魏琦 于航* 焦瑜 王梓 儲向陽

同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

據(jù)民政部 《2016年社會服務發(fā)展統(tǒng)計公報》 統(tǒng)計，截至 2016年底，全國60歲及以上老年人口23086萬人， 占總人口的 16.7%， 老齡化已成為我國 21 世紀最大的機遇和挑戰(zhàn)之一。隨著年齡增長， 老年人的生理機能會發(fā)生退行性變化。由于感覺功能和體溫調節(jié)機制的衰退， 老年人對外界環(huán)境變化的敏感度降低， 適應能力減弱。世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計表明， 人一生當中至少有80%的時間在室內環(huán)境中度過， 而對于行動不便的老人， 甚至有可能高達 95%。因此， 如何合理地設計、評價老年人居住建筑室內熱濕環(huán)境至關重要， 這直接影響工作和生活在其中的人的熱舒適和健康。

本課題組在 2014 年 1 月 ～2017 年 4 月期間， 對上海地區(qū)機構養(yǎng)老自然通風建筑中的老年人進行了大量的現(xiàn)場測試與問卷調查， 冬夏季部分研究成果現(xiàn)已發(fā)表 [1] 。本文重點探究過渡季上海地區(qū)老年人熱感覺及熱適應行為， 對比不同季節(jié)老年人熱適應行為差異， 分析老年人熱適應行為與年齡、 性別、 室內外環(huán)境參數(shù)的關系， 構建過渡季老年人服裝熱阻、 開窗率與室內外溫度回歸模型。

1 研究方法

本次調研選擇夏熱冬冷氣候區(qū)中國上海， 選擇氣象學意義上的春季和秋季，調研時間為 2016 年 10～11月和2017 年4 月， 共計調研 13 家養(yǎng)老機構368位老人。本次調研房間空調安裝率超過 98%， 但調研過程中均未開啟空調?，F(xiàn)場調研包括環(huán)境參數(shù)測試和問卷調查兩部分， 現(xiàn)場調研人員分為兩組， 在問卷調查的同時進行環(huán)境參數(shù)測試， 正式調研開始前， 所有的調研人員都經(jīng)過嚴格的培訓。根據(jù)入住養(yǎng)老機構老年人的日常作息時間， 調研時間為上午 8:30～10:30， 下午13:30～17:00。

1.1 調研對象

根據(jù)Rockwood老年人虛弱等級表 [2] ， 定義虛弱等級1～4 級的為健康老人， 本次調研選取上海機構養(yǎng)老建筑中70歲以上健康老人為調研對象， 共獲得有效樣本量368份， 其中男女比例約為1:2。受試老人平均年齡為84.3歲， 在上海平均生活75.81年， 其中江浙滬籍貫比例達到91%， 認為受試老人已充分適應上海的氣候狀況。受試老人具體年齡和性別分布如表1所示。

表1 調研對象基本特征

1.2 環(huán)境參數(shù)與問卷調研

本次調研直接測量的室內環(huán)境參數(shù)包括空氣溫度， 相對濕度， 空氣流速， 黑球溫度， 采用的測試儀器及其精度范圍如表 2 所示。根據(jù) GB/T 50785-2012[3]和ASHARE 55-2013[4]確定測點個數(shù)及分布，計 算平均輻射溫度及操作溫度Top。 室 外氣候條件作為熱舒適研究中的重要參數(shù)，直 接影響室內環(huán)境參數(shù)，從 而影響人體熱舒適及熱適應行為。本次調研室外氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，并 根據(jù)式（ 1）計 算室外平滑周平均溫度Tpma,out。

表2 室內環(huán)境參數(shù)測試儀

式中：te為第i天前的室外日平均空氣溫度；α為 0～1系數(shù)， 其大小反映室外溫度連續(xù)平均改變快慢的反應速度，α越大反應速度越慢，α越小反應速度越快， 本次調研根據(jù)GB 50785-2012 [3] 中建議， 取值0.8。

