湖北農(nóng)村自然通風(fēng)住宅熱舒適調(diào)查研究

陳 敏 余貞貞 周傳輝

湖北農(nóng)村自然通風(fēng)住宅熱舒適調(diào)查研究

陳 敏1余貞貞2周傳輝1

（1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 武漢 430081；2.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司武漢分公司 武漢 430060）

基于入戶問卷調(diào)研與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，研究了湖北山地及丘陵地區(qū)農(nóng)村自然通風(fēng)住宅室內(nèi)熱環(huán)境及人體熱舒適評(píng)價(jià)。利用統(tǒng)計(jì)回歸方法分析了實(shí)際熱感覺MTS與預(yù)測(cè)熱感覺PMV間的差異，提出了該地區(qū)農(nóng)村自然通風(fēng)住宅冬、夏季熱舒適性指標(biāo)（熱中性溫度、可接受溫度、舒適空氣流速范圍）。

農(nóng)村住宅；自然通風(fēng)；熱舒適；問卷調(diào)查；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

0 引言

我國(guó)南方農(nóng)村住宅有別于城市及北方農(nóng)村住宅，大多為自然通風(fēng)建筑，其室內(nèi)環(huán)境的營(yíng)造不借助或較少借助人工冷熱源。目前針對(duì)南方地區(qū)熱舒適的研究主要集中于城市建筑或是人工氣候?qū)嶒?yàn)室，關(guān)于農(nóng)村住宅自然通風(fēng)條件下室內(nèi)熱環(huán)境與人體熱舒適性之間聯(lián)系的研究相對(duì)匱乏。

現(xiàn)行國(guó)際熱舒適標(biāo)準(zhǔn)如ISO7730、CIBSE、EN15251、ASHREA55等，均是在人工氣候?qū)嶒?yàn)室的穩(wěn)態(tài)環(huán)境下、針對(duì)于歐洲成年男子建立的，忽略了人體的自身調(diào)節(jié)適應(yīng)能力與個(gè)人身體素質(zhì)差異，預(yù)測(cè)自然通風(fēng)條件下人體實(shí)際熱感覺時(shí)會(huì)發(fā)生偏離[1-3]。我國(guó)的《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50824-2013）[4]以及《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50785-2012）[5]的部分非人工冷熱源條款適用于農(nóng)村住宅環(huán)境，前者針對(duì)全國(guó)范圍的農(nóng)村住宅，后者僅有部分條款適用于農(nóng)村自然通風(fēng)住宅，且均未明確指出不同地域、人口、氣候條件下的農(nóng)村自然通風(fēng)住宅熱舒適標(biāo)準(zhǔn)。

目前，針對(duì)湖北農(nóng)村地區(qū)開展的自然通風(fēng)熱舒適研究較少，農(nóng)村住宅建造無據(jù)可依，使得住宅設(shè)計(jì)粗糙，建造、施工水平低，室內(nèi)熱環(huán)境較差[6,7]。為了提高該地區(qū)農(nóng)村住宅室內(nèi)熱舒適性，改善廣大農(nóng)民的居住環(huán)境，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉⒔ㄖ⑸罘绞胶腿梭w適應(yīng)性，開展自然通風(fēng)熱舒適研究，建立適用于湖北農(nóng)村住宅自然通風(fēng)環(huán)境下的熱環(huán)境及熱舒適評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)顯得尤為重要。本文采用問卷調(diào)查與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式，客觀呈現(xiàn)湖北農(nóng)村自然通風(fēng)住宅的熱環(huán)境現(xiàn)狀，在調(diào)研與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立湖北農(nóng)村住宅的熱舒適評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以期為該地區(qū)農(nóng)村住宅的節(jié)能設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 樣本選擇

