住宅環(huán)境熱舒適管理論文

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提要

對(duì)北京88戶自然通風(fēng)居民住宅現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了夏季室內(nèi)干球溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等熱環(huán)境參數(shù)，以問(wèn)卷方式和ASHRAE的7級(jí)熱舒適指標(biāo)調(diào)查記錄了居民的熱感覺(jué)，考察了居室熱環(huán)境改善措施。調(diào)查結(jié)果表明，自然通風(fēng)條件下北京普通住宅的熱環(huán)境基本處于ASHRAE舒適區(qū)之外，80％居民可接受的熱環(huán)境對(duì)應(yīng)的有效溫度上限為30℃，對(duì)溫度的敏感程度與其它地區(qū)相近。

關(guān)鍵詞：住宅熱舒適熱環(huán)境熱感覺(jué)

Abstract

Presentsafieldinvestigationinto88non-airconditionedresidentialunitsinBeijing,duringwhichtheindoorthermalenvironmentconditionsweremeasured,thethermalsensevalueoftheoccupantsquestionedandrecorded,andthemethodstoimprovetheindoorthermalconditionsexamined.TheresultsrevealthattheyarecoincidentwithlittleoftheASHRAEcomfortzone,thattheupperlimitoftheeffectivetemperaturecorrespondingtotheacceptedthermalenvironmentbyupto80%oftheoccupantsis30℃,andthattheresponseofthesubjectsinBeijingaresimilartothoseinsomeotherpartsofworld.

Keywords：residence，thermalcomfort，thermalenvironment，thermalsensation

1引言

熱舒適是居住者對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境滿意程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。關(guān)于人體熱舒適和熱環(huán)境之間關(guān)系的研究從本世紀(jì)初便開始了。目前，ASHRAE55-1992[1]和ISO7730[2]是世界上普遍采用的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)室內(nèi)熱環(huán)境熱舒適程度的標(biāo)準(zhǔn)。ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中給出了至少滿足80%居住者的舒適區(qū)。ISO7730闡述了丹麥工業(yè)大學(xué)Fanger教授提出的預(yù)測(cè)人體熱感覺(jué)指標(biāo)PMV。與PMV模型相似的還有Gagge教授提出的有效溫度指標(biāo)（ET*）和標(biāo)準(zhǔn)有效溫度指標(biāo)（SET）[3]。這類模型共同的特點(diǎn)是它們變?yōu)榄h(huán)境參數(shù)不隨時(shí)間改變，而且批人體看作是外界熱刺激的被動(dòng)接受者。一定的熱環(huán)境參數(shù)對(duì)人體的作用，是通過(guò)兩者之間的熱濕交換來(lái)影響人體的生理參數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生不同的熱感覺(jué)。所以，這類模型可以被認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)的和以熱平衡方程為基礎(chǔ)的。按照這一類模型制定的ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)旨營(yíng)造一種穩(wěn)態(tài)的、至少80%居民能夠接受的熱環(huán)境。

可是，一系列實(shí)地測(cè)試表明，這類模型并不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出人體的熱反應(yīng)[4～7]。人的適應(yīng)性可以被認(rèn)為是產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)室研究和實(shí)地測(cè)試的結(jié)果差異的一個(gè)主要原因。這種適應(yīng)性包括生理的、行為的和最主要是心理上的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[8]就曾指出熱感覺(jué)的評(píng)判在很大程度上取決于人員背景和對(duì)環(huán)境的一處種期望。所在，舒適性研究應(yīng)該既有實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，又不能忽略實(shí)地的測(cè)試分析。

隨著人們生活水平的提高，對(duì)熱舒適的要求也相應(yīng)提高。北京市居民安裝家用空調(diào)的人數(shù)逐年增加，但隨之而來(lái)的是較重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和時(shí)常聽(tīng)到的人們對(duì)空調(diào)環(huán)境的抱怨。究竟北京氣候區(qū)應(yīng)該采用什么樣的空調(diào)方式和建筑模式，才能既保證居民的舒適和健康要求，又能盡可能多地節(jié)省能源？這正是需要探索的問(wèn)題，為此，筆者在1998年夏季進(jìn)行了一次北京市住宅熱舒適調(diào)查。

