冬季外窗和外墻冷輻射的熱舒適限值*

王昭俊☆ 徐云艷 蘇小文

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對提升人居環(huán)境的熱舒適更加關(guān)注。我國嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)冬季建筑外墻和外窗表面溫度低，靠近外墻和外窗的人會有冷輻射感，引起人體局部熱不舒適。因此，基于人體熱舒適的建筑節(jié)能減排研究工作亟需開展。

GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：外墻內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣溫度之差的最小值為3 ℃[1]。這個參數(shù)是否合理，需要實驗驗證。該標(biāo)準(zhǔn)主要參考了國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

McNall等人實驗研究了冷墻輻射對人體熱舒適的影響，10名受試者參加了實驗，受試者的服裝熱阻為0.59 clo，相當(dāng)于夏季標(biāo)準(zhǔn)服裝[2]。Fanger等人實驗研究了冷/熱墻、冷/熱頂棚引起的不對稱輻射對熱舒適的影響，32名受試者和16名受試者分別參與了2組實驗，服裝熱阻為0.6 clo，研究表明，在不對稱輻射條件下，熱墻引起的不舒適低于冷墻，冷卻頂棚引起的不舒適低于熱頂棚，并得出5%的受試者對環(huán)境感到不舒適的不對稱輻射溫度[3]。Fanger等人基于上述研究成果，提出了不對稱輻射溫度限值，并被引入到ISO 7730：2005標(biāo)準(zhǔn)[4]和ASHRAE 55-2017標(biāo)準(zhǔn)[5]中。

課題組前期開展了實驗，探討了具有一面冷墻和冷外窗的冷輻射環(huán)境中人體熱感覺和生理參數(shù)的變化規(guī)律，實驗中受試者身著冬季服裝，服裝熱阻約為1.0 clo[6-8]。史明洋等人研究了室溫為22 ℃時側(cè)墻冷輻射對人體熱舒適的影響[9]。但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的熱工設(shè)計溫度和嚴(yán)寒地區(qū)冬季供暖室內(nèi)計算溫度為18 ℃。因此，需要探討最不利實驗工況下的熱工設(shè)計參數(shù)。

本文基于人工氣候室實驗研究結(jié)果，分析冷輻射工況下人體距離外墻和外窗1 m時的熱反應(yīng)，研究嚴(yán)寒地區(qū)冬季冷壁面溫度引起的人體熱不舒適的限值。研究結(jié)論可為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中建筑熱工設(shè)計參數(shù)的確定提供理論依據(jù)。

1 實驗室簡介

實驗在哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑熱能工程系1樓大廳的人工氣候?qū)嶒炇疫M行，以減少室外氣候變化對人工氣候室熱濕環(huán)境的影響。實驗室包括2個相鄰房間(A室和B室)。其中，A室用于模擬室內(nèi)熱環(huán)境，B室用于模擬室外氣候。A室和B室之間的隔墻上有一個塑鋼玻璃窗，在實驗條件下該隔墻和窗戶可以視為外窗和外墻，A室的其他圍護結(jié)構(gòu)可視為內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)。B室采用彩色鋼板內(nèi)夾聚苯乙烯泡沫塑料保溫材料的墻體，保溫層厚度為150 mm，傳熱系數(shù)為0.404 W/(m2·K)。

該實驗室的總尺寸為6.0 m(長)×3.3 m(寬)×3.0 m(高)，A室的尺寸為3.9 m(長)×3.3 m(寬)×3.0 m(高)，窗戶尺寸為1.8 m(長)×1.5 m(寬)，如圖1所示。

圖1 實驗室測點平面布置圖(單位：mm)

2 實驗方法

2.1 實驗工況設(shè)計

為了研究嚴(yán)寒地區(qū)冬季外窗和外墻冷輻射對人體熱感覺的影響，將散熱器布置在外窗對面的墻下面。實驗設(shè)計了2個工況，分別為稍涼工況和中性工況，見表1。其中，稍涼工況為實驗組，中性工況為對照組。

表1 實驗工況

2.2 實驗參數(shù)采集

每個工況有20名大三學(xué)生自愿報名作為受試者參加實驗。受試者男女比例為1∶1，均在哈爾濱生活超過2 a，已經(jīng)適應(yīng)了哈爾濱冬季室外寒冷干燥的氣候，受試者服裝熱阻約為1.02 clo。實驗中受試者位于測點1，即距離A室的外墻和外窗1 m處，且背對外墻而坐，模擬辦公狀態(tài)。

