遵義地區高校建筑冬季室內自然通風情況下室內熱環境和熱舒適調查研究

劉 晶,李章勇,陳 義

（遵義師范學院工學院，貴州遵義 563006）

引言

隨著改革開放的進一步深入，貴州這個在過去被扣著“貧窮”“落后”帽子的省份再次迎來了屬于它的春天。各項基礎設施建設、民生改善工程全面鋪開，GDP增速連續數年位居全國前三位[1]。在人們的經濟狀況和生活水平得到極大改善的同時，對生活品質的要求也越來越高。但是由于種種原因，在貴州地區開展的關于室內熱環境和人體熱舒適的研究非常少[2][3][4]，這對了解當前室內熱濕環境現狀及改善居住環境是非常不利的。

遵義位于貴州北部，緊鄰重慶，是貴州為數不多的屬于夏熱冬冷熱工分區的地區[5]。長期以來由于經濟的落后，遵義地區市民在冬季多采用燃煤爐作為主要的采暖方式。隨著經濟狀況的不斷改善，電取暖器、空調等設備開始逐漸被大家采用。但是對于高校建筑來說，遵義地區絕大多數高校建筑均沒有安裝中央空調或集中采暖設備。而且，對遵義地區高校建筑室內熱環境及熱舒適相關調查研究的文獻資料幾乎沒有。更無從得知在非空調或無采暖的情況下的室內熱環境狀況是否能滿足大多數人（80%）的熱舒適要求。另外，室內熱濕環境質量的優劣又將直接影響室內人員的身體健康、學習、工作效率[6][7][8]。因此，為了了解當前遵義地區高校建筑的室內熱環境質量和人員的熱舒適情況，進而為改善高校建筑室內熱環境質量以及進行被動式節能改造提供依據。本文以遵義地區某高校建筑室內熱環境和熱舒適為研究對象，于2017年12月-2018年1月對遵義某高校的教室和宿舍進行了冬季的環境參數測試和問卷相結合的現場調查。

1 研究方法

本次研究所采用的方法為現場調查，包括客觀環境參數測試和主觀問卷調查。

1.1 客觀環境參數測試

本次現場采集的環境參數包括室內環境參數和室外環境參數。室內外環境參數包括空氣溫度（Ta）、空氣流速（Va）、相對濕度（RH）和球體溫度（globe temperature,Tg）。在本次研究中，平均輻射溫度（Tr）將由球體溫度代替。這樣的處理方法在對空調建筑或非空調建筑的類似現場調查中被很多學者采用[9][10]。

環境參數測試中分別用黑球濕球溫度計（臺灣衡欣AZ8778）測量球體溫度和相對濕度；利用熱線風速儀（Testo 425）采集空氣流速和空氣溫度的數值。儀器的精度和反應時間等均符合 ASHRAE 55-2013[11]和ISO7730-2005[12]中對現場采集數據的儀器的相關要求。每個環境參數的采集時間不低于3分鐘[11]。測點在水平方向上一般位于房間的中部，對于人少或者不作長時間停留的室內，環境參數的測試點一般布置在受試者附近。在垂直方向上，選擇0.1m、0.6m和1.1m的高度分別代表處于坐姿的受試者的腳踝、腰部和頸部的位置，采集空氣溫度和空氣流速，最后取其平均值作為室內的空氣溫度和空氣流速值。相對濕度和黑球溫度選擇在距離地面1.1m處進行測量。

1.2 主觀問卷調查

以ASHRAE 55-2004[11]附錄中的調查問卷為基礎，結合本次研究的具體內容設計了調查問卷。包括背景信息（受試者基本信息和所在建筑基本信息）、熱感覺和熱期望投票以及環境調控手段等幾個部分。主要用于幫助收集受試者的個人信息（如，年齡、性別等）、主觀熱感覺、熱期望、對熱環境的滿意度以及所采取的適應性行為等方面的信息。熱感覺投票（AMV）采用ASHRAE七級標度，即-3冷、-2涼、-1稍涼、0正好、+1稍暖、+2暖、+3熱；熱期望的量化采用五級標度，即-2希望很涼、-1希望涼一點、0不變、+1希望暖一點、+2希望很暖；熱環境的滿意度也采用-3非常不滿意、-2不滿意、-1稍不滿意、0還好、+1稍滿意、+2滿意、+3非常滿意的七級標度幫助受試者表達主觀意見。問卷調查與環境參數測試同步進行。

