2021年第5期（总第49卷第363期) No. 5 in 2021 (Total Vol. 49 ,No. 363 )建筑节能（中英文）
Journal o f BEE
_Vi能改造
Energy - Saving Retrofitting
doi ：10.3969/j. issn. 2096-9422.2021.05.022
谢安生\李东逸、李成亮'，滕聪2，江超\孟庆龙1
(1.长安大学，西安710064; 2.中国建筑科学研究院有限公司，北京100013)
摘要：提升农村学校教室冬季室内热环境，对农村学校进行清洁取暖改造是西安市清洁取暖试点城市建设的一项重要工作内容。为明确西安农村学校采暖现状及存在的问题，对西安市7个远
郊区县93所农村学校建筑的围护结构及采暖现状进行了预调研，并根据预调研结果选择鄠
邑区一代表性中学教室，进行热环境参数现场实测及热舒适问卷调研，评价整体热环境。利
用Airpak模拟软件对室内热环境分布进行准确模拟，评价局部热环境。综合整体及局部热环
境评价结果，得到西安农村地区采用分体式空调采暖的教室热环境不合格，存在教室温度较
低、垂直温差过高、室内温度分布不均匀等问题，并对其原因进行分析，为制定后续改造技术
方案提供理论基础及指导建议。
关键词：清洁取暖；建筑热环境；Airpak；农村学校
中图分类号：TU201 文献标志码：A文章编号：2096-9422(2021) 05 •01154)5
Current Situation of Winter Heating and Thermal Environment in
Rural Schools in X i’an
XIE An-sheng' , LI Dong-yi' , LI Cheng-liang' , TENG Cong2, JIANG Chao' , MEI\G Qing-long'
(1. Chang’An University，Xi，an 710064，China;
2. China Academy of Building Research,Beijing 100013, China)
Abstract ：Renovating rural schools for clean heating and improving the indoor thermal environment of rural school classrooms in winter is an important part of the construction of a clean heating pilot city in X i’ an. In order to clarify the current heating status and existing problems of rural schools in X i' an, a pre-investigation was conducted on the envelope structure and heating status of 93 rural school buildings in
7 suburban counties in X i’ an, and a representative middle school in Huyi District was selected based on
the pre-investigation results. In the classroom, conduct field measurement of thermal environment parameters and thermal comfort questionnaire survey to evaluate the overall thermal and humid environment. Then Airpak is utilized to accurately simulate the indoor thermal environment distribution and evaluate the local thermal and humid environment. Based on the overall and local thermal environment evaluation results，it is found that classrooms using split-type air-conditioning heating in rural areas of X i’an are unqualified, and there are problems such as low classroom temperature, high vertical temperature difference, and uneven indoor temperature distribution. It also analyzes the reasons and provides theoretical basis and guidance suggestions for formulating follow-up retrofitting technical plans.