2調(diào)查目的與方法

2．1本次調(diào)標(biāo)題要解決的主要問(wèn)題

2．1．1考察北京市普通居民住宅（基本上是沒(méi)有安裝空調(diào)的家庭）的熱環(huán)境情況。

2．1．2調(diào)查在這類自然通風(fēng)建筑內(nèi)居民的熱舒適狀況，并將結(jié)果與ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)和其它研究成果相比較。

2．1．3了解居民在改善居室熱環(huán)境方面采取的措施。

2．1．4分析數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計(jì)分析的辦法確定現(xiàn)有熱環(huán)境條件與居民熱反應(yīng)之間的相互關(guān)系。

2．2調(diào)查方法

2．2．1住宅的選擇

因?yàn)楸敬握{(diào)查主要想了解在自然通風(fēng)方式下居民的熱舒適情況，所以選擇調(diào)查的88家住房基本上沒(méi)有裝空調(diào)，或雖然有空調(diào)，也處于極少開啟的狀態(tài)。在選擇這些住房時(shí)，主要考慮了房間的樓層、朝向以及自然通風(fēng)情況。調(diào)查了總樓層為2～6層的低層建筑及總樓層為20層的高層住宅；在這兩類建筑中，即選擇了位于整幢建筑物四個(gè)角上的房間，也選擇了中部的房間。另外，還照顧到東、西、南、北四個(gè)朝向的房間在樣本中分布均勻。一半的住宅位于北京市西南部的石景山區(qū)，另一半則在清華大學(xué)的校園內(nèi)。住宅外部的綠化程度，也有明顯的不同。調(diào)查過(guò)程中，對(duì)受試者的選擇盡可能做到男女比例相近。

2．2．2數(shù)據(jù)的采集

調(diào)查是在1998年7月上旬進(jìn)行的，此時(shí)北京進(jìn)入盛夏不久，而且雨水較多，氣候基本上屬于溫度較高，且比較潮濕的狀態(tài)。

調(diào)查分析兩種方式同時(shí)進(jìn)行，一種是對(duì)房間物理參數(shù)的測(cè)量，包括空氣溫度、相對(duì)濕度和空氣流動(dòng)速度。所用的測(cè)量?jī)x器是干濕球溫度計(jì)和熱線風(fēng)速儀。另一種是問(wèn)卷的形式，內(nèi)容包括：①基本的背景情況，如年齡、性別，在北京居住的時(shí)間，辦公室是否有空調(diào)等；②調(diào)查時(shí)刻居民的熱感覺(jué)，以及對(duì)此時(shí)環(huán)境的風(fēng)速、空氣清新程度和潮濕狀況的主觀評(píng)價(jià)。熱感覺(jué)投票值采用ASHRAE的7級(jí)指標(biāo)表示（-3冷，-2涼，-1涼爽，0不冷不熱的中性狀態(tài)，+1有點(diǎn)熱，+2熱，+3很熱）；③通常采用的改善室內(nèi)熱環(huán)境的適應(yīng)性措施，包括遮陽(yáng)、風(fēng)扇等有關(guān)改變房間物理參數(shù)的手段和人員增減衣服、喝飲料等自身的適應(yīng)性行為。

2．2．3調(diào)查的步驟

一個(gè)調(diào)查小組通常由3人組成。在征得住房主人同間的情況下，進(jìn)行20～30min的調(diào)查。其中一個(gè)人負(fù)責(zé)測(cè)量環(huán)境參數(shù)，另一個(gè)人負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)居室的建筑特性進(jìn)行測(cè)繪，最后一個(gè)人則進(jìn)行問(wèn)卷的詢問(wèn)和填寫的工作。

