胡家樂 王瑩瑩 王登甲 宋 聰 劉艷峰

(1.綠色建筑全國重點實驗室,西安;2.西安建筑科技大學(xué),西安)

0 引言

西藏高原地區(qū)冬季不僅低溫寒冷、低壓缺氧,而且極度干燥。西藏自治區(qū)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,西藏冬季最冷月相對濕度平均值低于10.0%[1],大多數(shù)情況下僅為3.0%～5.0%左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人體可承受的下限,對人體呼吸系統(tǒng)、心肺功能產(chǎn)生不可逆的損傷,嚴(yán)重影響在藏人群的正常生活,甚至危及其生命健康。因此,西藏高原建筑室內(nèi)濕環(huán)境營造是與冬季供暖同等重要的民生問題。

解決該問題的第一步應(yīng)是認(rèn)識問題,即明確高原建筑室內(nèi)濕環(huán)境現(xiàn)狀及需求。此前,眾多學(xué)者對西藏高原建筑室內(nèi)濕環(huán)境進(jìn)行了測試調(diào)研[2-5]。Yu等人發(fā)現(xiàn)全年約55.0%時間內(nèi)西藏各類典型建筑的室內(nèi)相對濕度低于40.0%,最低僅為2.0%[6];Huang等人對冬季拉薩市傳統(tǒng)建筑的室內(nèi)濕度進(jìn)行了測試,最低相對濕度為15.0%[7];王登甲等人的實驗數(shù)據(jù)顯示,拉薩市鄉(xiāng)村居住建筑和城市建筑的冬季室內(nèi)相對濕度日平均值僅為25.6%和22.0%[8];Sun等人發(fā)現(xiàn)藏式傳統(tǒng)建筑冬季室內(nèi)相對濕度主要分布于30.0%以下[9]。但上述研究大多為室內(nèi)相對濕度參數(shù)的基礎(chǔ)測試,較少涉及人員主觀濕需求與濕環(huán)境調(diào)控技術(shù)調(diào)研,未能實現(xiàn)對高原建筑室內(nèi)濕環(huán)境的全面分析。Psomas等人[10]和Zhang等人[11]對室內(nèi)濕環(huán)境特性與人員濕需求等給出了較為明確的研究思路。

本文選取西藏自治區(qū)拉薩市各類典型建筑為研究對象,采用現(xiàn)場測試和問卷調(diào)研相結(jié)合的方式,分別從室內(nèi)濕環(huán)境參數(shù)變化、濕主觀評價投票、濕環(huán)境調(diào)控技術(shù)等方面對高原建筑室內(nèi)濕環(huán)境特性與需求進(jìn)行量化分析,期望為后續(xù)高原適宜性濕環(huán)境營造設(shè)計參數(shù)的選取提供數(shù)據(jù)支撐。

1 調(diào)研方法與內(nèi)容

通過現(xiàn)場測試和問卷調(diào)研相結(jié)合,對西藏拉薩市及其周邊各類建筑濕環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研。調(diào)研區(qū)域主要集中于拉薩市城關(guān)區(qū)、堆龍德慶區(qū)和達(dá)孜區(qū)(見圖1),其中城關(guān)區(qū)調(diào)研對象主要為居住建筑與商場、酒店民宿等公共建筑,堆龍德慶區(qū)和達(dá)孜區(qū)調(diào)研對象為傳統(tǒng)民居和村委會辦公建筑。

圖1 拉薩市高原建筑室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)研對象分布圖

根據(jù)拉薩市典型年氣象數(shù)據(jù)[12]可知,當(dāng)?shù)乜諝鉁囟群拖鄬穸鹊臉O值出現(xiàn)時間基本相似,即最大值和最小值分別出現(xiàn)于夏季和冬季。為保證調(diào)研結(jié)果盡可能包含拉薩市極端濕度水平,分別于2020年11月10—25日、2021年8月11日至9月14日和2021年12月1—26日開展調(diào)研工作。

