孫冰 端木琳 李祥立 崔冰冰

大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部

0 引言

隨著社會的發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們對室內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高，良好的室內(nèi)環(huán)境可以滿足人體熱舒適和健康要求[1]。近20 年來，國內(nèi)學(xué)者在熱舒適方面開展了大量的現(xiàn)場調(diào)研，但研究對象以教室、住宅、學(xué)生宿舍居多[2]，對辦公建筑的相關(guān)研究則較少。

目前，部分學(xué)者對辦公建筑的室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀[3-6]和人員熱適應(yīng)性[7-10]展開了研究，但覆蓋率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我國地域遼闊，故有必要進(jìn)一步擴(kuò)大熱舒適現(xiàn)場調(diào)研范圍。本文通過對大連地區(qū)辦公建筑進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，討論分析大連地區(qū)冬季辦公建筑的室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀和人體熱舒適情況，并將調(diào)研結(jié)果與其他學(xué)者的調(diào)研結(jié)果進(jìn)行了對比。

1 調(diào)查方法

本次調(diào)查采用現(xiàn)場測試與問卷填寫結(jié)合的方式，從2019 年1 月至2 月對大連市6 棟辦公建筑的17 間辦公室進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查。將每一名受試者的個人背景信息，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)以及其對應(yīng)的主觀調(diào)查問卷視為一組，本次調(diào)查共收集數(shù)據(jù)172 組。

1.1 樣本選擇

本次測試的房間遵循隨機(jī)抽樣原則，并記錄受試者的性別，年齡，身高，體重，在大連生活時間以及收入水平等信息。在受試者中，男性104 人，女性68 人，年齡均在18～60 歲之間，具體情況如表1 所示。

表1 人員背景信息統(tǒng)計

1.2 環(huán)境參數(shù)測試

測試的環(huán)境參數(shù)主要包括空氣溫度、相對濕度、空氣流速、黑球溫度、房間各表面平均溫度等，所用儀器及詳細(xì)參數(shù)如表2 所示。

表2 測試儀器型號及參數(shù)

測試時，在每位受試者的0.5 m 范圍內(nèi)，距離地面0.1 m、0.6 m、1.1 m 處分別測量空氣溫度和空氣流速，距離地面0.6 m 處測量相對濕度和黑球溫度。

1.3 調(diào)查問卷填寫

為減少錄入數(shù)據(jù)錯誤，調(diào)查問卷采用電子問卷的形式，內(nèi)容主要包括房間內(nèi)人數(shù)，受試者位置，著裝情況，活動狀態(tài)以及人員主觀評價。為防止之前的活動狀態(tài)對人體主觀評價產(chǎn)生影響，調(diào)查中的活動狀態(tài)包括受試者30 min 前活動狀態(tài)和調(diào)查進(jìn)行時活動狀態(tài)兩部分，從而使測試結(jié)果更精確。人員主觀評價主要包括熱感覺投票值TSV（Thermal Sensation Vote）、熱舒適投票值TCV（Thermal Comfort Vote）和熱可接受度投票值TAV（Thermal Acceptability Vote）。其中，熱感覺投票值采用的7 級標(biāo)度（-3 冷、-2 涼、-1 稍涼、0 不冷不熱、1 稍暖、2 暖、3 熱），熱舒適投票值采用5 級標(biāo)度（1 舒適、2 稍不舒適、3 不舒適、4 很不舒適、5 極不舒適），熱可接受度采用4 級標(biāo)度（-1 不可接受、-0.1 剛剛不可接受、0.1 剛剛可接受、1 可接受）。

調(diào)研時，客觀環(huán)境測試與主觀調(diào)查問卷填寫同時進(jìn)行。二者數(shù)據(jù)記錄的時間間隔不超過10 分鐘。

2 調(diào)查結(jié)果分析

2.1 熱環(huán)境參數(shù)

本次測試室內(nèi)溫度分布范圍為15.6°C～25.8°C，平均值為22.6°C。表3 為我國現(xiàn)有冬季室內(nèi)熱濕環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，與表3 對比，室內(nèi)溫度滿足《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB50736-2016）[11]的設(shè)計要求，但不滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）[12]的節(jié)能要求。不同建筑的溫度分布規(guī)律如圖1 所示，從圖中可以看出，每棟建筑的室內(nèi)溫度分布較集中，但不同建筑之間室內(nèi)溫度差異較大。測試的室內(nèi)溫度普遍高于22°C，但也不乏溫度低于18°C的辦公室，這主要表現(xiàn)老舊的辦公樓中，供暖情況較差。

