居室環(huán)境設計與物理參量的調控

黃仕雄

(南京林業(yè)大學江蘇南京210037)

居室環(huán)境設計與物理參量的調控

黃仕雄

(南京林業(yè)大學江蘇南京210037)

人們在居室空間環(huán)境設計中,往往注重空間的大小容量,空間形狀,卻常容易忽視空間環(huán)境物理功能因素。在生活質量不斷提高,科技快速發(fā)展的今天,空間環(huán)境的物理功能因素與人的身心健康關系已受到更多人的重視,對物理的功能因素有了更多的需求。本文僅就居室空間環(huán)境物理因素中溫度、濕度、通風等參量在居室環(huán)境中對人的舒適度的影響及其調控措施進行論述。

溫度;濕度;通風

人類的居室條件隨著人類文明與科技的進步,逐步得到提高?？v觀歷史,從滿足人類最基本的生存需要,發(fā)展到重視生活空間的質量走過了很長的歷史時期,到了近代環(huán)境與人的健康,以人為本的居室設計理念更是得到廣泛認同,并逐步落實到居室空間的設計中。居室是否宜居的評價標準,主要是根據(jù)人的感知,即人對居室環(huán)境的舒適度的主觀的認定。環(huán)境舒適,使人的精神易于集中,不論是體力勞動還是腦力勞動,工作效率高,即使是休閑狀態(tài),也能使身心得以更快恢復。

居室的物理環(huán)境因素主要有以下幾個方面:溫度、濕度、通風、噪音、光照和氣味等。這些因素對人體的健康有著直接影響,所以應該訂出某種客觀的科學標準來衡量,而且有些參量,僅靠個別情況個別人的感覺是無法確定其危害性,如CO,CO2,N2等有害氣體,本身是無色無味的。但過量吸入對人體有害。另一方面,隨著住所條件的改善,居室的功能性的凸現(xiàn),居所不但有客廳、臥室、工作室、衛(wèi)生間、廚房和餐廳,還有娛樂室、放映室、汽車庫、儲藏室、室內游泳池、運動室等。這些功能性突出的場所,對溫度、濕度、通風的要求會有所差異。以下僅以溫度、濕度、通風因素,對居室的影響以及調控方法逐一加以論述。

1 溫度

人是恒溫動物,而室外的空間,隨四季輪轉、晝夜輪回、忽晴忽雨,氣溫相差甚大,以我國氣溫而言可達到±40℃的變化范圍。人類為了抵御這種激烈的大自然的溫度變化,首先是依靠自身的新陳代謝作用的調節(jié)。而人體與周圍環(huán)境之間熱的傳遞是由輻射、對流、傳導和蒸發(fā)來完成的。

1.1 決定這些過程快慢的因素有

①人體的體表溫度;②皮膚與空氣之間的水蒸汽壓力;③人體周圍的空氣流速;④人的姿勢;⑤穿著多少;⑥人體的體表面積。

處在舒適的條件,體溫是隨新陳代謝速度加快而略有升高,它不取決于環(huán)境。引入Rs(人體組織的熱阻,其概念類似于電學中的電阻)的量來說明。Rs的大小取決于接近表皮的血液流量。當環(huán)境變得較冷,皮膚也冷,近表皮的毛細血管收縮,其中的血流量隨之減少,從而人體的熱損耗減少,意味著Rs增加。人遇到驟冷時可能有起“雞皮疙瘩”的現(xiàn)象,這時Rs也會增加。環(huán)境溫度高時,情況就相反,此時血管的管徑因熱而放大。此時流入的血液就多,Rs減少,使人體的熱量易于散發(fā)。根據(jù)漢弗萊斯(Humphreys,M.A.,J.Instn Heat,Vent.Engrs,38,95,1970)的研究結果;西歐氣候中生活的人,他們的Rs在0.04～0.09m2℃/W時給人的溫感是舒服的,其中W為熱量以瓦為單位。其次是人的衣著的作用。

Rc—衣著熱阻的單位為C lO,一個單位ClO相當于0.155m2℃/W熱阻。下表表示不同衣著的ClO值。

表1 ClO值的范圍

R—表面熱阻,為衣著表面,通過熱輻射和對流向外邊空氣散熱系數(shù)之和的倒數(shù)。如hc表對流換熱系數(shù),hr表輻射換熱系數(shù)。則

總換熱系統(tǒng)的換熱系數(shù)=hc+hr;總換熱系統(tǒng)的熱阻R=1/(hc+hr)

