粵東農村住宅室內熱環境及熱舒適現場研究

金 玲，孟慶林，趙立華，張宇峰，陳 霖

（1.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣州510640；2.華南農業大學 水利與土木工程學院，廣州510642）

目前農村住宅用商品能源正在以每年超過10%的速度增長［1］，如果農村住宅的室內熱環境質量和用能模式都達到城市住宅水平，則農村住宅用能有可能超過目前的城市建筑用能總量，這將出現嚴重的能源緊缺問題。建筑有清晰而強烈的適應氣候的特征，而對于人自身，也存在著相同的特征［2］。不同于城市的建筑與居民，富有鄉土特色的農村住宅和長期居住在當地的農村居民對當地氣候的熱適應性非常好，因此，對農村住宅的建筑特點、室內熱環境及農村居民熱感覺的主觀反應進行統籌考慮是農村節能工作研究的著力點。

現行國際熱舒適標準，包括ASHRAE Standard 55－2004［3］、ISO 7730：2005［4］等，都是根據歐美國家的研究工作建立的。迄今為止，許多學者進行了大量的熱舒適現場測試。實驗證明，人們在室內熱環境的實際熱感覺與采用國際熱舒適標準的預測結果存在明顯差異，而引起差異的主要原因是人對氣候的行為適應性及心理期望值［5］。中國的現場研究始于1999年［6］，主要研究對象是城市建筑與城市人口。近年，中國一些學者也開始關注農村住宅室內環境熱舒適的研究，在湖南［7］、哈爾濱［8］、北京［9］、陜西［10］等地都開展了相關的研究，結果表明，由于農村居民與城市居民的生活方式和衣著習慣等差異，北方寒冷氣候區農宅的供暖溫度標準不能照搬城市單元式住宅樓的供暖標準［9］。而中國濕熱地區關于農村住宅室內熱環境及熱舒適的研究一直未有系統開展，粵東地區是典型的濕熱氣候，筆者嘗試對粵東地區農村住宅及當地農村居民進行現場調研及分析，以期得到以下結果：1）實測粵東地區農村住宅室內熱環境狀況，并建立濕熱地區農村人口的熱感覺模型，尋找當地人口的中性溫度、期望溫度和可接受溫度；2）考察農村人口的熱感覺與城市人口是否存在差別，是否有必要為農村住宅建立適用的環境評價標準；3）針對粵東地區農村住宅設有大量灰空間的建筑特點，從熱舒適的角度出發，考察灰空間是否具有節能潛力。

1 研究方法

采用熱環境物理測試與主觀反應問卷調查的研究方法。

1.1 樣本選擇

1.1.1 建筑選擇 粵東地區的農村住宅大致可以分為3類（圖1）：

第1類是傳統的爬獅住宅，屬于單層住宅，外封閉而內開敞，客廳南面不設墻，與天井連通形成了半開放的灰空間，是住戶白天的主要活動空間，臥室相對封閉，是夜間的主要活動空間。一般意義上單從形態特征出發認為有屋頂遮蓋但側面圍護不完整的半開放空間即是灰空間［11］。與之相對的，有屋頂遮蓋、側面圍護完整的、通過可啟閉的門窗采光通風的室內空間稱絕對空間；

第2類農宅是在保留爬獅住宅平面的基礎上向上發展，形成爬獅類的多層住宅，各層客廳與天井仍然直接連通，形成了大量半開放的灰空間；

第3類農宅是住戶憑著對城市建筑的印象來模仿設計的，沒有固定的平面布局，大多數住戶取消了天井，門廊是唯一的半開放灰空間，室內以較封閉的絕對空間為主。

選擇上述3類粵東地區較為典型的住宅開展研究。前2類住宅中由于開敞的廳堂和天井與室外環境直接相連，空間不密閉，所以這些空間不能安裝空調，少量住戶在臥室安裝空調，第3類住宅灰空間少，安裝空調的比例相對較高。

圖1 粵東地區農村住宅

1.1.2 人群選擇 調查的人群選擇出生并長期生活在粵東地區的農村居民，受試者隨機選取，其中男性為236人，女性為212人，男女比例基本均衡。受試者中年齡最大的村民75歲，年齡最小的12歲，平均年齡為37.7歲，將各年齡段的受試對象人數進行分析統計分析（表1）可知：