1.1 濕環(huán)境測試參數(shù)及儀器

對各類調(diào)研建筑室內(nèi)外空氣溫度、相對濕度和風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測試,測點分別布置于距離地面0.1、0.6、1.1 m高度處。測試周期為24 h,時間間隔設(shè)置為15 min。測量儀器為TR-72wb溫濕度記錄儀,溫度和相對濕度的測量范圍(-25.0～70.0 ℃、0～99%)和測量精度(±0.1 ℃、±1%)均滿足GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》[13]相關(guān)要求。

1.2 濕環(huán)境問卷調(diào)研

問卷調(diào)研內(nèi)容包括居住者的基本信息(性別、年齡、身高、體重等)、濕環(huán)境主觀評價投票和濕環(huán)境調(diào)控措施。其中濕環(huán)境主觀評價投票包括人員的濕感覺、濕舒適、濕期望及濕刺激明顯部位(鼻子、嘴唇、眼睛、喉嚨、皮膚)[14]的干燥程度。濕感覺投票采用ASHRAE的7級標(biāo)度,濕舒適投票為5級標(biāo)度,濕期望投票采用7級標(biāo)度,各濕刺激明顯部位干燥程度投票采用11級標(biāo)度。濕環(huán)境調(diào)研問卷經(jīng)調(diào)研人員與調(diào)研對象詳細(xì)交流后,由調(diào)研對象填寫。

2 室內(nèi)濕環(huán)境測試結(jié)果

為便于對比,分別選取調(diào)研期間冬季和夏季典型30 d內(nèi)建筑室內(nèi)濕環(huán)境測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 濕環(huán)境評價參數(shù)選取

對于地處高原地區(qū)的拉薩市而言,當(dāng)?shù)卮髿鈮毫档?、空氣密度減小,相對濕度為濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量與同壓等溫飽和水蒸氣質(zhì)量的比值,僅能反映濕空氣接近同壓等溫飽和濕空氣的程度,不同壓力條件下相對濕度不具有可比性。含濕量為含有1 kg干空氣的濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量,常用于等壓條件下濕空氣處理過程計算,但相同質(zhì)量空氣的體積會隨壓力變化,以空氣質(zhì)量為單位不能直觀反映不同壓力條件下室內(nèi)濕環(huán)境水平差異。

一般情況下可認(rèn)為建筑室內(nèi)的空氣體積為定量,若采用絕對濕度即單位體積的濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量,對比拉薩市與其他氣壓條件下城市的室內(nèi)空氣濕度水平,更能直接反映建筑室內(nèi)單位體積空氣的濕度水平。

當(dāng)對比氣壓基本相同的拉薩市各類建筑室內(nèi)空氣濕度水平時,依舊可采用相對濕度和含濕量,而對比拉薩市與其他不同氣壓條件城市的建筑室內(nèi)空氣濕度時可采用上述的絕對濕度。由于拉薩市低氣壓條件下同溫飽和濕空氣的含濕量大,但空氣密度小,當(dāng)相對濕度相同時,拉薩市空氣含濕量相比常壓地區(qū)更大;而含濕量相同時,拉薩市空氣的絕對濕度更小。

但即使拉薩市與其他北方城市的室內(nèi)單位體積空氣所含水蒸氣質(zhì)量相等,高原低氣壓條件下人體皮膚表面、呼吸道和眼部黏膜等部位的水分蒸發(fā)擴(kuò)散速率加快,同時高原缺氧條件會直接影響人體外周血循環(huán),加劇唇部等部位干裂,干燥環(huán)境對人體的生理刺激更為強(qiáng)烈。因此,考慮氣壓變化,對GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[15]中規(guī)定的上述濕度參數(shù)舒適范圍進(jìn)行簡單換算,進(jìn)而確定拉薩市建筑室內(nèi)適宜的濕環(huán)境設(shè)計參數(shù)是不合適的。因為該參數(shù)的準(zhǔn)確確定還與高原世居及外來人群對當(dāng)?shù)貪癍h(huán)境的濕舒適及適應(yīng)機(jī)理有關(guān),應(yīng)結(jié)合高原低壓極干條件下室內(nèi)人員的濕環(huán)境反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行深入研究,方可確定。

綜上所述,本文暫且依舊采用GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[15]規(guī)定的溫度和相對濕度限值對拉薩市室內(nèi)濕環(huán)境進(jìn)行分析,主要是為了得到室內(nèi)濕環(huán)境水平現(xiàn)狀。

