張凱歌 王麗娟 孔培婷 王 鵬

西安某高校宿舍人體熱舒適氣候適應(yīng)性模型研究

張凱歌 王麗娟 孔培婷 王 鵬

（西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710600）

對(duì)該地區(qū)某高校學(xué)生宿舍冬季室內(nèi)外溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)受試者的基本信息、主觀熱感覺和服裝熱阻進(jìn)行問卷調(diào)查。利用回歸方法得出該地區(qū)的熱中性溫度（18.6℃）及其范圍（16.9～22.7℃)，并建立該地區(qū)熱舒適氣候適應(yīng)性模型（熱適應(yīng)模型），初步確立室內(nèi)熱中性溫度和室外空氣溫度的關(guān)系。將熱中性溫度作為室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，可以提高人體舒適度，并可以適當(dāng)減少建筑能耗。

學(xué)生宿舍；熱舒適；熱感覺；適應(yīng)性模型；熱中性溫度

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國民生活水平的不斷提高，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高。因此在人體熱舒適方面的研究逐漸受到重視。目前常用的研究方法有實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和實(shí)地調(diào)研測(cè)試。兩者主要區(qū)別在于是否考慮了人體自身對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，人們會(huì)不斷采取各種方式來適應(yīng)這種變化，熱適應(yīng)模型反映的就是人和環(huán)境之間“給與拿”的關(guān)系[1]。

國外研究者Humphreys和Nicol在1978年提出了一種利用室外溫度來預(yù)測(cè)室內(nèi)熱舒適溫度的方法[2]。他們通過對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析研究，得到了適用于自然通風(fēng)環(huán)境下室內(nèi)熱中性溫度t與室外月平均溫度t的相關(guān)方程。Auliciems等人接著對(duì)Humphreys的研究進(jìn)行了修正和補(bǔ)充，得到了適用于自然通風(fēng)和空調(diào)建筑環(huán)境下的室內(nèi)熱中性溫度t與室外月平均溫度t的相關(guān)方程[3]。

國內(nèi)研究者李俊鴿、楊柳等人通過對(duì)南陽市居民住宅的實(shí)地調(diào)研測(cè)試得到了室內(nèi)熱中性溫度和室外空氣溫度（測(cè)試期間的平均溫度）的相關(guān)方程，并指出將熱中性溫度溫度作為室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)指標(biāo)可以改善室內(nèi)環(huán)境并降低設(shè)備能耗[4]。楊柳、楊茜等人通過對(duì)昆明市居民住宅進(jìn)行實(shí)地調(diào)研測(cè)試得到了該地區(qū)的熱中性溫度，并建立熱適應(yīng)模型[5]。茅艷了對(duì)我國的四個(gè)不同氣候區(qū)12個(gè)代表城市進(jìn)行了調(diào)研和測(cè)試，分別建立了不同氣候區(qū)的熱適應(yīng)模型[6]。

我國的建筑熱工分區(qū)有嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。長(zhǎng)時(shí)間在不同地區(qū)生活的人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力不相同，因而適應(yīng)性模型也不盡相同。目前的熱適應(yīng)模型研究以住宅和辦公環(huán)境為主，而關(guān)于人員密度較大的學(xué)生宿舍研究相對(duì)較少。本文對(duì)寒冷地區(qū)西安某高校的學(xué)生宿舍室進(jìn)行調(diào)研測(cè)試，采用線性回歸得到該地區(qū)人體熱適應(yīng)模型。

1 調(diào)研方案

1.1 調(diào)研地點(diǎn)和時(shí)間簡(jiǎn)介

西安市位于黃河流域中部的陜西關(guān)中地區(qū)，在建筑氣候區(qū)劃分上屬于第Ⅱ類，是溫暖帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。在建筑熱工氣候分區(qū)中屬于寒冷地區(qū)，最冷月平均氣溫在-1.2～0℃之間。

本次調(diào)研的西安某高校學(xué)生宿舍冬季供暖方式為間歇性集中供暖，且宿舍內(nèi)配備壁掛式空調(diào)。調(diào)研期間，間歇供暖下有些宿舍溫度不能滿足舒適需求，部分受試者使用空調(diào)輔助采暖。測(cè)試時(shí)間定為2019年12月4日～2020年1月10日（10:00～14:00、19:00～21:00和22:00～23:00）。測(cè)試期間共得到229份調(diào)查數(shù)據(jù)，其中67份問卷（29.3%）來自空調(diào)采暖環(huán)境，162份問卷（70.7%）來自間歇供暖環(huán)境。

