西北乡域中小学教室冬季非均匀温度分布测试

蒋 婧,王登甲,刘艳峰,狄育慧

(1.西安工程大学 城市规划与市政工程学院,陕西 西安 710048; 2.西安建筑科技大学 建筑设备科学与工程学院,陕西 西安 710055)

0 引 言

健康舒适的教室内微气候环境对中小学生的身心成长至关重要,其中高水平的环境质量可以显著提高学生的专注力、感知能力、理解记忆以及判断推理能力[1-2]。中小学生接近30%的时间都在教室度过[3],因此研究学校教室的热环境至关重要。

目前,关于室内温度分布的研究多集中于住宅、办公室等功能建筑中[4-7]。徐菁等[8]针对关中地区农村小学教室室内热环境进行测试和调查研究,得出教室内冬季气温整体偏低,但并未涉及室内空气温度分布。周佐喜等[9]对空调教室内的温度场进行了仿真模拟,研究了太阳辐射等因素对空调教室内温度场分布的影响。严寒等[10]研究了太阳辐射对人工气候室内环境参数影响。其他国外学者多采用CFD(Computational fluid dynamics)[11-12]对居住建筑[13]、办公建筑[14]、学术报告厅[15-16]以及工业厂房[17]等室内热环境进行设计并评估。而对于人员密度高,房间进深大,使用时间相对固定的教学建筑,其室内热环境均匀性研究较少。

受太阳辐射和室内气流流动影响,教室内空气温度存在水平和垂直方向差异。室内空气温度差异分布可导致教室内部分区域的人员产生不舒适感觉。为了降低并消除这种热不舒适性,本文通过对青海省某典型的乡域中小学校教室内外环境温度分布进行全面实地测试,掌握教室内外热环境变化、分布特性及影响温度分布的主要因素，定量分析教室内垂直方向和水平方向的空气温度分布特性,为该地区教学建筑热工设计、采暖系统设置等提供指导。

1 实地测试

1.1 基本概况

测试教室位于青海省湟中县,东经101°49′,北纬36°34′,海拔2 645 m,年平均温度5.1 ℃,降水509.8 mm。测试时间为12月5日—11日，即一年中最冷时段,连续测量7 d,测试教室内外景见图1。

图1 测试教室室外布局图Fig.1 Outdoor layout of the testing classroom

教室位于三层教学楼二楼中间位置,东西墙不与室外相邻。测试期间,教室内有学生36人,教室内设置电取暖设备。该教学楼满足当地新建教学建筑节能标准规定。其中，东、西、北向墙由20 mm石灰砂浆抹灰+300 mm加气砖+20 mm聚苯乙烯板+20 mm石灰砂浆抹灰构成;屋顶由200 mm钢筋混凝土+50 mm加气混凝土+80 mm聚苯乙烯板组成;地面由200 mm钢筋混凝土+100 mm浇筑混凝土+80 mm聚苯乙烯板组成。窗户的传热系数为1.1 W/(m2·℃)。南向2个窗户,尺寸为2.3 m×1.8 m;北向1个窗户，尺寸为1.8 m×0.9 m;北向前后内门尺寸均为2.1 m×0.9 m。

1.2 测试参数和仪器

1.2.1 测试参数 教室外空气温湿度、太阳辐射,教室内空气温湿度、黑球温度、空气流速和壁面温度等。

1.2.2 测试仪器 TR-72ui自记式温度计(测量温度,量程-20～60 ℃,精度±0.2 ℃;测量相对湿度,量程10%～95%,精度±5%);HQZY-1型黑球温度计(测量平均辐射温度,量程-20～80 ℃,精度±0.3 ℃);ZRQF-F30型风速仪(测量空气流速,量程0.05～30 m/s,精度±(4%±0.055%));CENTER309热电偶测温仪(测量壁面温度,精度±(0.3%rdg)+1 ℃)。各参数每10 min自动记录1次。

TBD-1型太阳辐射仪和Vantage Pro2微型气象站布置于屋顶,四周无遮挡;室外温湿度及风速、太阳辐射测点(测点1)位于屋面背阴处,并以锡箔纸遮蔽,室内温湿度测点也以锡箔纸遮蔽。室内热环境参数各测点(测点2～9)布置如图2所示,其中,测点2位于距地面高2.3 m处,测点3位于距地面高1.60 m处,测点4位于距地面高1.10 m处,测点5位于距地面高0.25 m处,测点6～9位于距地面高2.30 m处。

图2 测试教室尺寸及测点布置Fig.2 Size and measuring points of the test classroom

2 实测结果分析

2.1 室内外环境参数

由图3可知,室外日平均空气温度-1.3 ℃,相对湿度54.6%。室内温度波动范围为6.1～13.4 ℃,平均值为8.7 ℃。相对湿度变化范围为16%～74%,风速变化范围为0～0.49 m/s。但对于教学建筑来说,教室使用时间集中在昼间7∶00～18∶00,室外温度波动为-6.2～8.1 ℃,平均值为1.8 ℃;室内温度波动为6.1～13.4 ℃,平均值为10.8 ℃,太阳总辐射的平均值为311.4 W/m2。

图3 室内外环境参数图Fig.3 Parameters of indoor and outdoor air temperatures and solar radiation intensity

