人體舒適度與室內(nèi)熱環(huán)境

李文菁,陳歆儒

(湖南工程學(xué)院建筑工程學(xué)院,湘潭411104)

0 前 言

目前國(guó)際上公認(rèn)的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)室內(nèi)熱環(huán)境熱舒適的標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730[1]和ASHRAE 55-1992[2]是以歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的大學(xué)生為研究對(duì)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究建立的標(biāo)準(zhǔn).這些標(biāo)準(zhǔn)適用于穩(wěn)態(tài)、均勻的熱環(huán)境,而人們所處的環(huán)境大多是動(dòng)態(tài)、不均勻的.因此,上述標(biāo)準(zhǔn)是否具有普遍性、能否推廣應(yīng)用于真實(shí)環(huán)境中,尚需現(xiàn)場(chǎng)研究方法加以驗(yàn)證.迄今為止,世界各地的許多學(xué)者在空調(diào)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)際環(huán)境和自然通風(fēng)條件下已進(jìn)行了大量的熱舒適現(xiàn)場(chǎng)研究,結(jié)果表明,上述標(biāo)準(zhǔn)并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人體熱反應(yīng),其主要原因是人對(duì)氣候的生理適應(yīng)性和心理期望值存在差異.為了了解人體舒適度分別在實(shí)際空調(diào)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境和非空調(diào)環(huán)境(即自然通風(fēng)條件下)的差異,筆者對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)不同環(huán)境下的熱環(huán)境以及對(duì)應(yīng)環(huán)境下的人體熱舒適進(jìn)行了調(diào)查.

1 調(diào)查內(nèi)容、方法及被測(cè)人員背景資料分析

本課題的主要測(cè)試分為三個(gè)部分,一部分測(cè)試針對(duì)實(shí)際空調(diào)環(huán)境下室內(nèi)人員,主要包括長(zhǎng)沙市有代表性的公共建筑(大型商場(chǎng)、超市、辦公建筑和賓館)的室內(nèi)人員,這一部分對(duì)夏季187名測(cè)試對(duì)象的背景資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析:測(cè)試對(duì)象的年齡為18到45歲之間,性別為隨機(jī)選擇,大體上男性為60%,女性為40%,在長(zhǎng)沙居住時(shí)間的平均值大約為5年,這說(shuō)明大多數(shù)的被測(cè)試者對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)冬冷夏熱的氣候已經(jīng)有了一定的適應(yīng)性;夏季著衣量平均值為0.34 clo(調(diào)查時(shí)間為2004年7月2日到7月25日,為長(zhǎng)沙夏季最熱的時(shí)候),說(shuō)明著衣量不大;而本次測(cè)試的對(duì)象包括室內(nèi)辦公人員、賓館客人、超市及商場(chǎng)工作、購(gòu)物人員,所以活動(dòng)量也不大,平均值為1.2met,相當(dāng)于輕活動(dòng)量范圍.

一部分針對(duì)自然通風(fēng)條件下的室內(nèi)人員,以湖南大學(xué)教學(xué)樓內(nèi)大學(xué)生為主,一共收集到有效問(wèn)卷220份,其中119名男性,占總?cè)藬?shù)的54.1%,101名女性,占總?cè)藬?shù)的45.9%;平均年齡 20.94歲,平均在湖南大學(xué)就讀時(shí)間為2.42年,著衣量平均值為0.5 clo.調(diào)查環(huán)境為教學(xué)樓,所取采樣點(diǎn)全部為以自然通風(fēng).

另一部分針對(duì)實(shí)驗(yàn)空調(diào)下的室內(nèi)人員,以大學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,收到有效問(wèn)卷260份,測(cè)試對(duì)象的年齡為18到22歲之間,分為兩部分;一部分為湖南大學(xué)在校學(xué)生,在長(zhǎng)沙居住時(shí)間大約為3年,另一部分為湛江海洋大學(xué)學(xué)生,在湛江居住的時(shí)間大約也是3年,被測(cè)者性別男女比例大致為6∶4;夏季著衣量平均值為0.48 clo(調(diào)查時(shí)間為2005年9月2日到9月27日,為長(zhǎng)沙、湛江夏末時(shí)節(jié),因此被測(cè)者著衣量略多于盛夏時(shí)節(jié)被測(cè)者著衣量);而本次測(cè)試的對(duì)象在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一直保持靜坐學(xué)習(xí)狀態(tài),所以活動(dòng)量比較統(tǒng)一,為1 met,相當(dāng)于輕活動(dòng)量范圍.測(cè)試時(shí)間為每次2 h左右,根據(jù)其他研究者的熱舒適性實(shí)驗(yàn)表明時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有明顯影響,時(shí)間多選擇在上午或者下午.著衣熱阻根據(jù)受試者所填寫(xiě)的著衣量進(jìn)行計(jì)算:

