劉 晶,李章勇,陳 義

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義 563006）

引言

隨著改革開放的進(jìn)一步深入，貴州這個在過去被扣著“貧窮”“落后”帽子的省份再次迎來了屬于它的春天。各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、民生改善工程全面鋪開，GDP增速連續(xù)數(shù)年位居全國前三位[1]。在人們的經(jīng)濟(jì)狀況和生活水平得到極大改善的同時，對生活品質(zhì)的要求也越來越高。但是由于種種原因，在貴州地區(qū)開展的關(guān)于室內(nèi)熱環(huán)境和人體熱舒適的研究非常少[2][3][4]，這對了解當(dāng)前室內(nèi)熱濕環(huán)境現(xiàn)狀及改善居住環(huán)境是非常不利的。

遵義位于貴州北部，緊鄰重慶，是貴州為數(shù)不多的屬于夏熱冬冷熱工分區(qū)的地區(qū)[5]。長期以來由于經(jīng)濟(jì)的落后，遵義地區(qū)市民在冬季多采用燃煤爐作為主要的采暖方式。隨著經(jīng)濟(jì)狀況的不斷改善，電取暖器、空調(diào)等設(shè)備開始逐漸被大家采用。但是對于高校建筑來說，遵義地區(qū)絕大多數(shù)高校建筑均沒有安裝中央空調(diào)或集中采暖設(shè)備。而且，對遵義地區(qū)高校建筑室內(nèi)熱環(huán)境及熱舒適相關(guān)調(diào)查研究的文獻(xiàn)資料幾乎沒有。更無從得知在非空調(diào)或無采暖的情況下的室內(nèi)熱環(huán)境狀況是否能滿足大多數(shù)人（80%）的熱舒適要求。另外，室內(nèi)熱濕環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣又將直接影響室內(nèi)人員的身體健康、學(xué)習(xí)、工作效率[6][7][8]。因此，為了了解當(dāng)前遵義地區(qū)高校建筑的室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和人員的熱舒適情況，進(jìn)而為改善高校建筑室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量以及進(jìn)行被動式節(jié)能改造提供依據(jù)。本文以遵義地區(qū)某高校建筑室內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適為研究對象，于2017年12月-2018年1月對遵義某高校的教室和宿舍進(jìn)行了冬季的環(huán)境參數(shù)測試和問卷相結(jié)合的現(xiàn)場調(diào)查。

1 研究方法

本次研究所采用的方法為現(xiàn)場調(diào)查，包括客觀環(huán)境參數(shù)測試和主觀問卷調(diào)查。

1.1 客觀環(huán)境參數(shù)測試

本次現(xiàn)場采集的環(huán)境參數(shù)包括室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和室外環(huán)境參數(shù)。室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)包括空氣溫度（Ta）、空氣流速（Va）、相對濕度（RH）和球體溫度（globe temperature,Tg）。在本次研究中，平均輻射溫度（Tr）將由球體溫度代替。這樣的處理方法在對空調(diào)建筑或非空調(diào)建筑的類似現(xiàn)場調(diào)查中被很多學(xué)者采用[9][10]。

環(huán)境參數(shù)測試中分別用黑球濕球溫度計(jì)（臺灣衡欣AZ8778）測量球體溫度和相對濕度；利用熱線風(fēng)速儀（Testo 425）采集空氣流速和空氣溫度的數(shù)值。儀器的精度和反應(yīng)時間等均符合 ASHRAE 55-2013[11]和ISO7730-2005[12]中對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的儀器的相關(guān)要求。每個環(huán)境參數(shù)的采集時間不低于3分鐘[11]。測點(diǎn)在水平方向上一般位于房間的中部，對于人少或者不作長時間停留的室內(nèi)，環(huán)境參數(shù)的測試點(diǎn)一般布置在受試者附近。在垂直方向上，選擇0.1m、0.6m和1.1m的高度分別代表處于坐姿的受試者的腳踝、腰部和頸部的位置，采集空氣溫度和空氣流速，最后取其平均值作為室內(nèi)的空氣溫度和空氣流速值。相對濕度和黑球溫度選擇在距離地面1.1m處進(jìn)行測量。

