關于銀川住宅建筑夏季室內熱環(huán)境與熱舒適的探索
作者：張毅
隨著我國城市化進程與人民生活水平的不斷提高，特別是20世紀90年代中期以來，人們對建筑居住環(huán)境的熱舒適性要求不斷提高，室內用于采暖或制冷的能源消耗也會大幅增加。因此，建筑節(jié)能主要是指節(jié)約建筑的運行能耗，建筑的能源消耗極大地受室內舒適條件的影響。過去幾十年以來，世界各地進行了大量的有關熱舒適的實驗和現(xiàn)場研究，以Fanger為代表的實驗室研究提出了用于空調房間預測人體熱感覺的PMV模型，并成為ISO國際熱舒適標準的基準。而以de Dear．Brager和Nicol等為代表的現(xiàn)場研究匯總了世界不同氣候不同地域條件下的熱舒適數(shù)據(jù)，分別建立了美國和歐盟自然通風建筑或自由運行建筑室內的適應性熱舒適標準。現(xiàn)場研究結果表明，人在自然通風建筑中，通過自身的生理、心理調節(jié)以及調整服裝、使用風扇等的行為調節(jié)，人們在室內可接受溫度的范圍可以達到17~31℃。因此，研究不同地域氣候人們在真實環(huán)境中的熱舒適和熱適應，對于采暖空調房間的設計參數(shù)取值、被動式設計舒適區(qū)范圍的確定以及有效減少不必要的能源消耗有著積極的意義。
近年來，我國學者也開始關注自然通風建筑環(huán)境熱舒適的研究，在廣州、浙江、上海、長沙、重慶、西安、北京和哈爾濱等地開展了相關的研究，取得了一些成果，夏一哉、茅艷、王昭俊、閆海燕等開展了寒冷地區(qū)夏季室內熱環(huán)境與熱適應的研究，但以上研究主要集中在我國東部或南部沿海及長江中下游等地區(qū)，對于我國西北內陸的寒冷地區(qū)關注較少。銀川深居西北內陸高原，屬中溫帶干旱氣候區(qū)，氣溫日較差大，日照時間長，太陽輻射強。因此，筆者嘗試通過對銀川地區(qū)夏季自然通風住宅建筑的現(xiàn)場調查與分析，初步探究我國西北內陸寒冷地區(qū)自然通風建筑夏季的熱環(huán)境情況，調查該類建筑中人體熱舒適狀況和可接受的溫度范圍，并與ASHRAE標準和其他相關研究成果加以比較，同時分析整理現(xiàn)場調查數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計的辦法確定該類建筑熱環(huán)境與人體熱反應之間的關系。
1研究方法
銀川位于西北內陸高原，在我國GB 50176-1993《民用建筑熱工設計規(guī)范》中被劃分為寒冷地區(qū)。典型氣象年（1971~2000年）年平均溫度為9.5℃，年平均相對濕度54. 8%，最熱月7月的平均空氣溫度為23.7℃，平均相對濕度為67. 0%。本次調查于2%年7月進行，在銀川市隨機選取72戶居民，167人參加了問卷調查，共得到462套環(huán)境參數(shù)和人體熱反應的數(shù)據(jù)。在此期間，室外最高空氣溫度為35.4℃，最低空氣溫度為21.8℃，一天中最低溫度一般在6:00左右，最高溫度在16：00左右，日溫差在10~11℃之間。室外相對濕度的最高值和最低值分別為78. Oqo和24.2%。
本研究中采用的測試方案、儀器設備與基礎數(shù)據(jù)處理方法與文獻[21，25]中一致。調查包括室內外環(huán)境參數(shù)的測量以及對室內人員的主觀問卷調查兩部分，二者同時進行。室內外環(huán)境參數(shù)包括測試期間室內外溫度和相對濕度，采用Test0 175-H2型溫濕度電子記錄儀直接測量；問卷調查記錄居民的著裝和活動量情況、主觀熱反應等以及室內的供暖方式。居民對室內熱環(huán)境的主觀感覺包括熱感覺、熱舒適、熱可接受度，另外還包括對環(huán)境的溫度期望和風速期望�，F(xiàn)場調研所用的熱舒適投票標尺見表1。測試時間為每天早、中、晚3次，調查樣本具有不同的性別、年齡、身高、體重、文化背景，選擇樣本時使上述因素在樣本中分布均勻。