注:非坐式人員不附加椅子熱阻.

冷熱感與按照Fanger1973年的研究分為7級(jí);主觀舒適感因此參照Fanger1973年的研究分為4級(jí);詳細(xì)情況參照表1.在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中,服裝熱阻、冷熱感、干濕感分別取各參數(shù)點(diǎn)的平均值;主觀舒適度以較不舒適、不舒適兩項(xiàng)人數(shù)之和占總?cè)藬?shù)的百分比視為實(shí)際不舒適率;熱舒適感為主觀舒適度的平均值,用以觀察人們熱感覺(jué)偏離舒適情況的差距.

表1 受試者感覺(jué)尺度

2 人體熱感覺(jué)及熱舒適性分析

2.1 溫度與熱感覺(jué)的關(guān)系

對(duì)自然通風(fēng)環(huán)境和實(shí)際空調(diào)環(huán)境中風(fēng)速 v＜0.15 m/s的樣本,以及實(shí)驗(yàn)條件下每個(gè)溫度最小風(fēng)速環(huán)境為樣本,將溫度和人們熱感覺(jué)投票值(該參數(shù)點(diǎn)下所有人熱感覺(jué)平均值)關(guān)系進(jìn)行回歸分析線性擬合的結(jié)果見(jiàn)圖1,線形回歸方程式見(jiàn)(2)、(3)、(4):

實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境下

注:方程式(2)、(3)、(4)對(duì)應(yīng)圖1中的擬合線(2)、(3)、(4).

圖1 溫度與人體熱感覺(jué)

顯然在自然通風(fēng)條件下人體熱感覺(jué)隨著溫度變化是最小的,僅為0.0949(TSV)/℃,而在實(shí)際空調(diào)環(huán)境下,熱感覺(jué)與溫度關(guān)系最大,變化率為0.3245(TSV)/℃.在Fergus Nico[3]的研究中在自然通風(fēng)條件下其變化率為 0.058(TSV)/℃;Shin-ichi Tanabe[4]的對(duì)日本人夏季實(shí)際空調(diào)環(huán)境下變化率為0.339(TSV)/℃,其結(jié)果與本次測(cè)試相近.

因此在自然通風(fēng)條件下一定溫度范圍內(nèi),溫度不是影響熱舒適感覺(jué)的主要因素.而在實(shí)際空調(diào)環(huán)境中,測(cè)試數(shù)據(jù)表明相對(duì)濕度為60.4%～78%之間變化不大,空氣流速均在0.1 m/s以?xún)?nèi),而環(huán)境輻射溫度隨著空氣溫度變化而變化,因此影響人體熱感覺(jué)的因素比較單一即空氣溫度.至于實(shí)驗(yàn)條件下則由于風(fēng)速存在較大變化,而其他因素變化較小,因此變化率處于兩者之間.

令TSV=0,可分別求出其熱中性溫度:自然通風(fēng)環(huán)境下熱中性溫度為22.8℃;實(shí)際空調(diào)環(huán)境下為25.2℃;實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境下為26.2℃.由于只有在實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境下調(diào)查了熱期望溫度,通過(guò)回歸計(jì)算,得出其熱期望溫度為26.4℃,略高于熱中性溫度,兩者相差0.2℃,這與文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]結(jié)論相同.

