夏熱冬冷地區非采暖空調室內可接受溫度范圍

劉 紅,李百戰,馬曉磊

(重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶400045)

隨著現代社會的經濟發展和人民生活水平快速提高,冷熱空調的應用越來越普遍?？照{環境下,為了使熱環境滿足人體處于熱中性狀態而控制環境溫度,往往出現建筑室內冷熱負荷過大的現象,夏季室內過冷、冬季室內過熱的狀況經?？梢?造成能源浪費和過度的溫室氣體排放。國際上發達國家的建筑用能已占全社會用能40%～50%,中國建筑用能已占社會用能的30%左右[1],因此,建筑室內熱環境和熱適應性研究有著非常重要的意義,即充分發揮人體熱適應能力,最大限度利用非采暖空調環境,減少空調的使用,降低建筑設備能耗,減緩氣候變化,同時也可以避免“空調不適應癥”等健康問題。

非采暖空調環境在美國標準ASHRAE55-2004[2]中稱為自然調節空間(Naturally Conditioned Spaces),在歐洲標準EN15251[3]則稱為自由運行建筑(Free-running Building)室內環境。在這樣的環境里,人們不啟動采暖和空調制冷設備,而是可以采取變換著裝、開關窗戶、通風降溫等方式來適應熱環境的變化。各國學者對人在非采暖空調環境下的熱舒適問題做了大量的研究工作。英國的M.A.Humphreys[4]通過現場調查較早提出了自然通風房間的熱舒適溫度不同于空調房間。美國的J.F.Busch[5]在泰國通過現場調查研究表明在同樣的熱舒適滿意投票率情況下,非采暖空調建筑的有效溫度范圍更大。清華大學曹彬、朱穎心等[6]研究了北京地區冬季寒冷的氣候條件下人對冷環境的適應性,結果認為冬季將室內溫度維持過高,不僅浪費能源,同時也會引發人們的不舒適感。北京理工大紀秀玲等[7]對江浙地區夏季非空調環境下人體熱感覺進行了調查研究,結果認為對熱環境的適應會改變人們的心理期望和熱感覺,現有的熱舒適標準應該根據實際情況作相應的修正。重慶大學李百戰在20世紀90年代初就對中國南方地區建筑室內熱環境現狀問題開展了研究[8]。近年來,又針對重慶地區高校教室[9]和學生公寓[10]非采暖空調室內環境進行了人體熱適應性研究,對高校教室室內熱環境提出了適應性預測平均投票(aPMV)的適應性模型。這些研究都充分證明了人具有很好的熱適應性和熱調節能力,可以使人在非采暖空調環境下比空調環境下有著更大的可接受溫度范圍。

在非采暖空調環境人的熱適應性研究基礎上,ASHRAE55-2004標準利用RP.884項目的數據庫數據,以每棟建筑為一個單元產生不同的回歸系數,最終獲得了適用于自然調節空間的90%和80%可接受溫度隨室外月平均溫度變化的范圍[11]。歐洲標準EN15251利用歐洲的現場調研數據,根據Griffith的方法[12]計算得到舒適溫度與室外周內相繼平滑溫度(runningmean temperature)線性回歸方程,在此方程基礎上得到3種不同類型自由運行建筑設計溫度取值范圍[13]。英國雷丁大學姚潤明[14]利用重慶地區教室全年的現場調查數據,根據Griffith的方法計算得到舒適溫度與室外月平均溫度的線性回歸方程,利用室內空氣溫度與熱感覺投票得到90%和80%的可接受范圍?？梢钥闯?3篇文獻的可接受溫度范圍的確定方法和數據來源均各不相同,結果也不相同。因此,有待于更進一步的研究。

重慶大學承擔了“中國民用建筑室內熱濕環境評價標準”的編制工作。該標準的主要內容之一就是提出一個適合于中國的不同氣候區的非采暖空調建筑室內的可接受空氣溫度范圍的確定方法。為了給編制中的“中國民用建筑室內熱濕環境評價標準”提供依據,該文以典型夏熱冬冷氣候區的重慶為代表,提出了確定夏熱冬冷地區非采暖空調室內環境的可接受溫度范圍的方法,并得到非采暖空調室內環境的可接受范圍。

1 研究方法

研究主要通過現場調查結合實驗室實驗的方式開展研究。首先通過對調查建筑的室內外熱濕環境參數進行現場測試,同時對建筑室內的人員進行熱舒適問卷調查,了解該地區非采暖空調室內外環境的熱濕環境現狀、以及人們對室內熱環境的熱適應能力和主觀評價。在調查數據的基礎上通過將人們對室內環境的熱感覺投票進行分析處理,提出確定非采暖空調室內環境的可接受溫度范圍的方法,獲得80%和90%可接受溫度范圍。最后結合實驗室研究成果,確定室內人員習慣著裝情況下的冬季最低和夏季有無機械通風情況時的最高可接受溫度值。

