范小娜， 朱軼韻， 桑國臣， 崔曉玲

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，人們每天大約80%的時(shí)間在室內(nèi)度過，尤其是老、弱、病、殘群體。因此，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的好壞直接影響著人們的工作效率與健康幸福[1-2]。

迄今為止，國內(nèi)外不少學(xué)者開展了關(guān)于熱舒適的研究，但現(xiàn)有的室內(nèi)熱舒適研究理論還不完善。ISO-7730[3]和ASHRAE 55-2013[4]熱舒適標(biāo)準(zhǔn)雖已廣泛應(yīng)用于國際，但這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并沒有充分考慮氣候變化、適用人口和文化習(xí)慣等因素造成的差異。同時(shí)，大量研究[5-9]表明，不同國家或地區(qū)的居民對室內(nèi)熱環(huán)境的適應(yīng)能力、行為調(diào)節(jié)能力和心理熱期望等均有所差異。

中國是一個(gè)快速發(fā)展中國家，其建筑業(yè)正在經(jīng)歷著高速的發(fā)展與創(chuàng)新，但現(xiàn)有的室內(nèi)熱舒適理論不夠完善，農(nóng)村地區(qū)建筑節(jié)能與室內(nèi)熱舒適改善之間的矛盾仍然突出[10-13]?，F(xiàn)有研究多以城市居住建筑和辦公建筑為研究對象[14-19]，對農(nóng)村建筑的研究也主要集中在熱環(huán)境的測試和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等方面[20-24]，而對農(nóng)村建筑室內(nèi)熱舒適性較少研究。另外，現(xiàn)有研究通常將建筑的室內(nèi)空間視為一個(gè)整體[25-27]，這一假設(shè)雖然有利于簡化建筑熱工分析過程，但對不同功能房間的差異化熱舒適需求考慮不足。鑒于此，應(yīng)立足我國國情，因地制宜地開展室內(nèi)熱舒適研究，尤其是基于不同功能房間的鄉(xiāng)村民居室內(nèi)熱舒適研究。

寧夏中衛(wèi)位于寧夏回族自治區(qū)中西部，具有典型的寧夏地域特色。該地區(qū)在建筑熱工分區(qū)上屬于寒冷地區(qū)，其自然條件差、生態(tài)環(huán)境脆弱、生產(chǎn)力落后[23]。冬季日照充足，晝夜溫差大[28]。當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村民居多為近似正方形的單層獨(dú)立式住宅。房間多為南北朝向且沿東西向一字排開。近年來，隨著居民經(jīng)濟(jì)收入的增加和生活質(zhì)量的提高，大批新建住宅涌現(xiàn)。但由于設(shè)計(jì)與建造過程中缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)，室內(nèi)熱環(huán)境不理想、采暖能耗高以及居民滿意度低仍是不爭的事實(shí)。

本文以寧夏中衛(wèi)地區(qū)代表性鄉(xiāng)村民居為例，了解了寧夏地區(qū)鄉(xiāng)村民居冬季室內(nèi)外熱環(huán)境、室內(nèi)采暖用能情況和居民對不同功能房間的熱舒適需求特性，提出了適宜當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村民居的冬季室內(nèi)熱舒適溫度。該研究可為寧夏地區(qū)及同類地區(qū)鄉(xiāng)村民居的設(shè)計(jì)、評價(jià)與施工提供參考。

