劉 紅,李百戰(zhàn),馬曉磊

(重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400045)

隨著現(xiàn)代社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平快速提高,冷熱空調(diào)的應(yīng)用越來越普遍?？照{(diào)環(huán)境下,為了使熱環(huán)境滿足人體處于熱中性狀態(tài)而控制環(huán)境溫度,往往出現(xiàn)建筑室內(nèi)冷熱負(fù)荷過大的現(xiàn)象,夏季室內(nèi)過冷、冬季室內(nèi)過熱的狀況經(jīng)?？梢?造成能源浪費和過度的溫室氣體排放。國際上發(fā)達(dá)國家的建筑用能已占全社會用能40%～50%,中國建筑用能已占社會用能的30%左右[1],因此,建筑室內(nèi)熱環(huán)境和熱適應(yīng)性研究有著非常重要的意義,即充分發(fā)揮人體熱適應(yīng)能力,最大限度利用非采暖空調(diào)環(huán)境,減少空調(diào)的使用,降低建筑設(shè)備能耗,減緩氣候變化,同時也可以避免“空調(diào)不適應(yīng)癥”等健康問題。

非采暖空調(diào)環(huán)境在美國標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE55-2004[2]中稱為自然調(diào)節(jié)空間(Naturally Conditioned Spaces),在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN15251[3]則稱為自由運行建筑(Free-running Building)室內(nèi)環(huán)境。在這樣的環(huán)境里,人們不啟動采暖和空調(diào)制冷設(shè)備,而是可以采取變換著裝、開關(guān)窗戶、通風(fēng)降溫等方式來適應(yīng)熱環(huán)境的變化。各國學(xué)者對人在非采暖空調(diào)環(huán)境下的熱舒適問題做了大量的研究工作。英國的M.A.Humphreys[4]通過現(xiàn)場調(diào)查較早提出了自然通風(fēng)房間的熱舒適溫度不同于空調(diào)房間。美國的J.F.Busch[5]在泰國通過現(xiàn)場調(diào)查研究表明在同樣的熱舒適滿意投票率情況下,非采暖空調(diào)建筑的有效溫度范圍更大。清華大學(xué)曹彬、朱穎心等[6]研究了北京地區(qū)冬季寒冷的氣候條件下人對冷環(huán)境的適應(yīng)性,結(jié)果認(rèn)為冬季將室內(nèi)溫度維持過高,不僅浪費能源,同時也會引發(fā)人們的不舒適感。北京理工大紀(jì)秀玲等[7]對江浙地區(qū)夏季非空調(diào)環(huán)境下人體熱感覺進(jìn)行了調(diào)查研究,結(jié)果認(rèn)為對熱環(huán)境的適應(yīng)會改變?nèi)藗兊男睦砥谕蜔岣杏X,現(xiàn)有的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該根據(jù)實際情況作相應(yīng)的修正。重慶大學(xué)李百戰(zhàn)在20世紀(jì)90年代初就對中國南方地區(qū)建筑室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀問題開展了研究[8]。近年來,又針對重慶地區(qū)高校教室[9]和學(xué)生公寓[10]非采暖空調(diào)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了人體熱適應(yīng)性研究,對高校教室室內(nèi)熱環(huán)境提出了適應(yīng)性預(yù)測平均投票(aPMV)的適應(yīng)性模型。這些研究都充分證明了人具有很好的熱適應(yīng)性和熱調(diào)節(jié)能力,可以使人在非采暖空調(diào)環(huán)境下比空調(diào)環(huán)境下有著更大的可接受溫度范圍。