問卷內容包含老年人居住建筑概況、 年齡、 性別、著裝等基本信息， 以及在當前調查環(huán)境下的主觀熱感覺評價和熱適應行為意愿投票，熱感覺投票采用ASHRAE 7 點標度（-3 太冷了,-2 有點冷,-1 涼快,0 不冷不熱,1暖和,2有點熱,3太熱了）。問卷調查前， 受試老人已在室內靜坐至少 15min， 調研人員現(xiàn)場向老人解釋問卷內容， 并以訪談形式協(xié)助不便于自主填寫問卷的老人完成調研。

1.3 新陳代謝率及服裝熱阻

ASHRAE Standard 55-2013 給出了典型活動強度下普通成年人的能量代謝率數(shù)值表。相關研究表明，代謝率隨著年齡的增長而下降 [5] 。調研過程中， 受試老人均處于坐姿放松狀態(tài)， 結合實際調研過程中老人年齡、 活動強度等情況， 本次研究代謝率取值1.0met。

調研過程中通過現(xiàn)場觀察和問詢方式記錄受試老人當下衣著狀況和椅子類型，并結合 GB/T 50785-2012和 ASHRAE Standard 55-2013標準，查表確定單件服裝和椅子熱阻值。表3列出了老年人穿著的服裝和所坐椅子名稱及其對應熱阻值。按單件服裝熱阻求和的方式定義全套服裝熱阻， 只是服裝衣著熱阻基礎熱阻， 而不是實際的衣著隔熱效果 [6] 。因此， 在對單件服裝熱阻 （包括椅子熱阻） 求和的基礎上， 利用McCullough等 [7] 提出式 （2） 對服裝熱阻值進行修正。

表3 受試老人服裝描述及服裝熱阻

式中：Icl為全套服裝熱阻，clo；Iclu為單件服裝熱阻，clo。

2 結果分析

2.1 室內外環(huán)境

本次調研室內外環(huán)境參數(shù)概況如表4所示。生理學研究表明， 人體對冷環(huán)境適應的下臨界溫度為10℃ [8] ， 調研中有0.3%的室內空氣溫度和0.3%的操作溫度低于該溫度。夏熱冬冷地區(qū)過渡季為多雨季節(jié)，有51.5%的室內相對濕度在舒適性調節(jié)空氣室內計算參數(shù)30%～60%之間 [9] 。室內風速最大值為0.34m/s， 有98.6%的室內風速Va≤0.2m/s， 其中89.6%的室內風速Va≤0.05m/s， 滿足供熱工況下老年人居住建筑舒適性室內設計風速要求 [10] 。

表4 室內外環(huán)境參數(shù)

2.2 熱感覺投票和中性溫度

熱感覺投票分布頻率如圖1所示，有 85.2%的老年人熱感覺投票為不冷不熱。如果將熱感覺投票為[-1,1]的區(qū)間定義為熱舒適區(qū)間，本 次調研中有 89.3%的老年人熱感覺投票在熱舒適區(qū)間，有87.7%的老年人對當前環(huán)境感到滿意，71.2%的受試老人不希望對當前冷熱環(huán)境有所改變。對熱感覺、熱 滿意、熱 期望做交叉分析，如圖 2 所示，當熱感覺投票為不冷不熱（TSV=0）時 ，有 2.9%的老年人熱滿意投票為 0（ 不滿意），16 .1%的老年人熱期望投票為1（ 期望熱些），2.2%為-1（期望冷些）。在熱舒適區(qū)間偏冷情況（ TSV=-1）時，熱 不滿意率達到 63.6%，同 時有 81.8%的受試老人熱期望投票為1（ 期望熱些）。而在熱舒適區(qū)間偏熱情況（ TSV=1）時 ，熱 滿意率達到了 100%，熱 期望投票為1（ 期望熱些）和 -1（ 期望冷些）的 比例相同，均 為 25%。這說明在本研究中，老 年人熱感覺，熱 滿意與熱期望出現(xiàn)了分離現(xiàn)象，老年人偏愛中性偏暖的環(huán)境。課題組對冬季和夏季老年人熱感覺的研究結果表明，冬 季老年人的熱感覺，熱 滿意和熱期望出現(xiàn)了近似同步的現(xiàn)象，夏 季老年人的熱感覺、熱 滿意和熱期望出現(xiàn)了完全同步的現(xiàn)象[1]。 對過渡季的研究與冬季、夏 季研究結論存在差異的原因可能是：過 渡季、夏 季、冬 季存在氣候差異，而 熱感覺、熱 滿意、熱 期望的分離現(xiàn)象更常出現(xiàn)在熱舒適區(qū)間上下限附近。

