李文菁,陳歆儒

(湖南工程學院建筑工程學院,湘潭411104)

0 前 言

目前國際上公認的評價和預測室內(nèi)熱環(huán)境熱舒適的標準ISO 7730[1]和ASHRAE 55-1992[2]是以歐美等發(fā)達國家的大學生為研究對象,通過實驗室研究建立的標準.這些標準適用于穩(wěn)態(tài)、均勻的熱環(huán)境,而人們所處的環(huán)境大多是動態(tài)、不均勻的.因此,上述標準是否具有普遍性、能否推廣應用于真實環(huán)境中,尚需現(xiàn)場研究方法加以驗證.迄今為止,世界各地的許多學者在空調(diào)實驗環(huán)境、實際環(huán)境和自然通風條件下已進行了大量的熱舒適現(xiàn)場研究,結果表明,上述標準并不能準確預測人體熱反應,其主要原因是人對氣候的生理適應性和心理期望值存在差異.為了了解人體舒適度分別在實際空調(diào)環(huán)境、實驗空調(diào)環(huán)境和非空調(diào)環(huán)境(即自然通風條件下)的差異,筆者對長沙地區(qū)不同環(huán)境下的熱環(huán)境以及對應環(huán)境下的人體熱舒適進行了調(diào)查.

1 調(diào)查內(nèi)容、方法及被測人員背景資料分析

本課題的主要測試分為三個部分,一部分測試針對實際空調(diào)環(huán)境下室內(nèi)人員,主要包括長沙市有代表性的公共建筑(大型商場、超市、辦公建筑和賓館)的室內(nèi)人員,這一部分對夏季187名測試對象的背景資料進行統(tǒng)計分析:測試對象的年齡為18到45歲之間,性別為隨機選擇,大體上男性為60%,女性為40%,在長沙居住時間的平均值大約為5年,這說明大多數(shù)的被測試者對長沙地區(qū)冬冷夏熱的氣候已經(jīng)有了一定的適應性;夏季著衣量平均值為0.34 clo(調(diào)查時間為2004年7月2日到7月25日,為長沙夏季最熱的時候),說明著衣量不大;而本次測試的對象包括室內(nèi)辦公人員、賓館客人、超市及商場工作、購物人員,所以活動量也不大,平均值為1.2met,相當于輕活動量范圍.

一部分針對自然通風條件下的室內(nèi)人員,以湖南大學教學樓內(nèi)大學生為主,一共收集到有效問卷220份,其中119名男性,占總?cè)藬?shù)的54.1%,101名女性,占總?cè)藬?shù)的45.9%;平均年齡 20.94歲,平均在湖南大學就讀時間為2.42年,著衣量平均值為0.5 clo.調(diào)查環(huán)境為教學樓,所取采樣點全部為以自然通風.

另一部分針對實驗空調(diào)下的室內(nèi)人員,以大學生為實驗對象,收到有效問卷260份,測試對象的年齡為18到22歲之間,分為兩部分;一部分為湖南大學在校學生,在長沙居住時間大約為3年,另一部分為湛江海洋大學學生,在湛江居住的時間大約也是3年,被測者性別男女比例大致為6∶4;夏季著衣量平均值為0.48 clo(調(diào)查時間為2005年9月2日到9月27日,為長沙、湛江夏末時節(jié),因此被測者著衣量略多于盛夏時節(jié)被測者著衣量);而本次測試的對象在實驗過程中一直保持靜坐學習狀態(tài),所以活動量比較統(tǒng)一,為1 met,相當于輕活動量范圍.測試時間為每次2 h左右,根據(jù)其他研究者的熱舒適性實驗表明時間對實驗結果沒有明顯影響,時間多選擇在上午或者下午.著衣熱阻根據(jù)受試者所填寫的著衣量進行計算:

注:非坐式人員不附加椅子熱阻.

冷熱感與按照Fanger1973年的研究分為7級;主觀舒適感因此參照Fanger1973年的研究分為4級;詳細情況參照表1.在統(tǒng)計過程中,服裝熱阻、冷熱感、干濕感分別取各參數(shù)點的平均值;主觀舒適度以較不舒適、不舒適兩項人數(shù)之和占總?cè)藬?shù)的百分比視為實際不舒適率;熱舒適感為主觀舒適度的平均值,用以觀察人們熱感覺偏離舒適情況的差距.

表1 受試者感覺尺度

2 人體熱感覺及熱舒適性分析

2.1 溫度與熱感覺的關系

對自然通風環(huán)境和實際空調(diào)環(huán)境中風速 v＜0.15 m/s的樣本,以及實驗條件下每個溫度最小風速環(huán)境為樣本,將溫度和人們熱感覺投票值(該參數(shù)點下所有人熱感覺平均值)關系進行回歸分析線性擬合的結果見圖1,線形回歸方程式見(2)、(3)、(4):

實驗空調(diào)環(huán)境下

注:方程式(2)、(3)、(4)對應圖1中的擬合線(2)、(3)、(4).