湖北屬于典型的夏熱冬冷氣候區(qū)，全省總面積中，山地占56%，丘陵占24%，平原湖區(qū)占20%，大量農(nóng)村位于山地與丘陵之中[8]。調(diào)研地點(diǎn)以丘陵和山地農(nóng)村為主（見表1），由于該地區(qū)過渡季節(jié)短暫，本次調(diào)研與實(shí)測(cè)選擇典型季節(jié)夏季和冬季進(jìn)行。夏季有效戶數(shù)130戶、有效樣本量383份，冬季有效戶數(shù)136戶、有效樣本量398份（見表1）。受訪者均為長(zhǎng)期生活在當(dāng)?shù)氐木用瘢呀?jīng)完全適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐臍夂颉Ｓ捎诋?dāng)前農(nóng)村成年男性大多外出務(wù)工，女性樣本量明顯高于男性樣本。夏季樣本中女性占71.8%（275組）、男性占28.2%（108組），冬季樣本中女性占69.1%（275組）、男性占30.9%（123組）。受試者年齡跨度較大且總體上中老年比例較高，夏季最小5歲（1人），最大84歲，冬季最小8歲（1人），最大78歲。受試者年齡分布如圖1所示。

表1 調(diào)研地點(diǎn)樣本分布

圖1 冬、夏兩季受訪者的年齡分布

1.2 問卷調(diào)查

問卷調(diào)查內(nèi)容包括住宅設(shè)計(jì)、室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)及人體熱舒適評(píng)價(jià)等，具體包括：（1）湖北農(nóng)村村落聚集形態(tài)、農(nóng)宅選址布局的特點(diǎn)、被動(dòng)式設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體、門窗、屋面等）做法等建筑相關(guān)信息；（2）受訪者當(dāng)前的活動(dòng)狀態(tài)、著裝情況、熱感覺、熱舒適度、熱可接受度以及對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境（溫度、通風(fēng)情況、潮濕狀況等）的主觀評(píng)價(jià)；（3）居民改善室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)措施，包括開窗、使用輔助設(shè)備（如風(fēng)扇、取暖器、空調(diào)等）改善房間熱環(huán)境的手段以及增減衣物等自身的適應(yīng)性行為。考慮到受訪者的知識(shí)水平，問卷均由調(diào)研人員填寫。調(diào)研人員為武漢科技大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)本科生，入戶后通過一對(duì)一訪談的形式獲取問卷中的信息，填寫問卷。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)包括空氣干球溫度、相對(duì)濕度、空氣流速、黑球溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度等。采用便攜式溫濕度自記儀連續(xù)監(jiān)測(cè)農(nóng)宅客廳、臥室、室外等處的空氣干球溫度和相對(duì)濕度，每分鐘自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)。入戶實(shí)測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)數(shù)量根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50785-2012）[5]的要求，選擇房間面積（S）中心和對(duì)角線上的點(diǎn)，優(yōu)先選擇室內(nèi)人員經(jīng)常活動(dòng)或者座位處。受試者處于坐姿時(shí)，距離地面0.1m（腳踝）、0.6m（軀干）、1.1m（頭頸部）測(cè)量，受試者處于站姿時(shí)，距離地面0.1m（腳踝）、1.1m（軀干）、1.7m（頭頸部）測(cè)量，測(cè)量值取不同高度的平均值。圖2為某典型住宅建筑測(cè)點(diǎn)分布平面圖，儀器具體參數(shù)見表2。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研采用縱向研究法，即對(duì)選定的受試者在整個(gè)調(diào)研周期內(nèi)做重復(fù)問卷采訪和實(shí)測(cè)。每次入戶時(shí)，測(cè)試受試者所在的房間（臥室或客廳），一人負(fù)責(zé)訪談填寫問卷，一人負(fù)責(zé)實(shí)測(cè)，記為一組數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

為使多次調(diào)研所得的分散的、定量和定性的數(shù)據(jù)能夠反映總體特征，對(duì)原始資料進(jìn)行了篩選、分類匯總，使之系統(tǒng)化、條理化和標(biāo)準(zhǔn)化，以利于統(tǒng)計(jì)計(jì)算和分析對(duì)比。在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析前，確定數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布，并采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)的獨(dú)立性、方差齊性進(jìn)行了檢驗(yàn)。進(jìn)行自變量與因變量之間的相關(guān)分析時(shí)，對(duì)自變量進(jìn)行了共線性診斷級(jí)相關(guān)性檢驗(yàn)。