操作溫度t�？紤]了空氣溫度t。和平均輻射溫度t，對人體熱感覺的綜合影響而得到的合成溫度，因此，本研究采用操作溫度作為熱舒適的評價指標。將操作溫度按0.5℃的區(qū)間分組，以每組平均值為自變量，對影響熱感覺的相關因素進行線性或Probit概率統(tǒng)計回歸分析。
2 結果與分析
2.1樣本概況
共有167人參加了調查，其中男性80人(占47.9%)，女性87人（占52.1%），女性比例比男性略高。調研樣本的個體特征如表2所示。在銀川的居住年限最短為1 a，最長的為60 a，平均為12 a。受試者身體健康，大多為長期生活在此地的居民，已經(jīng)從生理和心理上適應了當?shù)氐臒岘h(huán)境。
受試者的典型服裝熱阻和活動量水平統(tǒng)計如表2所示。在填寫問卷過程中，受試者在家中大多為坐著看電視、吃飯或從事輕體力家務勞動，按GB/T18049-2000《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》進行活動量水平的計算，經(jīng)統(tǒng)計，居民的活動量水平最大值和最小值分別為1.8 met（炊事）和1.0 met（靜坐看書或看電視），均值為1. 34 met。在分析人的熱感覺與環(huán)境參數(shù)之間的關系時，為避免人體劇烈活動對熱感覺的影響，將活動量水平高于1.4 met的樣本剔除，其有效樣本數(shù)為384套。
居民服裝熱阻最大值和最小值分別為0.9 clo和0.1 clo，均值為0.3 clo，標準偏差為0.1。夏季室內的典型著裝，男子為內褲、T恤衫或短袖上衣、短褲或薄長褲，女子為內衣褲、薄裙或者T恤衫、短褲等。夏季居民服裝熱阻的分布頻率如圖1所示，有83. 9%調研對象的服裝熱阻分布在0.3~0.4 clo之間，其中頻率最高的為0.3 clo，占總數(shù)的59. 3%。
在所調研的72戶居民中，有68. 7%住宅的建筑面積在80—120m2之間，小于80 m2和大于120m2的各占23.8%和7.5%。住宅圍護結構的外墻大多采用磚混結構，占82. 1%，其中，有86. 3%的外墻為370 mm厚，在外墻材料中，多孑L粘土磚占46. 2%，實心粘土磚占42.3 %，其它為粉煤灰和砼磚。僅有23.%的墻體做了外保溫。建筑外窗以鋁合金窗和塑鋼窗為主，分別占到58. 5%和36.9 %，其中，單層窗為63.5%，雙層窗為36. 5%。
2.2室內外熱環(huán)境狀況
室內外溫度、相對濕度的統(tǒng)計結果如表3所示。由表可知，夏季室外空氣溫度的平均值為29.2℃，室內空氣溫度的平均值為28.9℃。夏季室外相對濕度的均值為50. 8%，室內相對濕度的均值為52. 0%。室內平均輻射溫度的均值為28.6℃，比室內空氣溫度略低。
圖2為調研期間室內外空氣溫度和相對濕度的分布頻率，由圖可知，銀川夏季室外溫度范圍較廣，24℃到35℃之間的樣本占總數(shù)的85. 0%，且各個溫度段之間分布相對較為均勻。相對于室外多變的氣溫，室內溫度的分布較為集中，主要分布在27~30℃之間，此溫度段占總數(shù)的76.1%，其中室內溫度在27℃以上的樣本占94. 0%，這說明在調研期間至少有94. 0%的樣本在IS0 7730熱舒適標準（夏季23~26℃）和ASHRAE 55熱舒適標準(夏季23.5~27℃)要求的范圍之外。不管室內還是室外，相對濕度大多分布在40%—70%之間。