1 研究方法

1.1 參數(shù)測試

2015年1月17日，課題組對當(dāng)?shù)卮硇悦窬?見圖1)進(jìn)行了室內(nèi)外熱環(huán)境測試。測試民居外墻為 370 mm，內(nèi)墻為 240 mm。外墻用10 mm厚白色瓷磚飾面，內(nèi)墻用石灰砂漿粉刷。屋頂形式為坡屋頂，僅有臥室做了石膏板吊頂。測試的臥室南向外墻上設(shè)置了兩個(gè)2.2 m × 1.8 m的單層鋁合金窗，儲(chǔ)物間南向外墻上設(shè)置了一個(gè)2.0 m × 1.8 m的單層鋁合金窗。房間的外門均為單層鋁合金門，冬季外飾厚布簾子。白天時(shí)段，臥室和儲(chǔ)物間的開窗率分別為0.33和0.2，活動(dòng)人數(shù)分別為2～3和0～1。晚上時(shí)段，臥室和儲(chǔ)物間的窗戶均處于關(guān)閉狀態(tài)，人員數(shù)分別為3和0。房間的外門僅在居民進(jìn)出室內(nèi)時(shí)開啟，隨后立即關(guān)閉。測試期間天氣晴朗，僅有臥室采用了采暖設(shè)施(煤爐)，運(yùn)行時(shí)間為早上6：00—晚上10：00。

圖1 代表性民居的平面圖及測點(diǎn)分布Fig.1 Plan and distribution of measuring points of representative building

測試參數(shù)包括室外空氣溫度(outdoor air temperature, OAT)，太陽輻射強(qiáng)度(solar radiation intensity, SRI)，室內(nèi)空氣溫度(indoor air temperature, IAT)，室內(nèi)相對濕度(indoor relative humidity, IRH)，室內(nèi)平均輻射溫度(indoor mean radiant temperature, IMRT)，室內(nèi)空氣流速(indoor air velocity, IAV)。按照居民對房間的使用意愿和使用頻率，房間被分為兩大類：主要功能房間(例如臥室)和次要功能房間(例如儲(chǔ)物間)。

采用JTDL-4型太陽輻射儀測量SRI,儀器的靈敏度為0.1 W/m2，測量范圍為0～2 000 W/m2。測點(diǎn)布置在室外開闊且無遮擋處，用符號“■”表示。測點(diǎn)的監(jiān)測周期為24 h，采集間隔為1 h。

采用TESTO175-H型溫濕度自記儀測量OAT、IAT和IRH，測點(diǎn)用符號“▲”表示。儀器的測量精度為±0.4 ℃/ ±2%，測量范圍為-20 ℃～55 ℃/ 0%～100%。室外測點(diǎn)位于室外背陰且距地面1.5 m處。室內(nèi)測點(diǎn)位于房間中心且距地面1.5 m處。上述測點(diǎn)的監(jiān)測周期為24 h，采集間隔為10 min。

采用HQZY-1型黑球溫度自記儀測量IMRT，測點(diǎn)用符號“●”表示。儀器的測量精度為±0.3 ℃，測量范圍為-20 ℃～80 ℃。采用ZRQF-D30型熱球風(fēng)速儀測量IAV，儀器的測量精度為±(4%U ± 0.1) m/s，測量范圍為0.05～30 m/s，測點(diǎn)用符號“◆”表示。由于擔(dān)心黑球溫度自記儀和熱線風(fēng)速儀長時(shí)間放置室內(nèi)會(huì)給居民生活帶來不便。因此，IMRT和IAV的測量是通過間歇性試驗(yàn)進(jìn)行的，測點(diǎn)布置在房間中心且距地面1.5 m處。

上述所有測點(diǎn)的分布見圖1。

1.2 問卷調(diào)查

此次調(diào)研，對當(dāng)?shù)?70名受訪者進(jìn)行了問卷，男性92人(占54.1%)，女性78人(占45.9%)，獲得有效問卷163份。調(diào)查內(nèi)容包括：①服裝熱阻(clothing thermal resistance, CTR)與新陳代謝率(metabolic Rate, MR)；②熱感覺(thermal sensation, TS)，TS投票值采用ASHRAE的7級標(biāo)尺定義[4]，TS投票表現(xiàn)為冷，涼，稍涼，適中，稍暖，暖，熱時(shí)，TS等級分別為-3，-2，-1，0，1，2，3；③熱期望(thermal expectation, TE)、熱接受率(thermal acceptance rate, TAR)及熱中性溫度(thermal neutral temperature, TNT)。

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)外熱環(huán)境現(xiàn)狀

2.1.1室外熱環(huán)境參數(shù)