研究從2007—2009年,整個過程歷時2 a。每月選取3～5天可以代表該月典型氣候的測試日進行建筑室內外熱濕環境現場測試和室內居民或辦公人員問卷調查。建筑類型為重慶的典型住宅建筑或辦公建筑。住宅建筑測試日的測試時段不做限制,辦公建筑的測試時段基本為辦公時間8:30—17:30。所有數據均在非采暖空調環境采集。

使用高精度便攜式溫濕度計和熱線風速儀對熱環境參數(室內干球溫度,相對濕度,室內風速以及室外干球溫度)進行測量。在進行環境參數測量的同時,請室內的居民或辦公人員填寫問卷。問卷的主要內容包括:被調查者的年齡,性別,此時穿衣情況,此時對熱環境的主觀感覺,包括熱感覺,濕感覺以及氣流感。其中,熱感覺采用的是ASHRAE熱感覺 7 級標尺 。 -3、-2、-1、0、1、2、3 分別代表很冷、冷、有點冷、不冷不熱、有點熱、熱、很熱。根據 7級標尺,對濕感覺和吹風感同樣做了標尺,-3、-2、-1 、0、1、2、3 分別代表很潮濕 、潮濕 、有點潮 、舒適 、有點干、干燥、很干燥和很悶、悶、有點悶、舒適風、有點風、風大了點、風很大。

實驗室研究則是在非采暖空調實驗環境下,在冬季低溫和夏季高溫(分有機械通風和無機械通風)工況下進行人體生理、心理反應的主客觀實驗研究,從而獲得人在熱適應能力范圍內的最低和最高可接受溫度值。

2 調查結果統計分析

通過為期2 a的現場測試和問卷調查,整理得到了有效問卷2 712份,其中男性1 433份,女性1 279份,男女人數比較均勻,比例為1.15:1。為了使調查結果具有普遍性,問卷調查的人員年齡跨度較大,最小的年齡在20歲以下,最大的年齡超過60歲。各年齡段具體比例為 20～30歲,占總數的37.2%;30～40歲,占總數的 21.5%;40～50歲、50～60歲以及大于60歲的人數基本相等,大約分別占總數的12%左右;小于20歲的人數最少,只占總數的4%。

通過對2 712份問卷進行分類歸納了解全年室內外熱環境狀況:冬季1月份平均溫度最低,夏季8月份平均溫度最高,室內空氣相對濕度大部分為50%～80%;室內空氣流速大部分為0～0.25m/s,最高為0.94m/s。將現場測試得到的室內外空氣溫度數據繪成散點圖1。從圖上可看出,室外空氣溫度在6～36℃之間變化,室內空氣溫度在 10～35℃之間變化,室內空氣溫度隨室外空氣溫度的升高而升高,同一時間內室內外空氣溫度差大約在1～4℃之間。由此可以看出,在非采暖空調的自然環境下室外溫度對室內溫度影響很大。除了室外氣象條件外,室內外溫差大小主要由建筑圍護結構的保溫和隔熱性能以及室內產熱量的大小決定。

圖1 室內外空氣溫度關系圖

在獲得非采暖空調建筑室內外熱濕環境狀況的基礎上,需要了解人們對這種工作或居住環境的熱舒適評價,研究通過被調查者的熱感覺投票值(TSV)來綜合體現。同時,由于空氣濕度和速度對人體熱舒適有著重要的影響。例如高溫高濕的環境下,由于皮膚濕潤度的增加使汗液蒸發受到限制,并且服裝對汗液蒸發有阻礙作用,人體的不舒適感將明顯增加。而在高溫環境下適當的吹風使人的舒適感會明顯增加。因此了解調查者的濕感覺和氣流感,對分析熱舒適有重要的作用。

將調查問卷分別按冬季、夏季和過渡季節進行統計,得到室內熱環境參數、服裝熱阻與主觀評價關系表1。

從表1中可以看出,冬季在熱感覺投票值(TSV)為0時,熱感覺投票百分比為58.8%。在熱感覺投票值(TSV)為-1、0、1的范圍時,熱感覺投票百分比為91.7%。說明該地區人們在習慣的冬季著裝情況下(平均服裝熱阻值為1.16 clo),對室內熱環境滿意度基本達到90%以上。在夏季熱感覺投票值(TSV)為 0時,熱感覺投票百分比為42.5%。在投票值(TSV)為-1、0、1 的范圍時,熱感覺投票百分比為81.9%。可以看出夏季人們對熱環境的評價比冬季低,熱感覺投票百分比相差約10%。這說明夏季人們雖然可以通過減少衣著、開窗或打開風扇等適應性調節方式來適應環境,但這些方式比起冬季人們通過增加服裝來適應環境調節范圍要有限一些。比如夏季著裝的減少是有限的,而且一些單位對辦公室人員的還有著裝規定。因此,冬季人們對室內熱環境的適應范圍大于夏季。

