地震災后人體熱適應性能力的變化

蒲清平,羅 慶,李 紓,解銘剛

(重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶400045)

在Fanger的實驗室研究中,人的背景因素沒有與人體的舒適性聯系起來,人是環境的被動接受者。在Humphrey的適應性的研究中,強調人的社會屬性,主動創造個體所偏好的熱環境,從這個意義上說,對環境的滿意就是對環境的適應。這種適應性定義為:實際建筑中的人對所處環境的逐漸趨于減小的機體反應。相關的適應性研究在各個國家都已經有了大量的研究工作[1-10],這些工作都是在常規條件下進行的,而對于一些特殊情況,例如地震后人體的熱適應性變化的研究,卻沒有相關的研究工作。由于地震災后人們通常會在平板過渡房內度過2～3 a的時間,那么在這種相對簡單住宿條件下,人體的熱適應能力是如何調節變化的,能否適應過渡期內的熱環境,人體的心理期望是如何發揮作用的等問題都需要深入探討。論文針對這些問題,以2008年的汶川地震為背景,深入災區進行了實地測試和問卷工作,并結合熱適應性模型對相關熱適應能力的變化作了理論分析和對比研究。

1 現場測試研究

1.1 測試的基本情況

為了對2008年汶川地震災后人體的熱適應性能力變化作具體的研究,首先通過對不同安置點平板過渡房的熱環境進行實地測試,掌握整個災后平板過渡房的熱環境的基本情況,并對災民的熱適應性行為和心理進行了相關的問卷調查,為后期的熱適應性理論分析提供數據支撐。調研時間安排在2008年7月22日至7月29日,行程從都江堰開始,經彭州、崇州、什邡、綿陽、北川等6個過渡房安置點(圖1)。

圖1 調研地點分布

1.2 測試對象和儀器

測試過程中,配備了室外氣象站(溫度、濕度、照度、風速、風向等)、室內熱舒適儀(空氣溫度、濕度、黑球溫度等)、太陽輻射強度儀、紅外線測溫儀、移動溫濕度監測儀等儀器,對災民安置點的室外氣象參數進行測試,掌握安置點的室外熱環境情況。同時,對平板過渡房的熱環境進行逐時檢測,分析房內溫度、濕度、墻體和頂棚溫度等參數的變化過程。最后,通過相關的問卷調查,了解當地人們在過渡安置房的實際熱狀況。

圖2 平板過渡房現場照片

圖3 測試房間內部

圖4 室外氣象站

1.3 測試結果分析

根據6個地區的測試數據得到了平板過渡房在夏季的熱環境情況,圖5是與人體熱感覺密切相關的空氣溫度、墻體溫度和頂棚溫度等幾個參數的分布,具體情況如下。都江堰選取了位于青城山鎮的“太原?錦青苑”安置點,可容納1.5～2萬人入住,是成都地區當時已建成的最大的過渡房安置點。測試當天為成都地區典型的7月晴天天氣,室內空氣溫度基本維持在31℃以上。由于對施工速度有很高的要求,因此平板過渡房的墻體和頂棚采用的材料為兩邊為0.1cm的鋼板,中間為7.2cm的聚苯乙烯夾層。雖然中間夾層有一定的隔熱作用,但是表面的鋼板對太陽輻射有強烈的吸收和升溫作用,因此總體的熱環境并不樂觀。但是,在這種特殊條件下,人們的心理期望普遍偏低,而且根據自身的實際情況,采取了一些主動的自我適應方式,因此出現了圖6中的調查結果。在崇州、北川2地情況與都江堰的情況比較相似,平板過渡房的材料和建造形式相同,測試時的天氣均為晴天,其室內熱環境分布和人體熱感受調查結果也比較接近。其不同之處在于北川位于山區,與平原城市相比,在外部氣溫變化和周邊環境上存在一定的差異。

在彭州市選擇了隆豐鎮的金山社區安置點,是一個典型的農村地區。測試當天是小雨轉陰,室外氣溫比較舒適,由于該安置點的建筑形式和建筑材料與都江堰的情況相同,導致室內的熱量集聚,室內溫度比室外溫度高2～3℃,但是整體的室內熱環境比較適宜,在沒有任何人工降溫措施的條件下,基本可以滿足人體的熱舒適需求。綿陽的情況與彭州類似,測試時是一個雨后轉晴的天氣,其不同之處在于選擇的安置點是城區,其平板過渡房的室內熱環境與彭州比較接近,但是人體的熱感覺調查結果卻相差較大,其主要原因要歸結為農村地區和城市地區的地域差異,這種差異體現在經濟、生活水平、心理期望等,表現在對熱環境的適應能力上,那么調查結果則表明了農村地區人體熱適應能力要比城市的強。

什邡市調研地點選擇在洛水鎮,這里的情況比較特殊,測試和調研的時候,板房剛好完工,災民還沒有入住,全部散布在周邊搭起的帳篷和臨時窩棚里面,不僅對室內熱環境沒有保障,甚至對基本的住宿條件都比較缺乏,因此出現了圖6中的熱感覺調查結果。

