严寒地区高校宿舍夏季自然通风热舒适性研究

任玉成 王蒙 李俊峰

石河子大学水利建筑工程学院

0 引言

宿舍是学生们学习、休息的主要场所，与办公建筑相比，宿舍在室内气流、污染物排放等多方面有很大的区别。严寒地区高校宿舍里夏季学生们通常采用开门、窗来通风换气[1-3]。有些学生三分之二的时间呆在宿舍里，因此良好的宿舍通风会对学生的学习效率和健康状况起着非常重要的作用[4-5]。

本文采用现场测试，问卷调查和数值模拟相结合的方式，对学生宿舍内自然通风状态下气流组织状况及室内人员热舒适性进行研究。利用CFD 软件对某学生宿舍内外窗在不同风速下，门和门上窗在不同开启状态时，气流组织状况进行模拟，并进一步分析气流状况。本研究对改善宿舍内的环境，提高宿舍内活动人员的热舒适性，降低学生室内热环境不满意率，降低吹风感等方面具有积极意义[6-8]。

1 研究对象

选取严寒地区某学生宿舍楼为研究对象，该宿舍楼共6 层，南北朝向。学生宿舍为典型的4 人间宿舍，该宿舍为标准的上铺下桌式4 人间，有一扇门，其正对面为窗户，宿舍两侧各两张床，床下为书桌，另有散热器一组，公共照明用荧光灯一盏，小型风扇一台。

2 研究方法

2.1 现场测试

测试时间为2019 年 7 月6 日 -7 月10 日，为学校的考试期间，学生在宿舍学习的时间更多一些。测试选取了178 间宿舍，有经常在宿舍学习习惯的232 名学生进行调查问卷。测试的内容主要有室内外空气温湿度、室内外风速。室内测点布置在桌面（距地1.0 m）以及床铺（距地1.65 m）处。其中，Z=1.0 m 为宿舍内学生在书桌学习时的平均高度，该平面可视作研究宿舍内人员所处区域流场的代表平面。Z=1.65 m 的平面为通过实际测量的床铺距地的距离，通过选取该平面能够真实地反映出宿舍内学生休息时气流在该平面的分布情况。

测试所使用的设备参数见表1。

表1 测试设备参数表

2.2 问卷调查

评价室内热舒适性以及风速对室内人员舒适性影响的很重要的一个方法是问卷调查。对男生宿舍232 名大一至大四的学生进行调查问卷，年龄在18～22岁之间。为保证调查结果的可靠性和准确性，从宿舍楼1 层至6 层，南向和北向的宿舍均有受试者接受调查。同时在调查对象选择过程中，选择身体健康状况良好，身体质量指数在标准值范围内的学生。调查内容包括宿舍内学生对热环境的总体评价以及宿舍内不舒适的症状等。

2.3 数值模拟

2.3.1 物理模型

模拟的学生宿舍的建筑结构尺寸如表2 所示。为了简化模型，房间内无其他的物体，同时不考虑宿舍内走廊的影响。模拟不同风速下，门和门上窗不同开启状况时气流运动情况，从而得出宿舍内气流组织情况。为了更加真实、准确地模拟出气流分布情况，本例采用三维建模方式，按照1:1 的比例建立模型，物理模型如图1 所示。

表2 宿舍建筑结构尺寸

图1 物理模型图

2.3.2 数学模型

模拟宿舍内的空气流动为稳定流动，空气看成不可压缩流体，则控制方程如下：

式中：Ux，Uy，Uz分别为空气流动三个方向的速度，是总速度是三个动量方程的广义源项；ρ为 流体密度；p为静压。

湍流模型采用室内零方程模型：

式中：μt为湍动粘度；ρ为流体密度；υ为当地粘度；L为离最近墙的距离。

模型的边界条件假定为：初始温度为 28 ℃，房间墙壁靠近阳面一侧的为33 ℃，其余壁面为28 ℃，风从窗户吹进，风速为 1 m/s。数学模型采用模拟自然对流和混合对流的零方程，采用有限容积法离散方程，自然对流采用一阶迎风格式，混合对流采用二阶迎风格式，速度压力耦合采用SIMPLE 算法。该模型对室内空气的模拟具有精度高、耗时少、收敛速度快、运算方便等优点。

3 结果与分析

3.1 现场测试结果分析

测试时间为2019 年 7 月6 日 -7 月10 日，对宿舍楼室外环境的温度、湿度、风速进行测量，宿舍室外环境参数测试结果如表3 所示。

表3 宿舍室外环境参数测试结果

测试期间，室外最低温度为 18.3 ℃，最高温度为36.4 ℃，平均温度为 28.5 ℃，经过多次测量数据发现，在8 点左右室外温度通常达到最小值，在 17 点左右温度通常达到最大值。室外平均风速为1.64 m/s，最大值为3.82 m/s。

