夏季高溫條件下室外熱感覺特性研究

夏煦 王漢斌 吳運龍 胡孝俊

1重慶建工集團

2重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室

夏季高溫條件下室外熱感覺特性研究

夏煦1王漢斌2吳運龍2胡孝俊2

1重慶建工集團

2重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室

本文針對夏季城市中的高溫天氣情況，通過現場的環境測試和問卷調查，得到了人體高溫條件下室外熱感覺的基本規律，并在此基礎上，采用BIN分析法得到了人體室外的熱感覺、濕感覺、風感覺對室外熱環境參數的量化模型，并對模型進行了可接受區間值的求解，得到了在室外高溫環境條件下人體可接受參數分布范圍，相關參數的提出為室外人體熱感覺的相關研究提供了參考。

高溫氣候室外熱感覺熱環境參數

1 研究背景

夏季高溫天氣是一種十分不利的自然環境，由于近年來城市化迅速發展導致的城市熱島效應[1]和溫室氣體導致的大氣環境溫度上升越來越顯著，這些因素進一步使城市的夏季室外熱環境變得越來越惡劣。高溫天氣作為一種極端的天氣條件，對人體的健康是十分不利的，極易引起人體的不舒適，并可能導致中暑，嚴重的甚至導致死亡[2]。在已有的室外環境相關研究中，初步探討了室外人體熱舒適與室外環境相關參數的關系[4～11]，但是這些研究缺乏專門針對高溫氣候條件下的室外熱感覺研究，對其特性缺乏深入認識。本文主要針對夏季高溫條件下室外熱環境因素對人體熱感覺影響進行了研究，通過建立夏季高溫條件下室外人體熱感覺、濕感覺和風感覺模型得出了室外活動人員的可接受溫度、濕度和風速范圍，為在更寬的室外溫度范圍內研究人體的熱感覺特性提供了參考。

2 測試過程

2.1 測試基本情況

城市的建筑布局、綠化方式、下墊面材料、人員的密度等共同影響著城市局部氣候。在炎熱的夏季，人員在室外的行徑具有明顯的選擇性。本文的測試工作在綜合考慮了上述的因素后，在重慶主城區選擇較有代表性和人流量相對較大的區域進行測試。所測試的區域有沙坪壩區、江北區步行街、渝中區日月光廣場和九龍坡區步行街，分為主觀問卷和環境參數測試兩部分。

2.2 主觀問卷調查

在本研究中，問卷調查的對象是在測試點附近活動的人員，采取隨機選取，并填寫相關的主觀調查問卷。室外環境的測試是每隔一小時測試一次，在測試的間隙進行問卷調研。人體的熱反應是和其所處的環境是密切聯系的。本次研究中共發放問卷542份，收回有效問卷529份。

被調查人員男女構成比例分別為57%和43%，男性比女性多14%。表1為調研人員的年齡、身高和體重等基本信息。

為了結合后期的分析，調研過程中，對人員的活動水平進行了統計，圖1表示的是人員活動水平分布。從圖中可以看出，調研期間人員的主要活動是靜坐休息和行走，占全部人數的96.03%。從事一般性運動的人員占3.78%，劇烈運動的只有0.19%。

3 環境測試參數分析

在此次研究中，共進行了8天測試，得到了重慶地區夏季室外上午11:00到下午17:00室外環境的相關熱環境參數（圖2～5）。從測試的數據中可以看出重慶夏季的室外熱環境處于高溫條件，正是本文研究中所期望的天氣。測試期間室外空氣溫度最高為40.8℃，最低為28.6℃，平均溫度為35.76℃。在重慶夏季室外上午11:00到下午17:00期間，室外的相對濕度較低，平均相對濕度為40.84%，最高相對濕度為64.2%，最低為32.6%，且多分布在50%以下，占到了88.46%。室外的空氣流動速度與室內相比，具有較大的變化范圍且波動性較大，介于0.2m/s到2.02m/s之間，基本都在1.6m/s以下，占到了96.15%，平均風速為0.65m/s。重慶地區夏季太陽能資源豐富，并且輻射強度較高，測試期間最高輻射強度為941.5W/m2，最低為168.19W/m2，平均輻射強度為600.55W/m2，輻射強度有一半以上都分布在700W/m2到900W/m2之間，占59.62%。