1）10～20歲之間的受訪者較多，主要是讀中小學或者職業學校的學生；

2）20～30歲的受訪者處于走出校門、成家立業的階段，大多數人還沒有在社會中找到自己固定的位置，情況較為復雜，有幫家人料理生意的，有學手藝的學徒，也有外出打工沒有合適工作暫時回家休息的，該年齡段的青年基本不愿在家務農，此外，該年齡段受訪者居多受到暑期回鄉大學生的影響；

3）年齡在30～40歲之間的受訪者最少，不到所有受訪者的5%，這是因為該年齡段大部分人外出打工賺錢所致；

4）留在農村務農的村民主要是40～60歲之間的中老年人；

5）60～80歲的老人主要是賦閑在家，身體好的老人也有下地干農活的。

統計結果顯示各年齡段的人數分布與粵東地區農村實際情況基本相符。

表1 受試者年齡統計

1.2 調查數據的采集

調查內容分兩大部分：室內熱環境參數的測量和受試者在該環境下的熱反應及主觀判斷。室內熱環境參數的測量及精度滿足國際標準ISO 7726［12］，測點選擇在受試者周邊距地0.1、0.6、1.1m3個高度的空氣溫度、黑球溫度、相對濕度和空氣流速。測試儀器的型號及參數見表2。

調查小組由2～3人組成，其中一名成員為來自當地的、接受過培訓的大學生，他主要負責指導受訪者完成熱感覺及主觀判斷部分的問題，文化層次較高的受訪者自己完成問卷，文化程度較低或者年齡比較大的受訪者由小組成員詢問后代為完成，其他成員負責讀取儀器測得的環境參數。

表2 測試儀器型號及參數

1.3 調查過程

為了減少調查研究對受試者的人為干擾和影響，完成問卷的地點均為受試者家里，調查一般在受試者維持其原有的活動狀態下進行投票，一般為休息狀態（喝茶聊天）或者做家務的狀態。

圖2 現場調查

調查在3個季節進行，過渡季的調查問卷于2011年4～5月完成，夏季的調查問卷于2011年7～8月完成，冬季的調查問卷于2012年1月完成。因粵東地區在建筑熱工設計分區中將其劃分為夏熱冬暖地區，必須充分滿足夏季防熱要求，一般不考慮冬季保溫，故問卷調查的重點是夏季。

全年共收集有效問卷448份，其中夏季問卷376份，冬季30份，過渡季42份。全部問卷中，僅有23份問卷的完成環境是安裝有空調的，均來自于第3類住宅的用戶。

1.4 評價指標的選擇與樣本處理方法

1.4.1 評價指標的選擇 熱環境評價指標分2類：一類是簡單指標，如空氣溫度ta、操作溫度top、新有效溫度ET＊等，這類指標意義明確，測量簡單，便于應用；另一類是綜合指標，如PMV（預測平均熱指標）和SET（標準有效溫度），這類指標綜合考慮了所有已知的熱反應影響因素，但是有研究表明，評價指標越復雜，其統計意義越小，實用性越差［13］。此外，在自然通風環境下，PMV和TSV會產生較大的偏差，SET值的計算需要借助計算機才能進行，繁瑣的計算過程限制了它的使用范圍。綜上所述，考慮到今后農村住宅評價的適用性，筆者選擇用簡單指標與受試者的主觀反應進行回歸分析，得出粵東地區農村居民的中性溫度、期望溫度和可接受溫度。

操作溫度top是綜合考慮了空氣溫度和平均輻射溫度對人體熱感覺的影響而得出的合成溫度，計算式為［14］：

平均輻射溫度tr由測量得到的空氣溫度ta、黑球溫度tg和空氣流速v通過下式計算得到［12］：

新有效溫度ET＊是綜合考慮了空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度對人體熱感覺的影響而得出的等效的干球溫度，使具有不同空氣溫度、相對濕度和平均輻射溫度的環境能用一個ET＊值相互比較，能較綜合的反映室內熱環境情況。

1.4.2 樣本處理方法 采用溫度頻率法（Bin法）［15］將空氣溫度ta、操作溫度top和新標準有效溫度ET＊以0.5℃的間隔分組，以每組內的平均空氣溫度、平均操作溫度和平均新有效溫度作為自變量，以組內熱感覺投票值的平均值為因變量，通過線性回歸分析的方法得到關系式，由于各數據組的樣本量相差較大，小樣本量的數據隨機性大，可能會給統計分析結果帶來偏差，故均采用按樣本量加權的方法進行［16］。