圖1 熱感覺投票分布頻率

圖2 熱感覺、熱期望、熱滿意關系圖

對操作溫度做步長為1 ℃的bin 處理，對每個溫度區(qū)間內的老年人實際熱感覺投票TSV， 預測熱感覺投票PMV及預計適應性熱感覺aPMV做平均， 繪制散點圖如圖3所示， 線性回歸方程如表5所示， 所有回歸方程都通過了顯著性檢驗，P＜0.001。 如圖， 線性回歸線呈剪刀型，當T op＜25 ℃時，PMV和aPMV均低估了實際熱感覺值 TSV， 而當T op＞25 ℃時,PMV 和 aPMV 均高估了實際熱感覺值TSV， 且隨著操作溫度越遠離25℃， 差值越大。這與Yang [11] ，de Dear[12]和Humphreys[13]等之前的研究結論相符， 在偏冷環(huán)境下， 預測熱感覺PMV 低估了實際熱感覺投票mTSV， 在偏熱環(huán)境下則反之。相比于 PMV，aPMV與實際熱感覺投票TSV更為接近?；貧w方程的回歸系數(shù)表征了受試老人對室內所處環(huán)境的敏感程度即熱敏感度，對比mTSV，PMV和aPMV 回歸方程回歸系數(shù)， 說明本次調研過程中老年人的實際熱敏感度較低， 老年人對溫度變化感知較為遲鈍， 這可能是因為老年人生理機能下降。同時， Ye等[14]研究發(fā)現(xiàn)， 熱適應行為加 / 減衣服會導致回歸方程熱敏感度降低。如表5所示，相比于課題組之前對于冬夏季的研究， 過渡季老年人熱敏感度低于冬季和夏季， 這可能是因為過渡季調研過程中的溫度基本處于老年人的舒適區(qū)間內，這與之前重慶大學劉紅等[15]對于成年人的研究結論相符。將mTSV=0代入回歸方程， 求得過渡季中性溫度為26.1 ℃。

圖3 老年人TSV,PMV,aPMV與Top 的關系

表4 TSV,PMV,aPMV線性回歸方程

2.3 適應性行為意愿

結合冬、 夏季調研結果， 繪制不同季節(jié)熱適應行為分布雷達圖如圖4所示。由圖可知， 無論是冬季、 夏季還是過渡季，加 /減衣服和開/關門窗都是老年人最常用的熱適應調節(jié)手段， 老年人更傾向于原始且不消耗能源的方式來調節(jié)熱舒適。在本次調研過程中，有 98.3%的老人選擇加 / 減衣服作為熱適應調節(jié)手段， 過渡季老年人服裝熱阻在[0.4,1.85]clo 區(qū)間內， 平均服裝熱阻為 1.04 clo，具體分布如圖 5 所示。有89.6%的老人選擇開/關門窗作為熱適應調節(jié)手段， 結合現(xiàn)場調查統(tǒng)計， 調研房間開窗:關窗≈2:1。