2.3熱感覺和中性溫度
銀川城市住宅夏季居民熱感覺的分布頻率見圖3，夏季有41.8%居民的熱感覺投票為0（適中），有22. 8%的熱感覺投票為+1（微熱），+2（暖）和+3（熱）的比例分別為13. 0%和19. 3%。如果把熱感覺投票-1、0和+1認為可接受的話，那么夏季有67. 8%的居民對室內熱感覺表示可接受，這比夏季的直接可接受率（假定問卷中的“剛剛可接受”和“完全可接受”為可以接受所處熱環(huán)境）79. 5%要低。
按照前述方法，在每0.5℃操作溫度區(qū)間內，平均熱感覺投票( Mean Thermal Sensation vote，MTS)隨室內操作溫度(t。)的變化進行權重線性回歸（見圖4）。兩者相關系數(shù)R為0. 877 0，說明該地區(qū)居民平均熱感覺與操作溫度之間存在顯著線性關系。斜率為0. 359 0，表示熱感覺對操作溫度變化的敏感程度。中性溫度代表了受試者在熱中性狀態(tài)時所對應的溫度，當MTS =0時，中性溫度t。=25.9℃，比調研期間的室內平均溫度(28.9℃)低3℃。
2.4熱舒適和熱可接受度
根據(jù)測試數(shù)據(jù)，在每0.5℃操作溫度區(qū)間內，整理得到平均熱舒適投票( Mean Thermal Comfortvote)和平均熱可接受度投票(Mean ThermalAcceptability vote)，以下簡稱熱舒適MTC、熱可接受度MTA和熱感覺MTS。為了比較不同氣候區(qū)熱感覺MTS、熱舒適MTC與熱可接受度MTA三者之間的關系，采用與廣州相同的數(shù)據(jù)處理方法，分別得到熱舒適度、熱可接受度與熱感覺的關系（如表4所示），從線性回歸方程的相關系數(shù)可以看出，熱舒適與熱感覺之間，以及熱可接受度與熱感覺之間均存在顯著的線性關系。
與濕熱氣候的廣州相比（圖5和圖6），兩者熱舒適與熱感覺回歸方程的斜率并沒有顯著差異(P=0. 29>0.05)，但截距具有顯著差異(P=0.000 13<0.05)，這說明在相同的熱感覺時，廣州受試者的不舒適感覺顯著高于銀川。而銀川受試者和廣州受試者熱可接受度與熱感覺回歸方程的斜率和截距均沒有顯著差異（P>0.05）。
2.5 主觀期望統(tǒng)計
問卷還調查了居民對室內氣流和溫度的期望，將操作溫度按照0.5℃分組，統(tǒng)計期望“溫度降低”、“溫度升高”、“保持不變”3個選項的數(shù)量，“保持不變”的投票數(shù)平分后各加入期望“溫度降低”和“溫度升高”的投票數(shù)內，采用Probit概率統(tǒng)計分析“溫度降低”和“溫度升高”所占比例與該區(qū)間內操作溫度的平均值之間的關系，如圖7a所示，得到當?shù)鼐用竦钠谕麥囟葹?1.7℃，比中性溫度(25.9℃)低4.2℃，這說明在氣候較為炎熱的夏季，人們總是期望比熱中性更為涼爽的溫度。
按照同樣的方法分析居民期望“風速增加”和“風速減少”的比率與相應的操作溫度之間的關系，如圖7b所示，結果表明，當溫度在23.9℃時，居民對風速的期望是“既不增加也不減少”。
2.6可接受溫度范圍