2 測試結果與分析

2.1 室內熱環境參數

經過對現場測試數據的分析整理，獲取了粵東地區夏季、過渡季和冬季農村住宅室內主要活動空間的熱環境參數的基本特征（表3）。夏季室內空氣溫度介于27.1～35.1℃，平均溫度達到30.6℃，相對濕度介于53%～93%，平均相對濕度為76%，為典型的濕熱氣候；過渡季平均溫度為25.4℃，受到暖濕氣流的影響，相對濕度非常高，平均達到了88%；冬季室內平均溫度為15.5℃，室內平均氣溫不算太低，但是相對濕度依然很高，平均相對濕度為82%。可見，粵東地區農村住宅室內長期處于高濕的狀態，溫度隨季節的變化而變化，整體溫度水平較高。

表3 各季室內環境參數

室內空氣流速夏季最大，平均值為0.56m／s，粵東農村地區夏季最主要的降溫方式是風扇降溫，據筆者的前期調查，85%以上的家庭都擁有2～4臺電風扇，住戶夏季室內除了開門窗形成自然通風外，主要是由風扇形成較高的氣流速度，帶走室內多余的熱量。過渡季室內平均風速為0.27m／s，冬季室內平均風速為0.14m／s，可見空氣流速的變化趨勢與空氣溫度密切相關，隨著空氣溫度的升高，室內空氣流速增大。問卷中關于客廳、臥室和廚房等房間門窗開啟情況的調查結果顯示，該地區農村住宅的門窗僅在夜間和下暴雨的時候關閉，其他時間幾乎是常年開啟的，即使是冬季，因為室外溫度不算太低，住戶也習慣開窗通風換氣，所以不同于北方的采暖季，粵東地區農村住宅全年的室內熱環境受室外環境的影響都非常大。

2.2 服裝熱阻和新陳代謝率

調查問卷中詳細記錄了受訪者的衣著情況及當時的活動情況，根據ISO 7730：2005［4］計算出受試者完成問卷時的服裝熱阻和新陳代謝率，統計結果見表4～5，服裝熱阻與新有效溫度的回歸分析見圖3，由圖表分析可知：

1）粵東地區農村居民服裝熱阻與新有效溫度ET＊呈顯著的二次多項式關系，冬季平均服裝熱阻為1.26clo（1clo＝0.155m2·K／W），過渡季平均服裝熱阻減少為0.47clo，夏季平均服裝熱阻為0.27clo，可見服裝熱阻的調節是人體應對環境溫度變化重要的自主調節手段。

2）夏季平均服裝熱阻為0.27clo（相當于男士穿無袖無領上衣內褲＋中褲＋涼鞋），最小值僅為0.06clo（短褲），張宇峰等曾對濕熱地區教學類建筑進行現場測試［16］，受試者在夏季的平均服裝熱阻為0.43clo，與本測試的結果存在差異的原因是本次測試的地點是受訪者的家里，受訪者穿著比較隨意，而對于學生的測試有一部分是在教室里完成，學生都會穿著整齊。另外，由所得結果可見，居民在夏季的衣著量已盡量的少，粵東地區農村住宅夏季依靠服裝熱阻調節熱感覺的空間不大。

3）各季節新陳代謝率無顯著差異，平均的新陳代謝率介于1.2～1.3met（1met＝58.2W／m2）之間。

表4 服裝熱阻（不含附加熱阻）的季節性變化 clo

表5 新陳代謝率的季節性變化 met

圖3 服裝熱阻與新有效溫度的回歸分析

2.3 夏季熱感覺模型

熱感覺標尺采用ASHREA提供的7度熱感覺標尺（圖4），為避免翻譯過程中出現理解上的誤差，問卷在標尺下方附了各標度對應的一般反應。

圖4 現場調研用投票標尺及輔助說明

利用Bin法將溫度與對應的熱感覺進行分組后，將熱感覺與對應的溫度進行回歸分析（結果見圖5），得到粵東地區農村居民夏季熱感覺TSV與空氣溫度ta、操作溫度top和新有效溫度ET＊的線性關系式，分別為：