Keywords：cleaning heating；building thermal environment；Airpak；rural school
〇引言
2018年西安市开展清洁取暖试点城市建设工作。农村地区是西安市清洁取暖试点城市建设的重点区收稿曰期:2020七8-10；修回日期:2021 *05-19
*基金项目：国家重点研发计划资助项@(2018YFC0705900)域，其中改善农村学校冬季取暖效果，提升教室冬季 室内热环境成为农村公共建筑清洁取暖的重点工作 内容。因此研究农村学校采暖现状并分析农村学校 教室冬季热环境存在问题及原因，是有针对性制定改 造技术方案并推进西安市清洁取暖试点城市建设的
115
谢安生，等：两安农村7校教宰冬季采暖热坏境现状分析
基本前提。
近年来，不少学者对农村地区建筑热环境情况进
行了研究，但主要针对农村住宅，而住宅建筑与学校
建筑在建筑结构、使用方式及用能习惯方面均有很大
差别。对教室热环境的研究主要针对大学高校教
室m，缺少针对农村地区中小学校教室的研究，而高
校教室面积远大于农村中小学教室，且学生对教室的
使用习惯、教室的供暖方式等均与农村学校显著不同，
还需对农村中小学教室进行单独研究分析。因此本文
对此进行了系统化分析和研究，以便了解和掌握西安
地区农村中小学教室冬季热环境现状和存在的问题。
1研究方法介绍
针对西安农村地区学校教室热环境的系统化研
究，首先采用大样本问卷预调研，了解西安农村地区
学校建筑的围护结构及采暖现状，再根据预调研结果
选择其代表性教室进行现场实测及热舒适的问卷调
研，评价整体热环境。为进一步研究教室局部热环
境，利用Airpak模拟软件对教室内的温度场进行模
拟，评价局部热环境。最终结合整体及局部热环境评
价结果对测试教室热环境进行评价并分析造成差异
的原因。
2 教室建筑结构及采暖方式预调研
课题组通过问卷方式对西安市7个远郊区县
93所学校进行调研，发现西安农村学校教学楼大多为
3~4层砖混结构的独栋建筑，1层以上为无封厦走廊，
典型学校建筑外观如图1所示。关于教室的情况总
结如表1所示。
典型学校外观图
Fig. 1The appearance of a typical school
表1教室调研结果统计表
Table 1Statistics of classroom survey results
教室墙体
教室围护结构构成
门体材质窗框材质窗户玻璃
240 mm 83%木质79%木质52%单玻97% 370 mm 17%钢制21%塑钢21%双玻3%
铝合金27%
采暖情况
采暖方式空调数量
空调90%1台3%
暖气片6%2台97%
无4%
注：表中比例皆为数量比例
3 教室热环境现场调研及整体热环境评价
3. 1现场调研
测试教室位于一个4层教学楼第2层中间位置，教室长9.9 m，宽6.6 m，高3.3m；教室所有墙体均为24〇mm实心黏土砖加双面20 mm抹灰无保温墙体，其中南北墙直接与室外空气接触，其余墙体为与空调 采暖教室相连的内墙；教室门为木质门，窗户为木质 窗框单层玻璃窗；且教室配备有两台分体式空调，用 于冬季采暖，空调开启时间为8:00 - 12:00、14:00 - 17:00；门窗开关习惯为上课期间关闭所有门窗，下课 期间开启门窗进行通风换气。教室立体图如图2所示。*39
图2教室内测点布置及教室立体图
Fig. 2 Classroom measuring points layout and classroom
three-dimensional diagram
现场实测参数为室内外温湿度、黑球温度、风速 及C02浓度。温湿度采用Testo 174H温湿度自记仪 每5 min测量一次，黑球温度及风速利用热舒适仪HD32. 3现场测量，每5 min记录一次，室内温湿度测 点布置根据GB/T 50785 —2012《民用建筑室内热湿 环境评价标准》，采用对角线五点法布置，为不影响教 室正常教学活动，仪器布置高度设置为0.6 m(学生 坐姿时腹部位置）；室外温湿度测点布置于北墙外背 阴处，避免太阳辐射对测试结果的影响。黑球温度、风 速均为实测期间由测试人员手持测试。测试仪器精度 及位置布置详情见表2，室内测点分布位置见图2。
