的滋生。一般而言，相对湿度在75%～95%范围内最适合霉菌的生长，并且霉菌的生长速度与空气相对湿度成一次曲线关系[10]。因此，针对底层宿舍室内相对湿度较高的问题，需要采取相应的改善措施。

图3 室内外空气相对湿度分布

2.1.4 室内空气速度分析

衡阳属于亚热带季风气候，夏季主导风向为南风和东南风，室外平均风速为2.1 m/s。在测试期间，宿舍阳台外窗全天打开，走廊侧的入户门关闭，门上的开启扇打开。选取宿舍室内人员活动区域的中心处进行室内空气流速的测量，测量结果显示，宿舍室内空气速度的变化范围为0.05～0.26 m/s，平均风速为0.13 m/s。自然通风下宿舍室内人员活动区域空气流速的频率分布如图4 所示。

图4 室内气流速度分布

结合现有的研究成果及热舒适要求对自然通风状态下室内人员活动区域的风速进行分区，定义低风速区风速为0～0.1 m/s，舒适区风速为0.2～0.5 m/s，高风速区风速为0.5～1.0 m/s[11]。从测试结果可以看出，94%的室内风速处于低风速区，仅有6%的室内风速处于舒适区。说明夏季自然通风下宿舍室内风速较小，室内人员基本没有吹风感。主要原因是学生宿舍属于长内廊式结构以及室内布局较为紧凑，在门窗完全打开时室内可以形成自然通风，但室内气流组织分布不佳，并受到宿舍结构形式的影响宿舍室内很难形成穿堂风。其次，宿舍外窗有效开启面积较小，宿舍室内进风量小，而且宿舍入户门经常处于关闭状态，宿舍出风口面积较小，等都会对室内自然通风效果产生不利的影响。因此，对于长内廊式学生宿舍夏季自然通风时室内风速往往较小，导致室内通风散热效果不佳，人员经常会感觉到闷热。

2.2 问卷调查结果分析

2.2.1 调查对象的基本概况

选取了学生宿舍内常驻的本科生和研究生进行问卷，被调查对象具有较高的文化水平，能够独立并且理性的完成问卷调查。本次调研共收到192 份有效问卷，在被调查人员中男性111 人占58%，女性81 人占42%。其中南方人员90 人约占47%，北方人员102人约占53%，调查对象家乡分属于全国各个省份，因此可以忽略性别和地域差异对本次问卷调查的影响。被调查对象的宿舍居住人员数量不一，有3、4、6 和8人，主要以4 人为主。宿舍朝向以南北朝向为主，宿舍的位置大多位于宿舍楼中间层的中间位置。

2.2.2 宿舍室内热舒适调查分析

对192 名受试者在夏季自然通风下对宿舍室内的热感觉，湿感觉，吹风感及热舒适的满意程度进行统计分析，得到夏季自然通风下学生宿舍室内热环境的统计结果如图5 所示。

图5 夏季自然通风下学生宿舍室内热环境统计

从图5（a）可知，64.58%的受试者的热感觉集中在有点热和热之间，23.96%的受试者感觉到很热，只有11.46%的受试者感觉到适中，可知学生宿舍室内热感觉为热。从图5（b）可得，76.57%的受试者的室内湿感觉集中在微湿、潮湿和很潮湿之间，只有13.02 的受试者感觉到适中，10.41%的受试者感觉到微干和干燥，说明夏季学生宿舍室内的相对湿度较高，会对学生的健康造成不利的影响。从图5（c）可以看出，62.5 的受试者感觉宿舍室内有点闷，13.54%的受试者认为宿舍很闷，23.96%的受试者的吹风感为适中和感觉到有适宜的吹风感，可知学生宿舍室内的自然通风效果较差。从图5（d）可以看出，62.63%的受试者对夏季自然通风下宿舍室内的热舒适感觉不太满意和很不满意，37.37%的受试者认为夏季自然通风下宿舍室内的热舒适使可以接受的，说明衡阳地区高校学生宿舍室内热环境状况较差，宿舍室内人员热舒适性有待提高。

2.2.3 服装热阻与新陈代谢率

根据Fanger 教授提出的热舒适性方程可知，环境因素和个人因素对人体的热舒适性具有重要的影响，在个人因素中人员的着装情况和活动量对于室内人员的热感觉和热舒适具有重要的影响。夏季人们可以通过开启门窗、减少衣物、减少活动等适应性行为来调节身体产生的过热反应[12]。通过对问卷调查结果进行统计分析得，调研期间男性受试者的着装情况为短袖、短裤/薄长裤、内裤、凉鞋。女性受试者的着装情况为短袖、短裤/半身裙/薄长裤、内衣、凉鞋。参考GB/T50785-2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》规定的各类单件服装的热阻值，对统计结果取加权平均值，可得男性服装热阻值为0.26clo，女性服装热组值为0.34clo，平均服装热组值为0.3clo。考虑到室内人员静坐座椅的附加热阻0.1clo，取受试者夏季的服装热阻值为0.4clo（0.062 m2·K/W）。由于测试期间，受试者在宿舍大多处于静坐活动状态，故认为受试者产生的新陈代谢为1.0me（t58.2 W/m2）。