圖5 平板過渡房熱環境參數分布

圖6是對災民的熱感受問卷統計,統計中使用的有效問卷為180份。從結果中可以看出:如果從Fanger的熱舒適理論角度分析,很顯然是得不到這樣的結果的,這些統計結果充分顯示了人體的自我熱調節能力,而采取的主要調節方式包括窗戶、衣著、活動水平和心理期望等幾個方面。通過這些行為調節后,不滿意的比例得到降低,在可接受和比較滿意的層次上有較大的提高,除了什邡,其他幾個地區的不滿意率都不超過30%。這說明當人體面對這種地震災后的特殊情況時,其自身的適應性對熱環境的調節范圍和能力更大。

圖6 人體熱感受調查結果

2 熱適應性分析

2.1 熱適應性理論

人體熱適應的基本過程是通過對所處環境的主觀評價,其結果可能是舒適,也可能是不舒適的,但經過對環境要素的調節及個人要素的行為調節,進而達到滿意。另一方面,過去所經歷的熱環境及當地的氣候條件,社會背景等對于熱環境的期望值也有很大的影響,該種期望可以影響人體對當前的熱環境的評價。行為調節包括所有人體有意識或無意識的采取改變自身熱平衡狀態的行為,這種調節可劃分為個人調節(如穿上或脫掉部分衣服)[11]、技術調節(如打開或關掉窗戶)[12]和文化習慣(如在熱天午睡以降低新陳代謝率)[13]。人體熱適應的基本過程如圖7所示。

圖7 熱適應性產生的機理[14]

2.2 熱適應性模型

論文利用建立在“黑箱”理論基礎上的熱適應調節模型[15]來分析地震災后人體熱適應性能力的變化。該模型是將適應性平均熱感覺指標(aPMV)與物理刺激量(δ)之間關系認為是自動控制“黑箱”中的環狀負反饋,由此建立熱適應模型(圖8)。

圖8 熱舒適調節模型

熱適應模型的數學表示式可以表達為:

其中,δ為物理刺激量;Kδ為大于0的系數,取決于氣候、季節、建筑形式及功能,社會文化背景以及其它瞬時物理環境中的相關因素;G為人體感受量;

變形后:

根據“黑箱”理論,熱舒適靜態模型與PMV的關系如下:

圖9 熱舒適靜態模型

數學表達式為:

式中:PMV為預測平均投票

將式(3)代入式(2):

物理刺激量δ=Tm-Tn

Tm為室內空氣綜合溫度;Tn為熱中性溫度。

式(4)可以寫成:

λ稱為熱適應性系數

2.3 熱適應模型結果分析

根據熱適應模型的理論可以知道:熱適應性系數λ越大,說明熱適應性的調節能力越大,即計算得到的適應性平均熱感覺指標aPMV偏離PMV的程式(5)可以寫成:度就越大,根據本文的測試和問卷結果,整理得到6個地區的平均熱適應性系數為:λ=0.386。文獻[15]根據其調研值,整理得到在常規偏熱環境下的熱適應性系數為:λ=0.293,這說明地震災區的人體熱適應性調節能力比常規熱環境下的調節能力更大。在地震災后修建的平板過渡房,由于其時間的緊迫性和施工的便捷性等原因,導致房間構造的熱物理性能不佳,從而影響了板房內的熱環境質量。但是,根據現場問卷分析結果可知,人體能夠通過自我調節來適應相應的環境,此處的理論分析則更進一步證明了這一點。圖10是Fanger理論下靜態預期熱感覺(PMV)和被調研地區的實際熱感覺(AMV)分布,圖中的實際熱感覺明顯偏離了靜態模型下的結果。

圖10 6個地區實際熱感覺(AMV)與靜態預期熱感覺(PMV)分布

圖11是6個地區的實際熱感覺與適應性平均熱感覺指標分布,從圖中可以看出:考慮了熱適應理論后的熱適應性模型的計算結果(aPMV)與實際熱感覺(AMV)的分布趨勢一致,說明熱適應性模型對于分析特殊熱環境下的人體熱適應能力也具有較高的可信度。

圖11 實際熱感覺與適應性平均熱感覺指標分布

3 結論

以汶川地震為背景,實地測試了災區過渡板房的熱環境質量,通過問卷分析獲取了人體在過渡板房內的實際熱感覺指標,通過兩者的比較,得出了人體通過自我熱調節能力,極大程度的提高了對熱環境的滿意程度;結合熱適應性模型,分析證明了人體在地震災后的熱適應能力(λ=0.386)強于常規偏熱環境下的熱調節能力(λ=0.293)。

致謝:本研究工作得到了四川省建設廳的大力支持,同時在安置點的測試工作也得到了有關負責部門的大力幫助,在此對他們的工作表示衷心的感謝！同時也感謝參加調研工作的研究生！

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