在非采暖空調(diào)環(huán)境人的熱適應(yīng)性研究基礎(chǔ)上,ASHRAE55-2004標(biāo)準(zhǔn)利用RP.884項目的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),以每棟建筑為一個單元產(chǎn)生不同的回歸系數(shù),最終獲得了適用于自然調(diào)節(jié)空間的90%和80%可接受溫度隨室外月平均溫度變化的范圍[11]。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN15251利用歐洲的現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù),根據(jù)Griffith的方法[12]計算得到舒適溫度與室外周內(nèi)相繼平滑溫度(runningmean temperature)線性回歸方程,在此方程基礎(chǔ)上得到3種不同類型自由運行建筑設(shè)計溫度取值范圍[13]。英國雷丁大學(xué)姚潤明[14]利用重慶地區(qū)教室全年的現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù),根據(jù)Griffith的方法計算得到舒適溫度與室外月平均溫度的線性回歸方程,利用室內(nèi)空氣溫度與熱感覺投票得到90%和80%的可接受范圍。可以看出,3篇文獻(xiàn)的可接受溫度范圍的確定方法和數(shù)據(jù)來源均各不相同,結(jié)果也不相同。因此,有待于更進(jìn)一步的研究。

重慶大學(xué)承擔(dān)了“中國民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)”的編制工作。該標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容之一就是提出一個適合于中國的不同氣候區(qū)的非采暖空調(diào)建筑室內(nèi)的可接受空氣溫度范圍的確定方法。為了給編制中的“中國民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)”提供依據(jù),該文以典型夏熱冬冷氣候區(qū)的重慶為代表,提出了確定夏熱冬冷地區(qū)非采暖空調(diào)室內(nèi)環(huán)境的可接受溫度范圍的方法,并得到非采暖空調(diào)室內(nèi)環(huán)境的可接受范圍。

1 研究方法

研究主要通過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合實驗室實驗的方式開展研究。首先通過對調(diào)查建筑的室內(nèi)外熱濕環(huán)境參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測試,同時對建筑室內(nèi)的人員進(jìn)行熱舒適問卷調(diào)查,了解該地區(qū)非采暖空調(diào)室內(nèi)外環(huán)境的熱濕環(huán)境現(xiàn)狀、以及人們對室內(nèi)熱環(huán)境的熱適應(yīng)能力和主觀評價。在調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過將人們對室內(nèi)環(huán)境的熱感覺投票進(jìn)行分析處理,提出確定非采暖空調(diào)室內(nèi)環(huán)境的可接受溫度范圍的方法,獲得80%和90%可接受溫度范圍。最后結(jié)合實驗室研究成果,確定室內(nèi)人員習(xí)慣著裝情況下的冬季最低和夏季有無機(jī)械通風(fēng)情況時的最高可接受溫度值。

研究從2007—2009年,整個過程歷時2 a。每月選取3～5天可以代表該月典型氣候的測試日進(jìn)行建筑室內(nèi)外熱濕環(huán)境現(xiàn)場測試和室內(nèi)居民或辦公人員問卷調(diào)查。建筑類型為重慶的典型住宅建筑或辦公建筑。住宅建筑測試日的測試時段不做限制,辦公建筑的測試時段基本為辦公時間8:30—17:30。所有數(shù)據(jù)均在非采暖空調(diào)環(huán)境采集。

使用高精度便攜式溫濕度計和熱線風(fēng)速儀對熱環(huán)境參數(shù)(室內(nèi)干球溫度,相對濕度,室內(nèi)風(fēng)速以及室外干球溫度)進(jìn)行測量。在進(jìn)行環(huán)境參數(shù)測量的同時,請室內(nèi)的居民或辦公人員填寫問卷。問卷的主要內(nèi)容包括:被調(diào)查者的年齡,性別,此時穿衣情況,此時對熱環(huán)境的主觀感覺,包括熱感覺,濕感覺以及氣流感。其中,熱感覺采用的是ASHRAE熱感覺 7 級標(biāo)尺 。 -3、-2、-1、0、1、2、3 分別代表很冷、冷、有點冷、不冷不熱、有點熱、熱、很熱。根據(jù) 7級標(biāo)尺,對濕感覺和吹風(fēng)感同樣做了標(biāo)尺,-3、-2、-1 、0、1、2、3 分別代表很潮濕 、潮濕 、有點潮 、舒適 、有點干、干燥、很干燥和很悶、悶、有點悶、舒適風(fēng)、有點風(fēng)、風(fēng)大了點、風(fēng)很大。