圖4 老年人熱適應行為

圖5 服裝熱阻Icl 分布頻率

3 討論

3.1 服裝熱阻影響因素及有效性分析

服裝熱阻作為老年人最重要的調節(jié)手段， 探究老年人服裝熱阻的影響因素及其作為熱適應調節(jié)手段的有效性。計算不同性別、年齡段老人服裝熱阻平均值及標準偏差如表5所示， 對不同性別、 年齡段老人的服裝熱阻做假設檢驗， 檢驗結果表明不同性別、 年齡段老人在服裝熱阻上無顯著差異。做服裝熱阻與室內外環(huán)境參數(shù)Pearson相關性分析， 結果如表6所示。老年人過渡季服裝熱阻與室內操作溫度， 空氣溫度， 平均輻射溫度， 黑球溫度， 相對濕度以及室外空氣溫度， 室外平滑周溫度都存在強烈負相關關系，顯著性水平P＜0.001， 即隨著室內外溫度升高， 室內相對濕度增大， 老年人服裝熱阻值降低。進一步研究服裝熱阻與室內外溫度的定量關系， 做服裝熱阻與操作溫度、 室外平滑周溫度線性回歸與散點圖如圖6所示，所有回歸方程均通過顯著性檢驗， 顯著性水平P＜0.001。對比冬夏季老年人服裝熱阻與室內外溫度回歸方程， 如表7所示， 過渡季服裝熱阻對操作溫度敏感性高于冬、 夏季， 而對于室外平滑周溫度敏感性則低于冬、夏季。三個季節(jié)回歸方程的系數(shù)都較小， 這說明老年人服裝熱阻值雖然會隨著室內外溫度升高而降低， 整體調節(jié)效用有限。

表5 服裝熱阻與性別，年齡假設檢驗結果

表6 服裝熱阻與室內外環(huán)境參數(shù)Pearson相關性分析

圖6 老年人服裝熱阻與環(huán)境溫度回歸曲線

表7 老年人服裝熱阻與環(huán)境溫度回歸方程

表8分析了不同熱感覺、 熱滿意、 熱期望下老年人服裝熱阻差異性。盡管用單因素方差分析不同熱感覺下老年人服裝熱阻差異性時，其初步顯著性水平P＜0.05， 但是在整個調研樣本中選擇 -3 （太冷了） 和 +3（太熱了） 的老人人數(shù)均僅為 1， 不具備統(tǒng)計學意義， 因此在熱感覺投票[-2,+2]范圍內再次進行單因素方差分析檢驗， 顯著性水平P為0.109， 結合非參數(shù)檢驗， 說明不同熱感覺下老年人服裝熱阻無顯著差異。由表可知， 不同熱滿意水平下老年人服裝熱阻無顯著差異， 不同熱期望水平下老年人服裝熱阻有顯著差異， 隨著熱期望水平升高，服裝熱阻值顯著增大。這可能是因為調研過程中一部分環(huán)境溫度處于老年人熱舒適區(qū)間的上下限附近，盡管已經(jīng)通過增/減衣物等熱適應調節(jié)手段改善了對于當前環(huán)境的熱感覺及熱滿意程度，但對于熱期望而言，當前溫度仍不是老人的最適溫度， 如果條件允許， 老人仍希望當前溫度能夠適當升高/降低。這和現(xiàn)場調研過程中的實際狀況相符， 上文的熱感覺、 熱滿意、 熱期望分離現(xiàn)象也佐證了這一點。因此， 可以認為在過渡季， 增 /減衣物對于老人是一種有效的熱適應調節(jié)手段。