OAT和SRI的變化情況，分別見圖2和圖3。由圖2可知，上午8:30—下午5:00，OAT呈上升趨勢，下午5:00—次日8:30，OAT呈下降趨勢。OAT的日平均值為-2.7 ℃，變化范圍為-7.6 ℃～2.5 ℃?？芍?，該地區(qū)冬季寒冷，日溫差較大。由圖3可知，當(dāng)?shù)囟境掷m(xù)日照時(shí)間約為11 h，SRI的平均值為286 W/m2，總輻射強(qiáng)度為544.8 W/m2，散射輻射強(qiáng)度為124.9 W/m2。可見，該地區(qū)日照時(shí)間較長且SRI較高，具有發(fā)展太陽能建筑的地域優(yōu)勢。

圖2 OAT變化Fig.2 Change of OAT

圖3 SRI的變化Fig.3 Change of SRI

2.1.2室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)

IAT和IRH的變化情況，見圖4。

圖4 IAT和IRH的變化Fig.4 Change of IAT and IRH

由圖4可知，主次功能房間的室內(nèi)相對濕度分別在35% ～ 52%和30% ～ 43%的范圍內(nèi)變化，滿足人體的熱舒適需求[14]。但主次功能房間的室內(nèi)溫度均偏低且相互間的溫度差較大。主次功能房間室內(nèi)溫度平均值分別為9.5 ℃和4.0 ℃，兩者間的溫差值為5.5 ℃?？梢姡臼覂?nèi)相對濕度適中，但該地區(qū)民居冬季室內(nèi)溫度低，且不同功能房間的溫度差較大。

以此同時(shí)，多次間歇性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)平均輻射溫度與室內(nèi)空氣溫度近似相等，室內(nèi)流速在0.05～0.13 m/s之間，平均值為0.1 m/s。

物理測試期間，還調(diào)查了居民對室內(nèi)熱舒適的滿意度和室內(nèi)采暖用能等情況。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村民居大多選擇煤炭作為供暖的燃料，采暖期間每戶的消耗量約為4.0 t。即便如此，當(dāng)?shù)?8%的居民認(rèn)為房間室內(nèi)溫度過低。此外，調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)?2%的居民認(rèn)為次要功能房間的室內(nèi)舒適溫度可比主要功能房間低2 ℃～3 ℃，這點(diǎn)與文獻(xiàn)[29-30]的研究結(jié)果一致。

綜上可見，該地區(qū)鄉(xiāng)村民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境差、采暖能耗高，但具有發(fā)展太陽能建筑的優(yōu)勢。居民對室內(nèi)熱舒適的滿意度低，且居民對不同功能房間的熱舒適需求有所差異。為提高鄉(xiāng)村建筑室內(nèi)熱舒適和降低能源消耗，本文后續(xù)詳細(xì)分析了居民對不同功能房間的室內(nèi)熱舒適需求特性。

2.2 不同功能房間的室內(nèi)熱舒適特性

2.2.1居民CTR和MR

著衣量是影響人體熱舒適的重要因素之一。本次調(diào)研對不同功能房間居民的服裝熱阻做了統(tǒng)計(jì)，根據(jù)ASHRAE 55-2013標(biāo)準(zhǔn)[4]，得到居民服裝熱阻的百分比，見圖5，其中1 clo = 0.155 m2·K/W。