4 主觀問卷調查分析

4.1 TSV分布頻率

本研究中共獲得了529份有效問卷，通過對數據的處理分析，得到了如圖6所示的人員熱感覺投票分布頻率。從圖6中看以看出，認為重慶夏季室外熱環境可接受即熱感覺投票在-1到+1之間的僅占38.94%，其中感覺舒適即投票為0的僅占14.18%；認為重慶夏季室外熱環境不可接受的占61.06%。分析表明，重慶地區夏季室外熱環境條件較為惡劣，急需改善室外熱環境條件。

4.2 HSV分布頻率

通過對有效問卷的分析，得到了如圖7所示的濕感覺投票分布頻率，近似服從正態分布。從圖中可以看出，可接受的濕感覺投票占76.56%，其中感覺舒適的占29.3%，感覺有點潮的占30.06%，感覺有點干的占17.2%。認為不可接受的人群占23.44%，其中認為很潮的占4.73%，感覺潮的占12.1%；感覺干的占4.35%，感覺很干的占2.27%。

從DIVA-GIS數據庫(http://www.diva-gis.org/)免費獲取DIVA-GIS(Version 7.5)軟件包和中國地形高程圖。中國行政區劃矢量地圖來源于國家基礎地理信息中心(http://nfgis.nsdi.gov.cn/)，地圖比例尺為1∶4000000。在DIVA-GIS軟件中，以中國行政區劃矢量圖和高程圖為底圖，導入紫玉蘭地理分布數據，繪制實際地理分布圖。利用與DIVA-GIS耦合的BIOCLIM模型，分別預測紫玉蘭的當前適生區和未來潛在分布區。

4.3 WSV分布頻率

通過對有效問卷的分析，得到了如圖8所示的風感覺投票分布頻率。從圖中可以看出，感覺舒適的人群占13.61%%，感覺舒適有風的人群占33.08%，感覺風大的人群占0.38%，沒有調查對象感覺風速很大。感覺很悶的人群占6.99%，感覺悶的人群占13.61%，感覺有點悶的人群占32.33%。

5 評價模型的建立

5.1 熱感覺評價模型

在室外熱舒適的研究中，一般選用的用來評價熱舒適的指標有空氣溫度Ta，有效溫度ET*以及標準有效溫度SET*[12]，各個指標都有各自的優點和不足。空氣溫度Ta直接測量而得，作為評價指標比較直觀；有效溫度雖然綜合考慮了干球溫度、空氣濕度以及風速對人體熱感覺或冷感覺的影響，但是一般適用于身著標準服裝和坐著工作的人舒適性評價；標準有效溫度SET*是以人的生理反應為基礎，通過人體傳熱分析推導出來的，但是其計算復雜，應用并不廣泛。所以，在本文的研究中采用空氣干球溫度Ta作為評價指標。

在本文研究中，采用了溫度頻率法也即BIN法來研究溫度和熱感覺的關系。溫度頻率法是以0.5℃的間隔將溫度劃分為多個連續的區間，并將不同區間內熱感覺投票取平均。在經過處理后，以各個溫度區間的中心溫度為自變量，平均熱感覺投票MTSV（Mean Thermal Sensation Vote）為因變量進行線性回歸分析。本文采用溫度頻率法進行線性回歸分析，結果如圖9所示。

回歸關系式為：

從回歸方程可以看出，空氣溫度Ta與平均熱感覺投票的相關系數為0.9124，說明二者之間的相關性比較高，且顯著性水平P<0.5，說明所求的樣本回歸直線具有意義，能夠較好地預測室外人體的熱感覺。

