基于热舒适理论的幼儿园建筑设计策略研究_杨瑛.pdf

114城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.02的温度与气流应该根据人体舒适需求进行设计，使处于建筑内的人体感到舒适，头宜凉，脚宜暖。20 世纪 60 年代中期，范格尔教授将建筑内的物理性能参数与建筑中人体产热和散热的情况相结合，提出了稳态传热模型，建立了人体热舒适方程，将环境中主观性的物理变量与客观性的人体变量结合在一起，提出了预测平均标准评价（PMV）和预测不满意率标准评价（PPD）的指标。其中有六项会影响人体热舒适的因素，四项物理变量为空气温度、空气流速、相对湿度、平均辐射温度，两项人体变量为人体新陈代谢率、服装热阻，对于 PMV 值的计算起到量化作用。1.2 影响热舒适度的主要因素建筑中的温度、湿度、空气流速对于室内热舒适度分别有着不同程度的影响。热舒适理论中的空气温度是一个综合性的热平衡值，包括建筑内部所存在的人体与机械设备产热与散热的量，以及建筑围护结构通过保温与通风得失的热量、热辐射的值。人体对于温度上升的反应，最直接的表现为皮肤温度上升、排汗率增加、心跳加快、血液循环加速。对于温度下降的反应，最直接的表现为皮肤温度下降、毛孔收缩、汗毛立起。温度的变化与人体的舒适感受有着最为直接的影响。空气湿度影响人体排汗时的散热效率，从而间接影响人体舒适度。例如，空气湿度高时，空气温度高，人体温度升高，但排出的汗液附着在人体表面不易蒸发，使人产生“湿热”“闷热”的感受，对人体的舒适感受造成影响，便是空气湿度与空气温度的双重作用。相对湿度过高或过低都会影响到人体的舒适感受。湿度长期处于较高水平的房间，通风较差，易滋生霉菌，对人体的健康造成损害，而良好的室内通风则能够大大降低湿度和温度对于建筑室内舒适度的不利影响。摘要“十四五”以来，我国人口形势逐渐进入高龄少子化的阶段。为了更好地应对老龄化社会，应从解决现在的幼儿发展问题入手。幼儿园作为日间幼儿度过时间最长的场所，建设一个安全、舒适、积极的教育环境对于幼儿身心健康的发展非常重要。本文梳理了幼儿热舒适理论及其建筑设计方法，分别从总平面布局、建筑单体和主要活动空间等方面提出优化策略，将建筑性能与人体舒适度作为建筑设计的目标，为幼儿提供更加积极和绿色的成长环境。关键词热舒适理论；室内热环境；绿色生态理念；幼儿园建筑设计；设计策略中图分类号TU244.1文献标识码ADOI10.19892/ki.csjz.2023.02.32Abstract Since the 14th Five-Year Plan,the form of Chinas population has gradually entered a stage of advanced age with fewer children.In order to better cope with the future aging society,we should start by addressing the development of young children now.As the place where young children spend the longest time during the day,the building of a safe,comfortable and positive educational environment is very important for the development of young childrens physical and mental health.This paper sorts out the theory of thermal comfort for young children and its architectural design methods,and proposes optimization strategies in terms of general layout,building monoliths and activity spaces respectively,to make building performance and human comfort as the goals of architectural design,and to provide a more positive and green environment for young children to grow up.Key words thermal comfort theory;indoor thermal environment;green ecological concept;architectural design of kindergarten;design strategy1 热舒适度理论1.1 人体热舒适理论早在 18 世纪 30 年代，建筑物理与科学领域便开始研究建筑中人体舒适度的问题。1913 年，希尔提出建筑内作者简介：杨瑛（1964-），男，高级工程师、教授。研究方向：建筑设计及其理论。通信作者：胡箫箫（1996-），女。研究方向：建筑设计及其理论。作者单位：长沙理工大学建筑学院基于热舒适理论的幼儿园建筑设计策略研究Research on Kindergarten Architectural Design Strategy Based on Thermal Comfort Theory杨 瑛 胡箫箫 黄明珠Yang Ying,Hu Xiaoxiao,Huang Mingzhu115 2023.02/Architectural Design and Theory 建筑设计理论2 基于热舒适度优化的幼儿园建筑设计2.1 幼儿热舒适度理论2021 年国务院发布了中国儿童发展纲要（20212030 年），从儿童的身心健康、基础教育、法律保护及生活环境等四个方面提出了我国现阶段儿童发展的主要目标和落实的策略与措施，其中明确提出，幼儿园建筑应该为幼儿提供健康丰富的生活和活动环境。