表2 測(cè)試儀器參數(shù)及測(cè)量精度要求

注：平均輻射溫度t的最低精度要求±2℃，操作溫度op的最低精度要求±2℃。

圖2 某典型住宅測(cè)點(diǎn)分布圖

居民對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)采用ASHRAE的熱感覺標(biāo)尺（-3冷，-2涼，-1稍涼，0適中，1稍暖，2暖，3熱）[9]。采用Bin法對(duì)操作溫度op以1.0℃的間隔分組，若組內(nèi)樣本量小于5，則該組樣本被剔除，以免對(duì)分析結(jié)果造成較大誤差。以每組內(nèi)的平均操作溫度作為自變量，以組內(nèi)預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)平均熱感覺投票的均值作為因變量，通過線性回歸的方式進(jìn)一步計(jì)算得到預(yù)測(cè)、實(shí)測(cè)的熱中性溫度和可接受溫度范圍。對(duì)于濕度感覺和吹風(fēng)感，數(shù)據(jù)處理方法與之相同。

2 問卷調(diào)查與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

2.1 室內(nèi)熱濕環(huán)境

冬、夏季室內(nèi)熱濕環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)入戶實(shí)測(cè)結(jié)果見表3。測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)測(cè)期間，冬季室內(nèi)風(fēng)速最小值為0.05m/s，最大值為0.28m/s，平均值為0.11m/s；夏季室內(nèi)風(fēng)速最小值為0.05m/s，最大值為0.35m/s，平均值為0.09m/s。冬夏兩季室內(nèi)風(fēng)速平均值均低于人對(duì)風(fēng)速的感覺閾0.25m/s，但23.2%的農(nóng)宅冬季室內(nèi)風(fēng)速高于0.25m/s，冷吹風(fēng)感較為明顯。冬季室內(nèi)干球溫度最小值為2℃，最大值為16.7℃，平均值為9℃，32.9%的農(nóng)宅室內(nèi)空氣干球溫度低于《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50824-2013）[4]中規(guī)定的8℃溫度下限；夏季室內(nèi)干球溫度最小值為20.1℃，最大值為33.1℃，平均值為27.1℃，7.83%的農(nóng)宅夏季室內(nèi)溫度高于《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50824-2013）[4]中規(guī)定的30℃溫度上限。冬季相對(duì)濕度變化范圍為42.8%～86.7%，平均值為68.2%；夏季相對(duì)濕度變化范圍為62.0%～93.0%，平均值為80.1%。由此可見，目前湖北農(nóng)村住宅冬夏兩季室內(nèi)熱濕環(huán)境較為惡劣，冬季濕冷、夏季濕熱。

2.2 人員服裝熱阻與新陳代謝率

入戶調(diào)查時(shí)，調(diào)查人員詳細(xì)記錄受訪者的著裝與所處狀態(tài)。服裝熱阻為《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50785-2012）[5]中推薦的單件服裝熱阻的累加，受訪者大多處于站姿放松狀態(tài)或坐在輕質(zhì)木椅上，故不考慮附加熱阻。夏季服裝熱阻在0.08～1.12clo，均值為0.53clo；冬季服裝熱阻在0.97～2.00clo，均值為1.45clo。受訪者在不同熱環(huán)境下的著裝情況體現(xiàn)了其適應(yīng)熱環(huán)境的行為特征。冬、夏季居民代謝率均在0.80～2.00met之間，均值為1.41met左右。典型行為可概括為輕度的體力活動(dòng)，大多是一個(gè)小時(shí)內(nèi)中重度活動(dòng)與站立、靜坐等活動(dòng)的綜合效果。

表3 冬、夏季室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)

2.3 室內(nèi)熱舒適與熱感覺投票

從圖3熱舒適度投票可看出，冬、夏季投票較為集中且稍不舒適（1）的投票占大多數(shù)，而圖4熱感覺投票，夏季投票大多集中在“適中（0）”，即夏季有更多的人認(rèn)為“稍不舒適（1）”就是“適中（0）”，熱舒適與熱感覺投票存在分離現(xiàn)象。

圖3 室內(nèi)熱舒適度評(píng)價(jià)