5.2 濕感覺評價模型

本文中，測試期間空氣相對濕度最高為64.2%，最低為32.6%，且多分布在50%以下，占到了88.46%。同樣按照溫度評價中的頻率法（BIN法），將空氣相對濕度按照5%的區間間隔進行劃分，計算濕感覺投票的平均值。以每個區間內中心空氣相對濕度φ為自變量，平均濕感覺投票（MHSV）為因變量進行一次線性回歸分析，如圖10所示。

擬合關系式為：

從擬合結果看，相關性系數達到了0.9534，表明二者的相關性較高，且顯著性水平P<0.5，表明所求的樣本回歸直線具有意義，說明在高溫偏熱環境條件下，人體對空氣相對濕度的敏感性較高。

5.3 風感覺評價模型

風是由空氣流動而產生的，自然界中影響空氣流動的因素眾多，所以風速也是一直處于一個波動狀態。在室外熱舒適的研究中，空氣流動可以對人的熱感覺起到積極的作用，也能起到消極的作用。一般來說，在室內環境中，室內空氣流速一般較低，風速較大的話就會引起吹風感造成人體的不舒適感。但是在偏熱的環境中，適當的空氣流動能夠明顯地改善人體的熱感覺。

雖然在測試中，重慶地區室外的風速較小，但是也能在一定程度上改善人體的熱感覺。根據上述的溫度頻率法，將風速按照0.2m/s的間隔進行區間劃分，并計算區間內的風感覺投票的平均值。以每個區間的中心風速值v為自變量，風速平均風感覺投票MWSV（MeanW ind Sensation Vote）為因變量進行一次線性回歸分析，如圖11所示。

擬合關系式為：

從回歸方程可以看出，相關系數為0.8287，且顯著性水平P<0.5，說明所求的樣本回歸直線具有意義，能夠較好地預測人體對風速的感覺。

6 評價模型分析

當人在所處的環境中處于不冷不熱的狀態，則這種狀態可稱為“熱中性”狀態，也即MTSV=0。本文根據熱中性狀態的定義，令式（1）等于零可以求得“熱中性”溫度T。另外根據可接受溫度的計算方法也可以根據式（1）計算出可接受溫度的變化范圍，即當MTSV處于-1到+1之間時，其溫度即為可接受的溫度。

通過熱感覺評價模型的計算可知：“熱中性”溫度為27.84℃，可接受的溫度變化范圍為23.91℃~ 31.77℃。同理采用濕感覺評價模型，計算出中性濕度為45.32%，可接受的濕度范圍為33.29%～56.37%。采用風感覺評價模型，中性風速為1.07m/s，可接受的風速范圍為0.34m/s～1.80m/s。

7 結論

本文針對夏季高溫氣象條件下的人體熱感覺問題，進行了現場的環境測試和問卷調查，并根據測試調研數據對人體的熱感覺、濕感覺和風感覺投票的分布頻率進行了統計分析，并建立了人體的熱感覺、濕感覺和風感覺評價模型，得出了室外人體可接受的溫度、濕度和風速范圍分別為23.91～31.77℃、33.29%～56.37%、0.34～1.80m/s。相關參數的提出為室外熱環境對人體的影響研究提供了參考。

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Re sea rc h on The rm a l Sense un de r the Situa tion o f H igh Tem pe ra tu re

XIA Xu1,WANGHan-bing2,WU Yun-long2,HU Xiao-jun2
1Chongqing Construction Engineering Group
2 Key Laboratory of the Three GorgesReservoir Region’s Eco-Environment, M inistry of Education,Chongqing University

The characteristics of thermal sense under hot summerwas researched based on the field investigation and questionnaire.Themodels of thermal sense,hum idity sense and w ind sense were set up through the Bin method.And also the scalesof thermal parameterswere provided based on themodels,which could be the reference for the research ofoutdoor thermalsense.

hotweather,outdoor thermalsense,thermalenvironmentparameters

1003-0344（2014）03-008-4

2013-5-29

夏煦（1975～），男，碩士，高工；重慶建工集團（401122）；023-63500756；E-mail:luoqing96@163.com

國家自然科學基金（51178481，50808182）；中央高校基本科研業務費（CDJZR10210008，106112012CDJZR210004）。