2．2．4舒適性指標(biāo)的計(jì)算

在調(diào)查過(guò)程中，詳細(xì)記錄了受試者當(dāng)時(shí)的衣著情況，以及坐椅的形式（是硬椅還是沙發(fā)，是否鋪有涼席等）。按照ASHRAE55-1992標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出受試者所穿服裝的熱阻值，以單位clo①表示（1clo=0.155℃·m2/W）。目前在熱舒適研究領(lǐng)域，有文章討論椅子對(duì)坐姿受試者的服裝熱阻的作用[9]，本文參考它們的研究結(jié)果，考慮不同坐椅對(duì)服裝熱阻的影響，對(duì)熱阻值進(jìn)行了修正。

新陳代謝率無(wú)法直接測(cè)量出來(lái)。因?yàn)檎麄€(gè)調(diào)查過(guò)程歷時(shí)至少20min，在這段時(shí)間內(nèi)，受試者通常是坐著仔細(xì)看介紹材料和回答問(wèn)題，所以把新陳代謝定為1.2met②,這是坐姿輕微活動(dòng)者所具有的新陳代謝水平。

采用Gagge的人體二節(jié)點(diǎn)模型[3]，編寫程序，以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的物理量、服裝熱阻和新陳代謝率為輸入量，計(jì)算有效溫度ET*和PMV指標(biāo)。

二節(jié)點(diǎn)模型反人體分成兩個(gè)同心的圓柱體，分別代表人體的核心層和皮膚層，它們的熱平衡方程式分別為：

(1)

(2)

式中Mcr，Msk為單位體表面的核心層質(zhì)量和皮膚層質(zhì)量；ccr，csk為核心層及皮膚層平均比熱容；Tcr，Tsk為為核心層及皮膚層溫度；t為時(shí)間；M為單位體表面新陳代謝率；Msh為單位體表面積寒戰(zhàn)調(diào)節(jié)產(chǎn)熱量；W為單位體表面積對(duì)外所做的機(jī)械功；Qre為單位體表面積呼吸熱損失；Qdr為單位體表面積與環(huán)境間的顯熱換熱量；Qev為單位體表面積與環(huán)境間的潛熱換熱量；K為核心層與皮膚間的導(dǎo)熱系數(shù)；mbl為核心層與皮膚層間的血流量；cp,bl為血液比熱容。

有效溫度ET*是一個(gè)等效的干球溫度量，如果在環(huán)境溫度ET*，平均輻射溫度與環(huán)境溫度相同，相對(duì)濕度50%的等溫假想熱環(huán)境中，人體的皮膚濕度和通過(guò)皮膚的換熱量與真實(shí)環(huán)境下的值相同，那么就可以用ET*來(lái)表示這一真實(shí)環(huán)境的溫度。換句話說(shuō)，ET*值把真實(shí)環(huán)境下的空氣溫度、相對(duì)濕度和平均輻射溫度規(guī)整為一個(gè)溫度參數(shù)，使具有不同空氣溫度、相對(duì)濕度和平均輻射溫度的環(huán)境能用一個(gè)ET*值相互比較。PMV指標(biāo)是Fanger提出的預(yù)測(cè)平均熱感覺(jué)投票值。

3調(diào)查結(jié)果

3．1人員背景

表1表示了此次被調(diào)查人員的基本情況，平均年齡為49.2歲，在北京平均居住時(shí)間為36.5年，說(shuō)明大多數(shù)被調(diào)查者已經(jīng)完全適應(yīng)了北京的氣候。77%的被調(diào)查者辦公室沒(méi)有空調(diào)，基本上不生活在空調(diào)環(huán)境中。