實驗采用客觀測試與主觀問卷的方式進行，采集室內(nèi)環(huán)境客觀參數(shù)、受試者的主觀感受及生理參數(shù)。實驗中測量的環(huán)境參數(shù)包括A室的空氣溫度、相對濕度、流速、黑球輻射溫度、圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度和1樓大廳的空氣溫度和相對濕度。

布置空氣溫度的測點時，主要考慮所關(guān)注的空間溫度分布和不妨礙受試者進出實驗室。在A室內(nèi)共布置了2組測點，第1組測點(簡稱測點1)位于受試者附近，空氣溫度測點布置在距地面0.1、1.1 m高處，受試者在實驗中距離外窗1.0 m；第2組測點(簡稱測點2)位于房間中心點，空氣溫度測點布置在距地面0.1、0.6、1.1 m高處，分別代表坐姿受試者的腳踝、腰部和頭部。空氣相對濕度、空氣流速和黑球輻射溫度測點布置在測點1距地面0.6 m高處。

生理參數(shù)包括皮膚溫度、心率和血壓等，皮膚溫度測試部位為額頭、背部、手背、手臂和小腿5個部位。心理反應(yīng)包括受試者的整體熱反應(yīng)及與皮膚溫度測點相對應(yīng)的不同部位的局部熱反應(yīng)。受試者熱感覺投票采用ASHRAE 7點連續(xù)標(biāo)度，熱舒適采用間斷標(biāo)度。

每次實驗進行90 min，其中前30 min讓受試者適應(yīng)室內(nèi)熱環(huán)境，后60 min為實驗階段。受試者在實驗過程中每隔10 min填寫一次主觀問卷，生理參數(shù)的采集頻率為皮膚溫度每隔5 min一次，血壓和心率每隔30 min一次。環(huán)境客觀參數(shù)每隔5 min自動采集一次。

由于本文重點關(guān)注外墻和外窗冷輻射對人體熱舒適的影響，而課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，與中性工況相比，稍涼工況中，受試者小腿等局部熱感覺和整體熱感覺具有顯著性差異[6]。工況1受試者已經(jīng)感覺到整體偏涼，是最不利工況。因此本文將重點分析工況1的實驗結(jié)果。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 皮膚溫度和熱感覺投票

圖2顯示了工況1受試者各部位皮膚溫度的變化曲線[6]。表2給出了19 ℃稍涼工況下20位受試者位于距離外墻和外窗1 m處的局部熱感覺和全身(整體)熱感覺投票值。由圖2可知：手背的皮膚溫度最低，因為手背是裸露在空氣中的，但是表2中手背熱感覺投票平均值并不是最小的，這是因為受試者處于工作狀態(tài)時手的活動最頻繁，因此手背不是全身感覺最不舒適的部位；此外，小腿的皮膚溫度僅高于手背，且隨著實驗的進行，小腿的皮膚溫度不斷降低，從表2可以看到，小腿的平均熱感覺投票值最小，即最不舒適，這是因為受試者在工作狀態(tài)下，小腿幾乎不動，受冷輻射影響較明顯。根據(jù)圖2和表2可知：在工況1(室溫為19 ℃)，熱感覺投票差異明顯，額頭、背部、手臂及手背熱感覺投票接近熱中性；而小腿熱感覺投票值最小，為-1.2，接近稍涼。

圖2 工況1受試者各部位皮膚溫度變化曲線[6]

由表2可知，小腿部位對外墻和外窗冷輻射的影響最敏感。ISO 7730：2005和ASHRAE 55-2017標(biāo)準(zhǔn)推薦：室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計時不滿意率取10%，此時PMV=-0.5～0.5。我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不滿意率為20%，對應(yīng)的熱感覺投票值為-0.85～0.85。表2中20名受試者全身熱感覺投票值的平均值為-0.82。因此，可認(rèn)為該值是20%不滿意率的下限值，此時對應(yīng)的工況為最不利工況。

表2 工況1熱感覺投票值

3.2 評價模型

根據(jù)工況1 20名受試者局部熱感覺和整體熱感覺的投票結(jié)果，采用逐步回歸法計算得到局部熱感覺對整體熱感覺的影響權(quán)重，結(jié)果見表3。

表3 逐步回歸模型系數(shù)檢驗結(jié)果

由表3可知：在距外墻1 m位置處，小腿和背部對整體熱感覺的影響最顯著；背部的影響權(quán)重略大于小腿，這是因為實驗時受試者是背對外墻和外窗坐姿打字或看書，由于后背的面積較大，因此受外窗冷輻射影響較明顯。采用逐步回歸分析，得到局部與整體熱感覺之間的關(guān)系式為

TSV=0.542TSVb+0.503TSVl-0.062 (1)