利用问卷对96名学生进行连续7天的追踪问卷 调研，其中男生47人，女生49人，且学生年龄集中在 13〜15岁。热舒适问卷分为两大部分，一是对学生的 基本情况进行调研，主要内容包括学生的性别、年龄、教室中的位置（组数及排数）、穿着衣服情况；二是对 学生的冷热感觉等参数进行调研，主要内容包括热感 觉情况、对温度期望情况。其中对热感觉采用ASHRAE55 -2017的7度标尺，分为冷、凉、稍凉'适 中、稍暖、暖、热，分别对应赋值-3、- 2、-1、0、+1、+ 2、+ 3；温度期望度采用三标尺:“凉一些”“保持现 状”“暖一些”。
3.2 调研结果及整体热环境评价
3.2.1室内外热环境参数
室外温度变化范围为-5. 5~8. 4 t，平均温度为2.3 t，室内湿度变化范围为47% ~ 98%，平均湿度为74% 0
室内温度变化范围为4.7~16.2 t，平均温度为9.6 t，室内湿度变化范围为34%〜86%，平均湿度为 55%，由于教室使用时间固定，仅为白天使用，且空调 仅白天开启，因此统计上课期间（8 :00 - 18 :00)室内测点3 测点4 一^-
□□□□□□□□c□I
116
j
XIE A n -s h e n g ^e t a l. Current Situation of Winter Heating and Thermal Environment in Rural Schools in Xi ’ an
最大且降低速率快。
-10 min 课间
一一Z 、〜
-…
广，-2 ■ •-*"*** MTS=0.236 ltop-3.429 2
体感温度/丈
图5平均热感觉与体感温度线性回归分析
Fig. 5 Linear regression analysis of mean thermal sensation and
somatosensory temperature
二講
^ 25
^
20
■
^ 15
K n
服装阻值/clo
图4学生服装阻值
Fig. 4 Clothing resistance of students
3.2.3室内热环境整体评价
教室采用空调采暖属于人工冷热源环境，应采用
PMV -PPD 作为整体热环境评价指标评价室内热环 境，但该指标仅适用于18岁及以上人，因此无法采 用此模型准确评价学生教室的热湿环境情况，故采用 学生主观问卷得到的平均热感觉MTS 和体感温度利 用温度频率法进行回归分析评价整体热环境，经计算 得线性回归方程为MTS =0.236t 。-3.429(相关系数
农村取暖R 2 =0.752)，回归方程如图5所示，利用MTS = 0可 计算出学生的热中性温度为14.5 t ，而室内体感温 度平均值为12. 1 因此并不能满足学生采暖需求。
7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00
图3
某日上课期间逐时温度图
Fig. 3 Hourly temperature chart during class on a certain day
经统计，室内最大风速为〇. 09 m /s ，平均风速为
0.03 m /s ；平均辐射温度是通过黑球温度计法测量并 计算得到的，上课期间温度变化范围为5. 3~ 15. 1 平均温度为11.5 由于室内风速小于0.2 m /s 因此体感温度根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》所 给公式且系数A 取0. 5计算得[6]，上课期间温度变化 范围为6.0~15.7 t ，平均体感温度为12. 1 t 。经测量，上课期间C 02浓度为1 530~1 756 ppm , 高于标准GB 50099—2011《中小学校设计规范》中小 于1 500 ppm 的要求，下课期间为673~812 ppm ，满足 《中小学校设计规范》要求[7]。3.2.2衣服热阻及代谢率
此次调研共发放336份问卷，回收318份有效问 卷，问卷回收有效率为94. 6%。
填写问卷期间为避免学生由于活动影响代谢率 继而影响热感觉，问卷填写均要求坐姿，时间选取非 体育课的下课前5 min ，此时学生的代谢率经过上课 的40 m in 已稳定，根据G . HAVENITH [8]研究代谢
表2
现场实测参数及仪器