表1被調(diào)查人員背景的統(tǒng)計(jì)歸納樣本數(shù)目88

性別

男57%

女43%

年齡/歲

平均值49．2

標(biāo)準(zhǔn)偏差16．9

最大值82

最小值16

在北京居住的時(shí)間/年

平均值36．5

標(biāo)準(zhǔn)偏差19

最大值76

最小值1

辦公室有空調(diào)的人數(shù)的比例23%

辦公室無(wú)空調(diào)的人數(shù)的比例77%

3．2室內(nèi)氣候及服裝熱阻

對(duì)測(cè)量得到的室內(nèi)氣候參數(shù)和服裝熱阻值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出ET*值位于26.6℃到32.8℃之間，相對(duì)濕度在53%到88%之間。對(duì)照ASHRAE55-92中舒適區(qū)要求，ET*值應(yīng)在23℃到26℃之間，相對(duì)濕度小于60%，可以看出夏季北京自然通風(fēng)形式下的普通住宅的熱環(huán)境基本上都在ASHRAE舒適區(qū)之外。

表2室內(nèi)物理參數(shù)及服裝熱阻的統(tǒng)計(jì)歸納

平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值最小值

空氣溫度/℃28.61.163126

相對(duì)濕度/％77.46.78853

空氣流速/m/s0.180.251.50.02

ET*/℃30.31.4932.826.6

服裝熱阻/clo0.310.080.50.15

圖1表示了實(shí)測(cè)得到的室內(nèi)空氣溫度、風(fēng)速、服裝熱阻和計(jì)算得到ET*值的分布頻率。溫度測(cè)量中，29℃室溫出現(xiàn)的頻率最高，占樣本總數(shù)的23.5%。由于空氣的平均相對(duì)濕度大于50%，所以計(jì)算得到ET*值比測(cè)量的空氣溫度要大，而且它的分布也較測(cè)量值均勻。ET*為31.5℃時(shí)的情況最多，占樣本數(shù)的16.5%。在風(fēng)速的分布情況中，0.1m/s的風(fēng)速為最多，占48.2%；樣本總數(shù)的91%風(fēng)速小于0.5m/s。服裝熱阻的平均值為0.31clo,頻率最大值出現(xiàn)在0.4clo，為28.2%，可以看出，夏季北京市居民在家中的普遍著衣量不大。

圖1實(shí)測(cè)空氣溫度、風(fēng)速、服裝熱阻和計(jì)算有效溫度

3．3熱感覺(jué)

選取風(fēng)速小于0.2m/s的工況（占總樣本的75%），分別回歸出實(shí)測(cè)的熱感覺(jué)值TSV隨空氣溫度Ta和ET*變化的曲線，曲線方程分別為：

TSV=-7.950+0.298ET*(R=0.925)(3)

TSV=-8.068+0.319Ta(R=0.963)(4)

R為相關(guān)系數(shù)。

從這兩個(gè)回歸方程中，我們就可以得到當(dāng)TSV=0時(shí)，ET*和Ta分別為26.7℃和25.3℃，其物理意義是熱中性狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的溫度。

關(guān)于熱環(huán)境的可接受率，通常的研究方法有兩種。一種是直接法，即在熱舒適問(wèn)卷中讓受試者明確判斷對(duì)此環(huán)境是否可以接受。另一種則是間接法，即按照慣例，當(dāng)受試者的投票值在-1到+1之間時(shí)，認(rèn)為他們對(duì)此時(shí)的熱環(huán)境能夠接受。ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)就是要尋求至少80%的居民可接受的熱環(huán)境。這里的可接受率和Fanger提出的PPD（預(yù)測(cè)不滿意率）有些許差別。圖2表示了本次調(diào)查中得到的隨ET*的增加，可接受率的變化規(guī)律。以80%界定，可以得以北京市自然通風(fēng)建筑中居民可接受的熱環(huán)境溫度上限大約在30℃（以ET*表示）。

圖2可接受率隨有效溫度(ET*)的變化

3．4風(fēng)速的主觀評(píng)價(jià)