表3 我國現(xiàn)有冬季室內(nèi)熱濕環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

圖1 不同建筑室內(nèi)溫度分布箱線圖

相對濕度范圍為13.1%～37.6%，平均值為24.1%，相較于表3 中的相對濕度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，測試的相對濕度較低。不同建筑的分布規(guī)律如圖2 所示，從圖中可知，相對濕度的分布規(guī)律與室內(nèi)溫度類似，但趨勢相反，室內(nèi)溫度較高，對應(yīng)的相對溫度便較低。測試中，約有77%的人處于低濕環(huán)境中。這不利于人體的健康，會導(dǎo)致鼻子，眼睛以及喉嚨等器官受到較大刺激[13]。

圖2 不同建筑相對濕度分布箱線圖

測試的室內(nèi)空氣流速范圍為0～0.02 m/s，遠(yuǎn)小于表3 中規(guī)定的冬季室內(nèi)空氣流速上限。

2.2 新陳代謝率與服裝熱阻

由于辦公室中人員的活動狀態(tài)均為靜坐閱讀，打字或整理文件，故人員新陳代謝率在1.0～1.2met 范圍內(nèi)。人員的服裝熱阻平均值為1.1clo，稍大于ASHRAE 55-2017 規(guī)定的1.0clo[14]。服裝熱阻的最小值為0.49clo，最大值為1.72clo，變化范圍較大，這是室內(nèi)人員根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)的結(jié)果，室內(nèi)溫度較低，人員會主動添加衣物，反之會適當(dāng)減少衣物[15]。

2.3 人員主觀評價

圖3 為人員主觀感覺投票分布圖。從圖中可以看出，大約有50%的人的熱感覺投票在1～3 之間，即認(rèn)為室內(nèi)環(huán)境稍暖或偏熱。有44%的人認(rèn)為室內(nèi)不冷不熱，65%的人認(rèn)為室內(nèi)環(huán)境舒適，但只有7%的人認(rèn)為室內(nèi)環(huán)境不可接受。這說明即使在不舒適的環(huán)境中，也會有部分人員認(rèn)為可接受，也進(jìn)一步說明了人員的熱可接受范圍較大，對環(huán)境的忍耐力較好。

圖3 人員主觀評價分布圖

3 討論與分析

3.1 TSV 與PMV 對比

TSV 是根據(jù)問卷調(diào)查得到的人體主觀熱感覺評價，而PMV（Predicted Mean Vote）是1982 年由Fanger提出的用來評價大多數(shù)人熱感覺的指標(biāo)[16]。以空氣溫度作為室內(nèi)熱環(huán)境評價指標(biāo)，并采用0.5°C的間隔，計算每段區(qū)間內(nèi)的熱感覺投票值的平均值，作為平均熱感覺投票MTS（Mean Thermal Sensation vote）[17]。同時，計算每段區(qū)間內(nèi)的相對濕度，平均輻射溫度，空氣流速，服裝熱阻以及新陳代謝率的平均值，并根據(jù)ASHRAE 55-2017 中附錄B 的方法計算各溫度區(qū)間對應(yīng)的PMV 值。

將MTS 和PMV 值與室內(nèi)環(huán)境溫度ta進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以看出，無論室內(nèi)溫度偏高還是偏低，平均熱感覺投票MTS 普遍高于PMV 值。這是因為當(dāng)室內(nèi)溫度偏低時，人員表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性和較低的熱期望，并采取一定的行為調(diào)節(jié)來改善自身的熱感覺，如喝熱飲、增添衣物、使用便攜式暖手寶等[18]。而當(dāng)室內(nèi)溫度偏高時，由于人們已經(jīng)適應(yīng)了大連地區(qū)較低的室外環(huán)境，對溫度較高的室內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的不適應(yīng)反應(yīng)，同時，因為大部分辦公室采用中央空調(diào)進(jìn)行供暖，室內(nèi)人員不具備對環(huán)境的控制能力，故產(chǎn)生較差的熱感覺和熱舒適水平[19]。

