風扇對亞熱帶氣候區(qū)民居室內(nèi)熱環(huán)境影響分析

楊 柳，楊 雯，鄭武幸， 劉加平

（西安建筑科技大學建筑學院，陜西 西安，710055）

如今，隨著人們對改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和增加能源效率的關注增多，越來越多的研究集中于在減少能源消耗的基礎上，為居住者提供更健康，更舒適的室內(nèi)熱環(huán)境．在溫暖潮濕地區(qū)，風扇具有增加有效對流作用這一特點早已被證明[1-2]．新的ASHRAE舒適標準55-2013[3]規(guī)定也將空氣流速提高至0.8m/s（無個人調(diào)控）和1.2 m/s（含個人調(diào)控），延長了夏季舒適區(qū)．翟永超等[4]認為使用吊扇可以在避免造成受試者眼干不適的前提下明顯改善熱舒適性并增加環(huán)境的空氣流速和濕度．對于自然通風建筑，風扇可以增加透過窗戶的對流冷卻，或者在關閉窗戶的狀態(tài)下保持對流效果．因此，在炎熱的氣候條件下，風扇可以有效避免部分顯熱和潛熱，實現(xiàn)熱舒適條件，同時最大限度地減少能源消耗．

而這種能源消耗模式的轉(zhuǎn)變，在熱舒適研究領域中同時體現(xiàn)在一個較之前根本上不同的（但不是新的）熱舒適模型的提出——適應性熱舒適模型．相較于Fanger的預測平均投票/預測不滿意百分比（PMV / PPD）模型[5]，適應性熱舒適模型認為熱舒適是受人的行為、生理和心理三者綜合影響的一種熱中性狀態(tài)，人體可以通過行為調(diào)節(jié)、心理適應和生理習服等適應性調(diào)節(jié)，逐漸減弱由于熱環(huán)境的改變帶給人體自身的刺激和不舒適感，最終獲得中性狀態(tài)．通過Brager, de Dear[6-7], Nicol和Humphreys等眾多研究人員的不斷努力[8-9]，ASHRAE 55標準和GB/T 50785[10]等當前適用的熱舒適標準已經(jīng)確認了適應性熱舒適模型的合理性．

在推進自適應模型到實際區(qū)域性建筑的應用過程中，ASHRAE 55將使用風扇的自然運行建筑歸為自然狀態(tài)空間，GB/T 50785將其劃為非人工冷熱源熱濕環(huán)境（通過自然通風或機械通風進行熱濕環(huán)境調(diào)節(jié)的區(qū)域）進行評價．已有研究表明穩(wěn)態(tài)舒適模型（即PMV模型）不足以說明混合型非空調(diào)建筑的實際熱舒適情況，自適應熱舒適模型更適合炎熱氣候[11-13]．然而，由于目前存在不同涉及適應性熱舒適模型的標準，在評價一特定氣候區(qū)熱舒適性時，無法判斷各個標準對評價該氣候區(qū)熱舒適性的適用性．

在以往研究的基礎上[14]，本文設計了實地測試研究，側(cè)重分析農(nóng)村居住者在FC模式建筑中的熱舒適感覺，檢查用于評估亞熱帶氣候下FC模式建筑的適應熱舒適性模型——ASHRAE 55標準和GB/T 50785．以實現(xiàn)以下目標：（1）研究農(nóng)村FC模式建筑的人體熱適應規(guī)律；（2）確定評估農(nóng)村FC模式建筑居住者熱感覺的最佳方法；（2）得到室外溫度下滿意率為80%和90%的可接受溫度范圍上限．

1 調(diào)查方法及統(tǒng)計結(jié)果

1.1 調(diào)查方法

現(xiàn)場調(diào)查選擇在我國亞熱帶氣候代表城市三亞和北海進行，對符合FC和NFC模式條件的農(nóng)村建筑進行了人體熱舒適的連續(xù)測試和調(diào)查，共獲取375組有效數(shù)據(jù)．室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)測試和主觀問卷同時進行，測試時間在每天的早(7:30～11:00)、中(11：00～14:00)、晚(14:00～19:00)三個時段．現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集主要包括室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測試和室外環(huán)境參數(shù)測試[16]，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測試主要使用1221型室內(nèi)熱舒適度數(shù)據(jù)記錄儀，室外環(huán)境參數(shù)測試主要使用JZH-1室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對室內(nèi)外空氣溫度、相對濕度、風速和黑球溫度分別進行測量，其精度和響應時間均滿足ISO 7726-2002標準．主觀問卷調(diào)查包括：受試者基本情況（如年齡、身高、體重、衣著狀況等）、人體熱感覺和熱舒適度調(diào)查、受試者改善室內(nèi)熱環(huán)境的措施（如加減衣物、開關門窗等）及對室內(nèi)熱環(huán)境的滿意度．結(jié)果見表1，表中的服裝熱阻是根據(jù)文獻進行附加修正后的值．問卷中居住者的主觀感受調(diào)查，包括熱感投票(TSV)，熱舒適投票(TCV)，熱接受程度，如表2所示．