Table 2 Field-measured parameters and instruments
测量参数仪器型号
测量内容仪器量程
测量精度
测点高度
室内温湿度Testo 174H 温湿度自记仪
温度-20-70 X ：±0.5 t 室外温湿度湿度0~100%RH ±3%RH 0. 6 m
室内黑球温度HD32. 3热舒适仪
黑球温度-10-100 X ：±0. 1 t ：
室内风速
风速0~5 m /s ±0. 05 m /s(0〜1 m /s)
co 2浓度
AEMC C - A 1510G 室内空气质量测量仪
二氧化碳浓度
0~5 000 ppm
±50 ppm
1.1m 温度变化范围为6. 7〜16. 2 t ，平均温度为1
2. 7 t 。由于上课时间固定且课间均会开启门窗，因此教
室内温度有规律的变化，取1月9日上课期间室内外 逐时温度如图3所示，室内温度共有两峰一谷，最大 温差可达6 t ，室外温度仅有一峰，但室内温度和室 外温度并无明显相关性，且当室外温度于13:30左右 达到峰值时，室内温度达到谷值，这是由于教室内一 直开启空调采暖，因此室内温度的变化主要受是否开 启空调及门窗影响。如不关闭空调但会开启门窗的 课间，见图3，在丨0 min 及20 min 的两个课间，温度均 会有所降低，降低的程度也与课间时间长短呈正相 关；午休时间既关闭空调又开启门窗，则温度会降幅率，取 1. 2 met 。
经问卷调研结果总结，如图4所示，学生服装阻 值主要集中于l .〇7~1.87 clo ，平均服装阻值为 1.53 d o ，
明显低于未进行采暖学校学生的服装阻值 2. 07 clo w ，但也高于 ASHRAE 55 - 2017 的冬季 0.9 d o 的服装阻值，原因为空调采暖对教室内温度有 所提高，但仍不满足教室采暖温度要求，且学生由于 进出教室频繁，且室内外平均温差达到7.9 t ，不能 通过频繁的增减衣物来适应温度变化，故一直均穿着 高阻值衣物。
35 • 30 ■• MTS
…■■线性(MTS)
864208642
a /雲
S 1S
L 11
Z
测点编号图7
模拟结果验证
Fig. 7 Verification of simulation results
除垂直温度分层外，由图9所示的教室〇. 6 m (学
为便于分析，温度分布情况垂直方向取x =5 m (教室中央）（见图8)，水平方向取与测试点相同高度 y =0.6 m (学生坐姿腹部，见图9)，气流分布情况取
■X = 1.5 m 处速度矢量分布如图10所示。
由图8可知教室内垂直方向存在明显的上热下 冷的温度分层现象，且不同分层温差较大，最大温差 高达5 t ：，是因为2台空调均布置于3.0 m 高度，由 图10气流速度矢量图可以看出，制热工况下，空调采
谢安中.等：叫安农村7•校教审冬季采暖热坏境现状分析
且可根据MTS = ±0. 5计算出90%可接受温度 上下限,90%可接受温度下限为12.4
90%可接受
温度上限为16.6 t ：。同理可计算出80%可接受温度 下限为10.3 t ，因此可根据该指标判定，该教室仅
能
达到80%学生可接受，并不能达到90%学生可接受。 不满足ASHRAE -55要求，根据ISO 7730—2015标 准，只能评价为C 级环境，根据我国GB/T 50785— 2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》标准则可评 价为n 级环境。
且通过对学生温度期望值统计，再对室内体感温 度以0.5 t 分组，并分别对凉一些、暖一些和操作温 度进行线性回归分析，所得两条曲线的交点所对应的 温度即为期望温度。通过计算得到，期望较暖与体感 温度回归曲线为 warmer = -0_061t 。+ 1. 354( R 2 = 0.657 8)，期望较冷与体感温度回归曲线为cooler = 0. 010t 。-0• 055(R 2 =0• 405 4)，这两条曲线的交点即 为冬季学生的期望温度，计算得期望温度为19.8 比热中性温度高5.3 t ：，比室内平均体感温度高 7. 7 t ，比室内最高体感温度高4. 1 t 。
表3
模拟边界条件设置
Table 3 Simulation boundary condition setting