2.2 冬季濕環(huán)境測試結(jié)果

拉薩市冬季建筑室內(nèi)空氣相對濕度隨時間變化如圖2所示。冬季室內(nèi)日平均相對濕度變化范圍為7.9%～27.9%,最低相對濕度僅為5.5%,調(diào)研期間97.1%時間點的相對濕度低于30.0%,其中36.7%、23.0%和21.1%的數(shù)據(jù)分別位于20.0%～25.0%、15.0%～20.0%和10.0%～15.0%的濕度區(qū)間(見圖3)。

圖2 冬季室內(nèi)空氣相對濕度變化特征

圖3 冬季室內(nèi)空氣相對濕度區(qū)間分布

對比分析拉薩市與西安市[16]、北京市[17]等嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)冬季供暖住宅室內(nèi)絕對濕度(見圖4),北京市冬季室內(nèi)87.6%時間的絕對濕度位于4.0～6.0 g/m3區(qū)間,西安市81.5%時間的絕對濕度位于2.0～6.0 g/m3區(qū)間。拉薩市約80.0%時間的冬季住宅室內(nèi)絕對濕度位于2.0～4.0 g/m3區(qū)間,且低于2.0 g/m3的絕對濕度占比超過10.0%。

圖4 冬季室內(nèi)空氣絕對濕度各區(qū)間分布

因此,拉薩市冬季供暖住宅室內(nèi)濕度水平明顯低于其他北方城市,室內(nèi)空氣極端干燥。

冬季調(diào)研期間,室內(nèi)平均溫度變化范圍為12.0～23.9 ℃(見圖5),其中較高溫度多出現(xiàn)在人員熱需求高、供暖強(qiáng)度大的公共建筑,而較低溫度基本出現(xiàn)在采用火爐取暖的傳統(tǒng)民居。冬季室內(nèi)空氣溫度各區(qū)間分布如圖6所示,可以看出,約89.7%時間點的溫度處于16.0～24.0 ℃,其中49.7%時間點的溫度處于18.0～24.0 ℃。

圖5 冬季室內(nèi)空氣溫度變化特征

圖6 冬季室內(nèi)空氣溫度區(qū)間分布

冬季室內(nèi)空氣溫濕度組合分布如圖7所示?？梢钥闯?冬季測試期間同時滿足室內(nèi)相對濕度不低于30.0%和溫度處于18.0～24.0 ℃范圍的時間點僅占比約2.0%;大部分溫度高于15.0 ℃,而僅2.9%時間點的相對濕度高于30.0%。因此,不同于我國北方冬季供暖期室內(nèi)環(huán)境營造僅考慮溫度單一參數(shù),拉薩市等高原地區(qū)冬季室內(nèi)環(huán)境應(yīng)進(jìn)行溫度和濕度組合調(diào)控,且相比進(jìn)一步提高室內(nèi)溫度,提升濕度水平更能顯著改善當(dāng)?shù)鼐用袷孢m性。

圖7 冬季室內(nèi)空氣溫濕度組合分布

2.3 夏季濕環(huán)境測試結(jié)果

拉薩市夏季溫涼多雨,日平均相對濕度處于35.6%～68.6%范圍內(nèi)(見圖8)。夏季測試數(shù)據(jù)中87.7%時間點的相對濕度處于40.0%～70.0%范圍內(nèi)(見圖9),僅有0.7%時間點的相對濕度低于30.0%。

圖8 夏季室內(nèi)空氣相對濕度變化特征

圖9 夏季室內(nèi)空氣相對濕度各區(qū)間分布

夏季調(diào)研期間,室內(nèi)日平均溫度變化范圍為20.1～26.5 ℃(見圖10),略低于夏季舒適溫度范圍(24.0～28.0 ℃)。夏季室內(nèi)空氣溫度各區(qū)間分布如圖11所示,可以看出,86.1%時間點的溫度處于22.0～28.0 ℃范圍內(nèi),其中分別有58.1%和22.7%時間點的溫度處于22.0～24.0 ℃和24.0～26.0 ℃范圍內(nèi)。因此,拉薩市夏季室內(nèi)熱環(huán)境較為涼爽舒適。