表1 人員信息統(tǒng)計表Tab. 1 Conditions of individuals

表2 熱舒適指標尺度Tab. 2 Thermal comfort index scale

1.2 室內(nèi)氣象參數(shù)

亞熱帶氣候具有溫度高濕度大的特點．圖1為測試期間（8月4-23號）北海室內(nèi)氣象數(shù)據(jù)，表2為三亞、北海室內(nèi)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計表．

可以看出，室內(nèi)空氣相對濕度大部分為60%～80%，空氣流速最高為2.55 m/s．室內(nèi)空氣溫度在27.4～35.2 ℃之間變化, 室內(nèi)空氣溫度隨室外空氣溫度的升高而升高．除了空氣流速等氣象因素外, 室內(nèi)外溫差大小主要由建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫和隔熱性能以及室內(nèi)產(chǎn)熱量的大小決定．

圖1 測試期間（8月4-23號）北海室內(nèi)氣象數(shù)據(jù)Fig1. Indoor environmental data during the test(August4-23th) in Beihai District

表3 三亞、北海室內(nèi)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 Tab. 3 Indoor environmental data during the test in Sanya and Beihai

2 熱感覺相關分析

2.1 熱舒適相關參數(shù)總體評估

多個熱舒適相關參數(shù)（TSV,TCV,PMV等）可用來定量描述居住者的主觀熱感知，例如，熱感覺是人們對所處環(huán)境冷熱最直接的心理反應，熱感覺的大小可間接反映出環(huán)境的冷熱情況．圖2得到了以TSV和TCV評價室內(nèi)熱環(huán)境的總體分布，結(jié)果顯示(1) 居住者的熱舒適度廣泛分布，但主要是集中在了“適中”和“不太舒適”的選項．這似乎表明雖然居住者在經(jīng)歷不同的室內(nèi)物理環(huán)境，但他們具有的主觀感受頗為相似；（2）如果深入對比，可以看出NFC模式下居住者的TSV普遍偏高，且有52%的人群認為室內(nèi)熱環(huán)境是舒適的（舒適度≥0），而FC模式下認為室內(nèi)熱環(huán)境是舒適的人群比例為63%．這可能是因為在風扇作用下，多數(shù)室內(nèi)溫度可以維持在一個較舒適的范圍，而在自然通風作用下的室內(nèi)溫度波動較大．

圖2 TSV，TCV調(diào)查結(jié)果Fig.2 Results of TSV,TCV

圖3表示了熱舒適度TCV，熱接受度TA與熱感覺TSV的關系．（1）中性熱感覺（TSV=0）對應于最大的熱舒適度值和熱可接受度值．當從中性熱感覺出發(fā)，TSV逐步增大時，越來越多的調(diào)查者的TCV趨于“不舒適”，同時，TA也逐步向“不可接受”，“完全不可接受”移動；（2）當TSV增加到一定程度時，兩種模式下的TCV和TA趨于一致，這表明當室內(nèi)溫度達到一臨界值時，風扇的室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用也受到了一定限制，結(jié)合圖3、5、8計算得出，該臨界值為當TSV為1.9，體感溫度為31.6 ℃，室外空氣溫度為32.68 ℃時；（3）FC模式下TCV和熱接受度隨TSV的變化敏感度稍大于NFC模式下TCV和熱接受度隨TSV的變化敏感度．

圖4可以看出，（1）當TSV>0時，幾乎無居住者希望熱感覺維持不變，絕大多數(shù)居住者希望獲得稍涼的熱感覺，其中，F(xiàn)C模式下占89%，NFC模式下比例增大至94%．當處在一較熱環(huán)境時，大部分居住者表達了希望降低目前溫度，以獲得可以接受的熱舒適性的期望；（2）盡管FC和NFC模式下的居住者熱期望值存在差異，但差異并不顯著．