圖5 熱感覺與ta、top和ET＊的關系（夏季）

中性溫度表明在該季節既不感到冷也不感到熱的溫度。令熱感覺投票值TSV＝0，可得到粵東地區農村居民夏季的中性溫度分別為26.4℃（ta）、26.7℃（top）、28.5℃ （ET＊）。ASHRAE 中 規 定80%以上受試者可接受的溫度為容忍溫度，對應的TSV值為±0.85，夏季TSV＝0.85就是當地居民的可接受溫度上限，代入式（1）～（3），得粵東地區農村居民夏季80%可接受的溫度范圍分別為23.8～29.0℃ （ta）、24.1～29.4℃ （top）、25.8～31.2℃（ET＊）。

表6所示為濕熱地區夏季現場實驗得到的中性溫度、斜率和80%可接受溫度范圍，對比可知，長期生活在空調環境的人群［18－20］，夏季的熱中性溫度及80%可接受的溫度范圍均比自然通風人群（本文及文獻［17，20］）偏低，這是由于2類人群的熱歷史及對建筑未來熱性能期望的差別［21］造成的。

表6 濕熱地區夏季現場實驗的中性溫度與可接受溫度

那么城市居民和農村居民對熱環境的耐受力是否有顯著差異呢？廣州與曼谷在城市自然通風建筑內實測的可接受溫度上限分別為31.1℃（ET＊）和30.9℃（ET＊），與筆者的實測結果31.2℃（ET＊）非常接近。而廣州大學生與曼谷辦公樓中的中性溫度為29.3℃（ET＊）與27.4℃（ET＊），筆者測得的中性溫度28.5℃（ET＊）介于二者之間，筆者認為這個差異和3個人群對環境的控制能力、熱期望及熱歷史有關，大學生對于環境的控制能力是最弱的，且生活與學習環境的控制策略都是自然通風，故中性溫度最高，本次現場研究中有5%的住宅是安裝有空調的，這會使得中性溫度向低溫的方向略有偏移，且農村居民在自己的住宅中，對環境的控制能力要比大學生強，所以中性溫度較高；而在曼谷的實驗中，測試對象是在自然通風辦公樓工作的城市居民，一方面城市居民低溫的熱歷史相對較多，另一方面工作的人群對夏季熱環境的期望值會比較低，所以中性溫度最低。

綜上所述，影響夏季中性溫度和可接受溫度上限的最主要的因素是是否使用空調。自然通風建筑中的城市居民與農村居民可接受溫度上限無顯著差別，中性溫度會受到對環境的控制能力、熱歷史和熱期望的綜合影響。

2.4 灰空間與絕對空間的對比

涉及的灰空間主要是有屋頂遮蓋而南面無圍護結構，面向天井完全開放的廳堂（簡稱“敞廳”，下同）和住宅入口處的門廊。圖6所示為粵東農村居民白天在通風良好且有遮陽的灰空間工作與生活的情景，灰空間在一定程度上抹去了建筑內外部的界限，給人一種自然有機的整體的感覺，居民直到夜間才會回到較為封閉的、絕對的室內空間休息。

圖6 居民白天喜在半開放的灰空間活動

由1.1.1節所述的3種建筑類型可知，粵東傳統建筑中設有大量的灰空間，而現代農村住宅中，灰空間有逐漸減少甚至消失的趨勢。因此，筆者想從人們在這2類空間中的熱感覺和熱期望對比出發，尋找在濕熱的粵東地區，農村住宅中的灰空間是否應該保留，以及半開放的灰空間能否成為農村住宅節能的一個落腳點的答案。

2.4.1 使用者的接受和認可程度 為了解使用者在灰空間和絕對空間中的反應差別，問卷中設計有“您覺得此刻的氣溫是否可接受？”的問題，回答的評價標尺如圖7所示，回答在＋0.01～＋1之間認為可接受，回答在－0.01～－1之間認為不可接受，全部的448份問卷中，有220份問卷在灰空間中完成，228份問卷在絕對空間中完成。按季節計算可接受人數占總人數的比例，定義為室內環境可接受比例，如圖8所示，3個季節灰空間的熱環境可接受比例均高于絕對空間。