2.2 熱接受率與實(shí)際不舒適率

按調(diào)查表中居民填寫(xiě)的熱感覺(jué)投票值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出,投票值為-1,0,1的為可接受,投票值為一3、-2,2,3的為不能接受.為了對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)不滿(mǎn)意率,計(jì)算在某一操作溫度下投票值為不可接受的人數(shù)占總投票人數(shù)的百分?jǐn)?shù),即為該溫度下的不可接受率,表2中統(tǒng)計(jì)了三種不同環(huán)境下各測(cè)試點(diǎn)熱不可接受率和實(shí)測(cè)不滿(mǎn)意率之間的關(guān)系.

表2 熱不滿(mǎn)意率與實(shí)測(cè)不舒適率

可以看出在實(shí)際空調(diào)環(huán)境下,熱不可接受率都在5%以下,但是實(shí)際不舒適率卻集中在20%～40%之間;在自然通風(fēng)條件下,熱不可接受率也很低,但是不滿(mǎn)意率卻比較高,尤其是在溫度超過(guò)28℃時(shí)(表2所示自然通風(fēng)條件下最后三組數(shù)據(jù)),熱接受率在25%以下,但是不滿(mǎn)意率卻達(dá)到了65%以上,這說(shuō)明,實(shí)際生活環(huán)境,影響人們舒適感的因素是復(fù)雜的,溫度雖然達(dá)到人體熱舒適要求,但是并不是溫度適合人們就會(huì)覺(jué)得舒適.

圖2 熱不滿(mǎn)意率與實(shí)測(cè)不舒適率

將實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境下,熱不可接受率、實(shí)測(cè)不舒適率與pmv-ppd進(jìn)行比較,見(jiàn)右圖2,其中擬合線(1)、(2)、(3)分別代表pmv-ppd、熱不可接受率和實(shí)測(cè)不舒適率(用四次曲線擬合).發(fā)現(xiàn)熱不可接受率擬合線在pmv-ppd擬合線之下與其有很好的吻合度,而實(shí)測(cè)不舒適率沒(méi)有明顯規(guī)律.這說(shuō)明Fanger提出的pmv-ppd指標(biāo)過(guò)多的考慮了熱環(huán)境中,熱感覺(jué)對(duì)人體舒適度的影響,而忽視了其他心理因素,人們本身對(duì)舒適這一感覺(jué)的把握.這說(shuō)明認(rèn)為熱舒適和熱感覺(jué)是相同的,即熱感覺(jué)處于中性就是熱舒適,這種看法是片面的.熱舒適是人們對(duì)空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度和相對(duì)濕度的主觀綜合反應(yīng),并與人們的心理因素有著密切關(guān)系,故熱舒適不同于熱感覺(jué).

2.3 相對(duì)濕度對(duì)人體熱舒適度的影響

目前 ,濕度對(duì)人體熱舒適的影響機(jī)理尚未完全清楚,前期關(guān)于濕度與舒適的研究尚無(wú)定論.Fanger和McIntyre認(rèn)為,在舒適的溫度范圍內(nèi),濕度對(duì)人體溫暖感的影響很小.當(dāng)相對(duì)濕度為20%～70%時(shí),人體幾乎感覺(jué)不出濕度的變化[7].但另一些學(xué)者認(rèn)為[8]:在高溫高濕環(huán)境下,由于皮膚濕潤(rùn)度的增加使汗液蒸發(fā)受到限制,且服裝對(duì)汗液蒸發(fā)的阻礙作用,人體的不舒適率將明顯增加.

本次測(cè)試中由于實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境和實(shí)際空調(diào)環(huán)境下相對(duì)濕度變化不大因此僅對(duì)自然通風(fēng)環(huán)境下(風(fēng)速0.15 m/s以下的樣本)相對(duì)濕度對(duì)熱舒適的影響進(jìn)行分析,見(jiàn)表3.

表3 相對(duì)濕度、溫度對(duì)實(shí)測(cè)不舒適率的影響

可以看出在相對(duì)濕度高于80%的時(shí)候?qū)崪y(cè)不舒適率比較高,尤其是在溫度高于28℃的時(shí)候,這種規(guī)律更加明顯.圖3與圖4分別表示焓值、相對(duì)濕度對(duì)實(shí)測(cè)不舒適率的影響,從圖中可以看出,在高溫高濕環(huán)境下,焓值的影響比相對(duì)濕度更顯著.