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因可能是由于NFC居住者通過長期的自我調(diào)節(jié)（服裝、行為等），逐漸適應了當前的熱環(huán)境，降低了自身的熱敏感度，轉(zhuǎn)移了熱期望．

2.2 人體自適應水平比較

采用溫度頻率法對TSV和預測平均熱感覺PMV分別與操作溫度top進行線性回歸分析，結(jié)果見圖5，線性回歸方程為式（1）～（4）．對比分析后得出，（1）在FC和NFC兩種模式下，TSV曲線與PMV曲線均存在不同程度偏離且近乎平行，這可能是由于在相對極端的熱環(huán)境下，人體進行調(diào)節(jié)的措施和調(diào)節(jié)效果都比較有限，適應水平已經(jīng)到了一個相對穩(wěn)定的程度；（2）對比TSV的回歸直線的斜率，可以看出TSV-NFC變化較柔和，即居住者對熱環(huán)境敏感性較弱．這表明，在環(huán)境趨向不舒適時，人體的自適應能力可以起到明顯地改變熱感覺的作用．在室內(nèi)有無風扇不同作用下，人體的適應水平也不同，造成這種差異的原因是人體的熱感覺是一個復雜的過程，不僅涉及人體的熱平衡，但還有如生理適應環(huán)境，行為調(diào)整，和心理習慣或期望的非熱因素，人們獲得的可以使其達到舒適的調(diào)節(jié)潛力也不同．為比較人體適應性在兩種模式下產(chǎn)生的差異大小及規(guī)律，下面將對人體適應水平進行分析比較．

圖3 熱感覺分別與熱舒適和熱接受的關系Fig.3 Relationship between thermal sensation and thermal comfort & thermal sensation and thermal acceptability.

圖4 TSV與熱期望的關系Fig.4 Relationship between thermal sensation and thermal preference.

圖5 室內(nèi)操作溫度top 與TSV、PMV 的關系Fig.5 Relationship between top against TSV and PMV

GB/T 50785中通過提出自適應系數(shù)λ，建立了PMV與aPMV之間的關系．自適應系數(shù)的絕對值可用來量化人體的自適應水平，它反映了人體在受到熱刺激時試圖恢復熱中性狀態(tài)的適應能力，當λ=0時，即PMV= aPMV，表示熱環(huán)境處于舒適范圍，人體未采取適應行為；當λ<0時，表示在溫度偏低時TSV比PMV值偏高，λ>0時則相反．鄭武幸等[15]利用λ量化計算寒冷氣候區(qū)四季人體自適應水平，得出的室內(nèi)熱濕等級評價范圍與GB/T 50785中給出的λ值有所差異．本文參照其計算方法與本次實驗數(shù)據(jù)，得到FC和NFC模式下人體自適應系數(shù)分別為：0.43，0.12，對比GB/T 50785中給出的自適應系數(shù)λ值，當PMV≥0時，λ=0.21，但根據(jù)本文的分析結(jié)果，即使當PMV≥0時，兩種模式下的λ值并不相同，且差別較大，因此，以GB/T 50785來評價亞熱帶氣候下FC建筑室內(nèi)熱環(huán)境，是否能夠完全真實地反映居住者的自適應水平？利用哪一現(xiàn)有熱舒適模型提及的可接受溫度范圍來評估這種熱環(huán)境下的建筑更合理？

3 可接受溫度范圍

3.1 與標準適應性模型比較

為了確定評估在FC模式下居住者熱舒適性的最佳方法，我們采用了兩個現(xiàn)有標準的適應性熱舒適模型：GB/T 50785和ASHRAE 55標準中提及的可接受溫度范圍，評估對應于主觀問卷調(diào)查所測量的物理熱參數(shù)．圖6顯示出了評價結(jié)果，如圖6A所示，從GB/T 50785的適應性熱舒適模型的角度看，調(diào)查建筑的室內(nèi)熱環(huán)境非常差，極少點（12.5%）處在推薦的舒適區(qū)．然而，圖6B顯示，對于ASHRAE 55標準的適應性熱舒適模型，評價效果比較好，45%的點處于80%或90%的可接受范圍．與GB/T 50785模型對比，從ASHRAE 55標準獲得的評估結(jié)果與主觀結(jié)果更加一致（參考圖2），這表明居住者的熱反應主要集中在了“中性”和“稍微可以接受”的選項．同時參考前文圖3-5結(jié)果以及自適應系數(shù)的分析對比，可以認為ASHRAE 55的適應性熱舒適模型更適用于亞熱帶氣候下的FC民居．