圖5 不同功能房間居民CTR的百分率Fig.5 Percentage of residents’ CTR in different function rooms

由圖5可見，在冬季，主要功能房間的居民CTR集中在1.5～1.7 clo(約占58.2%)，平均值為1.6 clo；次要功能房間的居民CTR集中在1.7～1.9 clo(約占57.8%)，平均值為1.8 clo。造成這種差異的主要原因是，該地區(qū)屬寒冷地區(qū)，冬季應(yīng)對室內(nèi)進(jìn)行采暖，但受經(jīng)濟(jì)條件的制約，大多民居選擇僅對主要功能房間進(jìn)行采暖。因此，當(dāng)居民從主要功能房間進(jìn)入次要功能房間或室外時(shí)，會(huì)習(xí)慣性的再加一件厚外套，以調(diào)節(jié)自身的熱平衡與環(huán)境相適應(yīng)。另外，與ASHRAE 55-2013標(biāo)準(zhǔn)中的0.9 clo相比，寧夏鄉(xiāng)村居民的服裝熱阻明顯較高。主要原因是冬季室內(nèi)熱環(huán)境不理想，當(dāng)?shù)鼐用窀纳茻岘h(huán)境的的經(jīng)濟(jì)能力較弱。因此，居民選擇穿較多的衣物，以滿足人體的熱舒適需求。綜上可見，寧夏鄉(xiāng)村居民的冬季CTR較大，且不同功能房間的居民CTR相差較大。

調(diào)研還可知，冬季白天，居民在主要功能房間的主要活動(dòng)是看電視、閑聊，而次要功能房間為縫紉、烹飪。可見，冬季白天，寧夏鄉(xiāng)村居民在不同功能房間的活動(dòng)量是有所不同。參照文獻(xiàn)[31]可知，居民在主次功能房間的MR分別為85 W/m2和95 W/m2。

綜上可知，居民在主次功能房間的CTR和MR均有所不同。

2.2.2居民TS、TAR、TE和TNT

a) TS與TAR

居民TS投票值為-1、0或者1時(shí)，表明熱環(huán)境是可接受，統(tǒng)計(jì)獲得其百分率，見圖6。

圖6 TS投票的百分率Fig.6 Percentage of TS voting

由圖6可知，對于主要功能房間，居民TS投票為-1，0，1的樣本分別占16.8%，10%，3%，即居民對主要功能房間室內(nèi)熱環(huán)境的TAR為29.8%。對于次要功能房間，居民TS投票為-1，0，1的樣本分別占20.1%，11.3%，4.7%，即居民對次要功能房間室內(nèi)熱環(huán)境的TAR為36.1%?？梢?，當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村居民對現(xiàn)有室內(nèi)熱環(huán)境的滿意度低。另外，與主要功能房間相比，居民對次要功能房間的室內(nèi)熱舒適需求較低。

b) TNT與TE

將平均熱感覺(mean thermal sensation, MTS)投票值與與IAT進(jìn)行線性回歸，擬合結(jié)果見圖7。由圖7可知，主要功能房間MTS-IAT的相關(guān)系數(shù)R2為0.901，次要功能房間MTS-IAT的相關(guān)系數(shù)R2為0.930，表明采用MTS可以很好地預(yù)測主次功能房間人體的熱感覺。另外，與次要功能房間相比，主要功能房間的MTS-IAT擬合線斜率更為陡斜，表示對IAT變化的敏感度更高。

圖7 MTS與IAT的線性擬合Fig.7 The linear fitting of MTS with IAT

進(jìn)一步由圖7可知，主次功能房間的IAT相等時(shí)，居民對主要功能房間的TS投票值略低于次要功能房。當(dāng)MTS=0時(shí)，主次功能房間的TNT分別為11.3 ℃和10.0 ℃。可見，在冬季，居民對主要功能房間的熱舒適需求要高于次要功能房間。

另外，課題組還對居民的心理熱期望進(jìn)行了調(diào)查，設(shè)有“希望變暖”、“保持現(xiàn)狀”和“希望變涼”3個(gè)選項(xiàng)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖8。

由圖8(a)可見，在冬季，主要功能房間室內(nèi)溫度不高于8 ℃時(shí)，居民均希望室內(nèi)變暖；而當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到10 ℃時(shí)，有超過50%的居民均希望室內(nèi)保持現(xiàn)狀。由圖8(b)可見，當(dāng)次要功能房間室內(nèi)溫度不高于6 ℃時(shí)，居民均希望室內(nèi)變暖；當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到10 ℃時(shí)，有50%的居民希望室內(nèi)保持現(xiàn)狀，而當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到14 ℃時(shí)，開始有居民希望室內(nèi)變涼。可見，相對于次要功能房間，居民對主要功能房間的心理熱期望更高。