調(diào)查中，測(cè)得平均風(fēng)速值為0.18m/s。問(wèn)卷中受試者對(duì)空氣流動(dòng)速度的評(píng)價(jià)，47%認(rèn)為知中，43%認(rèn)為小，其余10%認(rèn)為太小，沒(méi)有人認(rèn)為風(fēng)速偏大。曾經(jīng)試圖尋找空氣清新程度和潮濕程度與風(fēng)速的關(guān)系，但沒(méi)有得到可靠的關(guān)系式。

3．5適應(yīng)性手段

在人與環(huán)境的相互關(guān)系中，人不僅僅是環(huán)境物理參數(shù)刺激的被動(dòng)接受者，同時(shí)也是積極的適應(yīng)者，。調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，至少85%的居民對(duì)居室熱環(huán)境有不同程度的調(diào)節(jié)行為，包括用窗簾或外遮陽(yáng)罩來(lái)?yè)跎淙胧覂?nèi)的陽(yáng)光，用開并門窗或用電扇來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)的空氣流速；自身對(duì)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)行為有空舒適簡(jiǎn)便的家居服裝、喝飲料、洗澡等等。這些適應(yīng)性手段無(wú)疑增加了人們的舒適感，提高了他們對(duì)環(huán)境的滿意程度。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，90%的住房有電扇，其中31.6%的居民認(rèn)為他們對(duì)電扇的使用頻率為常開，16.5%的居民認(rèn)為是常關(guān)，其余認(rèn)為使用頻率為30%到80%不等。對(duì)于喝飲料，47.4%的人喜歡喝熱的至少是溫的飲料，如熱茶或涼開水，46.1%的人喜歡喝冷飲，只有6.5%的人不喜歡喝任何飲料。NickBake[10]等人的研究發(fā)現(xiàn)，754次觀測(cè)中，喝冷飲的出現(xiàn)次數(shù)是308次，只有12次是喝熱飲。從中我們可能明顯地看出中國(guó)人與西方人在生活習(xí)慣上的不同，這必然會(huì)對(duì)熱感覺(jué)產(chǎn)生影響。

4討論

4．1實(shí)測(cè)的熱感覺(jué)值PMV的比較

將實(shí)測(cè)的熱舒適參數(shù)空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、新陳代謝率和服裝熱阻（這里由于測(cè)量設(shè)備有限，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)測(cè)出平均輻射溫度值，假設(shè)它與空氣溫度相等）代入程序，計(jì)算得到PMV值，并把它們與實(shí)際測(cè)得的熱感覺(jué)值畫在同一張圖上，見(jiàn)圖3。橫縱坐標(biāo)都是量化的熱感覺(jué)值。從圖中可以看出，實(shí)測(cè)的熱感覺(jué)值TSV普遍低于PMV值，這說(shuō)明所調(diào)查的人群對(duì)熱的承受能力要高些。

圖3熱感覺(jué)實(shí)測(cè)值與PMV計(jì)算值的比較

4．2與其它調(diào)研結(jié)果的比較

關(guān)于熱舒適的實(shí)地調(diào)研，在世界各地有許多研究者都曾進(jìn)行過(guò)，他們的結(jié)果給我們提供了極好的對(duì)比機(jī)會(huì)。另外，筆者認(rèn)為以ET*為變量比以空氣溫度或操作溫度為變量要好，它能更準(zhǔn)確地體現(xiàn)熱環(huán)境的熱濕交換特性。

Bush[11]對(duì)泰國(guó)曼谷夏季自然通風(fēng)建筑的研究發(fā)現(xiàn)，熱感覺(jué)投票值（TSV）隨ET*變化曲線的斜率為0.234/℃，Schiller[12]對(duì)洛杉磯的研究發(fā)現(xiàn)，同樣也以ET*為變量，TSV變化曲線的斜率為0.318/℃，這一結(jié)果與本文的0.298/℃極為相近。此斜率表示人們的熱感覺(jué)對(duì)溫度變化的敏感程度與其他地區(qū)的居民相似。