意大利教育家蒙台梭利说过，幼儿的心理发展是通过幼儿与环境、教育等外界条件相互交互、探索获取的经验来实现的。由此可见，安全舒适的生活环境是幼儿健康成长必不可少的部分。对于幼儿这一特殊群体的热舒适度的研究，国内外学者常用的理论模型仍是范格尔教授基于人体热平衡方程提出的热舒适方程模型，该模型是在实验室基础上基于成年人的身体参数提出的。当讨论幼儿热舒适度时，室内的热环境参数，包括空气温度、空气流速、相对湿度、平均辐射温度，作为客观环境变量可维持原参数，成年人与幼儿人体的差异作为其中变量。2.1.1 幼儿新陈代谢率幼儿正处于探索的年龄，个性多动，每天的日常生活都包含大量的游戏与运动，皮肤表面温度升高，新陈代谢旺盛，呼吸频率较高，其所产生的热量也较高。哈达德及其研究团队针对幼儿个体的差异，将处于不同活动中所产生的代谢热量导入现有的热舒适度模型进行多次计算研究，指出其差异对人与环境的热平衡关系有着直接影响。不同年龄、不同体形的人在不同活动下的新陈代谢率是完全不同的。研究数据表明，处于静止状态下，幼儿的平均体温要比成人高 0.5；处于运动情况下，幼儿的平均体温要比成人高 11。所以幼儿对于环境的热舒适感觉和成人是截然不同的，在对于幼儿这一特殊群体进行热舒适评价时，需要对于传统的基于身体表面参数及体重比例方法进行修正，从而减少代谢率在幼儿热舒适度模型中的不稳定性，得到较为准确的 PMV 预测值。2.1.2 幼儿服装热阻幼儿对于服装的自主性不强，其服装穿着的控制主要来源于他们的监护人，包括家长和幼师。实验证明，相同季节、相同服装下，幼儿与成人的皮肤对于外界气温的感知差异非常小。所以对于服装热阻的计算，可以从ASHRAE-Standard-55 中查找到整套服装的热阻值，也可以通过单件相加来求得。2.1.3 幼儿室内舒适度由于我国复杂的气候条件以及各地典型的气候特征，其中建筑形式、人们的生活习惯、文化背景都有所不同，因此不同地区的热舒适模型也存在着一定的差异。杨柳2博士及其团队通过我国室外平均温度和中性温度的函数关系，计算出了我国主要城市的热舒适度温度，建立了基于我国建筑气候分析的舒适性评价基准。对于不同地区的幼儿热舒适研究，贺进3通过对重庆地区的幼儿园进行实地测量和分析，基于幼儿与成人的生理情况的差异对 PMV指标中幼儿的代谢率进行修正，得出了适合重庆地区的幼儿热舒适度指标。王登甲4及其团队对陕西地区冬季的小学室内热环境参数进行测试，通过问卷调查的方式发现陕西地区的学生由于长期处于该气候条件下，身体具有一定的适应性，心理对于环境舒适的感受也有所不同，针对其差异，可以得出寒冷地区儿童对于冬季的自适应性系数，建立相应的PMV模型。王茉5针对干热地区的气候特征，以及夏季儿童室外空间热舒适度的现状，对于影响儿童户外活动空间的气候因素带入性能模拟软件进行计算，参考通用热气候指标 UTCI 为干热地区儿童夏季的户外环境提出了建议。综上所述，基于不同的气候特征，针对性地建立可变的适应性舒适模型，能够更有效地提高幼儿在室内的舒适感受。幼儿在白天大量的时间都在幼儿园中度过，幼儿园建筑室内物理环境包括声、光、热、空气质量等，与幼儿的舒适感受有着密切的联系，基于幼儿热舒适理论，国内外学者针对幼儿园建筑做出了许多研究。Despoina Teli 通过对多所幼儿园进行实地测量，得出建筑的结构和建筑的窗墙比、建筑的朝向、建筑的遮阳设施等设计性因素会对幼儿的室内舒适度造成不同程度的影响。李思芸6对夏热冬冷地区的两所幼儿园进行实地调研，提取其中差异性的设计元素进行分析和模拟，提出幼儿园建筑设计中布局朝向与空间设计是非常重要的，对于提高幼儿舒适度有着显著的区别。岳鹏7及其团队对西安市的 11 所幼儿园的场地设计、平面设计、结构选材等方面进行的调研分析，提出寒冷地区的幼儿园建筑应该加强门窗、底层房间、建筑热桥部分的保温，在总平面布置中南向应设暖廊，平面中卫生间盥洗室应独立于活动室单独布置，活动室中宜采用低温热水地板辐射采暖的方式，有利于保证幼儿在冬季的热舒适性，并从室内环境参数及幼儿自身的活动状态入手分析，为冬季采暖时期的幼儿热舒适提供设计依据。幼儿园建筑的设计应该重点关注其主要使用者儿童的感受。除了幼儿园设计本身，处于室内的人的活动方式对于热舒适度也具有一定影响。何亚洁8通过对运营成熟的幼儿园中儿童的行为与物理环境进行研究，利用建筑性能模拟软件对于活动室在不同使用密度及不同行为下的舒适度进行测定分析，室内人数的密度和聚集程度对室内热舒适度也具有一定的影响。从上述对于幼儿热舒适度的研究现状可以得知，随着教育理念的发展，以及现代建筑技术的不断进步，对于幼儿室内舒适度关注也随之提高，针对不同气候分区，建立116城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.02不同的舒适度评价标准，基于优化幼儿室内热舒适度的目标进行建筑设计这一理念，值得我们深入探究。2.2 基于热舒适度理论的幼儿园设计在创建儿童友好城市的背景下，依据不同气候条件、环境性能，创造宜人舒适的幼儿生长活动空间，是促进幼儿健康成长的关键。基于热舒适度理论中影响幼儿感受的物理因素，如温度、湿度、风速，可以从建筑设计中的总平面布局、建筑单体设计、主要活动空间设计这三个方面进行切入。2.2.1 总平面布局在总平面布局方面，最重要的一点就是选址，在相关的幼儿园设计规范中对于幼儿建筑的选址提出了严格的要求，包括不应设置在自然灾害易发地区，应该远离各类会对儿童造成干扰的大型公共娱乐场所等建筑，场地内应该安全，有充足的日照，有干净的水源等利于儿童成长的因素。但是在实际项目中，常常有所局限，在选址不利时，建筑师要善于利用和结合建筑布局来优化场地内的微气候。例如，上海无穷幼儿园的场地处于已建成的住宅中心，面临不规则场地和局促的用地两大挑战。建筑师保留了班级的规则平面，根据地形在方向上做出扭转，形成 8 字形的两个内院空间