圖7 可接受度回答標尺

圖8 灰空間和絕對空間的可接受比例

除了上述對2種空間可接受度的間接調查外，還對當地居民對這類空間的認可程度做了直接的調查。由圖9可見，居民對敞廳的喜愛程度是最高的，95%的居民認為一定要有或者最好有，僅有5%的居民認為可有可無；門廊作為另一類灰空間，面積較小，66%的居民認為一定要有或者最好有，1／3居民認為可有可無，僅有3%的居民認為完全沒必要或者一定不能有；有14%的居民認為天井完全沒必要或者一定不能有，主要原因是天井的存在降低了住宅的使用率，然而作為形成敞廳的重要元素，仍然有一半以上的居民認為天井一定要有或者最好有。

圖9 居民對灰空間的認可程度

2.4.2 中性溫度 根據完成調查問卷的地點將問卷分為灰空間和絕對空間2部分。將兩部分數據利用Bin法對夏季的ET＊及TSV進行回歸分析（圖10），結果顯示灰空間和絕對空間的中性溫度分別是28.7℃（ET＊）和28.5℃（ET＊），灰空間中的中性溫度略高，但是2個空間內的熱感覺模型沒有顯著性差異。筆者理解，熱感覺及中性溫度是在一定的熱經歷下形成的較為穩定的一種對環境冷熱的判斷，短期內不隨空間的變化而改變。

圖10 灰空間和絕對空間中熱感覺與ET＊的回歸分析

2.4.3 期望溫度 為了解粵東地區農村居民的期望溫度，問卷中設有“對完成問卷現場的環境有何期望？”的問題，選項有“期望降溫”、“維持不變”和“期望升溫”，利用Bin法將ET＊按照0.5℃分組，并統計各組灰空間和絕對空間中3個選項的數量，維持不變的投票數平分后各加入“期望降溫”和“期望升溫”的投票數內，作probit回歸（圖11）可得灰空間的期望溫度為26.4℃（ET＊），絕對空間的期望溫度為25.8℃（ET＊），兩者相差0.6℃。由此可見，在灰空間內空間的連貫消除了內外空間的隔閡，室內溫度與室外溫度的日變化和季節變化更為緊密的聯系在一起，使用者認識到這一點，相應的會降低個人期望的“舒適標準”。

圖11 灰空間與絕對空間內的期望溫度

綜上所述，粵東地區農村居民對暢廳、門廊等灰空間具有較高的接受認可度和更低的熱期望，這應該是為什么在粵東傳統農村住宅中一直保留有大量灰空間的主要原因。現代農村住宅對灰空間的態度產生了分歧，類型2中爬獅類的多層住宅保留了大量的灰空間，而類型3中的多層住宅為了提高建筑的使用率灰空間被大量壓縮甚至消失，研究結果表明從熱舒適和節能的角度出發，灰空間更有利于延續農村人口的熱適應性，有利于農村的環境保護，有利于農村經濟的可持續發展。

3 結 論

1）粵東地區農村住宅夏季室內空氣溫度介于27.1～35.1℃，平均溫度達到30.6℃，相對濕度介于53%～93%；過渡季平均溫度為25.4℃，平均相對濕度達到了88%；冬季室內平均溫度為15.5℃，平均相對濕度為82%。可見，粵東地區農村住宅室內長期處于高濕的狀態，溫度隨季節的變化而變化，整體溫度水平較高；

2）粵東地區農村居民服裝熱阻與新有效溫度ET＊呈顯著的二次多項式關系，夏季平均服裝熱阻為0.27clo，最小值僅為0.06clo，粵東地區農村住宅夏季依靠服裝熱阻調節熱感覺的空間很小；

3）粵東地區農村居民夏季中性溫度及可接受溫度上限與城市自然通風建筑的實測結果相近，與城市空調建筑差別較大，說明影響夏季中性溫度和可接受溫度上限的最主要的因素是是否使用空調；

4）使用者對灰空間的熱環境接受度高于絕對空間。2種空間中中性溫度無顯著差異，但是灰空間的期望溫度為26.4℃（ET＊），比絕對空間的期望溫度25.8℃（ET＊）高0.6℃，使用者在灰空間比在絕對空間有更低的期望基準，所以粵東地區現代農村住宅的設計與建設應保留傳統建筑中大量灰空間的特色。

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