表8 服裝熱阻與主觀感覺假設檢驗結果

3.2 開關窗影響因素及有效性分析

開關窗戶有助于改善室內的空氣流動狀況， 從而改變室內的熱環(huán)境， 也是老年人經(jīng)常采用的熱適應調節(jié)手段。 Hwang等 [17] 的研究發(fā)現(xiàn)， 無論是老年人還是非老年人，開窗戶都是最常使用的熱適應調節(jié)方式， 更受老年人的喜愛。探究老年人開/關窗行為影響因素及其作為熱適應調節(jié)手段的有效性。做開/關窗與性別、 年齡的交叉表分析， 結果如表 9所示， 卡方檢驗結果表明不同性別、年齡段老人在開/關窗行為上無顯著差異。做開 /關窗與室內外環(huán)境參數(shù)點二列相關性分析， 結果如表10所示。室內各類溫度及相對濕度與開/關窗狀態(tài)沒有顯著的相關關系， 而室外溫度， 相對濕度、 室內外風速等與開關窗狀態(tài)在 0.01 的水平上顯著相關。獨立樣本T檢驗結果也表明開窗房間與未開窗房間室內空氣溫度、 相對濕度無顯著差異。

表9 開/關窗與性別，年齡段交叉表分析

表10 開/關窗與室內外環(huán)境參數(shù)點二列相關性分析

Logistic 回歸為概率型非線性回歸模型，可用于研究分類觀察結果 （y） 與一些影響因素 （x） 之間的關系， 本文將其用于預測居住者在室內的行為。Haldi [18] 、Nicol[19]、 劉紅[15]等學者在研究熱適應行為與室內外溫度的關系時， 都采用了 Logistic回歸分析方法。做操作溫度、 室外空氣溫度做步長為1 ℃的bin 處理， 分別統(tǒng)計每個溫度區(qū)間內的開窗數(shù)量占總數(shù)的百分數(shù)即開窗率， 建立二元 Logistic回歸模型。操作溫度與開窗率的回歸模型未通過顯著性檢驗，圖7為開窗率與室外空氣溫度的擬合曲線及散點圖， 回歸方程見式 （3）， 其中R2=0.297。 可以看出， 開窗率隨著室外空氣溫度升高而升高， 當室外空氣溫度達到 33.2 ℃時， 開窗率達到90%以上。

圖7 開窗率與室外空氣溫度Logistic回歸

做開/關窗與熱感覺、 熱滿意、 熱期望的交叉表分析如表11所示， 檢驗結果表明開窗房間與未開窗房間內老人熱感覺、 熱滿意、 熱期望投票無顯著差異。結合上文分析表明開/關門窗這一調節(jié)手段主要受室外空氣溫度等環(huán)境參數(shù)影響， 可有效調節(jié)室內空氣流動狀態(tài)， 但對改善室內溫濕度及老年人熱感覺、 熱滿意、 熱期望均沒有明顯的效果。

表11 開/關窗與熱感覺，熱滿意，熱期望交叉表分析

4 結論

1）調 研期間上海地區(qū)機構養(yǎng)老建筑過渡季室內平均操作溫度為20.49℃，平 均相對濕度為57.68%，平 均室外空氣溫度為 15.61 ℃，平均室外相對濕度為75.82%。

2）85.2%的老年人熱感覺投票為不冷不熱，區(qū)別于冬夏季，過 渡季老年人熱感覺、熱 滿意、熱 期望存在分離現(xiàn)象，老年人偏愛中性偏暖的溫度。老年人熱敏感度較低，過渡季老年人熱感覺中性溫度為26.1 ℃，略高于PMV、aPMV預測值。

3） 在過渡季、 冬季及夏季， 加 /減衣服和開/ 關門窗都老年人最常用的熱適應調節(jié)手段，過渡季 98.3%的老年人選擇加 / 減衣服，89.6%選擇開 / 關門窗， 過渡季老年人平均服裝熱阻為1.04clo。

4） 過渡季不同性別、 年齡段老年人服裝熱阻無顯著差異， 老年人過渡季服裝熱阻與室內外溫度、 室內相對濕度均存在強烈負相關關系，過渡季增 /減衣物對于老人是一種有效的熱適應調節(jié)手段。

5） 過渡季老年人開關窗行為與性別、 年齡無關，主要受室外環(huán)境參數(shù)影響， 與室內溫濕度無關， 開窗與未開窗房間內老人熱感覺無顯著差異。

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