圖1 溫度與人體熱感覺

顯然在自然通風條件下人體熱感覺隨著溫度變化是最小的,僅為0.0949(TSV)/℃,而在實際空調(diào)環(huán)境下,熱感覺與溫度關系最大,變化率為0.3245(TSV)/℃.在Fergus Nico[3]的研究中在自然通風條件下其變化率為 0.058(TSV)/℃;Shin-ichi Tanabe[4]的對日本人夏季實際空調(diào)環(huán)境下變化率為0.339(TSV)/℃,其結果與本次測試相近.

因此在自然通風條件下一定溫度范圍內(nèi),溫度不是影響熱舒適感覺的主要因素.而在實際空調(diào)環(huán)境中,測試數(shù)據(jù)表明相對濕度為60.4%～78%之間變化不大,空氣流速均在0.1 m/s以內(nèi),而環(huán)境輻射溫度隨著空氣溫度變化而變化,因此影響人體熱感覺的因素比較單一即空氣溫度.至于實驗條件下則由于風速存在較大變化,而其他因素變化較小,因此變化率處于兩者之間.

令TSV=0,可分別求出其熱中性溫度:自然通風環(huán)境下熱中性溫度為22.8℃;實際空調(diào)環(huán)境下為25.2℃;實驗空調(diào)環(huán)境下為26.2℃.由于只有在實驗空調(diào)環(huán)境下調(diào)查了熱期望溫度,通過回歸計算,得出其熱期望溫度為26.4℃,略高于熱中性溫度,兩者相差0.2℃,這與文獻[5]、文獻[6]結論相同.

2.2 熱接受率與實際不舒適率

按調(diào)查表中居民填寫的熱感覺投票值進行統(tǒng)計分析得出,投票值為-1,0,1的為可接受,投票值為一3、-2,2,3的為不能接受.為了對應實測不滿意率,計算在某一操作溫度下投票值為不可接受的人數(shù)占總投票人數(shù)的百分數(shù),即為該溫度下的不可接受率,表2中統(tǒng)計了三種不同環(huán)境下各測試點熱不可接受率和實測不滿意率之間的關系.

表2 熱不滿意率與實測不舒適率

可以看出在實際空調(diào)環(huán)境下,熱不可接受率都在5%以下,但是實際不舒適率卻集中在20%～40%之間;在自然通風條件下,熱不可接受率也很低,但是不滿意率卻比較高,尤其是在溫度超過28℃時(表2所示自然通風條件下最后三組數(shù)據(jù)),熱接受率在25%以下,但是不滿意率卻達到了65%以上,這說明,實際生活環(huán)境,影響人們舒適感的因素是復雜的,溫度雖然達到人體熱舒適要求,但是并不是溫度適合人們就會覺得舒適.

圖2 熱不滿意率與實測不舒適率

將實驗空調(diào)環(huán)境下,熱不可接受率、實測不舒適率與pmv-ppd進行比較,見右圖2,其中擬合線(1)、(2)、(3)分別代表pmv-ppd、熱不可接受率和實測不舒適率(用四次曲線擬合).發(fā)現(xiàn)熱不可接受率擬合線在pmv-ppd擬合線之下與其有很好的吻合度,而實測不舒適率沒有明顯規(guī)律.這說明Fanger提出的pmv-ppd指標過多的考慮了熱環(huán)境中,熱感覺對人體舒適度的影響,而忽視了其他心理因素,人們本身對舒適這一感覺的把握.這說明認為熱舒適和熱感覺是相同的,即熱感覺處于中性就是熱舒適,這種看法是片面的.熱舒適是人們對空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度和相對濕度的主觀綜合反應,并與人們的心理因素有著密切關系,故熱舒適不同于熱感覺.

2.3 相對濕度對人體熱舒適度的影響

目前 ,濕度對人體熱舒適的影響機理尚未完全清楚,前期關于濕度與舒適的研究尚無定論.Fanger和McIntyre認為,在舒適的溫度范圍內(nèi),濕度對人體溫暖感的影響很小.當相對濕度為20%～70%時,人體幾乎感覺不出濕度的變化[7].但另一些學者認為[8]:在高溫高濕環(huán)境下,由于皮膚濕潤度的增加使汗液蒸發(fā)受到限制,且服裝對汗液蒸發(fā)的阻礙作用,人體的不舒適率將明顯增加.

本次測試中由于實驗空調(diào)環(huán)境和實際空調(diào)環(huán)境下相對濕度變化不大因此僅對自然通風環(huán)境下(風速0.15 m/s以下的樣本)相對濕度對熱舒適的影響進行分析,見表3.