2.2 教室壁面温度参数

测试日室内平均温度为8.7 ℃,上课期间的平均温度为10.8 ℃,如图4所示。上课期间,室内平均温度分别比南墙外表面温度和北墙外表面温度高2.4 ℃和11.8 ℃,而南向外墙面的平均温度比北向外墙面高9 ℃以上,引起这种差异的主要原因是建筑南向墙面接收到的太阳辐射远大于北向。南北向外墙面温度的差异是导致教室内水平向温度分布不均匀的原因之一。

图4 教室外墙壁面温度分布Fig.4 Temperature distribution of the classroom walls

2.3 教室内温度分布

建筑不同朝向的环境温度和太阳辐射强度存在较大差异,此类差异在一定程度上影响了建筑内温度场的分布。根据本次实测的数据来看,被测建筑内的温度场分布存在较大的不均匀性。

2.3.1 垂直方向温度分布 如图5(a)所示,教室内垂直方向存在明显的温度梯度,空气温度随着高度增加而升高。从图5(a)可以看出,4条线的变化趋势大致相同。在大课间、午饭及午休时段由于人员短暂离开造成了先下降后上升的波动。学生处于静坐状态时,其活动区域高度约为1.10 m。早晨7∶00上课后,教室内空气温度在学生等内热源作用下逐渐升高；8∶00后,随着太阳辐射增强,教室内温度升高幅度加快,同时,垂直方向上的温差逐渐增大。上课时间段,0.25 m与1.10 m处的最大温差达2.3 ℃。

为了方便分析,选取8∶00,10∶30,12∶00,12∶30,14∶30,16∶10等代表性时刻的数据分析非均匀性,不同时刻不同点的温度分布如图5(b)所示。由图5(b)可见,各测点处温度分布趋势几乎相同,呈增长态势。对不同时刻各测点取平均值,计算得到相类似的曲线。由于人体散热的原因,在0.25～1.10 m范围内,温度增长率较大，约为2.0 ℃/m;而在1.10～2.30 m处,已超出中小学生坐姿活动范围高度,人员密度及活动强度较低,温度增长速率明显变小，为0.8 ℃/m。

(a) 垂直方向温度变化

(b) 垂直方向不同高度处不同时刻温度分布图5 垂直方向温度分布Fig.5 Temperature distribution in vertical direction

2.3.2 水平南北向温度分布 由图6(a)可见,早上10∶00前,太阳辐射强度较小,教室水平方向各测点温差较小,室内空气温度相对均匀。10∶00后,太阳辐射逐渐增强,一部分透过南向窗户直接照入室内,通过壁面辐射和壁面与空气对流换热使室内空气温度升高;一部分被南墙吸收,南墙外表面的温度先升高,经过衰减和延迟后传入室内,使南侧测点9的空气温度明显高于其他测点。南侧测点9的平均值为11.4 ℃,北侧测点6的平均温度为10.7 ℃,两者平均值相差0.7 ℃。除了测点9,其他测点处温度波动趋势基本相同。由于测点9受太阳辐射的影响最强烈，在16∶00～17∶00温度急速上升。而南北朝向环境温度产生差异的原因如下:一方面,冬季建筑物的南北两侧室外环境温度存在差异,造成北侧热量损失比南侧多；另一方面,南侧太阳辐射的热量比北侧多。

同上所述,选取8∶00,10∶30,12∶00,12∶30,14∶30,16∶10等代表性时刻的数据分析非均匀性,不同时刻不同点的温度分布如图6(b)所示。由图6(b)可知，离南墙越近温度差异越明显。在1.5～2.7 m,2.7～3.9 m及3.9～5.1 m范围内，温度梯度分别为0.38 ℃/m,0.09 ℃/m及0.06 ℃/m。在8∶00,由于太阳辐射较弱,南北向温度差异不大；其他时刻由于太阳辐射的不断增强,且南向辐射高于北向,使得南向温度均高于北向温度。南北朝向环境温度产生差异的原因为：一方面,冬季建筑物的南北两侧室外环境温度存在差异,造成北侧热量损失比南侧多；另一方面,南侧太阳辐射的热量比北侧多。综上所述,太阳辐射是引起南北向温度差异的主要因素。

(a) 水平南北向温度变化

(b) 水平南北向不同时刻温度分布图6 水平方向温度分布Fig.6 Temperature distribution in horizontal direction

3 结 语

通过测试青海省某典型乡域中小学校教室内外空气温度，分析西北太阳能资源富集区中小学教室内、外热环境变化及分布特性，为该地区中小学教室内教学建筑热工设计、采暖系统设置等提供依据。

(1) 上课期间,垂直方向上测点2.3 m处与0.25 m 处最大温差达3.0 ℃,平均温差2.7 ℃。在0.25～1.10 m 范围内,温度梯度约为2.0 ℃/m;而在1.10～2.30 m处,温度梯度减小为0.8 ℃/m。

(2) 南北方向最大温差达4 ℃,平均温差0.7 ℃。离南墙越近温度差异越明显,在1.5～2.7 m，2.7～3.9 m及3.9～5.1 m范围内温度梯度分别为0.38 ℃/m，0.09 ℃/m及0.06 ℃/m。

(3) 在所选典型时刻,垂直方向温度一直存在差异,南北水平方向的温差随时间增加而增大。