3 宿舍室内热舒适分析

3.1 宿舍室内热舒适性评价指标计算

本文在对PMV-PPD 进行计算时，做出一些适当性假设。测试期间，受试者在宿舍内多处于静坐活动状态，取其新陈代谢率为1.0 met，人体做功为0。受试者着装情况为短袖、短裤/薄长裤、内衣、凉鞋，取其平均服装热阻为0.4clo。宿舍室内空气流速取室内平均风速0.13 m/s。根据PMV-PPD 计算公式编写计算程序，通过输入空气温度、相对湿度、平均辐射温度等变量，计算得出宿舍室内PMV-PPD 指标，如图6 所示。

从图6 可以看出，测试期间学生宿舍室内的PMV值处于1～3 之间，说明宿舍室内热感觉为热，室内人员热舒适性差。顶层宿舍室内PMV 平均值为2.3，PPD平均值为85.6%。一天内只有在早上5:00～8:00 时刻宿舍室内PMV 值小于2，其余时刻室内PMV 值均大于2，PPD 值也高达80%以上，说明顶层宿舍室内热环境较为恶劣，人员的不满意率高，室内热舒适有待改善；中间层宿舍室内PMV 平均值为1.8，PPD 平均值为65.5%，在15:00～21:00 时间段内室内PMV 值超过2，PPD 值也高达70%，说明该段时间内学生在宿舍内的热感觉是最不舒适的。底层宿舍室内PMV 均值为1.12，PPD 均值为32%。底层宿舍室内PMV 值波动小，宿舍室内热环境相对稳定，底层宿舍室内热感觉为暖，室内热环境可以接受。从测试结果可以看出，底层宿舍室内热舒适性最好，学生对室内热环境的不满意率最低，中间层次之，顶层宿舍室内热舒适性最差，学生对室内热环境的不满意率最高。

图6 宿舍室内的PMV-PPD 指标

3.2 利用PMV 模型预测室内热感觉

通过PMV 模型来预测宿舍室内人员的热中性温度和可接受的室内操作温度范围，利用测试数据，计算出不同时刻宿舍室内的操作温度和预测平均热感觉PMV 值。以操作温度top作为自变量，预测平均热感觉PMV 值作为因变量，进行加权线性拟合，拟合结果如图7 所示。

图7 PMV 与操作温度top 的关系图

得到它们的线性拟合方程如下：

根据Fanger 教授提出的PMV-PPD 模型中PMV与PPD 之间的关系，可得当有90%的人对室内热环境感觉满意时，预测平均热感觉PMV 值为依0.5。当有80%的人对室内热环境感觉满意时，预测平均热感觉PMV 值为依0.85.然后，将PMV=依0.5 及PMV=依0.85 分别代入到线性拟合方程中，得到90%和80%的人员可接受的室内操作温度范围为24.9～27.6 ℃和23.9～28.6 ℃。另将PMV=0 代入到线性回归方程，可得宿舍室内热中性温度为26.3 ℃。

3.3 适应性预测平均热感觉

适应性平均热感觉它考虑了人的心理、生理及适应性行为等因素对热感觉的影响，而PMV 模型并未考虑人体对于热环境做出的适应性调节行为。GB/T50785-2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》中规定：在非人工冷热源热湿环境中，应以预计适应性平均热感觉APMV 作为室内人员热舒适的评价指标。适应性预测平均热感觉APMV 应按式（2）计算，

式中：APMV 为预测适应性平均热感觉，PMV 为预测平均热感觉，λ 为自适应系数，对于夏热冬冷地区夏季PMV≥0 时，λ 取值为0.21。

根据式（2）计算可知，测试期间顶层宿舍室内APMV 值变化范围为1.3～1.7，平均值为1.52。中间层宿舍室内APMV 值变化范围为1.1～1.5，平均值为1.28。底层宿舍室内APMV 值变化范围为0.8～1.3，平均值为0.9。利用APMV 值对测试期间宿舍室内热湿环境进行等级评价，如表2 所示。

表2 室内热湿环境评价等级

由表2 可知，学生宿舍室内的热湿环境处于Ⅲ级标准，宿舍室内热舒适性差。顶层和中间层宿舍室内热湿环境处于Ⅲ级标准的时间为100%，底层宿舍室内热湿环境处于Ⅲ级标准的时间为84%，处于Ⅱ级标准的时间为16%。由评价结果分析可得，底层宿舍室内热湿环境要比中间层和顶层宿舍的热湿环境好。

4 结论

通过对衡阳地区夏季自然通风条件下典型学生宿舍室内热湿环境及热舒适的研究分析，得到了以下结论：

1）夏季自然通风条件下，宿舍室内温度均高于ASHRAE 标准规定的舒适温度上限值26 ℃，底层宿舍室内相对湿度较高，明显超出ASHRAE 标准规定的舒适性湿度范围，中间层和顶层宿舍室内湿度大多数时间处于标准规定的舒适性范围内，而且宿舍室内自然通风效果不佳，94%的室内风速处于低风速区。结合问卷调查，综合考虑了受试者对宿舍室内热感觉、湿感觉及吹风感的主观感受，结果表明63%的受试者对宿舍室内热舒适表示不满意。

2）通过实测环境数据计算得出的PMV 值和PPD值可知，自然通风下学生宿舍夏季室内的PMV 值和PPD 值都普遍偏高，适应性预测热感觉APMV 值大于1，宿舍室内热湿环境处于Ⅲ级标准，宿舍室内较热，室内人员热舒适性差。

3）根据预测平均热感觉PMV 与操作温度top的线性拟合方程计算得到自然通风下学生宿舍夏季室内90%和80%的人员可接受的操作温度范围为24.9～27.6 ℃和23.9～28.6 ℃，宿舍室内热中性温度为26.3 ℃。