拉薩市建筑室內濕環境現狀及人員濕舒適特征分析*

胡家樂 王瑩瑩 王登甲 宋 聰 劉艷峰

(1.綠色建筑全國重點實驗室,西安;2.西安建筑科技大學,西安)

0 引言

西藏高原地區冬季不僅低溫寒冷、低壓缺氧,而且極度干燥。西藏自治區氣象局數據顯示,西藏冬季最冷月相對濕度平均值低于10.0%[1],大多數情況下僅為3.0%～5.0%左右,遠遠低于人體可承受的下限,對人體呼吸系統、心肺功能產生不可逆的損傷,嚴重影響在藏人群的正常生活,甚至危及其生命健康。因此,西藏高原建筑室內濕環境營造是與冬季供暖同等重要的民生問題。

解決該問題的第一步應是認識問題,即明確高原建筑室內濕環境現狀及需求。此前,眾多學者對西藏高原建筑室內濕環境進行了測試調研[2-5]。Yu等人發現全年約55.0%時間內西藏各類典型建筑的室內相對濕度低于40.0%,最低僅為2.0%[6];Huang等人對冬季拉薩市傳統建筑的室內濕度進行了測試,最低相對濕度為15.0%[7];王登甲等人的實驗數據顯示,拉薩市鄉村居住建筑和城市建筑的冬季室內相對濕度日平均值僅為25.6%和22.0%[8];Sun等人發現藏式傳統建筑冬季室內相對濕度主要分布于30.0%以下[9]。但上述研究大多為室內相對濕度參數的基礎測試,較少涉及人員主觀濕需求與濕環境調控技術調研,未能實現對高原建筑室內濕環境的全面分析。Psomas等人[10]和Zhang等人[11]對室內濕環境特性與人員濕需求等給出了較為明確的研究思路。

本文選取西藏自治區拉薩市各類典型建筑為研究對象,采用現場測試和問卷調研相結合的方式,分別從室內濕環境參數變化、濕主觀評價投票、濕環境調控技術等方面對高原建筑室內濕環境特性與需求進行量化分析,期望為后續高原適宜性濕環境營造設計參數的選取提供數據支撐。

1 調研方法與內容

通過現場測試和問卷調研相結合,對西藏拉薩市及其周邊各類建筑濕環境現狀進行調研。調研區域主要集中于拉薩市城關區、堆龍德慶區和達孜區(見圖1),其中城關區調研對象主要為居住建筑與商場、酒店民宿等公共建筑,堆龍德慶區和達孜區調研對象為傳統民居和村委會辦公建筑。

圖1 拉薩市高原建筑室內濕環境調研對象分布圖

根據拉薩市典型年氣象數據[12]可知,當地空氣溫度和相對濕度的極值出現時間基本相似,即最大值和最小值分別出現于夏季和冬季。為保證調研結果盡可能包含拉薩市極端濕度水平,分別于2020年11月10—25日、2021年8月11日至9月14日和2021年12月1—26日開展調研工作。

1.1 濕環境測試參數及儀器

對各類調研建筑室內外空氣溫度、相對濕度和風速等環境參數進行測試,測點分別布置于距離地面0.1、0.6、1.1 m高度處。測試周期為24 h,時間間隔設置為15 min。測量儀器為TR-72wb溫濕度記錄儀,溫度和相對濕度的測量范圍(-25.0～70.0 ℃、0～99%)和測量精度(±0.1 ℃、±1%)均滿足GB/T 50785—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》[13]相關要求。

1.2 濕環境問卷調研

問卷調研內容包括居住者的基本信息(性別、年齡、身高、體重等)、濕環境主觀評價投票和濕環境調控措施。其中濕環境主觀評價投票包括人員的濕感覺、濕舒適、濕期望及濕刺激明顯部位(鼻子、嘴唇、眼睛、喉嚨、皮膚)[14]的干燥程度。濕感覺投票采用ASHRAE的7級標度,濕舒適投票為5級標度,濕期望投票采用7級標度,各濕刺激明顯部位干燥程度投票采用11級標度。濕環境調研問卷經調研人員與調研對象詳細交流后,由調研對象填寫。