1.2 主觀問卷調(diào)查

以ASHRAE 55-2004[11]附錄中的調(diào)查問卷為基礎(chǔ)，結(jié)合本次研究的具體內(nèi)容設(shè)計(jì)了調(diào)查問卷。包括背景信息（受試者基本信息和所在建筑基本信息）、熱感覺和熱期望投票以及環(huán)境調(diào)控手段等幾個部分。主要用于幫助收集受試者的個人信息（如，年齡、性別等）、主觀熱感覺、熱期望、對熱環(huán)境的滿意度以及所采取的適應(yīng)性行為等方面的信息。熱感覺投票（AMV）采用ASHRAE七級標(biāo)度，即-3冷、-2涼、-1稍涼、0正好、+1稍暖、+2暖、+3熱；熱期望的量化采用五級標(biāo)度，即-2希望很涼、-1希望涼一點(diǎn)、0不變、+1希望暖一點(diǎn)、+2希望很暖；熱環(huán)境的滿意度也采用-3非常不滿意、-2不滿意、-1稍不滿意、0還好、+1稍滿意、+2滿意、+3非常滿意的七級標(biāo)度幫助受試者表達(dá)主觀意見。問卷調(diào)查與環(huán)境參數(shù)測試同步進(jìn)行。

現(xiàn)場調(diào)查在2017年12月-2018年1月期間每周進(jìn)行2-3天，在調(diào)查日分上午（10：00-11：30）和下午（14：30-17：00）兩個時段進(jìn)行。

2 調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.1 受試者基本情況統(tǒng)計(jì)

本次現(xiàn)場調(diào)查共收回有效問卷178份，其中男性受試者53人，占樣本量的29.7%，女性受試者為125人，占樣本量的70.3%。由于本次現(xiàn)場調(diào)查的對象均為校內(nèi)學(xué)生，所以21周歲及其以下的受試者有170人，占樣本量的87%。

2.2 環(huán)境參數(shù)

本次現(xiàn)場調(diào)查所采集到的室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)如表1所示。由于該高校的教室和寢室均未安裝集中采暖設(shè)備或空調(diào)系統(tǒng)，且在寢室不允許使用大功率采暖設(shè)備，如暖風(fēng)機(jī)、油汀等，所以導(dǎo)致在調(diào)查期間室內(nèi)平均空氣溫度偏低，為14.83℃，僅比室外平均空氣溫度高不到2℃。在現(xiàn)場調(diào)查期間的室內(nèi)溫度均不在ASHRAE 55-2004或ISO 7730-1992中推薦的冬季室內(nèi)的舒適溫度區(qū)間內(nèi)。不論是室內(nèi)的還是室外的相對濕度值均較大，平均值都在72%左右，這與西南地區(qū)冬季陰冷潮濕的氣候特點(diǎn)相符[13]。由于室內(nèi)無采暖，所以大多數(shù)時間受試者所在房間的門窗都是處于關(guān)閉狀態(tài)。這就導(dǎo)致室內(nèi)的空氣流速處于非常低的水平，平均值僅為0.15m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于室外的平均空氣流速0.71m/s。室內(nèi)外球體溫度在本次現(xiàn)場調(diào)查期間的與室內(nèi)空氣溫度相似。

表1 冬季室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)

2.3 問卷調(diào)查結(jié)果

（1）服裝熱阻

問卷中設(shè)置了“服裝列表”，受試者勾選出與自己填寫問卷時相一致的服裝組合，如果著裝在列表中未列出，則可在“服裝補(bǔ)充說明欄”進(jìn)行補(bǔ)充說明。然后通過查閱ASHRAE 55[11]標(biāo)準(zhǔn)中的提供的標(biāo)準(zhǔn)服裝熱阻值列表來確定受試者的服裝熱阻值。因?yàn)槭茉囌咴诮淌液蛯嬍宜囊巫泳鶠槟局?，在本次現(xiàn)場調(diào)查中沒有考慮受試者所坐椅子的熱阻值。受試者在現(xiàn)場調(diào)查期間的服裝熱阻值如圖1所示。超過半數(shù)的受試者（59%）的服裝熱阻值在0.95-1.10clo之間，平均值為1.0clo。另外，從圖1中還可以看出，冬季服裝熱阻值大于1.0clo的受試者比例整體略高于其服裝熱阻值小于1.0clo的受試者。這與室內(nèi)空氣溫度較低的現(xiàn)狀是相符合的。