實驗室研究則是在非采暖空調(diào)實驗環(huán)境下,在冬季低溫和夏季高溫(分有機(jī)械通風(fēng)和無機(jī)械通風(fēng))工況下進(jìn)行人體生理、心理反應(yīng)的主客觀實驗研究,從而獲得人在熱適應(yīng)能力范圍內(nèi)的最低和最高可接受溫度值。

2 調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計分析

通過為期2 a的現(xiàn)場測試和問卷調(diào)查,整理得到了有效問卷2 712份,其中男性1 433份,女性1 279份,男女人數(shù)比較均勻,比例為1.15:1。為了使調(diào)查結(jié)果具有普遍性,問卷調(diào)查的人員年齡跨度較大,最小的年齡在20歲以下,最大的年齡超過60歲。各年齡段具體比例為 20～30歲,占總數(shù)的37.2%;30～40歲,占總數(shù)的 21.5%;40～50歲、50～60歲以及大于60歲的人數(shù)基本相等,大約分別占總數(shù)的12%左右;小于20歲的人數(shù)最少,只占總數(shù)的4%。

通過對2 712份問卷進(jìn)行分類歸納了解全年室內(nèi)外熱環(huán)境狀況:冬季1月份平均溫度最低,夏季8月份平均溫度最高,室內(nèi)空氣相對濕度大部分為50%～80%;室內(nèi)空氣流速大部分為0～0.25m/s,最高為0.94m/s。將現(xiàn)場測試得到的室內(nèi)外空氣溫度數(shù)據(jù)繪成散點圖1。從圖上可看出,室外空氣溫度在6～36℃之間變化,室內(nèi)空氣溫度在 10～35℃之間變化,室內(nèi)空氣溫度隨室外空氣溫度的升高而升高,同一時間內(nèi)室內(nèi)外空氣溫度差大約在1～4℃之間。由此可以看出,在非采暖空調(diào)的自然環(huán)境下室外溫度對室內(nèi)溫度影響很大。除了室外氣象條件外,室內(nèi)外溫差大小主要由建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫和隔熱性能以及室內(nèi)產(chǎn)熱量的大小決定。

圖1 室內(nèi)外空氣溫度關(guān)系圖

在獲得非采暖空調(diào)建筑室內(nèi)外熱濕環(huán)境狀況的基礎(chǔ)上,需要了解人們對這種工作或居住環(huán)境的熱舒適評價,研究通過被調(diào)查者的熱感覺投票值(TSV)來綜合體現(xiàn)。同時,由于空氣濕度和速度對人體熱舒適有著重要的影響。例如高溫高濕的環(huán)境下,由于皮膚濕潤度的增加使汗液蒸發(fā)受到限制,并且服裝對汗液蒸發(fā)有阻礙作用,人體的不舒適感將明顯增加。而在高溫環(huán)境下適當(dāng)?shù)拇碉L(fēng)使人的舒適感會明顯增加。因此了解調(diào)查者的濕感覺和氣流感,對分析熱舒適有重要的作用。

將調(diào)查問卷分別按冬季、夏季和過渡季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計,得到室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)、服裝熱阻與主觀評價關(guān)系表1。