然而，盡管ASHRAE 55更為適用，仍僅有45%的點位于可接受范圍，因此，本文進一步利用FC模式建筑現(xiàn)場測試和問卷調(diào)查所得的數(shù)據(jù)確定了夏季室外溫度下滿意率為80%和90%的可接受溫度范圍上限．

圖6 ASHARE55和GB / T 50785適應性熱舒適模型Fig. 6 Adaptive comfort model in ASHARE55 and GB / T 50785

3.2 可接受溫度范圍（上限）分析

為了充分反映不同溫度下使用風扇的自然運行狀態(tài)建筑中居民的熱適應性和熱調(diào)節(jié)能力，在全年室內(nèi)外空氣溫度關系圖基礎上, 根據(jù)人們對室內(nèi)熱環(huán)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，尋找室外各溫度段下的室內(nèi)操作溫度與TSV的回歸方程[16]．室外空氣溫度范圍從27～35℃，總共分為4個溫度段．通過數(shù)據(jù)回歸的方式，得到每個室外空氣溫度段下，室內(nèi)操作溫度所對應的實際投票值之間的一元回歸方程，具體如圖7所示．從圖7和回歸方程可以看出，室外溫度較高時，每個溫度段回歸出來的方程斜率相近；隨溫度增高，斜率輕微增大．這說明盡管較高溫度下人體表現(xiàn)出來的敏感程度相似，但溫度越高仍越敏感見圖7 (a)～ (d)．

在得到各室外空氣溫度段下室內(nèi)操作溫度與TSV之間的回歸方程的基礎上, 根據(jù)Franger的PMV-PPD方程，得出當預測熱感覺投票值（PMV）為±0.5時，有90%的人滿意室內(nèi)熱環(huán)境， 當預測熱感覺投票值（PMV）為±0.85，有80%的人滿意室內(nèi)熱環(huán)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(guī)律，由于測試在夏季進行，故只計算各溫度段下，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(nèi)操作溫度為縱坐標作圖，得到各數(shù)據(jù)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的上限值，具體如圖8所示．從圖8可以明顯看出回歸后的80%、90%可接受線（上限）近似平行，這反映了在相對極端的熱環(huán)境下，人體進行調(diào)節(jié)的措施和調(diào)節(jié)效果都比較有限；可接受溫度范圍上限提高、80%與90%可接受線平移溫度減小，這表明盡管風扇在一定程度上改善了人體熱舒適，但較高的溫度下居住者對熱濕環(huán)境的滿意度變化更為敏感．

圖7 室外空氣溫度下TSV與室內(nèi)操作溫度的關系Fig.7 Relationship between TSV（with tout）and top

圖8 80%和90%可接受溫度線性回歸（上限）Fig.8 The acceptable temperature linear regression of 80%&90%(upper limit)

4 結(jié)語

通過縱向分析濕熱氣候農(nóng)村FC和NFC模式建筑居住者熱舒適現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，可以得到以下結(jié)論和建議：

(1) 當TSV為1.9，體感溫度為31.6℃，室外空氣溫度為32.68℃時，風扇的室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用受到了較大限制；

(2) 兩種模式下TSV和PMV隨溫度變化的規(guī)律存在明顯的差異，說明人體在不同模式對環(huán)境的適應性水平不同，產(chǎn)生這種差異的原因是FC模式民居中人們獲得的可以使其達到舒適的調(diào)節(jié)潛力不同造成的；

(3) FC和NFC模式下自適應系數(shù)分別為：0.43、0.12，說明了兩種模式下人體適應水平差異性，進一步與GB/T 50785中給出的自適應系數(shù)λ值對比，均有較大差別；

(4) 與GB/T 50785模型對比，從ASHRAE 55標準獲得的評估結(jié)果與主觀結(jié)果更加一致，ASHRAE 55的適應性熱舒適模型更適用于亞熱帶氣候下的FC模式建筑；

(5) 將FC模式建筑現(xiàn)場測試和問卷調(diào)查數(shù)據(jù)按溫度段單元通過二次線性回歸, 得到夏季室外溫度下滿意率為80%和90%的可接受溫度范圍上限．反映了亞熱帶氣候下人們進行調(diào)節(jié)的措施和調(diào)節(jié)效果都比較有限且盡管風扇在一定程度上改善了人體熱舒適，但較高的溫度下居住者對熱濕環(huán)境的滿意度變化更為敏感．

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