2 室內濕環境測試結果

為便于對比,分別選取調研期間冬季和夏季典型30 d內建筑室內濕環境測試數據進行分析。

2.1 濕環境評價參數選取

對于地處高原地區的拉薩市而言,當地大氣壓力降低、空氣密度減小,相對濕度為濕空氣中所含水蒸氣的質量與同壓等溫飽和水蒸氣質量的比值,僅能反映濕空氣接近同壓等溫飽和濕空氣的程度,不同壓力條件下相對濕度不具有可比性。含濕量為含有1 kg干空氣的濕空氣中所含水蒸氣的質量,常用于等壓條件下濕空氣處理過程計算,但相同質量空氣的體積會隨壓力變化,以空氣質量為單位不能直觀反映不同壓力條件下室內濕環境水平差異。

一般情況下可認為建筑室內的空氣體積為定量,若采用絕對濕度即單位體積的濕空氣中所含水蒸氣的質量,對比拉薩市與其他氣壓條件下城市的室內空氣濕度水平,更能直接反映建筑室內單位體積空氣的濕度水平。

當對比氣壓基本相同的拉薩市各類建筑室內空氣濕度水平時,依舊可采用相對濕度和含濕量,而對比拉薩市與其他不同氣壓條件城市的建筑室內空氣濕度時可采用上述的絕對濕度。由于拉薩市低氣壓條件下同溫飽和濕空氣的含濕量大,但空氣密度小,當相對濕度相同時,拉薩市空氣含濕量相比常壓地區更大;而含濕量相同時,拉薩市空氣的絕對濕度更小。

但即使拉薩市與其他北方城市的室內單位體積空氣所含水蒸氣質量相等,高原低氣壓條件下人體皮膚表面、呼吸道和眼部黏膜等部位的水分蒸發擴散速率加快,同時高原缺氧條件會直接影響人體外周血循環,加劇唇部等部位干裂,干燥環境對人體的生理刺激更為強烈。因此,考慮氣壓變化,對GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[15]中規定的上述濕度參數舒適范圍進行簡單換算,進而確定拉薩市建筑室內適宜的濕環境設計參數是不合適的。因為該參數的準確確定還與高原世居及外來人群對當地濕環境的濕舒適及適應機理有關,應結合高原低壓極干條件下室內人員的濕環境反應機制進行深入研究,方可確定。

綜上所述,本文暫且依舊采用GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[15]規定的溫度和相對濕度限值對拉薩市室內濕環境進行分析,主要是為了得到室內濕環境水平現狀。

2.2 冬季濕環境測試結果

拉薩市冬季建筑室內空氣相對濕度隨時間變化如圖2所示。冬季室內日平均相對濕度變化范圍為7.9%～27.9%,最低相對濕度僅為5.5%,調研期間97.1%時間點的相對濕度低于30.0%,其中36.7%、23.0%和21.1%的數據分別位于20.0%～25.0%、15.0%～20.0%和10.0%～15.0%的濕度區間(見圖3)。

圖2 冬季室內空氣相對濕度變化特征

圖3 冬季室內空氣相對濕度區間分布

對比分析拉薩市與西安市[16]、北京市[17]等嚴寒和寒冷地區冬季供暖住宅室內絕對濕度(見圖4),北京市冬季室內87.6%時間的絕對濕度位于4.0～6.0 g/m3區間,西安市81.5%時間的絕對濕度位于2.0～6.0 g/m3區間。拉薩市約80.0%時間的冬季住宅室內絕對濕度位于2.0～4.0 g/m3區間,且低于2.0 g/m3的絕對濕度占比超過10.0%。

圖4 冬季室內空氣絕對濕度各區間分布

因此,拉薩市冬季供暖住宅室內濕度水平明顯低于其他北方城市,室內空氣極端干燥。

冬季調研期間,室內平均溫度變化范圍為12.0～23.9 ℃(見圖5),其中較高溫度多出現在人員熱需求高、供暖強度大的公共建筑,而較低溫度基本出現在采用火爐取暖的傳統民居。冬季室內空氣溫度各區間分布如圖6所示,可以看出,約89.7%時間點的溫度處于16.0～24.0 ℃,其中49.7%時間點的溫度處于18.0～24.0 ℃。