從表1中可以看出,冬季在熱感覺投票值(TSV)為0時,熱感覺投票百分比為58.8%。在熱感覺投票值(TSV)為-1、0、1的范圍時,熱感覺投票百分比為91.7%。說明該地區(qū)人們在習(xí)慣的冬季著裝情況下(平均服裝熱阻值為1.16 clo),對室內(nèi)熱環(huán)境滿意度基本達(dá)到90%以上。在夏季熱感覺投票值(TSV)為 0時,熱感覺投票百分比為42.5%。在投票值(TSV)為-1、0、1 的范圍時,熱感覺投票百分比為81.9%?？梢钥闯鱿募救藗儗岘h(huán)境的評價比冬季低,熱感覺投票百分比相差約10%。這說明夏季人們雖然可以通過減少衣著、開窗或打開風(fēng)扇等適應(yīng)性調(diào)節(jié)方式來適應(yīng)環(huán)境,但這些方式比起冬季人們通過增加服裝來適應(yīng)環(huán)境調(diào)節(jié)范圍要有限一些。比如夏季著裝的減少是有限的,而且一些單位對辦公室人員的還有著裝規(guī)定。因此,冬季人們對室內(nèi)熱環(huán)境的適應(yīng)范圍大于夏季。

從表1中還可以看到,3個季節(jié)里人們對濕感覺在投票值為0和投票值范圍-1、0、1時的百分比分別都達(dá)到了近60%和90%以上,表明人們對于重慶地區(qū)非采暖空調(diào)室內(nèi)的高濕環(huán)境(平均相對濕度都在60%以上)已經(jīng)比較適應(yīng)。從吹風(fēng)感來看,投票值為 0時的百分比冬季為 49.7%,夏季為30.6%,過渡季節(jié)為 37.3%,在投票值范圍 -1、0、1時的百分比則均在85%以上?？梢钥闯鱿募竞瓦^渡季節(jié)人們對室內(nèi)的氣流環(huán)境不是特別滿意,“有點悶”是不少被調(diào)查者對所處環(huán)境的評價。從室內(nèi)氣流速度統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看,夏季平均室內(nèi)空氣流速為0.15m/s,過渡季節(jié)為0.09m/s。說明非機(jī)械通風(fēng)情況下,室內(nèi)氣流速度較小,對室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)能力有限。

3 可接受溫度范圍的確定

為了充分反映不同溫度下非采暖空調(diào)環(huán)境中人的熱適應(yīng)性和熱調(diào)節(jié)能力,在全年室內(nèi)外空氣溫度關(guān)系圖基礎(chǔ)上,根據(jù)人們對室內(nèi)熱環(huán)境的熱感覺投票值分布狀況,將室外溫度以2℃為1個溫度段單元,尋找各室外空氣溫度段下的室內(nèi)空氣溫度與TSV的回歸方程。室外空氣溫度范圍從5～37℃,總共可以分為16個溫度段。通過數(shù)據(jù)回歸的方式,得到每個室外空氣溫度段下,室內(nèi)空氣溫度所對應(yīng)的實際投票值之間的一元回歸方程,具體如圖2所示。

圖2 室外空氣溫度下TSV與室內(nèi)空氣溫度關(guān)系

從圖2和回歸方程可以看出,每個溫度段所回歸出來的方程斜率不相同;溫度較高時的回歸方程比溫度較低時的回歸方程斜率要大些。這說明人體對不同溫度所表現(xiàn)出來的敏感程度不同,較高溫度比較低溫度人體對熱感覺更敏感(見圖2(a)和圖2(d))。

某些溫度段下,室內(nèi)空氣溫度跨度較大,如過渡季節(jié)室內(nèi)人員通過調(diào)整服裝等適應(yīng)性手段滿足自身的熱舒適要求,此時,熱感覺投票隨室內(nèi)空氣溫度變化不明顯(如室外溫度為16～ 20℃時,見圖2(b))。

在得到各室外空氣溫度段下室內(nèi)空氣溫度與TSV之間的回歸方程的基礎(chǔ)上,根據(jù)Fanger教授提出的PMV-PPD方程[15],得出當(dāng)預(yù)測熱感覺投票值(PMV)為±0.5時,有90%的人滿意室內(nèi)熱環(huán)境,當(dāng)預(yù)測熱感覺投票值(PMV)為±0.85,有80%的人滿意室內(nèi)熱環(huán)境。假設(shè)實際熱感覺投票(TSV)與實際不滿意率遵循PMV-PPD同樣的規(guī)律,則計算得到各溫度段下,TSV為±0.5和±0.85所對應(yīng)的溫度值,以室外空氣溫度為橫坐標(biāo),室內(nèi)空氣溫度為縱坐標(biāo)作圖,得到各數(shù)據(jù)對應(yīng)的點,并通過線性回歸的方法,得到80%和90%可接受的線性回歸方程,具體如圖3所示。