現場調查在2017年12月-2018年1月期間每周進行2-3天，在調查日分上午（10：00-11：30）和下午（14：30-17：00）兩個時段進行。

2 調查結果統計

2.1 受試者基本情況統計

本次現場調查共收回有效問卷178份，其中男性受試者53人，占樣本量的29.7%，女性受試者為125人，占樣本量的70.3%。由于本次現場調查的對象均為校內學生，所以21周歲及其以下的受試者有170人，占樣本量的87%。

2.2 環境參數

本次現場調查所采集到的室內外環境參數如表1所示。由于該高校的教室和寢室均未安裝集中采暖設備或空調系統，且在寢室不允許使用大功率采暖設備，如暖風機、油汀等，所以導致在調查期間室內平均空氣溫度偏低，為14.83℃，僅比室外平均空氣溫度高不到2℃。在現場調查期間的室內溫度均不在ASHRAE 55-2004或ISO 7730-1992中推薦的冬季室內的舒適溫度區間內。不論是室內的還是室外的相對濕度值均較大，平均值都在72%左右，這與西南地區冬季陰冷潮濕的氣候特點相符[13]。由于室內無采暖，所以大多數時間受試者所在房間的門窗都是處于關閉狀態。這就導致室內的空氣流速處于非常低的水平，平均值僅為0.15m/s，遠遠小于室外的平均空氣流速0.71m/s。室內外球體溫度在本次現場調查期間的與室內空氣溫度相似。

表1 冬季室內外環境參數

2.3 問卷調查結果

（1）服裝熱阻

問卷中設置了“服裝列表”，受試者勾選出與自己填寫問卷時相一致的服裝組合，如果著裝在列表中未列出，則可在“服裝補充說明欄”進行補充說明。然后通過查閱ASHRAE 55[11]標準中的提供的標準服裝熱阻值列表來確定受試者的服裝熱阻值。因為受試者在教室和寢室所坐的椅子均為木制，在本次現場調查中沒有考慮受試者所坐椅子的熱阻值。受試者在現場調查期間的服裝熱阻值如圖1所示。超過半數的受試者（59%）的服裝熱阻值在0.95-1.10clo之間，平均值為1.0clo。另外，從圖1中還可以看出，冬季服裝熱阻值大于1.0clo的受試者比例整體略高于其服裝熱阻值小于1.0clo的受試者。這與室內空氣溫度較低的現狀是相符合的。

圖1 冬季服裝熱阻分布頻率

（2）熱感覺投票

利用ASHRAE七級標度來量化受試者的熱感覺。整個冬季現場調查期間受試者的熱感覺投票分布情況如圖2所示。從圖中可以看出，沒有受試者認為室內溫度是“稍暖”及其以上的。相反，有接近90%（86.8%）的受試者認為自己所在室內的溫度是“稍涼”及其以下的。僅有13.2%的受試者覺得所在房間的溫度是“正好”的。這是由所在地區冬季陰冷潮濕的氣候特點和受試者所在室內無任何采暖設備共同作用的結果。

圖2 冬季熱感覺投票分布頻率

（3）熱期望

本次使用的問卷中采用了五級標度來量化熱期望。受試者的熱期望投票統計如圖3所示。對室內溫度感覺“涼”的受試者中，希望室內溫度變“暖一點”的比例最大，達到了83.7%，而對于熱感覺投票為“稍涼”和“正好”的受試者來說，這一比例分別為73.1%和55.6%。對希望室內溫度變得“稍暖一點”和“不變”的投票的分布頻率，也符合希望室內溫度變“暖一點”的投票的分布頻率規律。盡管在現場調查期間室內溫度較低，受試者對當前熱環境的熱感覺投票也反應冬季室內陰冷潮濕的現狀，但仍有一定比例（<8%）的受試者希望室內溫度可以變得“涼一點”。從本次現場調查受試者的熱期望投票來看，在冬季室內沒有采暖設施的情況下，受試者普遍還是希望處在一個比較暖和的室內環境中。

圖3 熱期望投票

3 現場調查結果分析

3.1 服裝熱阻值（clo）與環境溫度的關系

為了研究本次現場調查中采集的服裝熱阻值與環境溫度的關系，用溫度頻率法（Bin法）[14][15]按照室內、室外空氣溫度每0.5℃進行分區，每個區間內的中心溫度值作為自變量，每個溫度區間內的服裝熱阻值的平均值作為自變量繪制散點圖，得到圖4。利用線性回歸，得到服裝熱阻值隨室內、室外空氣溫度變化的關系式：CLO=-0.0339Tin+1.4954（R2=0.8332）；CLO=-0.0348Tout+1.4629（R2=0.4013）。從圖4和線性關系式可以看出，服裝熱阻值總體呈現隨著室內外空氣溫度的升高而減小的。另外，還可以看出服裝熱阻值與室內空氣溫度的相關性好于其與室外空氣溫度。服裝熱阻值隨室內空氣溫度的變化呈現明顯的兩個階段：當室內空氣溫度由12℃上升至17℃時，服裝熱值由1.15clo顯著下降到0.9clo；此后再隨著室內空氣溫度的升高，受試者的服裝熱阻值變化比較平緩，在0.9clo左右波動。