圖10 夏季室內(nèi)空氣溫度變化特征

夏季室內(nèi)空氣溫濕度組合分布如圖12所示,可以看出,超過70.0%的時間點大致處于夏季空氣溫度(24.0～28.0 ℃)和相對濕度(40.0%～70.0%)的組合舒適范圍內(nèi),因此高原建筑夏季室內(nèi)濕環(huán)境水平明顯優(yōu)于冬季。

圖12 夏季室內(nèi)空氣溫濕度組合分布

綜上所述,拉薩市夏季室內(nèi)空氣相對濕度基本處于40.0%～70.0%范圍,但冬季室內(nèi)空氣極端干燥,濕環(huán)境水平差,應(yīng)考慮進(jìn)行溫度與濕度組合調(diào)控。在冬季,室內(nèi)空氣溫度基本處于舒適范圍的條件下,提高空氣濕度更能有效提升室內(nèi)人員舒適性。

3 室內(nèi)人員濕主觀投票

為顯著反映人員對拉薩市室內(nèi)濕環(huán)境的主觀濕感受,選取室內(nèi)濕環(huán)境水平更為惡劣的冬季,對拉薩市各類建筑室內(nèi)人員開展?jié)裰饔^問卷調(diào)研。

濕主觀投票共得到來自698名受試者的有效樣本,受試者的主要年齡區(qū)間為16～35歲,其中約35.0%的受試者來源地為拉薩市等西藏高原地區(qū),其余受試者主要來自于四川、陜西、河南、甘肅、山東、云南和湖南等省份。調(diào)研受試者基本信息統(tǒng)計如圖13所示,可以看出,受試者中女性和男性占比分別為44.4%和55.6%,且體質(zhì)指數(shù)(BMI)處于正常范圍的人數(shù)占比為64.8%。

圖13 調(diào)研受試者基本信息統(tǒng)計

考慮不同來源地人群對拉薩市當(dāng)?shù)貧夂虻倪m應(yīng)性不同,將受試者按照近5年常居地分為高原長期居住人群和短期居住人群進(jìn)行對比分析。

3.1 濕感覺投票

室內(nèi)人員濕感覺投票如圖14所示?？梢钥闯?超過95.0%受試者的濕感覺投票處于中性(0)和很干燥(-3)之間;53.5%的長期居住人群感覺拉薩市冬季室內(nèi)環(huán)境有點干燥、干燥、很干燥,短期居住人群的冬季中性(0)濕感覺投票占比低于長期居住人群約24.1%,但有點干燥、干燥和很干燥投票占比分別增加6.9%、18.3%和0.7%。因此,短期居住人群對于拉薩市冬季室內(nèi)極端干燥環(huán)境的濕感覺更為敏感。

圖14 室內(nèi)人員濕感覺投票

3.2 濕舒適投票

濕舒適是人體對所處濕環(huán)境表示滿意的意識形態(tài),更能反映人體生理和心理上的滿意、高興和愉快[18]。室內(nèi)人員濕舒適投票如圖15所示?？梢钥闯?近70.0%的長期居住人群認(rèn)為拉薩市冬季室內(nèi)濕環(huán)境舒適,但仍有20.4%的濕舒適投票為稍不舒適(1);短期居住人群中67.6%的濕舒適投票處于不舒適范圍,其中稍不舒適、不舒適、很不舒適和不可忍受投票占比分別高于長期居住人群21.7%、8.5%、0.5%和6.0%。

圖15 室內(nèi)人員濕舒適投票

3.3 濕期望投票

拉薩市冬季建筑室內(nèi)人員濕期望投票如圖16所示。可以看出:長期居住人群和短期居住人群中分別有50.9%和79.4%的受試者期望拉薩市冬季室內(nèi)濕環(huán)境水平有所提升;相比長期居住人群而言,短期居住人群的稍濕一點(1)、濕一點(2)、更濕一點(3)投票占比分別增加約10.9%、11.4%、6.2%。因此,大多數(shù)人員對拉薩市建筑室內(nèi)濕度水平提升有較大期望,短期居住人群對于冬季室內(nèi)濕環(huán)境改善的期望度更高。