名称数量
边界条件
设置参数
尺寸部件
教室1—
—
9. 9 m x6. 6 m x 3. 3 m
Room 外墙2第三类边界条件
K=2. 08 W /(m 2 -K)
9. 9 m x 3. 3 m
Wall 内墙4绝热— 6. 6 m x3. 3 m ；9. 9 m x6. 6 m
Wall 桌子48绝热——
Block 人体48定热流-量70 W 身高1. 5 m
Person 灯4定热流量35 W
—
Block 窗6第三类边界条件K=5.82 W /(m 2 .K) 1.8 m x l.8 m ；1.8 m x l.2 m ；1.8 m x l.O m
Wall 门2第三类边界条件K=5. 82 W /(m 2 -K)
0. 8 m x2. 6 m Wall 出风口2定送风参数22 X ： ,2 m /s
0. 8 m x 0. 1 m Opening 回风口
2
自由出流
默认
0. 8 m x 0. 2 m
Vents
4.2模拟结果分析
用侧送上回，且出回风口相近，因而造成气流“短路”，为验证模拟结果的准确性，与实测测试点位置相
送风未进行充分热交换就进人回风口，且送风过程中
同点结果对比如图7所示，1号点和2号点误差较大， 由于热风密度小，堆积于教室中上部，因此空调热风最大温差为0.8 t 。分析其原因为在模拟时为了简 主要热交换区为教室上半部，1.5 m 以下作为学生的便运算对模拟对象适当的简化。在测试期间学生会 主要工作区温度并未充分换热，因此I . 1 m (学生坐在教室内正常活动，易导致温度有所变化。模拟结果 姿时头部）比〇 .2 m (学生脚部）温度高5 t ：。
与实测温度误差控制在10%以内，因此可采用模拟结 18
果用于分析该教室内热环境111]。
,7[
^
4 Airpak 软件模拟及局部热环境评价
4.1模型构建及边界条件设置
为简化模拟采取如下假设：（1)室内空气为不可 压缩流体，且符合Boussinesq 假设;（2)该传热为稳态 湍流传热且流体为连续介质；（3)教室气密性良好不 存在渗透风影响。
模拟时选择室内零方程模型[1°]进行模拟，辐射 模型选择D O 离散辐射模型。边界条件设置中室外 温湿度采用实测所得室外平均温湿度，空调出风口边 界条件按照现场实测所得22 t 、2m /s 设置，其余边 界条件设置见表3，物理模型见图6。
图6教室物理模型
Fig. 6 Physical model of classroom
-i -实测数据
-■一模拟数据
118|
XIE An - sh e n g ，et a l. Current Situation o f Winter Heating and Thermal Environment in Rural Schools in Xi ’ an
图8 ;c =5 m 处教室垂直温度分布Fig. 8 The vertical temperature distribution
of the classroom at j c = 5
图9 ：y =0.6 m 处教室水平温度分布 Fig. 9 The horizontal temperature distribution
of the classroom at y =0. 6 m
图10 x = l. 5 m 处速度矢量分布图
Fig. 10 The velocity vector distribution of the
classroom at ^: = 1. 5 m
4.3 室内热环境局部热环境评价
由模拟结果可知教室存在垂直温差过大的问题， 因此还需要采用竖直温差不舒适率来评价局部热环 境，
利用ISO 7730—2005中的计算公式，见式（1):
一
100
…
~ 1 +exp (5. 76 -0. 856 -Afa v)
v '
式中:P D 为局部不满意率，％;
为头和踝部垂直空气温度差，t 。
根据模拟结果，由于学生上课期间均处于坐姿， 因此头部取1. 1 m ，踝部取0. 2 m ，根据模拟结果头和 裸部最大温差为5. 1 t ，最小温差为3.3 t ，代人上 式计算，最终可得，P D 介于5% ~ 16%，不满足
ASHRAE —55 要求，根据 ISO 7730—2015 要求，z 口、能 评价为C 级环境，根据我国GB/T 50785 —2012《民用 建筑室内热湿环境评价标准》标准则可评价为环境。5 结论及改进措施