根據(jù)參考文獻[1-2]論文中的公式,hc可取為式中V(m/s)是相對于人的平均氣流速度。氣流速度高時,熱阻R接近于零,氣流速度低時,V約為0.1m/s,R接近于0.1;hr取值為4.7W/m2℃較合理,因為在17～27℃范圍內輻射系數(shù)為0.9。

1.2 綜合國外對此的研究結果可得出下述結論

①符合舒適條件的溫度范圍的大小正比于人的活動量的大小;②符合溫暖舒適條件的溫度范圍內,在已知正常的活動量下,不同衣著的情況都相同;③在0.1～1m/s范圍內的氣流速度,情況都相同。

1.3 環(huán)境空間設計中溫度與人的關系

人體多個部位對周圍空氣溫度反應的不同,一般人體外露部分如額頭,手與腳對外界溫度變化的敏感程度是有差別的,以敏感度的高低來區(qū)分,以腳為最高,其次是手,最后是額頭。因此在設計環(huán)境空間溫度的分布要考慮到上述因素。

空氣運動、溫度、光線、聲音變化的情況下,對人的主觀反應的感覺是有影響的。人對溫度波動的主觀忍受程度比預期的要大得多。人能忍受最大的溫度變動,是在溫度變化率較高的時候。從事腦力勞動比休息能忍受外界空氣給予皮膚更大的溫度變化。

人們對環(huán)境的反應是以生理和社會心理反應的綜合輸入所決定。體力勞動者在涼快、通風好的場地工作,事故會少些。對腦力勞動者,溫度低于36℃時,對工作影響不明顯,對大部分腦力勞動者的最適宜溫度在20℃左右。

2 相對濕度

人體的熱平衡,在氣溫較高時,更多地要靠蒸發(fā),因此相對濕度在氣溫較高時影響較大。

研究提出氣溫高于22℃,相對濕度不超過50%。一般傾向于氣溫較高,濕度較低。另外,合宜的相對濕度對室內家具、藝術品、書籍和植物的防腐都是相當重要的因素。

3 通風

一個供生活的房間通風的作用,不但可提供源源不斷的新鮮空氣(健康通風),而且合宜的空氣流動也是造成舒適環(huán)境所必需的條件(熱舒適通風),另外當空氣溫度高于室外氣溫時,通風能使建筑環(huán)境降溫(建筑降溫通風)。但氣流速度過大,對人產生吹風的感覺,使人的皮膚溫度失調而引起不舒適感。吹風感還和溫度高低,人的活動量,人體暴露面和迎風部位以及氣流運動是持續(xù)或是偶發(fā)的有關。人的后頸和足踝部位對吹風比較敏感。而對前額部位常感到舒服。對前者部位吹風,氣流速度應小于0.15m/s。體力勞動者能承受0.5m/s的空氣氣流,而腦力勞動者應不大于0.1m/s。

3.1 健康通風的功能

①為人的呼吸與烹調等提供充足的氧氣量;②防止過量的二氧化碳;③防止不愉快的氣味;④保證室內由于燃燒采暖或烹調設備產生的CO及其他有害氣體低于有害健康的水平。

在一般居室的普通建筑物,空氣中氧和二氧化碳含量波動對健康的影響并不大。W inslow認為只有在空氣中的含氧量低于16～18%,二氧化碳含量增加到1～2%時才會產生有害作用。正常值的含氧量與二氧化碳含量各為21%與0.03～0.04%.但建筑物內氧氣及二氧化碳的波動很少超過1%。因二氧化碳的濃度最易測定,因此一般用二氧化碳的濃度作為衡量的一個間接指標。為保持室內二氧化碳的濃度低于0.5%(取為0.45%)的水平,則每人所需的新鮮空氣量Q(m3/hr)為:

其中q為每人產生的二氧化碳量,單位為(L/hr)

(1)對腦力勞動者:q=18L/hr;Q=4m3/hr·perman

(2)對體力勞動者:q=54L/hr;(對新陳代謝率為3 000KCa/hr的勞動者)Q=12m3/hr·perman按照二氧化碳濃度為0.45%標準供應新鮮空氣是不足以消除氣味及工業(yè)污染物。對此,在住宅、辦公樓、學校建筑的最低通風標準,建議采用二氧化碳含量為0.2%。至于家居中由于使用煤氣爐、炭火盆等無煙道的加熱設備時,可產生的一氧化碳是有毒害的,空氣中含量達到0.3%即有害人的健康,國外規(guī)定含量為0.01%～0.003%。為了達到家居的健康通風。各國規(guī)定了最低通風率,以小時換氣次數(shù)或換氣量(m3/hr)表示。