圖4 MTS，PMV 與室內(nèi)溫度的關(guān)系

3.2 熱中性溫度與可接受溫度范圍

平均熱感覺投票MTS 和PMV 與室內(nèi)環(huán)境溫度ta的擬合方程如下：

由擬合結(jié)果可知，式（1）的擬合優(yōu)度較小，這主要是因為測試中溫度偏低的樣本量較少，對TSV 進(jìn)行平均處理后仍不能有效降低由于人體個性化差異造成的樣本點分布較離散的情況，而式（2）擬合優(yōu)度較大是因為PMV 只對大部分人的熱感覺進(jìn)行評價，沒有考慮人體的個性化差異[20]。根據(jù)式（1）（2）可知，平均熱感覺投票MTS 與PMV 隨空氣變化的斜率分別為0.2278°C-1和0.2406°C-1，即當(dāng)空氣溫度每升高1°C，平均熱感覺投票MTS 與PMV 分別增加0.2278 和0.2406，這說明用PMV 預(yù)測的熱感覺比人員實際的熱感覺投票敏感，也進(jìn)一步說明了室內(nèi)人員會通過積極的適應(yīng)性調(diào)節(jié)來改善自身的熱感覺，對環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

根據(jù)式（1）可計算出，熱中性溫度為19.8°C，比室內(nèi)平均溫度低2.8°C。根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)GB50736-2016》，當(dāng)人體衣著適量且處于安靜狀態(tài)的情況下，室內(nèi)溫度為20°C較為適宜，這與計算得出的中性溫度幾乎一致，這也說明了規(guī)范制定的合理性。同時，可求出當(dāng)PPD 為20%時，熱可接受范圍為[16.0°C，23.5°C]。當(dāng)PPD 為10%時，熱可接受范圍為[17.6°C，22.0°C]。

3.3 非環(huán)境因素對人體熱感覺的影響

用4.1 中的方法，分別對性別，BMI 指數(shù)以及人員位置等非環(huán)境因素進(jìn)行擬合分析。其中，BMI 指數(shù)（Body Mass Index）是指身體質(zhì)量指數(shù)，由體重（千克）除以身高（米）的平方得到，是目前國際上用來衡量人體胖瘦程度的常用指標(biāo)，可分為體重過低（BMI<18.5）、正常（18.5臆BMI<23.9）以及超重（BMI逸24）三種[21]。而人員位置則是根據(jù)測試時的室內(nèi)人員分布情況，將人員位置分為中間，距外墻或外窗2 m 之內(nèi)以及距內(nèi)墻或內(nèi)門2 m 之內(nèi)三種情況。三種非環(huán)境因素的擬合結(jié)果如圖5 所示，分析計算結(jié)果如表4 所示。

圖5 不同非環(huán)境影響因素擬合結(jié)果

表4 不同非環(huán)境影響因素下的熱舒適模型

1）性別

從計算結(jié)果可以看出，在服裝熱阻基本相同的情況下，女性的熱中性溫度較高，這說明相對于男性，女性喜好溫度較高的環(huán)境。同時，女性的熱感覺變化比男性敏感，熱舒適區(qū)下限溫度較高，對寒冷環(huán)境的忍耐力較差。

2）BMI 指數(shù)

從圖5（b）和表4 可知，體重過低的人對熱環(huán)境的變化比較敏感，體重正常的人次之，超重的人最不敏感。偏瘦的人喜好溫度較高的環(huán)境，而超重的人喜好溫度較低的環(huán)境，且舒適區(qū)范圍較寬。

3）人員位置

由圖5（c）和表4 不難發(fā)現(xiàn)，距外墻或外窗2 m 之內(nèi)的人員熱中性溫度偏低，位于中間位置的人員熱中性溫度偏高。這是因為靠近外墻或外窗處的室內(nèi)溫度較中間位置低，由于人體熱感覺的適應(yīng)性，各處人員的熱中性溫度也不同。

4 與其他地區(qū)研究成果對比

不同季節(jié)、不同建筑類型對人體熱舒適均有影響，為比較不同地區(qū)人體熱舒適的特點，現(xiàn)將本文的研究結(jié)果與其他地區(qū)冬季辦公建筑的熱舒適調(diào)研結(jié)果進(jìn)行對比。