從表1中還可以看到,3個季節里人們對濕感覺在投票值為0和投票值范圍-1、0、1時的百分比分別都達到了近60%和90%以上,表明人們對于重慶地區非采暖空調室內的高濕環境(平均相對濕度都在60%以上)已經比較適應。從吹風感來看,投票值為 0時的百分比冬季為 49.7%,夏季為30.6%,過渡季節為 37.3%,在投票值范圍 -1、0、1時的百分比則均在85%以上?？梢钥闯鱿募竞瓦^渡季節人們對室內的氣流環境不是特別滿意,“有點悶”是不少被調查者對所處環境的評價。從室內氣流速度統計數據來看,夏季平均室內空氣流速為0.15m/s,過渡季節為0.09m/s。說明非機械通風情況下,室內氣流速度較小,對室內熱環境的調節能力有限。

3 可接受溫度范圍的確定

為了充分反映不同溫度下非采暖空調環境中人的熱適應性和熱調節能力,在全年室內外空氣溫度關系圖基礎上,根據人們對室內熱環境的熱感覺投票值分布狀況,將室外溫度以2℃為1個溫度段單元,尋找各室外空氣溫度段下的室內空氣溫度與TSV的回歸方程。室外空氣溫度范圍從5～37℃,總共可以分為16個溫度段。通過數據回歸的方式,得到每個室外空氣溫度段下,室內空氣溫度所對應的實際投票值之間的一元回歸方程,具體如圖2所示。

圖2 室外空氣溫度下TSV與室內空氣溫度關系

從圖2和回歸方程可以看出,每個溫度段所回歸出來的方程斜率不相同;溫度較高時的回歸方程比溫度較低時的回歸方程斜率要大些。這說明人體對不同溫度所表現出來的敏感程度不同,較高溫度比較低溫度人體對熱感覺更敏感(見圖2(a)和圖2(d))。

某些溫度段下,室內空氣溫度跨度較大,如過渡季節室內人員通過調整服裝等適應性手段滿足自身的熱舒適要求,此時,熱感覺投票隨室內空氣溫度變化不明顯(如室外溫度為16～ 20℃時,見圖2(b))。

在得到各室外空氣溫度段下室內空氣溫度與TSV之間的回歸方程的基礎上,根據Fanger教授提出的PMV-PPD方程[15],得出當預測熱感覺投票值(PMV)為±0.5時,有90%的人滿意室內熱環境,當預測熱感覺投票值(PMV)為±0.85,有80%的人滿意室內熱環境。假設實際熱感覺投票(TSV)與實際不滿意率遵循PMV-PPD同樣的規律,則計算得到各溫度段下,TSV為±0.5和±0.85所對應的溫度值,以室外空氣溫度為橫坐標,室內空氣溫度為縱坐標作圖,得到各數據對應的點,并通過線性回歸的方法,得到80%和90%可接受的線性回歸方程,具體如圖3所示。

圖3 80%和90%可接受溫度線性回歸

從圖3可以明顯看出回歸后的80%、90%可接受線呈現一個梯形的形狀,在低溫度段時可接受范圍明顯比高溫度段時可接受范圍要大。這充分反映了不同季節人們的熱適應性能力的大小。

重慶大學在近幾年將皮膚溫度,神經傳導速度等生理參數用于人體熱舒適及生理健康研究已經取得了很好的研究成果[16-18]。通過實驗,得到了在重慶地區非采暖空調室內空氣溫度的冬季下限值為16℃(服裝熱阻平均值約1.11 clo,平均相對濕度大于70%),夏季上限值為28℃(無機械通風時)。若夏季利用機械通風,室內空氣流速為1m/s時,室內空氣溫度上限值可達到30℃[19-20],由此最終得到了重慶地區非采暖空調室內可接受溫度范圍框圖,如圖4所示。