1.2 測(cè)試內(nèi)容及方法

1.2.1 環(huán)境參數(shù)

測(cè)試的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)有空氣溫度、相對(duì)濕度、黑球溫度和空氣流動(dòng)速度；室外參數(shù)有空氣溫度。所用到的儀器有：MI6401熱舒適儀；Testo 175H1溫濕度自計(jì)議。儀器測(cè)量范圍及精度如表1，環(huán)境參數(shù)詳如表2所示。

表1 儀器參數(shù)

表2 環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)

本次調(diào)研采用操作溫度綜合反映環(huán)境溫度。操作溫度綜合考慮了室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度對(duì)人員熱感覺的影響[7,8]。鑒于空氣溫度與平均輻射溫度之差小于2℃，操作溫度計(jì)算公式為：

式中，t為操作溫度，℃；t為平均輻射溫度，℃；t為室內(nèi)空氣溫度，℃。

平均輻射溫度計(jì)算公式為[9]：

式中，t為黑球溫度，℃；為空氣流動(dòng)速度，m/s。

1.2.2人員信息

調(diào)查對(duì)象為46名在校學(xué)生，其中男生27人，女生19人。受試者年齡分布在22～29歲之間，在本地區(qū)生活均超過4a，已經(jīng)適應(yīng)了該地區(qū)的生活環(huán)境。為了準(zhǔn)確分析室內(nèi)環(huán)境對(duì)人員熱舒適的影響，受試者填寫問卷前在室內(nèi)穩(wěn)定至少40min。受試者活動(dòng)水平為靜坐（新陳代謝約1.2met）。問卷調(diào)查的信息有：

（1）基本信息：性別、年齡、身高、體重和服裝熱阻（詳情見表3）；

（2）采暖方式：間歇采暖或空調(diào)采暖；

（3）熱感覺：（+3）熱、（+2）暖、（+1）稍暖、（0）適中、（-1）稍涼、（-2）涼、（-3）冷[10]。

表3 人員基本信息

2 結(jié)果分析

2.1 服裝的適應(yīng)性調(diào)節(jié)

服裝是影響人體熱舒適的重要因素。人們通常會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度或自身活動(dòng)水平來增減服裝，從而達(dá)到舒適的目的。本研究針對(duì)受試者在室內(nèi)外不同熱環(huán)境和著裝情況，分別建立服裝熱阻I與室外空氣溫度t和室內(nèi)操作溫度t的線性關(guān)系，如圖1所示。

圖1表明，調(diào)研期間受試者室外服裝熱阻在1.5～1.8clo之間，多數(shù)聚集在1.7clo附近；室內(nèi)服裝熱阻在0.9～1.8clo之間，多集中在1.1clo附近。室內(nèi)外服裝熱阻都隨溫度的增加而減少，但室外服裝熱阻隨溫度的變化率小于室內(nèi)。說明人們對(duì)室內(nèi)溫度更敏感，服裝行為調(diào)節(jié)更加主動(dòng)。

不同氣候區(qū)的服裝熱阻與環(huán)境溫度的回歸方程不同（詳見表4）。當(dāng)溫度改變1℃時(shí)，不同地區(qū)服裝熱阻約改變1.84clo（昆明市）、1.94clo（廣州市）、1.60clo（南陽市）、1.34clo（北京市）、1.02clo（長(zhǎng)春市）和1.78clo（西安市）。可見，不同氣候區(qū)的人對(duì)溫度的敏感程度不同，即使在同一氣候區(qū)的不同城市之間也會(huì)有所差異。長(zhǎng)時(shí)間生活在不同地區(qū)的人會(huì)適應(yīng)當(dāng)?shù)厥彝鈿夂?，形成地域性差異穿衣特點(diǎn)。

表4 不同地區(qū)服裝熱阻與室外空氣溫度的回歸方程

2.2 熱中性溫度

圖2 實(shí)測(cè)熱感覺與室內(nèi)操作溫度的關(guān)系

熱中性溫度指的是人體感覺不冷也不熱時(shí)的最佳溫度，一般是指熱感覺投票值等于0時(shí)的溫度。將實(shí)測(cè)熱感覺投票與室內(nèi)操作溫度進(jìn)行線性回歸，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)實(shí)測(cè)熱感覺投票值TSV=0，得到該地區(qū)冬季學(xué)生宿舍的熱中性溫度為18.6℃。