圖5 冬季室內空氣溫度變化特征

圖6 冬季室內空氣溫度區間分布

冬季室內空氣溫濕度組合分布如圖7所示。可以看出:冬季測試期間同時滿足室內相對濕度不低于30.0%和溫度處于18.0～24.0 ℃范圍的時間點僅占比約2.0%;大部分溫度高于15.0 ℃,而僅2.9%時間點的相對濕度高于30.0%。因此,不同于我國北方冬季供暖期室內環境營造僅考慮溫度單一參數,拉薩市等高原地區冬季室內環境應進行溫度和濕度組合調控,且相比進一步提高室內溫度,提升濕度水平更能顯著改善當地居民舒適性。

圖7 冬季室內空氣溫濕度組合分布

2.3 夏季濕環境測試結果

拉薩市夏季溫涼多雨,日平均相對濕度處于35.6%～68.6%范圍內(見圖8)。夏季測試數據中87.7%時間點的相對濕度處于40.0%～70.0%范圍內(見圖9),僅有0.7%時間點的相對濕度低于30.0%。

圖8 夏季室內空氣相對濕度變化特征

圖9 夏季室內空氣相對濕度各區間分布

夏季調研期間,室內日平均溫度變化范圍為20.1～26.5 ℃(見圖10),略低于夏季舒適溫度范圍(24.0～28.0 ℃)。夏季室內空氣溫度各區間分布如圖11所示,可以看出,86.1%時間點的溫度處于22.0～28.0 ℃范圍內,其中分別有58.1%和22.7%時間點的溫度處于22.0～24.0 ℃和24.0～26.0 ℃范圍內。因此,拉薩市夏季室內熱環境較為涼爽舒適。

圖10 夏季室內空氣溫度變化特征

夏季室內空氣溫濕度組合分布如圖12所示,可以看出,超過70.0%的時間點大致處于夏季空氣溫度(24.0～28.0 ℃)和相對濕度(40.0%～70.0%)的組合舒適范圍內,因此高原建筑夏季室內濕環境水平明顯優于冬季。

圖12 夏季室內空氣溫濕度組合分布

綜上所述,拉薩市夏季室內空氣相對濕度基本處于40.0%～70.0%范圍,但冬季室內空氣極端干燥,濕環境水平差,應考慮進行溫度與濕度組合調控。在冬季,室內空氣溫度基本處于舒適范圍的條件下,提高空氣濕度更能有效提升室內人員舒適性。

3 室內人員濕主觀投票

為顯著反映人員對拉薩市室內濕環境的主觀濕感受,選取室內濕環境水平更為惡劣的冬季,對拉薩市各類建筑室內人員開展濕主觀問卷調研。

濕主觀投票共得到來自698名受試者的有效樣本,受試者的主要年齡區間為16～35歲,其中約35.0%的受試者來源地為拉薩市等西藏高原地區,其余受試者主要來自于四川、陜西、河南、甘肅、山東、云南和湖南等省份。調研受試者基本信息統計如圖13所示,可以看出,受試者中女性和男性占比分別為44.4%和55.6%,且體質指數(BMI)處于正常范圍的人數占比為64.8%。

圖13 調研受試者基本信息統計

考慮不同來源地人群對拉薩市當地氣候的適應性不同,將受試者按照近5年常居地分為高原長期居住人群和短期居住人群進行對比分析。

3.1 濕感覺投票

室內人員濕感覺投票如圖14所示。可以看出:超過95.0%受試者的濕感覺投票處于中性(0)和很干燥(-3)之間;53.5%的長期居住人群感覺拉薩市冬季室內環境有點干燥、干燥、很干燥,短期居住人群的冬季中性(0)濕感覺投票占比低于長期居住人群約24.1%,但有點干燥、干燥和很干燥投票占比分別增加6.9%、18.3%和0.7%。因此,短期居住人群對于拉薩市冬季室內極端干燥環境的濕感覺更為敏感。

圖14 室內人員濕感覺投票

3.2 濕舒適投票

濕舒適是人體對所處濕環境表示滿意的意識形態,更能反映人體生理和心理上的滿意、高興和愉快[18]。室內人員濕舒適投票如圖15所示。可以看出:近70.0%的長期居住人群認為拉薩市冬季室內濕環境舒適,但仍有20.4%的濕舒適投票為稍不舒適(1);短期居住人群中67.6%的濕舒適投票處于不舒適范圍,其中稍不舒適、不舒適、很不舒適和不可忍受投票占比分別高于長期居住人群21.7%、8.5%、0.5%和6.0%。