圖3 80%和90%可接受溫度線性回歸

從圖3可以明顯看出回歸后的80%、90%可接受線呈現(xiàn)一個梯形的形狀,在低溫度段時可接受范圍明顯比高溫度段時可接受范圍要大。這充分反映了不同季節(jié)人們的熱適應(yīng)性能力的大小。

重慶大學(xué)在近幾年將皮膚溫度,神經(jīng)傳導(dǎo)速度等生理參數(shù)用于人體熱舒適及生理健康研究已經(jīng)取得了很好的研究成果[16-18]。通過實驗,得到了在重慶地區(qū)非采暖空調(diào)室內(nèi)空氣溫度的冬季下限值為16℃(服裝熱阻平均值約1.11 clo,平均相對濕度大于70%),夏季上限值為28℃(無機(jī)械通風(fēng)時)。若夏季利用機(jī)械通風(fēng),室內(nèi)空氣流速為1m/s時,室內(nèi)空氣溫度上限值可達(dá)到30℃[19-20],由此最終得到了重慶地區(qū)非采暖空調(diào)室內(nèi)可接受溫度范圍框圖,如圖4所示。

圖4 夏熱冬冷地區(qū)可接受溫度范圍

對比討論ASHRAE55-2004(見圖5)、EN15251(見圖6)及姚潤明(見圖7)的研究,3種方法均以熱舒適中性溫度與室外溫度的線性回歸方程為基準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上平移得到滿意率為80%和90%可接受溫度范圍,且上下溫度范圍是平行等寬的。其中:ASHRAE55-2004采用的是以每棟建筑為 1個單元,各單元產(chǎn)生不同的回歸系數(shù),得到相應(yīng)的中性溫度。EN15251和姚潤明利用griffith公式計算中性溫度。研究則是直接將數(shù)據(jù)按溫度段單元的形式進(jìn)行線性回歸得到各溫度段下滿意率為80%和90%可接受上下限溫度值,然后將其值再進(jìn)行1次線性回歸得到全年室外溫度下滿意率為80%和90%的可接受溫度范圍。研究結(jié)果顯示可接受溫度范圍不是平行等寬的。這符合冬季和夏季人們通過適應(yīng)性調(diào)節(jié)方法不同,調(diào)節(jié)能力不一致的特征,比如在重慶的辦公建筑和居住建筑內(nèi),冬季人們可以通過增加服裝來適應(yīng)室內(nèi)熱環(huán)境的變化,而夏季人們的著裝少、可進(jìn)行的調(diào)節(jié)是有限的。夏季人們對室內(nèi)熱環(huán)境的適應(yīng)范圍小于冬季。

圖5 ASHRAE55-2004自然空間可接受的運行溫度的范圍[2,11]

圖6 EN15251自由運行建筑設(shè)計溫度取值范圍[3,13]

圖7 重慶地區(qū)非采暖空調(diào)教室熱適應(yīng)溫度范圍[14]

ASHRAE55-2004(見圖5)及姚潤明(見圖7)的研究采用的是月平均室外氣溫。EN15251(見圖6)采用的是將周內(nèi)相繼平滑溫度(runningmean temperature)。ASHRAE55-2004和EN15251所用到的數(shù)據(jù)皆沒有涉及到中國。根據(jù)中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[21]典型氣象年逐日氣象資料中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,重慶、上海、長沙等夏熱冬冷地區(qū)城市的日平均氣溫變化較大,如重慶在3月-5月份,8月-11月份,日平均氣溫均超過10℃,而且每日瞬時溫度變化也很明顯。如果用月平均溫度來表示室外空氣溫度的變化顯得過于籠統(tǒng)。該研究采用各室外瞬時空氣溫度為自變量,確定可接受室內(nèi)空氣溫度范圍(見圖4),體現(xiàn)夏熱冬冷地區(qū)的室外日平均氣溫變化較大的特點,而且使用也更方便。