圖4 熱感覺投票分布

2.4 濕感覺投票

由圖5可知，冬、夏季的濕感覺投票主要集中在“適中（0）”。雖然表3中冬、夏季室內(nèi)平均相對(duì)濕度分別為68.2%、80.1%，但是受訪者濕感覺（HSV）投票集中且較為滿意，說明該地區(qū)農(nóng)村居民對(duì)于室內(nèi)相對(duì)濕度并不敏感。

圖5 濕感覺投票分布

3 湖北農(nóng)村自然通風(fēng)住宅熱舒適標(biāo)準(zhǔn)的建立

3.1 熱感覺（PMV、MTS）

分別分析實(shí)際熱感覺MTS和預(yù)測(cè)熱感覺PMV與操作溫度之間的關(guān)系，擬合結(jié)果見圖6。由圖6（a）可知：夏季PMV預(yù)測(cè)（斜率大）高估了居民對(duì)溫度變化的敏感程度，且溫度偏離中性溫度越多，“剪刀差”現(xiàn)象越明顯。當(dāng)PMV=0，夏季熱中性溫度op=24.7℃；當(dāng)MTS=0，實(shí)測(cè)熱中性溫度op=24.5℃。夏季實(shí)測(cè)熱中性溫度較預(yù)測(cè)熱中性溫度低0.2℃，且低于常規(guī)空調(diào)設(shè)定溫度26.0℃。這與其他學(xué)者的研究結(jié)論有所偏差[8]。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是，2017年夏季陰雨天氣頻繁，夏季平均氣溫比往年正常氣溫低2～3℃，造成居民熱感覺投票值偏低。

從圖6（b）冬季熱感覺回歸曲線可看出：冬季實(shí)測(cè)平均熱感覺MTS的斜率略大于預(yù)測(cè)平均熱感覺PMV，且實(shí)測(cè)MTS高于預(yù)測(cè)PMV，即居民對(duì)冬季溫度變化較夏季敏感。當(dāng)PMV=0，預(yù)測(cè)熱中性溫度op=16.1℃；當(dāng)MTS=0，實(shí)測(cè)熱中性溫度op=14.7℃。冬季實(shí)測(cè)熱中性溫度比預(yù)測(cè)熱中性溫度低1.4℃，這表明湖北農(nóng)村居民對(duì)冬季偏冷環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。

圖6 熱感覺與操作溫度關(guān)系

3.2 濕感覺（HSV）

湖北農(nóng)村住宅夏季室內(nèi)相對(duì)濕度高、冬季室內(nèi)相對(duì)濕度變化大，但居民濕度感覺投票非常集中。相關(guān)性檢驗(yàn)的結(jié)果表明，居民的濕度感與室內(nèi)相對(duì)濕度的相關(guān)性不高，說明農(nóng)村居民對(duì)于室內(nèi)相對(duì)濕度的變化不敏感。因此，已有的熱舒適模型用于湖北農(nóng)村住宅自然通風(fēng)熱舒適研究時(shí)，不需要進(jìn)行濕度修正，這點(diǎn)和同樣處于夏熱冬冷地區(qū)的重慶地區(qū)的研究結(jié)果[9]不同，與濕熱地區(qū)人群熱濕反應(yīng)的研究結(jié)果[10-13]也不同。

3.3 熱不滿意率

ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)和ISO7730標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定熱環(huán)境不滿意率小于或等于20%的溫度為人們可接受的舒適溫度范圍。夏季預(yù)測(cè)熱舒適溫度范圍為op=21.1～27.7℃、夏季實(shí)測(cè)熱舒適溫度范圍op=19.8～28.7℃，夏季居民實(shí)際可接受溫度范圍較預(yù)測(cè)值寬，可接受溫度范圍上限的提高為建筑節(jié)能提供巨大的節(jié)能潛力。冬季預(yù)測(cè)熱舒適溫度下限op=12.6℃，實(shí)測(cè)熱舒適溫度下限op=9.9℃，比預(yù)測(cè)的可接受溫度下限低2.7℃，說明居民的極限溫度耐受力比預(yù)測(cè)的強(qiáng)。