ASHRAE 55標準規(guī)定80%或更多的受試者可以接受的熱環(huán)境為可接受環(huán)境，熱可接受度通過以下兩種方法求解。通常假定為ASHRAR 7個標度的中間3個標度（-1，0，+1）為人們對所處環(huán)境可以接受，而熱感覺投票值為-2、-3、+2、+3為對環(huán)境不可接受，這種方法稱為熱感覺可接受法，又稱間接可接受法；第二種方法是對問卷中“所處熱環(huán)境是否可以接受”問題的回答，稱為直接可接受法。以0.5℃對操作溫度進行分組，每一組內以直接法和間接法所得到的不可接受百分比與該組內操作溫度平均值的回歸曲線如圖8所示。采用Probit回歸曲線估計夏季可接受溫度的上限，得到的方程如式(1)和式(2)所示，采用直接法和間接法得到的80%可接受溫度上限分別為28.5℃和28.1℃。
式中：①為標準正態(tài)分布函數(shù)；t。為操作溫度，℃。
2.7 熱適應行為
夏季，住戶所使用的降溫措施如圖9所示，在所調研的樣本中，有60. 9%的住戶采用電風扇降溫，14. 1%采用空調降溫，10.9 %既采用空調又使用電風扇降溫，這與焦作夏季住宅建筑97. 1%的住戶采用空調降溫有較大差異。在所調研的數(shù)據(jù)中，填寫“此時的降溫措施”的有效樣本共有458個，其中選擇“空調”的有8個樣本，選擇“電風扇”的有145個樣本，分別占到總調研數(shù)的1. 7%和31. 7%，其中，“自然通風”（開窗或開門通風）的比例高達66.6 %（圖10所示），說明在當?shù)叵募荆≌ㄖ蠖嗖捎米匀煌L。
在所調研的72戶家庭中，有16戶家庭安裝有空調，但其中13戶家中只有1臺空調，這與焦作62. 8%的住戶家中至少有2臺或2臺以上的空調并不相同。空調的制冷溫度為18~ 27℃之間，24~ 26 0C之間較為常見�？照{的使用時間大多在6~8月，使用空調的時間段通常是在11:00~13：00或者20：00~24:00。對于空調的使用情況，在13次投票中，有3戶經(jīng)常使用，6戶選擇不經(jīng)常使用，4戶基本不使用，說明當?shù)厝藗儾⒉唤?jīng)常使用空調。
在所調研的72戶家庭中，使用風扇的有39戶，風扇的使用時間也大多在6~8月，風扇的使用情況如圖11所示。有31%的人僅在“熱得無法忍受時”才使用風扇，11%的人選擇“只要家里有人就開”，52%的人選擇“只要感覺到熱”。經(jīng)過調查，上午一般很少有人使用風扇，人們大多在11:00~13：00，20:00—24:00使用。在所有使用風扇降溫的樣本中，分別有49. 3%和39. 6%的居民采用“低速檔”和“中速檔”，僅有11. 1%的居民選用“高速檔”(圖12)。
為研究夏季室內外環(huán)境參數(shù)對人們使用風扇或空調等行為的影響，采用Probit回歸分析兩者之間的關系（圖13和圖14），建立的回歸模型如式(3)和式(4)所示：
式中：①為標準正態(tài)分布函數(shù)；ta,o。．為室外空氣溫度，℃；f。為操作溫度，℃。
根據(jù)模型的預測，當室外空氣溫度和室內操作溫度為25℃時，降溫措施使用的比例分別為16. 2%和15.2%；當室外空氣溫度和室內操作溫度為31℃時，降溫措施使用的比例分別為35. 0%和50.0 %。而張宇峰等在廣州的研究表明，使用風扇比例開始發(fā)生變化的初始溫度約為25 0C（新有效溫度），31℃時已接近100%。以上適應行為表明，夏季，使用風扇或空調的初始溫度較為接近，但在高溫（31℃左右）時的使用比例僅為廣州使用比例的一半。
3討論
3.1 與嚴寒或寒冷地區(qū)夏季熱舒適的對比