2.4 風(fēng)速對(duì)人體舒適度的影響

在本次測(cè)試中由于冬、夏季自然通風(fēng)環(huán)境和實(shí)際空調(diào)環(huán)境下的風(fēng)速均在0.1 m/s以下,冬季實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境下風(fēng)速變化也在0.05～0.15 m/s之間,所以?xún)H以夏季實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境下樣本(見(jiàn)表4)作為對(duì)象,研究風(fēng)速對(duì)人體熱舒適及熱感覺(jué)的影響.在本次實(shí)驗(yàn)中,除了最后三組即溫度為27.5℃中的空氣流速由風(fēng)扇引起外其他均為可風(fēng)機(jī)盤(pán)管送風(fēng)引起,所測(cè)風(fēng)速為距地1.1 m處風(fēng)速.

風(fēng)速感是這樣描述的:風(fēng)速讓你覺(jué)得:①較冷;②舒適;③較熱.在統(tǒng)計(jì)時(shí)我們用-1來(lái)表示較冷,0表示舒適,1表示較熱,因此愈接近0就表示風(fēng)速帶來(lái)的感覺(jué)約舒適,接近-1就表示風(fēng)讓人覺(jué)得冷.從表中可以明顯看出在有風(fēng)的情況下,風(fēng)速感均為負(fù)值,說(shuō)明在我們實(shí)驗(yàn)的溫濕度區(qū)域內(nèi),風(fēng)速會(huì)帶給人們涼爽的感覺(jué).統(tǒng)計(jì)所有風(fēng)速感小于-0.5的參數(shù)點(diǎn),可發(fā)現(xiàn)其溫度均在26.2℃以下,尤其當(dāng)溫度低于24℃時(shí),即使風(fēng)速很小也會(huì)帶來(lái)較強(qiáng)的風(fēng)速感即溫度在24℃以下風(fēng)速會(huì)給人冷的感覺(jué),而實(shí)測(cè)不滿(mǎn)意率也跟著上升了,即在24℃以下時(shí)風(fēng)速會(huì)給人帶來(lái)不舒適的冷風(fēng)速感.且在對(duì)溫度期望這一選項(xiàng)中期望值均為大于0,即希望溫度更高一點(diǎn),溫度期望值隨著溫度的下降而增大.

圖3 實(shí)測(cè)不舒適率與焓值的關(guān)系

圖4 實(shí)測(cè)不舒適率與相對(duì)濕度

表4 實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境下吹風(fēng)感小于-0.5的參數(shù)點(diǎn)

3 結(jié) 論

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究方法、結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析和總結(jié),得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)通過(guò)對(duì)自然通風(fēng)環(huán)境、實(shí)際空調(diào)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境的實(shí)測(cè),發(fā)現(xiàn)在自然通風(fēng)條件下人體熱感覺(jué)隨著溫度變化是最小的,僅為0.0949(TSV)/℃,而在實(shí)際空調(diào)環(huán)境下,熱感覺(jué)與溫度關(guān)系最大,變化率為0.3245(TSV)/℃.說(shuō)明在自然通風(fēng)條件下,影響人體熱感覺(jué)的其他因素比實(shí)際空調(diào)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境復(fù)雜,具體情況有待進(jìn)一步研究;

(2)對(duì)三種環(huán)境下熱不可接受率與實(shí)測(cè)不舒適度進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)不舒適度遠(yuǎn)高于熱不可接受率,說(shuō)明熱感覺(jué)與熱舒適有明顯差異;

(3)在將實(shí)驗(yàn)空調(diào)環(huán)境下,熱不可接受率、實(shí)測(cè)不舒適度與pmv-ppd進(jìn)行比較的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)熱不可接受率擬合線在pmv-ppd擬合線之下與其有很好的吻合度,說(shuō)明Fanger提出的pmv-ppd指標(biāo)過(guò)多的考慮了熱環(huán)境中,熱感覺(jué)對(duì)人體舒適度的影響;

(4)在高溫高濕(28℃,80%以上)條件下,焓值對(duì)實(shí)測(cè)不舒適度的影響比溫度、相對(duì)濕度更明顯,24℃以下時(shí)風(fēng)速會(huì)給人帶來(lái)不舒適的冷風(fēng)速感.

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