圖4 夏熱冬冷地區可接受溫度范圍

對比討論ASHRAE55-2004(見圖5)、EN15251(見圖6)及姚潤明(見圖7)的研究,3種方法均以熱舒適中性溫度與室外溫度的線性回歸方程為基準,在此基礎上平移得到滿意率為80%和90%可接受溫度范圍,且上下溫度范圍是平行等寬的。其中:ASHRAE55-2004采用的是以每棟建筑為 1個單元,各單元產生不同的回歸系數,得到相應的中性溫度。EN15251和姚潤明利用griffith公式計算中性溫度。研究則是直接將數據按溫度段單元的形式進行線性回歸得到各溫度段下滿意率為80%和90%可接受上下限溫度值,然后將其值再進行1次線性回歸得到全年室外溫度下滿意率為80%和90%的可接受溫度范圍。研究結果顯示可接受溫度范圍不是平行等寬的。這符合冬季和夏季人們通過適應性調節方法不同,調節能力不一致的特征,比如在重慶的辦公建筑和居住建筑內,冬季人們可以通過增加服裝來適應室內熱環境的變化,而夏季人們的著裝少、可進行的調節是有限的。夏季人們對室內熱環境的適應范圍小于冬季。

圖5 ASHRAE55-2004自然空間可接受的運行溫度的范圍[2,11]

圖6 EN15251自由運行建筑設計溫度取值范圍[3,13]

圖7 重慶地區非采暖空調教室熱適應溫度范圍[14]

ASHRAE55-2004(見圖5)及姚潤明(見圖7)的研究采用的是月平均室外氣溫。EN15251(見圖6)采用的是將周內相繼平滑溫度(runningmean temperature)。ASHRAE55-2004和EN15251所用到的數據皆沒有涉及到中國。根據中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[21]典型氣象年逐日氣象資料中的統計數據顯示,重慶、上海、長沙等夏熱冬冷地區城市的日平均氣溫變化較大,如重慶在3月-5月份,8月-11月份,日平均氣溫均超過10℃,而且每日瞬時溫度變化也很明顯。如果用月平均溫度來表示室外空氣溫度的變化顯得過于籠統。該研究采用各室外瞬時空氣溫度為自變量,確定可接受室內空氣溫度范圍(見圖4),體現夏熱冬冷地區的室外日平均氣溫變化較大的特點,而且使用也更方便。

值得一提的是,相對濕度也是評價人體熱舒適的重要因素之一。國際上用有效溫度ET(EffectivETemperature)來考慮室內空氣溫度、空氣濕度和室內空氣流速的綜合影響,還特別將相對濕度50%,空氣靜止不動,服裝熱阻0.6 clo時的有效溫度定義為標準有效溫度 SET(Standard EffectivETemperature)[22]。Fanger的PMV-PPD模型中也包含了相對濕度對PMV的影響[15]。尤其是低濕和高濕環境對熱舒適影響更大,低濕度能使皮膚及粘稠的表面干燥,在低濕度的情況下特別是當露點溫度低于0℃時,鼻子、喉嚨、眼睛、皮膚等部位有明顯的干燥感,在高濕度情況下,相對濕度增加會增加不舒適感,如水分擴散和出汗等[22]。ASHRAE55-2004對于空調環境采用PMV-PPD模型進行評價,但是對于非采暖空調環境,ASHRAE55-2004則給出了自然空間可接受的運行溫度的范圍(見圖5),并特別說明應用時沒有濕度的限制[2]。同樣,EN15251、姚潤明在對自由運行建筑設計溫度取值范圍(見圖6)和重慶地區非采暖空調教室熱適應溫度范圍(見圖7)中也沒有對濕度進行限制。主要論述的是非采暖空調環境的可接受室內溫度范圍,因此參照ASHRAE55-2004、EN15251等做法沒有考慮濕度的影響問題。

4 結論

以典型夏熱冬冷氣候區的重慶為研究對象,利用辦公建筑和居住建筑現場測試和問卷調查數據,結合試驗室人體生理和心理實驗研究成果,得出了一個適用于夏熱冬冷地區建筑室內非采暖空調環境的可接受空氣溫度范圍。通過與 ASHRAE55-2004、EN15251及姚潤明的可接受溫度范圍研究結果的對比,主要結論如下:

1)將重慶辦公建筑和居住建筑現場測試和問卷調查數據按溫度段單元通過二次線性回歸,得到全年室外溫度下滿意率為80%和90%的可接受溫度范圍,且可接受溫度范圍在冬、夏季是不平行等寬的。這反映了重慶冬季人們可以通過增加服裝來適應室內熱環境的變化的特征。

2)采用室外瞬時空氣溫度為自變量,確定可接受室內空氣溫度范圍,充分體現了夏熱冬冷地區的室外氣溫變化較大的特點,而且使用也更方便。

3)為編制中的“中國民用建筑室內熱濕環境評價標準”的室內可接受溫度范圍的確定提供了可行的方法,但在實際標準編制中,夏熱冬冷地區的其它典型城市,如上海、南京、武漢、長沙等地的氣候條件、室內熱濕環境現狀及人們的熱適應性可能不同,應采用本方法分別進行研究,綜合確定夏熱冬冷地區的室內可接受溫度范圍。

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