通过现场测试，宿舍室内环境参数测试结果如表4 所示。

表4 宿舍室内环境参数测试结果

室内最高温度为35.6 ℃，最低温度为 19.2 ℃，平均温度为28.3 ℃，高于ISO 7730 标准规定的夏季室内舒适温度范围为t=23.0～26.0 ℃。夏季室内风速最小值和最大值分别出现在宿舍门后和宿舍外窗处。实验测得外窗处风速0.82～2.51 m/s，经过多次测量数据发现，在8:00 左右风速通常达到最小值，在16:00 左右风速通常达到最大值。室内平均风速为0.14 m/s，低于ISO 7730 标准规定的夏季平均风速v≤0.25 m/s。

3.2 问卷调查结果分析

对男生宿舍232 名学生进行调查问卷，调查宿舍内学生对热环境的总体评价以及宿舍内不舒适的症状，调查结果如图2 所示。

图2 调查问卷结果

根据调查结果可以看出，学生对宿舍内热环境总体感觉较不舒适，不舒适的比例达 73.2%，仅有 13.1%的学生感觉舒适，因此，研究宿舍内热环境非常有意义。此外，对学生在宿舍内不舒适的症状进行了调查，不舒适的症状主要体现在口渴、瞌睡、疲倦、皮肤干燥，有90%的学生会有口渴的症状，出现瞌睡、疲倦、皮肤干燥的症状比例分别为84%、8 1%、7 8%。因此，宿舍内的不舒适症状也亟待改进。

3.3 室内平均风速和热舒适性关系分析

室内环境热舒适性的评价指标有多种，用热环境的不满意百分数来评价是其中一种方式。为了不影响受试者的正常休息，测试时间选在 8:00-0:00，每隔 2 h对室内的风速和受试者对宿舍内热环境的不满意率进行测试和调查，测试结果如图3 所示。

图3 室内平均风速和热环境不满意百分数的关系

由图3 可以看出，室内平均风速与热环境不满意百分数成反比关系。根据ISO 7730 中所规定的人员不满意率的允许范围，吹风感引起的不满意率为 20%。因此，仅在 14:00-20:00 之间，室内人员的不满意率符合规范要求。在该环境下，风速为 0.2～0.45 m/s 范围内，室内人员的舒适度高。其余测试时间段内，室内人员不满意率较高，反映出人员较不舒适。

3.4 模拟结果及评价分析

通过模拟外窗在不同风速状态下，门上窗和门的开、关状态对室内气流产生的影响，分8 种情况，如表5 所示。表中的风速为靠近室外的窗打开时，在外窗处的风速。

表5 不同送风气流状态下，门上窗和门的开、关状态

模拟结果分析中截取两个典型的平面，Z=1.0 m和Z=1.65 m 两个平面，通过选取该平面能够真实地反映出宿舍内学生休息时气流在该平面的分布情况。

限于篇幅，本文仅选取部分模拟图进行参考比较。通过对模型的模拟计算，得出了宿舍门和门上窗同时关闭情况下的风速度矢量图如图4 所示。

图4 状态1 速度矢量图

从图4 可以看出，外窗风速v=1 m/s 时，门和门上窗保持关闭状态，在Z=1.0 m 剖面，气流进入后呈直线运动，碰到墙壁后往两侧扩散运动，在距离窗户较近处（0＜X＜1）的两侧出现了漩涡，距离窗户较远的左右两张床位处风速较小，通风换气效果不理想。为了改善室内气流状况，将宿舍门上窗开启，模拟结果如图5 所示。由图5 中可以看出，当外窗风速v=1 m/s 时，门仍保持关闭状态，开启门上窗，在Z=1 m 的剖面上，气流速度变化不大，因为门上窗在距地 2 m处，与Z=1 m 的平面相距较远，其开启对Z=1 m 的影响较小。而在Z=1.65 m 平面，气流从窗户进入，往门方向运动，形成了对流，气流的扩散速度比门上窗关上时大，对上部的气流也产生一个动力，使得整个房间内新鲜空气的范围明显比关上门上窗时大。

图5 状态2 速度矢量图

为了研究外窗风速对宿舍内气流状况的影响，外窗风速设为 2 m/s，对状态 6 进行模拟，模拟结果如图6 所示。由图中可以看出，外窗风速为2 m/s 状态下，当门上窗开启时，在Z=1 m 和Z=1.65 m 的剖面上，气流扰动增加，产生的速度漩涡更加明显，同时门上窗附近气流速度也相应增加。