圖1 冬季服裝熱阻分布頻率

（2）熱感覺投票

利用ASHRAE七級標(biāo)度來量化受試者的熱感覺。整個冬季現(xiàn)場調(diào)查期間受試者的熱感覺投票分布情況如圖2所示。從圖中可以看出，沒有受試者認(rèn)為室內(nèi)溫度是“稍暖”及其以上的。相反，有接近90%（86.8%）的受試者認(rèn)為自己所在室內(nèi)的溫度是“稍涼”及其以下的。僅有13.2%的受試者覺得所在房間的溫度是“正好”的。這是由所在地區(qū)冬季陰冷潮濕的氣候特點(diǎn)和受試者所在室內(nèi)無任何采暖設(shè)備共同作用的結(jié)果。

圖2 冬季熱感覺投票分布頻率

（3）熱期望

本次使用的問卷中采用了五級標(biāo)度來量化熱期望。受試者的熱期望投票統(tǒng)計(jì)如圖3所示。對室內(nèi)溫度感覺“涼”的受試者中，希望室內(nèi)溫度變“暖一點(diǎn)”的比例最大，達(dá)到了83.7%，而對于熱感覺投票為“稍涼”和“正好”的受試者來說，這一比例分別為73.1%和55.6%。對希望室內(nèi)溫度變得“稍暖一點(diǎn)”和“不變”的投票的分布頻率，也符合希望室內(nèi)溫度變“暖一點(diǎn)”的投票的分布頻率規(guī)律。盡管在現(xiàn)場調(diào)查期間室內(nèi)溫度較低，受試者對當(dāng)前熱環(huán)境的熱感覺投票也反應(yīng)冬季室內(nèi)陰冷潮濕的現(xiàn)狀，但仍有一定比例（<8%）的受試者希望室內(nèi)溫度可以變得“涼一點(diǎn)”。從本次現(xiàn)場調(diào)查受試者的熱期望投票來看，在冬季室內(nèi)沒有采暖設(shè)施的情況下，受試者普遍還是希望處在一個比較暖和的室內(nèi)環(huán)境中。

圖3 熱期望投票

3 現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果分析

3.1 服裝熱阻值（clo）與環(huán)境溫度的關(guān)系

為了研究本次現(xiàn)場調(diào)查中采集的服裝熱阻值與環(huán)境溫度的關(guān)系，用溫度頻率法（Bin法）[14][15]按照室內(nèi)、室外空氣溫度每0.5℃進(jìn)行分區(qū)，每個區(qū)間內(nèi)的中心溫度值作為自變量，每個溫度區(qū)間內(nèi)的服裝熱阻值的平均值作為自變量繪制散點(diǎn)圖，得到圖4。利用線性回歸，得到服裝熱阻值隨室內(nèi)、室外空氣溫度變化的關(guān)系式：CLO=-0.0339Tin+1.4954（R2=0.8332）；CLO=-0.0348Tout+1.4629（R2=0.4013）。從圖4和線性關(guān)系式可以看出，服裝熱阻值總體呈現(xiàn)隨著室內(nèi)外空氣溫度的升高而減小的。另外，還可以看出服裝熱阻值與室內(nèi)空氣溫度的相關(guān)性好于其與室外空氣溫度。服裝熱阻值隨室內(nèi)空氣溫度的變化呈現(xiàn)明顯的兩個階段：當(dāng)室內(nèi)空氣溫度由12℃上升至17℃時，服裝熱值由1.15clo顯著下降到0.9clo；此后再隨著室內(nèi)空氣溫度的升高，受試者的服裝熱阻值變化比較平緩，在0.9clo左右波動。

圖4 服裝熱阻值隨環(huán)境溫度變化的情況

3.2 PMV、AMV與室內(nèi)空氣溫度的關(guān)系

預(yù)測平均投票值 PMV、實(shí)際熱感覺投票值A(chǔ)MV與室內(nèi)空氣溫度Tin的線性回歸方程分別為：AMV=0.2312Tin-4.6869（R2=0.8959）和PMV=0.2532Tin-5.7608（R2=0.83）。令A(yù)MV和PMV為零，可得在預(yù)測模式和實(shí)測模式下的熱中性溫度分別為20.27℃和 22.75℃。后者比前者高 2.5℃。與此同時，線性回歸方程的斜率也反映了在實(shí)測模式和預(yù)測模式下遵義地區(qū)高校建筑冬季室內(nèi)人員的對室內(nèi)溫度變化的熱敏感性，分別為4.33℃/單位熱感覺投票值和3.95℃/單位熱感覺投票值。也就是說，室內(nèi)溫度分別每改變4.33℃和3.95℃時，實(shí)測熱感覺投票值和預(yù)測熱感覺投票值會變化一個單位。預(yù)測模式下的冬季人體熱敏感性數(shù)值小于實(shí)測模式下，說明在自然通風(fēng)條件下，人體能夠接受更大范圍內(nèi)的溫度變化[16]。