本文通过对西安地区农村学校教室冬季热环境的系
统化分析和研究，得出如下结论并提出相应改进措施：
(1) 西安地区农村学校基础设施落后，教学楼围 护结构普遍未采取保温措施，采暖方式主要为间歇式 分体式空调采暖。
(2) 通过现场实测及热舒适问卷调研得出空调采 暖教室内平均体感温度为12.1 t ，学生平均服装热 阻为1.53 d o ，学生热中性温度为14.5 t ，期望温度
为19. 8 t ，高于室内平均体感温度，且通过整体热环
境评价不能达到要求。
(3) 通过现场实测上课期间教室内C 02浓度会
达到1 530~1 756 ppm ，不满足教学用房通风换气要
求，应采用合理的通风方式，在尽量少增加新风热负 荷的基础上满足教室的通风需求。
(4) 通过模拟研究发现由于教室面积过大，空调 布置位置及空调作用机理的综合影响使得教室在垂 直、
水平方向均存在温度不均匀现象，垂直方向温度
上热下冷，温差高达5 t ，水平方向温差高达4 t ，并 通过计算局部热环境评价并不能达到要求。
(5)综上整体热环境及局部热环境均不能达标, 因此西安地区农村学校建筑采暖并不合格。针对存 在的问题建议改造围护结构，增强教室的保温性能， 采用合理的供暖方式以达到整体采暖要求，并合理布 置风口位置，消除水平及垂直温差，给学生营造一个 更加健康舒适的学习环境。
参考文献：
[1 ]陶求华，李莉.厦门高校教室冬季热环境测试及热舒适预测[c ]// 2015年福建省暖通空调制冷学术年会论文集，2015 - 11 ，中国福建福
州，2015:59-63.
[2] 陶求华，李莉，胡玲周.夏热冬暖地区高校教室冬季热环境模拟及
验证[C ]//2013年福建省暖通空调制冷学术年会论文集,2013 - 11 ，中 国福建福州,2013:170-174.
[3] 李久芳，吕宁.广州某高校教室冬季热环境现场量测与评估分
析[J ].福建建筑,2012,(8)：丨04-106.
[4] 管勇，陈超.冬季兰州市高校教室热环境调査[■!].环境与健康杂
志，2010,27(2) :159 -160.
[5] 王洪光，田波.以西安地区为例谈高校教室冬季室内热环境[J ].建 筑节能,2009,(8) :29-31.
[6] GB/T 50785—2012 ，民用建筑室内热湿环境评价标准[S ]. 2012.[7] GB 50099—2011，中小学校设计规范[S ]. 2010.[8 ] HAVENITH G. Metabolic rate and clothing insulation data of children and adolescents during various school activities [ J ]. Ergonomics, 2007,50 (10) ：1689 -1701.
[9] 徐菁，刘加平，刘大龙.关中地区农村小学教室冬季室内热环境测
试与评价[J ].建筑科学,2014,30(2) :47 - 50.[10] 张爱民，张亚南.河北某小学供暖优化分析[J ].洁净与空调技术, 2018,(4) ：29 -31.
[11] 王羽珊.严寒地区农宅冬季火炕热环境与热舒适研究[D ].哈尔
滨：哈尔滨工业大学,2019.
作者简介：谢安生（1964)，男，陕西延安人，供热、供燃气、通风及空 调工程专业，硕士，硕士研究生导师，教授级高级工程师，主要从事建筑
节能及建筑自动化方向研究（***************)。
生坐姿腹部）处教室内的水平温度分布云图可知，教 室内温度分布不均匀，总体趋势呈现出北高南低， 西北角、东北角、中部及西南角明显高于其他位置，温 差达4 原因是2台空调分别布置于教室的东北侧 及西北侧，且空调的作用区域有限，但教室面积过大，
所以距空调的距离不同呈现出明显分块现象，温度随 着距空调出风口越来越远呈现出降低趋势。这使得教 室内只有部分位置可以达到温度要求，但是教室不同 于其他功能房间，人员密度大，无法避开温度较低区域, 因此必然有一部分学生会处于温度不合格的区域。
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