4.1 與國內(nèi)研究成果對比

將本文研究結(jié)果與國內(nèi)其他地區(qū)冬季辦公建筑的熱舒適調(diào)研結(jié)果進(jìn)行對比，并按照從北到南的順序排列，統(tǒng)計結(jié)果如表5 所示，其中熱舒適溫度范圍指80%可接受的溫度范圍，熱中性溫度與熱舒適范圍分布如圖6 所示。

表5 國內(nèi)不同地區(qū)冬季辦公建筑熱舒適調(diào)研結(jié)果比較

圖6 國內(nèi)不同地區(qū)冬季辦公建筑熱中性溫度與熱舒適溫度范圍分布圖

從表5 中不難發(fā)現(xiàn)，除廣州地區(qū)外，各地區(qū)冬季辦公建筑現(xiàn)場調(diào)研的平均服裝熱阻無明顯變化，這是因為在辦公建筑中，人員的服裝調(diào)節(jié)會受到限制[22]。從北到南，除夏熱冬暖地區(qū)外，熱中性溫度逐漸降低，而整體熱舒適溫度范圍變化不大。這是因為從北到南，雖然冬季室外溫度逐漸增高，但室內(nèi)溫度逐漸降低，人體對寒冷環(huán)境的耐受性增強(qiáng)。而對于夏熱冬暖地區(qū)，由于其冬季室內(nèi)外溫度均相對較高，熱中性溫度有升高趨勢。

4.2 與國外研究成果對比

為比較大連與國外其他地區(qū)的人體熱舒適差異，本文從ASHRAE RP-884[29]數(shù)據(jù)庫中挑選出與大連地區(qū)緯度相近地區(qū)的熱舒適現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表6 所示。

表6 國外與大連緯度相近地區(qū)冬季辦公建筑熱舒適調(diào)研結(jié)果比較

從表6 可以看出，各地區(qū)室內(nèi)溫度均高于大連地區(qū)，平均服裝熱阻均低于大連地區(qū)，人員對冷環(huán)境的適應(yīng)能力較差，故中性溫度較高。這與各地區(qū)的氣候、生活習(xí)慣以及人員期望息息相關(guān)。

5 結(jié)論

本文對大連地區(qū)冬季辦公建筑進(jìn)行了熱舒適現(xiàn)場調(diào)研，并得出以下結(jié)論：

1）大連地區(qū)冬季被測辦公建筑平均室內(nèi)溫度為22.6°C，平均相對濕度為24.1%，室內(nèi)空氣流速范圍為0～0.02 m/s。與《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）中的室內(nèi)熱濕環(huán)境要求相比，室內(nèi)溫度高于20°C，不滿足節(jié)能要求。相對濕度低于30%，空氣較干燥?？諝饬魉俚陀?.2 m/s，滿足熱舒適要求。熱中性溫度為19.76°C，接近《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)》（GB50736-2016）的室內(nèi)溫度推薦值（20°C）。

2）大連地區(qū)冬季被測辦公建筑的平均熱感覺投票MTS 普遍高于PMV 值，平均熱感覺投票MTS 隨空氣變化的斜率較小，這是人員在生理，心理和行為等方面進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)的結(jié)果。當(dāng)PPD 為20%時，熱可接受范圍為[16.03°C，23.49°C]。當(dāng)PPD 為10%時，熱可接受范圍為[17.57°C，21.96°C]。

3）通過分析發(fā)現(xiàn)，女性更喜好溫度較高的環(huán)境，且對溫度變化較敏感。偏瘦的人熱中性溫度較高，超重的人熱中性溫度較低，且對低溫的耐受力更好。位于外墻或外窗2 m 之內(nèi)的人熱中性溫度偏低，熱舒適區(qū)下限較低，而位于中間位置的人，熱中性溫度偏高，熱舒適區(qū)溫度下限偏高。

4）比較不同地區(qū)冬季辦公建筑的熱舒適調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于國內(nèi)其他地區(qū)，除夏熱冬暖地區(qū)外，從北到南熱中性溫度逐漸降低，熱舒適溫度范圍變化不大。對于ASHRAE RP-884 數(shù)據(jù)庫中國外與大連緯度相近地區(qū)，各地區(qū)平均服裝熱阻均小于大連地區(qū)有所差異，中性溫度均高于大連地區(qū)。這是由各地區(qū)氣候、生活習(xí)慣以及人員期望等造成的。