3.3 可接受溫度區(qū)間的確定

至少80%的室內(nèi)人員感覺可接受的室內(nèi)溫度的變化區(qū)間成為可接受溫度區(qū)間。根據(jù)PMV與PPD的關(guān)系，該溫度區(qū)間可由令熱感覺投票值為±0.85時所對應(yīng)的溫度區(qū)間得到，假設(shè)PMV與PPD的關(guān)系也存在于實(shí)際熱感覺投票（AMV）和實(shí)際不滿意百分?jǐn)?shù)（Actual Percentage Dissatisfaction,APD）。所以，采用bin法，可以得到實(shí)際熱感覺投票和預(yù)測平均投票（PMV）隨室內(nèi)空氣溫度變化的散點(diǎn)圖，如圖5所示?？梢钥闯?，在相同的室溫下冬季受試者的實(shí)際熱感覺投票值均小于預(yù)測熱感覺投票值，說明PMV指標(biāo)低估了人體在自然通風(fēng)建筑中對冬季低溫環(huán)境的適應(yīng)性。

圖5 熱感覺投票隨室內(nèi)空氣溫度變化的情況

令A(yù)MV和PMV分別等于±0.85，代入熱感覺投票與室內(nèi)溫度的線性關(guān)系式可得在實(shí)測模式和預(yù)測模式下可接受溫度區(qū)間分別為：16.60℃-23.95℃和19.39℃-26.11℃。實(shí)測模式下的可接受溫度區(qū)間范圍較預(yù)測模式下大，而且預(yù)測模式下的可接受溫度區(qū)間整體向溫度更高的方向平移了3℃左右。與ASHRAE 55中規(guī)定的20℃-23.5℃的冬季舒適區(qū)溫度范圍相比，實(shí)測模式下的可接受溫度區(qū)間的下限下移了4℃左右，而在預(yù)測模式下的可接受溫度區(qū)間的上限上移了3℃左右。所有這些都說明 PMV沒有考慮在自然通風(fēng)環(huán)境中人體的適應(yīng)性，從而高估了低溫對人體熱感覺的不利影響[17][18]。

4 結(jié)論

（1）遵義地區(qū)高校建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量較差，主要體現(xiàn)在室內(nèi)空氣溫度較低、濕度較高，兩者平均值均不在ASHRAE55和ISO7730標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的冬季舒適區(qū)的范圍。86.8%的受試者的熱感覺投票都是“-1”或“-2”的這一現(xiàn)象也印證了這一結(jié)論。

（2）受試者的熱感覺投票值與熱期望投票值存在相關(guān)性。熱感覺投票值越低的受試者越希望室內(nèi)空氣溫度變得“暖一點(diǎn)”。這一比例在熱感覺投票值分別為“-2”、“-1”和“0”的受試者中分別占到了83.7%、73.1%和55.6%?？傮w來說，本次現(xiàn)場調(diào)查的受試者更傾向于一個更溫暖的室內(nèi)環(huán)境。

（3）室內(nèi)外空氣溫度的變化是導(dǎo)致受試者進(jìn)行服裝調(diào)節(jié)的有效驅(qū)動力。在本次現(xiàn)場調(diào)查中，隨著溫度的上升，服裝熱阻值總體呈下降的趨勢，并最終在0.9clo附近波動。

（4）在同一溫度下，PMV值與AMV值、PPD與APD值均存在較大差異。究其原因，主要在于PMVPPD指標(biāo)是人工氣候室實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物，基本沒有將人體在生理、行為和心理三方面的適應(yīng)性考慮在內(nèi)。

5 致謝

對在本次現(xiàn)場調(diào)查中參與填寫調(diào)查問卷的同學(xué)表示衷心的感謝；對協(xié)助完成現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)測試和問卷調(diào)查的課題組同學(xué)的辛勤付出表示誠摯的謝意。