表3 相對濕度、溫度對實測不舒適率的影響

可以看出在相對濕度高于80%的時候?qū)崪y不舒適率比較高,尤其是在溫度高于28℃的時候,這種規(guī)律更加明顯.圖3與圖4分別表示焓值、相對濕度對實測不舒適率的影響,從圖中可以看出,在高溫高濕環(huán)境下,焓值的影響比相對濕度更顯著.

2.4 風速對人體舒適度的影響

在本次測試中由于冬、夏季自然通風環(huán)境和實際空調(diào)環(huán)境下的風速均在0.1 m/s以下,冬季實驗空調(diào)環(huán)境下風速變化也在0.05～0.15 m/s之間,所以僅以夏季實驗空調(diào)環(huán)境下樣本(見表4)作為對象,研究風速對人體熱舒適及熱感覺的影響.在本次實驗中,除了最后三組即溫度為27.5℃中的空氣流速由風扇引起外其他均為可風機盤管送風引起,所測風速為距地1.1 m處風速.

風速感是這樣描述的:風速讓你覺得:①較冷;②舒適;③較熱.在統(tǒng)計時我們用-1來表示較冷,0表示舒適,1表示較熱,因此愈接近0就表示風速帶來的感覺約舒適,接近-1就表示風讓人覺得冷.從表中可以明顯看出在有風的情況下,風速感均為負值,說明在我們實驗的溫濕度區(qū)域內(nèi),風速會帶給人們涼爽的感覺.統(tǒng)計所有風速感小于-0.5的參數(shù)點,可發(fā)現(xiàn)其溫度均在26.2℃以下,尤其當溫度低于24℃時,即使風速很小也會帶來較強的風速感即溫度在24℃以下風速會給人冷的感覺,而實測不滿意率也跟著上升了,即在24℃以下時風速會給人帶來不舒適的冷風速感.且在對溫度期望這一選項中期望值均為大于0,即希望溫度更高一點,溫度期望值隨著溫度的下降而增大.

圖3 實測不舒適率與焓值的關系

圖4 實測不舒適率與相對濕度

表4 實驗空調(diào)環(huán)境下吹風感小于-0.5的參數(shù)點

3 結 論

對現(xiàn)場調(diào)查研究方法、結果進行了詳細的分析和總結,得到了以下幾點結論:

(1)通過對自然通風環(huán)境、實際空調(diào)環(huán)境和實驗空調(diào)環(huán)境的實測,發(fā)現(xiàn)在自然通風條件下人體熱感覺隨著溫度變化是最小的,僅為0.0949(TSV)/℃,而在實際空調(diào)環(huán)境下,熱感覺與溫度關系最大,變化率為0.3245(TSV)/℃.說明在自然通風條件下,影響人體熱感覺的其他因素比實際空調(diào)環(huán)境和實驗空調(diào)環(huán)境復雜,具體情況有待進一步研究;

(2)對三種環(huán)境下熱不可接受率與實測不舒適度進行比較,發(fā)現(xiàn)實測不舒適度遠高于熱不可接受率,說明熱感覺與熱舒適有明顯差異;

(3)在將實驗空調(diào)環(huán)境下,熱不可接受率、實測不舒適度與pmv-ppd進行比較的過程中發(fā)現(xiàn)熱不可接受率擬合線在pmv-ppd擬合線之下與其有很好的吻合度,說明Fanger提出的pmv-ppd指標過多的考慮了熱環(huán)境中,熱感覺對人體舒適度的影響;

(4)在高溫高濕(28℃,80%以上)條件下,焓值對實測不舒適度的影響比溫度、相對濕度更明顯,24℃以下時風速會給人帶來不舒適的冷風速感.

[1]ISO 7730.Moderate Thermal Environment-Determination of the PM V and PPD In dices and Specification of the Conditions for Thermal Comfort[S].Geneva:In-ternational Standard organization.1984.

[2]ASHRAE5 5-1992.Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy[S].Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air ConditioningEngineers,In c.1992.

[3]Fergus Nicol.Adaptive thermal comfort standards in thehot-humid tropics[J].Energy and Buildings.2004:628-637.

[4]Nakano,Junta.Differences in perception of indoor environment between Japanese and non-Japanese workers[J].Energy and Buildings.2002:615-621.

[5]王昭俊.嚴寒地區(qū)居室熱環(huán)境與熱舒適性研究[D].哈爾濱建筑大學博士學位論文.2002:42-44.

[6]R.J.Dedear,G.S.Brager.Developing an Adaptive Model of Thermal Comfort and Preference[J].ASHRAE Trans.1998,104(1):145167.

[7]E.A.McCullough,B.W.Olesen,S.Hong.Thermal Insulation Provided by Chairs.ASHRAE Trans.1994,100(1):795-802.

[8]趙榮義.關于“熱舒適”的討論[J].暖通空調(diào),2000,30(3):2526.