圖15 室內人員濕舒適投票

3.3 濕期望投票

拉薩市冬季建筑室內人員濕期望投票如圖16所示。可以看出:長期居住人群和短期居住人群中分別有50.9%和79.4%的受試者期望拉薩市冬季室內濕環境水平有所提升;相比長期居住人群而言,短期居住人群的稍濕一點(1)、濕一點(2)、更濕一點(3)投票占比分別增加約10.9%、11.4%、6.2%。因此,大多數人員對拉薩市建筑室內濕度水平提升有較大期望,短期居住人群對于冬季室內濕環境改善的期望度更高。

圖16 拉薩市冬季建筑室內人員濕期望投票

3.4 濕刺激明顯部位干燥程度投票

研究表明,干燥的室內環境會破壞人體呼吸道黏膜的滲透性、眼睛淚液膜和皮膚表皮的水分平衡,進而導致相應部位出現不同程度的生理不適[19]。圖17給出了拉薩市當地居民已出現的明顯濕刺激生理表征。

圖17 高原居民濕刺激干燥部位表征

室內人員各部位干燥程度投票如圖18所示。可以看出,超過50.0%的拉薩市室內人員各部位均感受到干燥刺激,易受干燥刺激的身體部位依次為:嘴唇、鼻子、皮膚、喉嚨/眼睛,其中長期和短期居住人群分別有17.6%和34.0%受試者的嘴唇干燥程度投票在5級以上。相比長期居住人群而言,短期居住人群中認為各身體部位干燥的投票占比均有略微增加,其中認為嘴唇干燥的受試者增加了8.0%。

注:干燥刺激等級1～10,數值越大,人員各身體部位所受的干燥刺激越強烈。

4 室內濕環境調控技術

4.1 濕環境調控技術現狀

高原建筑室內濕環境調控措施如圖19所示。可以看出,僅有1/5的拉薩市高原建筑配有加濕器和具有調濕功能的集中空調等傳統加濕設備,少數居民采用擺放家庭綠植、盛水容器和掛濕毛巾/衣物等調濕手段。

圖19 高原建筑室內濕環境調控措施

雖然當地居民采用多種措施努力提高室內空氣濕度,但在高原低壓極干的特殊氣候條件下,現有自然蒸發式、蒸汽式和水霧式[20]加濕設備所產生濕組分的蒸發率顯著增加,運動速度衰減過快,無法送至人員活動區,難以有效提升建筑室內濕環境水平。

4.2 高原適宜性濕環境營造技術展望

綜合分析拉薩市高原建筑室內濕環境參數變化、室內人員濕主觀投票與濕環境調控技術現狀,以高原人群特殊的濕舒適特征為導向,需開展高原低氣壓等特殊環境的濕營造機理攻關、重點突破高原適宜的濕環境營造末端技術、開發低成本的高效濕環境營造設備產品,在突破冬季供暖問題之后,進一步改善高原建筑濕環境,全面提升西藏高原建筑綜合宜居水平。

5 結論

1) 拉薩市夏季室內空氣相對濕度基本處于40.0%～70.0%范圍,冬季室內空氣極端干燥,90.0%以上時間的空氣相對濕度低于30.0%,濕環境水平極差。當考慮溫度與濕度組合調控時,加濕相比提高室內溫度更能有效降低人員不舒適度。

2) 高原短期居住人群中近80.0%的受試者認為拉薩市冬季室內干燥并期望所處濕環境水平提升,且濕不舒適投票占比為67.6%,而高原長期居住人群的上述占比均降低約30.0%。當地居民易受干燥環境刺激的身體部位依次為:嘴唇、鼻子、皮膚、喉嚨/眼睛。

3) 低于1/5的拉薩市建筑配有傳統加濕器,但在高原低壓極干的條件下,其產生濕組分的蒸發率高且運動速度衰減快,難以有效提升室內濕環境水平,高原適宜性室內濕環境營造技術體系亟待提出。