圖4 服裝熱阻值隨環境溫度變化的情況

3.2 PMV、AMV與室內空氣溫度的關系

預測平均投票值 PMV、實際熱感覺投票值AMV與室內空氣溫度Tin的線性回歸方程分別為：AMV=0.2312Tin-4.6869（R2=0.8959）和PMV=0.2532Tin-5.7608（R2=0.83）。令AMV和PMV為零，可得在預測模式和實測模式下的熱中性溫度分別為20.27℃和 22.75℃。后者比前者高 2.5℃。與此同時，線性回歸方程的斜率也反映了在實測模式和預測模式下遵義地區高校建筑冬季室內人員的對室內溫度變化的熱敏感性，分別為4.33℃/單位熱感覺投票值和3.95℃/單位熱感覺投票值。也就是說，室內溫度分別每改變4.33℃和3.95℃時，實測熱感覺投票值和預測熱感覺投票值會變化一個單位。預測模式下的冬季人體熱敏感性數值小于實測模式下，說明在自然通風條件下，人體能夠接受更大范圍內的溫度變化[16]。

3.3 可接受溫度區間的確定

至少80%的室內人員感覺可接受的室內溫度的變化區間成為可接受溫度區間。根據PMV與PPD的關系，該溫度區間可由令熱感覺投票值為±0.85時所對應的溫度區間得到，假設PMV與PPD的關系也存在于實際熱感覺投票（AMV）和實際不滿意百分數（Actual Percentage Dissatisfaction,APD）。所以，采用bin法，可以得到實際熱感覺投票和預測平均投票（PMV）隨室內空氣溫度變化的散點圖，如圖5所示。可以看出，在相同的室溫下冬季受試者的實際熱感覺投票值均小于預測熱感覺投票值，說明PMV指標低估了人體在自然通風建筑中對冬季低溫環境的適應性。

圖5 熱感覺投票隨室內空氣溫度變化的情況

令AMV和PMV分別等于±0.85，代入熱感覺投票與室內溫度的線性關系式可得在實測模式和預測模式下可接受溫度區間分別為：16.60℃-23.95℃和19.39℃-26.11℃。實測模式下的可接受溫度區間范圍較預測模式下大，而且預測模式下的可接受溫度區間整體向溫度更高的方向平移了3℃左右。與ASHRAE 55中規定的20℃-23.5℃的冬季舒適區溫度范圍相比，實測模式下的可接受溫度區間的下限下移了4℃左右，而在預測模式下的可接受溫度區間的上限上移了3℃左右。所有這些都說明 PMV沒有考慮在自然通風環境中人體的適應性，從而高估了低溫對人體熱感覺的不利影響[17][18]。

4 結論

（1）遵義地區高校建筑冬季室內熱環境質量較差，主要體現在室內空氣溫度較低、濕度較高，兩者平均值均不在ASHRAE55和ISO7730標準中規定的冬季舒適區的范圍。86.8%的受試者的熱感覺投票都是“-1”或“-2”的這一現象也印證了這一結論。

（2）受試者的熱感覺投票值與熱期望投票值存在相關性。熱感覺投票值越低的受試者越希望室內空氣溫度變得“暖一點”。這一比例在熱感覺投票值分別為“-2”、“-1”和“0”的受試者中分別占到了83.7%、73.1%和55.6%。總體來說，本次現場調查的受試者更傾向于一個更溫暖的室內環境。

（3）室內外空氣溫度的變化是導致受試者進行服裝調節的有效驅動力。在本次現場調查中，隨著溫度的上升，服裝熱阻值總體呈下降的趨勢，并最終在0.9clo附近波動。

（4）在同一溫度下，PMV值與AMV值、PPD與APD值均存在較大差異。究其原因，主要在于PMVPPD指標是人工氣候室實驗的產物，基本沒有將人體在生理、行為和心理三方面的適應性考慮在內。

5 致謝

對在本次現場調查中參與填寫調查問卷的同學表示衷心的感謝；對協助完成現場環境參數測試和問卷調查的課題組同學的辛勤付出表示誠摯的謝意。