式中TSVb為背部熱感覺；TSVl為小腿熱感覺。

文獻[6]綜合了稍涼工況1和中性工況2的數(shù)據(jù)，采用主成分分析法得到冷輻射環(huán)境中的熱感覺評價模型，其中額頭、背部、手背、手臂和小腿的系數(shù)分別為0.18、0.28、0.33、0.33和0.33。額頭的系數(shù)最小，對整體熱感覺的影響也最小，而四肢包括手背、手臂和小腿的影響較大。盡管2個評價模型用的方法不同，但是均顯現(xiàn)出小腿的熱感覺對整體的影響較大。

對局部熱感覺與全身熱感覺投票進行線性擬合和差異性分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知：小腿和背部的局部熱感覺與整體熱感覺的擬合關(guān)系相關(guān)性系數(shù)較大，這與兩者的影響權(quán)重較大的結(jié)論是一致的；額頭和手背的相關(guān)性系數(shù)較小，表明其對整體熱感覺的影響不大；從顯著性系數(shù)可見，局部熱感覺與整體熱感覺之間不存在明顯的差異性。

表4 局部熱感覺與全身熱感覺投票線性擬合結(jié)果及顯著性分析

4 冬季外墻和外窗內(nèi)表面溫度與室溫之差限值分析

4.1 冷外墻和外窗內(nèi)表面溫度計算

通過前面分析可知，19 ℃稍涼工況下距離外墻和外窗1 m時，平均熱感覺投票為-0.82，約20%的受試者已對熱環(huán)境感到不滿意，該工況為冬季最不利實驗工況。為了定量分析該工況下外壁面溫度對人體冷輻射的影響，采用面積加權(quán)法計算外墻和外窗構(gòu)成的整個外壁面的溫度。

根據(jù)實驗室外墻與外窗的尺寸，采用面積加權(quán)法，可以計算得到實驗室外墻和外窗的壁面加權(quán)平均溫度，計算式如下：

ts=0.273twi+0.727twa

(2)

式中ts為外壁面平均溫度，℃；twi、twa分別為外窗和外墻的內(nèi)表面溫度，℃。

實驗過程中，外墻和外窗內(nèi)表面布置多個溫度測點，如圖3所示。其中，在外墻左右兩邊對稱的中心位置布置了2個測點，在外窗上均勻布置了6個測點。統(tǒng)計各測點的溫度，并計算平均值，結(jié)果見表5。由表5可知，外窗6個測點在10次實驗中的平均值為11.15 ℃，外墻2個測點的平均值為18.24 ℃，代入式(2)，計算得到稍涼工況下外壁面平均溫度為16.3 ℃。

1～8.測點。圖3 外墻和外窗冷壁面測點布置圖[6](單位：mm)

表5 工況1外窗和外墻內(nèi)表面溫度 ℃

4.2 冷外墻和外窗內(nèi)表面溫度與室溫之差

統(tǒng)計工況1室內(nèi)空氣溫度(見表6)，以得到外墻和外窗內(nèi)表面溫度與室溫之差。由表6可知，測點1和測點2處室內(nèi)空氣溫度的平均值差別不大，即在距外墻1 m和距外墻2 m處的室內(nèi)空氣溫度沒有明顯差別。

表6 工況1的室內(nèi)空氣溫度結(jié)果統(tǒng)計 ℃

計算得到冷外墻和外窗內(nèi)表面溫度與受試者周圍的平均室內(nèi)空氣溫度之差為2.5 ℃，而在中間位置的室內(nèi)空氣溫度與外壁面溫度之差為2.6 ℃。由此得到，當(dāng)室內(nèi)人員處于靠近外墻的位置時，外壁面溫度與室內(nèi)空氣溫度之差不應(yīng)大于2.6 ℃，否則室內(nèi)人員會感覺不舒適。由于實驗房間較小，實際應(yīng)用時可以取二者之差為3 ℃。因此，規(guī)范中規(guī)定的外墻內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣溫度的差值小于3 ℃是合理的。

5 結(jié)論

1) 在距外墻和外窗1 m位置處，小腿的平均熱感覺投票值最小，說明小腿對外墻和外窗冷輻射的影響最敏感。建立了最不利工況下人體全身熱感覺和局部熱感覺的相關(guān)性模型。

2) 室內(nèi)空氣溫度為19 ℃的冷工況下，受試者距離外墻和外窗1 m時，平均熱感覺投票為-0.82，滿足小于20%不滿意率的下限值。

3) 采用面積加權(quán)法計算得到了冬季冷外墻和外窗內(nèi)壁面溫度，該值與距離冷壁面1 m和2 m位置處的室溫之差分別為2.5 ℃和2.6 ℃，驗證了相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的外墻內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣溫度的差值小于3 ℃是合理的。