綜上可見，在冬季，寧夏鄉(xiāng)村居民對不同功能房間的室內(nèi)熱舒適需求是有所不同的。

3 主觀溫度計(jì)算和舒適溫度區(qū)間確定

目前，國際上廣泛應(yīng)用的室內(nèi)熱環(huán)境評價(jià)指標(biāo)是Fanger[31]經(jīng)過多年研究提出的PMV-PPD指標(biāo)，該指標(biāo)已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO頒布的ISSO-7730標(biāo)準(zhǔn)采用。但我國許多研究表明，室內(nèi)熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)定為PMV=-0.5～+0.5，不適于我國大部分地區(qū)，且亦無必要[32]。Mcintyre[33]經(jīng)過多年的研究，提出Tsub作為室內(nèi)熱舒適評價(jià)指標(biāo)。該環(huán)境被定義為IAT = IMRT，IAV=0.1 m/s，相對濕度約為50%。該環(huán)境能夠產(chǎn)生與實(shí)際環(huán)境相同的溫度感，意味著以Tsub作為室內(nèi)熱舒適評價(jià)指標(biāo)可以很好地指導(dǎo)建筑熱工設(shè)計(jì)。通過以上分析，認(rèn)為Tsub作為室內(nèi)熱環(huán)境評價(jià)指標(biāo)是有效可行的。在允許的誤差范圍內(nèi)，Tsub可以由下式得出[33]：

Tsub=33.5-3Rclo-(0.08+0.05Rclo)M

(1)

式中：M為新陳代謝率CTR(W/m2)；Rclo為服裝總熱阻MR。

居民在主次功能房間的CTR和MR由前文分析可知，進(jìn)一步代入式(1)獲得不同功能房間的Tsub。

主要功能房間：

Tsub=33.5-3Rclo-(0.08+0.05Rclo)M=

33.5-3×1.6-(0.08+0.05×1.6)×85=

15.1

(2)

次要功能房間：

Tsub=33.5-3Rclo-(0.08+0.05Rclo)M=

33.5-3×1.8-(0.08+0.05×1.8)×95=

11.95

(3)

計(jì)算出得到主次功能房間計(jì)算溫度分別為15.1 ℃和11.95 ℃。

通過調(diào)研獲得，居民對于不同功能房間室內(nèi)舒適溫度的要求，結(jié)果見表1。

綜上可見，理論計(jì)算值處于實(shí)際調(diào)查的溫度范圍內(nèi)，與實(shí)際情況基本相符?；谑孢m性、節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性的綜合分析，建議寧夏鄉(xiāng)村民居主要功能房間的冬季室內(nèi)熱舒適溫度為13℃～16℃，次要功能房間為11 ℃～13 ℃。

4 結(jié) 論

1) 在冬季，我國寧夏現(xiàn)有鄉(xiāng)村民居室內(nèi)熱環(huán)境差、采暖能耗高，居民對室內(nèi)熱舒適的滿意度低。然而，該地區(qū)具有發(fā)展太陽能建筑的地域優(yōu)勢。

2) 居民在主要功能房間的服裝熱阻和新陳代謝率分別為1.6 clo和85 W/m2，而在次要功能房間分別為1.8 clo和95 W/m2。

3) 與次要功能房間相比，居民對于主要功能房間室內(nèi)溫度的熱接受率較低，但敏感度、熱中性溫度和熱期望較高。當(dāng)不同功能房間的室內(nèi)溫度相等時(shí)，居民對于主要功能房間的熱感覺投票值略低于次要功能房間。

4) 結(jié)合寧夏地區(qū)氣候特點(diǎn)、建筑形式以及居民經(jīng)濟(jì)條件和生活習(xí)慣等因素，提出當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村民居主要功能房間的冬季室內(nèi)熱舒適溫度為13 ℃～16 ℃，次要功能房間為11 ℃～13 ℃。