2.3 熱環(huán)境接受范圍

人體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力是有限的，確定接受溫度的上下限對(duì)建筑設(shè)計(jì)和環(huán)境控制非常重要。確定熱環(huán)境接受能力，主要有直接和間接兩種方法。直接法是讓受試者判斷熱環(huán)境是否能夠接受，統(tǒng)計(jì)分析受試者不接受所處熱環(huán)境的百分率。間接法是對(duì)問卷中受試者填寫的熱感覺投票值分析，計(jì)算某一操作溫度下投票值為不接受的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的百分率[12]。本研究采用間接法，將滿足80%以上人群舒適要求的最低和最高溫度作為下限和上限。將得到的室內(nèi)操作溫度與不接受投票率（PPD）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3所示?；貧w曲線表明：當(dāng)不接受投票率不超過20%時(shí)，熱中性溫度在16.9～22.7℃之間。

圖3 不可接受率與室內(nèi)操作溫度的關(guān)系

2.4 熱適應(yīng)模型

圖4 熱中性溫度與室外空氣溫度的關(guān)系

熱適應(yīng)模型是室內(nèi)熱中性溫度t與室外空氣溫度t的線性回歸方程，兩者關(guān)系如圖4所示。從回歸方程的斜率（0.240）可以看出，當(dāng)室外空氣溫度改變1℃時(shí)，人們的熱中性溫度會(huì)改變0.24℃。這個(gè)結(jié)果與茅艷所得到的寒冷地區(qū)熱適應(yīng)模型結(jié)論一致[6]。

上述人們對(duì)熱環(huán)境接受范圍研究表明：在不接受投票率不超過20%的條件下，受試者的熱中性溫度范圍為16.9～22.7℃，也就是說本研究提出的熱適應(yīng)模型范圍為16.9～22.7℃。由此可得熱適應(yīng)模型（見圖5）。

圖5 熱適應(yīng)模型

熱適應(yīng)模型表明，人們的熱中性溫度隨室外空氣溫度變化而變化。在創(chuàng)造舒適室內(nèi)熱環(huán)境時(shí)，可以利用熱適應(yīng)模型，根據(jù)人們的需求對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行控制，從而達(dá)到節(jié)能目的。目前，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)、不同氣候條件建立熱適應(yīng)模型，為節(jié)省供熱空調(diào)能耗打下基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文對(duì)西安地區(qū)某高校學(xué)生宿舍進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，并對(duì)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)論。

（1）該高校學(xué)生冬季室外服裝熱阻在1.5～1.8clo之間，主要集中在1.7clo附近；室內(nèi)服裝熱阻在0.9～1.8clo之間，多聚集在1.1clo附近。不同地區(qū)人形成適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)的穿衣習(xí)慣，即服裝熱阻具有地域性差異。

（2）西安地區(qū)某高校學(xué)生宿舍的熱中性溫度為18.6℃，滿足80%人員舒適要求的熱中性溫度范圍為16.9～22.7℃。

（3）熱適應(yīng)模型表明，熱中性溫度并非一個(gè)固定數(shù)值，它與當(dāng)?shù)貧夂蛴嘘P(guān)。若以該模型為依據(jù)去控制室內(nèi)溫度，可以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。

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Research on Adaptive Thermal Comfort Model for University Dormitory in Xi’an

Zhang Kaige Wang Lijuan Kong Peiting Wang Peng

( College of Urban Planning and Municipal Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an, 710600 )

The indoor and outdoor temperature, relative humidity, and wind speed of college student dormitories in Xi 'an city were tested in winter, and the basic information, subjective thermal sensation, and clothing thermal resistance of the subjects were investigated by questionnaire. Using the regression method, the thermal neutral temperature (18.6℃）and its range in this region were obtained(16.9～22.7 ℃), and a thermal comfort climate adaptation model (thermal adaptative model) for this region was established. The relationship between indoor thermal neutral temperature and the outdoor air temperature was preliminarily established. Taking thermal neutral temperature as the standard of indoor temperature design can improve the comfort of human body and reduce building energy consumption.

student dormitory; thermal comfort; thermal sensation; adaptive model; thermal neutral temperature

TU83

A

1671-6612（2021）02-202-05

張凱歌（1995-），男，在讀碩士研究生，E-mail：313944526@qq.com

王麗娟（1984-），女，博士，副教授，E-mail：wanglijuan@xpu.edu.cn

2020-08-18