圖16 拉薩市冬季建筑室內(nèi)人員濕期望投票

3.4 濕刺激明顯部位干燥程度投票

研究表明,干燥的室內(nèi)環(huán)境會破壞人體呼吸道黏膜的滲透性、眼睛淚液膜和皮膚表皮的水分平衡,進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)部位出現(xiàn)不同程度的生理不適[19]。圖17給出了拉薩市當(dāng)?shù)鼐用褚殉霈F(xiàn)的明顯濕刺激生理表征。

圖17 高原居民濕刺激干燥部位表征

室內(nèi)人員各部位干燥程度投票如圖18所示?？梢钥闯?超過50.0%的拉薩市室內(nèi)人員各部位均感受到干燥刺激,易受干燥刺激的身體部位依次為:嘴唇、鼻子、皮膚、喉嚨/眼睛,其中長期和短期居住人群分別有17.6%和34.0%受試者的嘴唇干燥程度投票在5級以上。相比長期居住人群而言,短期居住人群中認(rèn)為各身體部位干燥的投票占比均有略微增加,其中認(rèn)為嘴唇干燥的受試者增加了8.0%。

注:干燥刺激等級1～10,數(shù)值越大,人員各身體部位所受的干燥刺激越強(qiáng)烈。

4 室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)控技術(shù)

4.1 濕環(huán)境調(diào)控技術(shù)現(xiàn)狀

高原建筑室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)控措施如圖19所示。可以看出,僅有1/5的拉薩市高原建筑配有加濕器和具有調(diào)濕功能的集中空調(diào)等傳統(tǒng)加濕設(shè)備,少數(shù)居民采用擺放家庭綠植、盛水容器和掛濕毛巾/衣物等調(diào)濕手段。

圖19 高原建筑室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)控措施

雖然當(dāng)?shù)鼐用癫捎枚喾N措施努力提高室內(nèi)空氣濕度,但在高原低壓極干的特殊氣候條件下,現(xiàn)有自然蒸發(fā)式、蒸汽式和水霧式[20]加濕設(shè)備所產(chǎn)生濕組分的蒸發(fā)率顯著增加,運動速度衰減過快,無法送至人員活動區(qū),難以有效提升建筑室內(nèi)濕環(huán)境水平。

4.2 高原適宜性濕環(huán)境營造技術(shù)展望

綜合分析拉薩市高原建筑室內(nèi)濕環(huán)境參數(shù)變化、室內(nèi)人員濕主觀投票與濕環(huán)境調(diào)控技術(shù)現(xiàn)狀,以高原人群特殊的濕舒適特征為導(dǎo)向,需開展高原低氣壓等特殊環(huán)境的濕營造機(jī)理攻關(guān)、重點突破高原適宜的濕環(huán)境營造末端技術(shù)、開發(fā)低成本的高效濕環(huán)境營造設(shè)備產(chǎn)品,在突破冬季供暖問題之后,進(jìn)一步改善高原建筑濕環(huán)境,全面提升西藏高原建筑綜合宜居水平。

5 結(jié)論

1) 拉薩市夏季室內(nèi)空氣相對濕度基本處于40.0%～70.0%范圍,冬季室內(nèi)空氣極端干燥,90.0%以上時間的空氣相對濕度低于30.0%,濕環(huán)境水平極差。當(dāng)考慮溫度與濕度組合調(diào)控時,加濕相比提高室內(nèi)溫度更能有效降低人員不舒適度。

2) 高原短期居住人群中近80.0%的受試者認(rèn)為拉薩市冬季室內(nèi)干燥并期望所處濕環(huán)境水平提升,且濕不舒適投票占比為67.6%,而高原長期居住人群的上述占比均降低約30.0%。當(dāng)?shù)鼐用褚资芨稍锃h(huán)境刺激的身體部位依次為:嘴唇、鼻子、皮膚、喉嚨/眼睛。

3) 低于1/5的拉薩市建筑配有傳統(tǒng)加濕器,但在高原低壓極干的條件下,其產(chǎn)生濕組分的蒸發(fā)率高且運動速度衰減快,難以有效提升室內(nèi)濕環(huán)境水平,高原適宜性室內(nèi)濕環(huán)境營造技術(shù)體系亟待提出。