值得一提的是,相對濕度也是評價人體熱舒適的重要因素之一。國際上用有效溫度ET(EffectivETemperature)來考慮室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度和室內(nèi)空氣流速的綜合影響,還特別將相對濕度50%,空氣靜止不動,服裝熱阻0.6 clo時的有效溫度定義為標(biāo)準(zhǔn)有效溫度 SET(Standard EffectivETemperature)[22]。Fanger的PMV-PPD模型中也包含了相對濕度對PMV的影響[15]。尤其是低濕和高濕環(huán)境對熱舒適影響更大,低濕度能使皮膚及粘稠的表面干燥,在低濕度的情況下特別是當(dāng)露點溫度低于0℃時,鼻子、喉嚨、眼睛、皮膚等部位有明顯的干燥感,在高濕度情況下,相對濕度增加會增加不舒適感,如水分?jǐn)U散和出汗等[22]。ASHRAE55-2004對于空調(diào)環(huán)境采用PMV-PPD模型進(jìn)行評價,但是對于非采暖空調(diào)環(huán)境,ASHRAE55-2004則給出了自然空間可接受的運行溫度的范圍(見圖5),并特別說明應(yīng)用時沒有濕度的限制[2]。同樣,EN15251、姚潤明在對自由運行建筑設(shè)計溫度取值范圍(見圖6)和重慶地區(qū)非采暖空調(diào)教室熱適應(yīng)溫度范圍(見圖7)中也沒有對濕度進(jìn)行限制。主要論述的是非采暖空調(diào)環(huán)境的可接受室內(nèi)溫度范圍,因此參照ASHRAE55-2004、EN15251等做法沒有考慮濕度的影響問題。

4 結(jié)論

以典型夏熱冬冷氣候區(qū)的重慶為研究對象,利用辦公建筑和居住建筑現(xiàn)場測試和問卷調(diào)查數(shù)據(jù),結(jié)合試驗室人體生理和心理實驗研究成果,得出了一個適用于夏熱冬冷地區(qū)建筑室內(nèi)非采暖空調(diào)環(huán)境的可接受空氣溫度范圍。通過與 ASHRAE55-2004、EN15251及姚潤明的可接受溫度范圍研究結(jié)果的對比,主要結(jié)論如下:

1)將重慶辦公建筑和居住建筑現(xiàn)場測試和問卷調(diào)查數(shù)據(jù)按溫度段單元通過二次線性回歸,得到全年室外溫度下滿意率為80%和90%的可接受溫度范圍,且可接受溫度范圍在冬、夏季是不平行等寬的。這反映了重慶冬季人們可以通過增加服裝來適應(yīng)室內(nèi)熱環(huán)境的變化的特征。

2)采用室外瞬時空氣溫度為自變量,確定可接受室內(nèi)空氣溫度范圍,充分體現(xiàn)了夏熱冬冷地區(qū)的室外氣溫變化較大的特點,而且使用也更方便。

3)為編制中的“中國民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)”的室內(nèi)可接受溫度范圍的確定提供了可行的方法,但在實際標(biāo)準(zhǔn)編制中,夏熱冬冷地區(qū)的其它典型城市,如上海、南京、武漢、長沙等地的氣候條件、室內(nèi)熱濕環(huán)境現(xiàn)狀及人們的熱適應(yīng)性可能不同,應(yīng)采用本方法分別進(jìn)行研究,綜合確定夏熱冬冷地區(qū)的室內(nèi)可接受溫度范圍。

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