图6 状态6 速度矢量图

经测量，人员经常活动区的范围大约为 1＜X＜ 4 m，为进一步分析不同状态下人员活动范围内气流组织状况，做了以下几个方面的比较：

1）将状态 1 与状态 2 进行比较，模拟结果如图 7所示。由模拟结果知，门保持关闭状态，门上窗的开、关对Z=1.65 m 剖面的气流状况有明显的改变，在X=5.4 m 处，速度由 0.05 m/s 增加到约 1 m/s。而对Z=1.0 m 剖面的气流状况改变不明显，速度由 0.05 m/s增加到约0.25 m/s。原因是门上窗距地面2 m，且门上窗面积较小，因此对Z=1.0 m 剖面的气流影响较小。人员活动范围内，Z=1.0 m 剖面处，在 3＜X＜4 m 处，风速小于0.1 m/s，在此活动区内的人员感受到的室外新鲜空气较少。Z=1.65 m 剖面处，风速大小约为 0.3＜v＜0.5 m/s，因此满足人体舒适性要求。

图7 状态1 与状态2 在不同平面速度分布情况

2）将状态 1 与状态 3 进行比较，模拟结果如图 8所示。由模拟结果知，门上窗保持关闭状态，门的开、关对Z=1.65 m 和Z=1.0 m 剖面的气流状况均有明显的改变，Z=1.65 m 剖面上最大速度达到约 1.9 m/s，Z=1.65 m 剖面上最大速度也达到1.6 m/s。但是在人员活动范围内，仅在 1＜X＜1.5 m 处，风速大小约为0.5＜v＜0.8 m/s，在此较小的活动区内人员感受到一定的吹风感；其余活动区风速均保持约 0.3 m/s，满足人体舒适性要求。

图8 状态1 与状态3 在不同平面速度分布情况

3）将状态 3 与状态 4 进行比较，模拟结果如图 9所示。由模拟结果知，门保持开启状态，门上窗的开、关对Z=1.65 m 和Z=1.0 m 平面的气流状况均有所改变。Z=1.0 m 剖面上最大的速度达到约2.0 m/s，Z=1.65 m 剖面上最大速度也达到1.6 m/s。此外，当门开启时，门上窗的开、关对人员经常活动区内的气流速度影响不大。

图9 状态3 与状态4 在不同平面速度分布情况

4）将状态2 与状态6 进行比较，模拟结果如图10所示。由模拟结果知，门保持关闭、门上窗保持开启状态，当外窗风速达到2 m/s 时，对1＜X＜4 m 的区域内的气流速度有一定的提高。在Z=1.65 m 剖面处该区域内最低速度由 0.35 m/s 增加到 0.65 m/s；Z=1.0 m 剖面该区域内最低速度由 0.25 m/s 增加到 0.6 m/s。因此，这会给宿舍内人员带来一定的吹风感，会感觉不舒适。

图10 状态2 与状态6 在不同平面速度分布情况

3.5 现场测试、问卷调查与模拟结果分析

通过对不同送风气流状态下室内平均风速与学生热环境不满意百分数的测试分析结果如图11 所示。由图 11 可知，在状态 4 的环境下，室内热环境不满意率最低，仅为8%，符合规范的要求。因此，可认为该环境状态下，室内人员是舒适的。通过模拟和现场测试，可以看出，室内平均风速与学生热环境不满意率成反比关系，在一定范围内风速越大，室内人员热舒适性越高，当超过一定风速时，室内人员热舒适性又会降低，室内人员会感到一定的吹风感。

图11 不同送风气流状态下室内平均风速与学生热环境不满意百分数的关系

通过模拟和实验测试综合分析，得出夏季较适宜的室内宿舍平均气流速度 0.28～0.32 m/s，该数值略高于 ISO 7730 标准中规定的，夏季平均风速v≤0.25 m/s。而目前宿舍风速达不到该标准，因此需要采取一些措施，比如设置空调来降低室内温度或者采用风扇机械送风方式等，从而提高室内热舒适性。

4 结论

本文采用现场测试，问卷调查和数值模拟相结合的方式，对学生宿舍内自然通风状态下气流组织状况及室内人员热舒适性进行研究，得出以下结论：

1）测试期间自然通风状态下，室内平均风速为0.14 m/s，风速低于热舒适标准的要求值。

2）通过对学生进行问卷调查，学生对宿舍内热环境总体感觉较不舒适，不舒适的比例达 73.2%，不舒适的症状主要体现在口渴、瞌睡、疲倦、皮肤干燥等。

3）通过模拟，得出宿舍内门和门上窗的开、关对宿舍气流有很大影响。门上窗的开、关对Z=1.0 m 剖面的气流影响不大，但对改善Z=1.65 m 剖面的气流状况起着非常重要的作用，因此在床铺上休息时，为保持宿舍内良好的气流状况建议长期打开门上窗。同时，在宿舍内学习时，为保持工作面上的良好气流组织，建议适当开启门。

4）通过模拟发现，外窗风速在v=1 m/s 时，可以较好地满足宿舍内人员活动区内热舒适性，而当风速增大到2 m/s 时，虽然宿舍内整体气流有所改进，但人员活动区内风速稍大，产生吹风感，人员不舒适性增强。

5）夏季自然通风状态下，为提高宿舍内活动人员的热舒适性，降低学生室内热环境不满意率，宿舍内较适宜的平均气流速度为0.28～0.32 m/s。