熱中性狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的溫度，研究成果見(jiàn)表3[13]。本文得出的北京夏季自然通風(fēng)建筑中居民的熱中性溫度（Ta和ET*）分別為25.3℃和26.7℃，與布里斯班地區(qū)的結(jié)果相近。

表3實(shí)地?zé)崾孢m實(shí)驗(yàn)：熱中性狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的溫度地域及氣候熱環(huán)境控制手段熱中性狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的空氣干球溫度/℃

墨爾本－夏季自然通風(fēng)21.8

布里斯班-夏季自然通風(fēng)25.6

泰國(guó)－夏季自然通風(fēng)28.5/27.4(ET*)

新加坡－夏季自然通風(fēng)28.5

4．3適應(yīng)性的問(wèn)題

如前所述，調(diào)查析室內(nèi)工況基本上處于ASHRAE舒適區(qū)以外，但結(jié)果表明，北京無(wú)空調(diào)家庭居民的熱中性溫度為26.7℃（以ET*表示），而且直到ET*為30℃，仍有80%的居民感到環(huán)境可以接受。究其原因，筆者認(rèn)為一方面是由于居民在家中的著衣量較少（平均服裝熱阻為0.31clo），而且室內(nèi)風(fēng)速較空調(diào)環(huán)境的風(fēng)速要大，另一方面也與居民的生理適應(yīng)性和對(duì)環(huán)境的心理期望有關(guān)。被調(diào)查者在北京居住的時(shí)間平均在30年以上，絕大部分人已經(jīng)適應(yīng)了夏季的炎熱氣候，對(duì)熱有一定的承受能力，而且由于家中沒(méi)有空調(diào)，從心理上就已經(jīng)對(duì)室內(nèi)較高的溫度有所準(zhǔn)備，同時(shí)，在熱不適時(shí)可以采取一些適應(yīng)性手段來(lái)改善熱感覺(jué)。從心理學(xué)角度上看，當(dāng)人們能夠?qū)σ鸩豢斓囊蛩丶右钥刂茣r(shí)，不快的程度將會(huì)減弱。另外，在調(diào)查發(fā)現(xiàn)，空調(diào)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)、對(duì)環(huán)境的關(guān)注和喜歡自然環(huán)境的心理都增加了無(wú)空調(diào)住戶對(duì)熱的環(huán)境的適應(yīng)性。

5結(jié)論

5．1由于夏季室外氣溫較高，室內(nèi)熱狀況普遍偏熱，以ET*表示，平均溫度為30.3℃；但自然通風(fēng)建筑中的居室對(duì)室內(nèi)的較高溫度有較強(qiáng)的承受能力。

5．2風(fēng)扇是這類建筑居民改善不適的主要手段，90%的家庭備有風(fēng)扇，且有31.6%的家庭認(rèn)為風(fēng)扇的使用頻率為常開。另外，居民普遍能有意識(shí)地以多種適應(yīng)性行為來(lái)改善自身的熱感覺(jué)。

5．3熱感覺(jué)隨ET*的變化曲線的斜率是0.298/℃，與其它地區(qū)自然通風(fēng)建筑中的居民對(duì)溫度的敏感程度相似。

5．4居民的熱中性溫度以ET*表示為26.7℃，測(cè)量得到可接受的熱環(huán)境溫度上限大約在30℃（以ET*表示）。

5．5在預(yù)測(cè)人體熱感覺(jué)時(shí)，應(yīng)該考慮建筑環(huán)境、生活習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)條件和對(duì)環(huán)境的可調(diào)節(jié)程度等因素的影響。ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55-92規(guī)定的夏季舒適區(qū)對(duì)本次調(diào)查的北京氣候區(qū)自然通風(fēng)建筑來(lái)說(shuō)，顯得有些狹窄了。

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