將本文研究結果與其它嚴寒或寒冷地區(qū)城鎮(zhèn)住宅熱舒適的研究成果作比較，結果見表5，雖然各地室內外溫度相差較大，但人們的著裝量較為接近，熱阻值平均為0. 34 clo。北京、天津、包頭、焦作和銀川夏季室內溫度較為接近，因此，熱中性溫度以及熱感覺對溫度變化的敏感性均也較為接近，但拉薩和哈爾濱因夏季室外溫度相對較低，除中性溫度低于其它寒冷地區(qū)居民的中性溫度外，其熱感覺對溫度變化的敏感性也較低。夏季室外溫度較為炎熱，人們期望比熱中性溫度更低的溫度，因此，期望溫度均低于中性溫度。除包頭外（包頭采用Probit回歸模型求解的可接受溫度上限為26.9℃），人們可接受溫度的上限均在28℃以上，說明在自然通風建筑中，人們通過開窗、使用風扇等適應行為，可以較好地適應所處的環(huán)境。
3.2與現(xiàn)有熱適應標準的對比
式中：t。，Ⅱ，。為可接受溫度上限，℃；t。，II，。為可接受溫度下限，℃；t，。為室外平滑周平均溫度，℃。
以銀川典型氣象年夏季6、7、8月的日平均溫度為基礎，按標準推薦的公式計算出每一天的室外平滑周平均溫度，在夏季的92 d中，有84 d的室外平滑周平均溫度均超過了20.2℃，這意味著僅有8d的室外平滑周平均溫度可以按式(5)和式(6)來計算，如圖15所示，圖中實線為按我國適應性熱舒適標準計算出來的可接受溫度上限，虛線為可接受溫度下限。而本次實測結果當?shù)鼐用窨梢越邮艿牟僮鳒囟壬舷逓?8.5℃，比標準低1.5℃。
取銀川調研期間的室外平滑周平均溫度的均值25.9℃為基礎，分別代入ASHRAE 55，EN15251適應性熱舒適標準給出的熱適應模型，得到相應的中性溫度和80 %可接受溫度上限，如表6所示，ASHRAE標準的中性溫度與實測中性溫度最為接近，但兩個標準所得到的80%可接受溫度上限值均要高于本次調研實測結果。出現(xiàn)以上差異的原因可能是銀川地處寒冷氣候，高溫天氣較少，且日溫差較大，因而對高溫的接受能力不如濕熱氣候。因此，現(xiàn)有適應性熱舒適標準均過高估計了銀川人們對高溫的接受能力。
4結論
4.1銀川夏季室內平均溫度為28.9℃，相對濕度為52. 0%，其中室內溫度在27℃以上的樣本占94.0 %，均在IS07730熱舒適標準（夏季23~ 26℃）和ASHRAE 55熱舒適標準（夏季23.5~27℃）要求的范圍之外，但居民的直接可接受率達到79. 5%。
4,2在相同的熱感覺時，廣州受試者的不舒適感覺顯著高于銀川。測試結果顯示，銀川地區(qū)熱中性溫度為25.9℃，期望溫度為21.7℃，兩者相差4.2℃。直接和間接的可接受溫度上限分別為28.5℃和28.1℃。
4.3夏季，銀川居民的主要降溫措施為自然通風，使用風扇或空調的初始溫度與濕熱氣候的廣州較為接近，但溫度較高時(31℃)的使用比例明顯小于廣州。處于寒冷氣候的銀川居民對高溫的適應能力較弱，夏季可接受溫度上限低于現(xiàn)行國際適應性熱舒適標準。
5[摘要]為了研究寒冷地區(qū)居民夏季的熱舒適狀況，對銀川市72戶住宅進行了現(xiàn)場調查，在進行現(xiàn)場測試的同時對167位居民的熱感覺以ASHRAE的7級標尺進行問卷調查。實測結果表明，當?shù)鼐用裣募镜臒嶂行詼囟葹?5.9℃，比期望溫度( 21.7℃)高出4.2℃，采用直接法和間接法得到的80%可接受溫度上限分別為28.5℃和28.1 aC。處于寒冷地區(qū)的銀川居民對高溫的適應能力較弱，中性溫度及可接受溫度上限低于我國現(xiàn)行非人工冷熱源室內熱舒適標準。
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