3.4 舒適的室內(nèi)空氣流速范圍

圖7 冬、夏季吹風(fēng)感與室內(nèi)空氣平均流速關(guān)系

由圖7可知，夏季室內(nèi)吹風(fēng)范圍較窄，而冬季吹風(fēng)感范圍較寬。同等空氣流速下，冬季吹風(fēng)感投票高于夏季，且空氣流速越高，“剪刀差”現(xiàn)象越明顯，即湖北農(nóng)村居民對(duì)冬季室內(nèi)空氣流速變化的敏感程度高于夏季。

當(dāng)吹風(fēng)感DSV分別等于中間兩個(gè)標(biāo)度時(shí)，即為可接受的空氣流速范圍。夏季實(shí)測(cè)吹風(fēng)感DSV=3.0708υ+0.4703（2=0.933），DSV=1時(shí)，υ=0.17m/s；DSV=2時(shí)，υ=0.50m/s，故夏季舒適的室內(nèi)空氣流速范圍為0.17～0.50m/s。而圖7中居民的吹風(fēng)感投票均小于2，且室內(nèi)最大空氣流速為0.35m/s，說明現(xiàn)有的自然通風(fēng)住宅室內(nèi)通風(fēng)效果未能達(dá)到居民的需求。若改善自然通風(fēng)效果，舒適的空氣流速上限將達(dá)到0.50m/s，高于空調(diào)供冷工況規(guī)定的0.3m/s。冬季舒適的室內(nèi)空氣流速范圍為0.11～0.20m/s，且冷吹風(fēng)感較明顯。因此，部分住宅需采取措施抑制冬季室內(nèi)空氣流動(dòng)以避免造成冷吹風(fēng)感。

3.5 熱舒適評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立

室內(nèi)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)是住宅設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是營(yíng)造適宜的室內(nèi)熱環(huán)境及實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的前提。表4為基于調(diào)研與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的適用于湖北農(nóng)村自然通風(fēng)住宅熱舒適標(biāo)準(zhǔn)。

表4 湖北農(nóng)村自然通風(fēng)住宅熱舒適標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

（1）湖北農(nóng)村自然通風(fēng)住宅夏季室內(nèi)濕熱，空氣流速低；冬季室內(nèi)濕冷，相對(duì)濕度波動(dòng)大，易引起冷吹風(fēng)感，居民對(duì)冬季室內(nèi)空氣流速變化的敏感程度遠(yuǎn)高于夏季。

（2）對(duì)于湖北農(nóng)村自然通風(fēng)住宅，采用PMV模型預(yù)測(cè)居民熱感覺時(shí)，夏季會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏離，冬季低于實(shí)際熱感覺值。

（3）湖北農(nóng)村自然通風(fēng)住宅夏季和冬季實(shí)測(cè)熱中性溫度分別為24.5℃和14.7℃。夏季實(shí)測(cè)熱舒適溫度范圍op=19.8～28.7℃，冬季實(shí)測(cè)熱舒適溫度下限為op=9.9℃。夏季和冬季居民舒適的室內(nèi)風(fēng)速范圍分別為0.17～0.50m/s和0.11～0.20m/s。

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Field Investigation of Thermal Comfort of Natural Ventilated Residential Buildings in Rural Areas of Hubei Province

Chen Min1Yu Zhenzhen2Zhou Chuanhui1

( 1.School of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, 430081;2.Ji Zhun Fang Zhong Wuhan Architectural Design Co., Ltd., Wuhan, 430060 )

Based on the questionnaire survey and field measurement in rural residences with natural ventilation in Hubei Province, the subjective evaluation of the residents' thermal environment was researched. The statistical regression analysis was used to compare the differences between the actual thermal sensation MTS and PMV, and proposed the indicators of the winter and summer thermal comfort of natural ventilated residences in rural areas of Hubei Province (thermal neutral temperature, acceptable temperature and comfortable wind speed range).

rural residence; natural ventilation; thermal comfort; questionnaire survey; field measurement

TU831

A

1671-6612（2020）05-571-06

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：2017CFB311）

陳 敏（1984-），女，講師，博士，E-mail：chenminstud@126.com

2020-01-02