表2 不同國家要求的最低通風率

實際上通過門窗的縫隙,由于室內外溫差作用,通過每米長度縫隙,氣流量可達1.7m3/hr,對普通公寓,已達到甚至超過最高需要量。

用換氣量為規(guī)定:在低風速,低溫差的條件下,最少的換氣次數(shù)約為0.7times/hr。對于150m3體積的公寓套間,相當于換氣量為100m3/hr,足以防止對健康產生危害了。

3.2 熱舒適通風的功能

其功能是向室內提供舒適的熱環(huán)境。

健康通風與氣候條件無關,熱舒適通風則要取決于建筑內部的溫度與水蒸汽壓力。它是以通風氣流的形式加以規(guī)定,而不是像健康通風那樣使用換氣量或換氣次數(shù)來規(guī)定。因為通氣率和氣流速度取決于以下二個條件:

(1)氣流流動的形式。氣流率低的紊流可能會在室內人的活動區(qū)形成較高的平均氣流速度,而直接通過房間天花板下面的氣流率高的層流可能產生低的平均氣流速度。

(2)室內空間的幾何形狀及其開口的位置。室內空間及其開口是否具有符合流體流動的伯努利效應的幾何形狀。當進風窗開口與出風窗開口位于較窄的室夾壁的兩端時,可能會獲得較高的氣流速度。如果窗戶設在較寬的居室夾壁的兩端時,氣流速度就較小。

決定舒適的二個因素:①排汗率<100g/hr;②皮膚沒有濕汗,濕汗對濕度及氣流速度非常敏感,濕度增加,濕汗增加。氣流速度增加,濕汗減少。在熱環(huán)境中停留時間長,濕汗就增加。

舒適與環(huán)境溫度的關系:為取得相同的散熱效果,當環(huán)境溫度升高與體溫間的溫差逐漸減少時,必然需求空氣氣流速度增加,這種關系一直保持到二者沒有溫差之前。當環(huán)境溫度超過體溫時,增加氣流速度,就因對流提高了熱效應,此時最終的熱效應由濕度,新陳代謝率,衣著條件來決定。

濕度,新陳代謝,衣著條件與氣流速度的關系:①當濕度低,新陳代謝率低(休息狀態(tài)),衣著單薄時,氣流速度低為宜;②當濕度與新陳代謝率高,衣著較厚,需要較高的氣流,當生理與感覺上的要求一致時,即可確定最佳的氣流速度。

3.3 使建筑物降溫的通風

建筑物除地基部分外,其余表面完全暴露在外界的大氣中,直接受到外界氣溫影響。當建筑物無通風時,室內氣溫直接受到下列因素的影響:①圍護結構內表面的溫度;②外墻表面的顏色,深色易吸熱,淡色易反射熱;③整個墻體的熱容量與熱阻的乘積大小。乘積越大表示熱慣性越大。

有通風時,室內空間所增減的熱量Q(KCa1/hr)與通風率V(m3/hr),空氣的體積熱容量Ca=0.28KCa1/m3℃,室內外溫差(ti-t0)的關系為

如已知Q,要求(ti-t0)達到某一定值,由上式可求得通風率V。

表3 通風對外墻體表面不同顏色建筑的降溫作用

對每一種材料,墻身較薄,持續(xù)通風對最高溫度降溫作用較大。對每一種厚度,熱阻和熱容量較低的墻身,通風的降溫作用較大。通風的效果取決于:通風的時間段,如在傍晚或夜間,一般室溫高于室外,此階段通風可降溫。建筑設計的方方面面,如外墻表面的顏色,窗的尺寸大小,以及遮陽條件。如建筑的外墻為白色或淡色,其材料的熱阻及熱容量較大,窗戶較小且具有遮陽裝置,則日間的室內氣溫就低于室外。如果此時通風室溫就升高。條件相反時,日間的室溫會高于室外,如果此時通風室溫就降低。

通風與氣候的關系。某地的氣候又與當?shù)氐乩憝h(huán)境,所處地理緯度以及季節(jié)有關。具體地分別來考慮:

在干旱地區(qū)或干冷季節(jié):此時當?shù)氐氖彝鈿鉁氐?絕對濕度與水蒸汽壓力必然也低。這時就要限制室外空氣進入室內,以求室內氣溫不致過低,節(jié)約取暖的能源。但要注意室外空氣進入室內后被加熱,而使其相對濕度降低,引起感覺不適,要注意加濕。在這種需要限制外界冷空氣入室的居住的環(huán)境,為去除室內多種令人不適的氣味(人味及食品,雜物味),并提供必須的新鮮空氣,防止過多的有害CO,CO2,就需要保持最低水平換氣率的通風。

在冬季潮濕地區(qū):對造價較低的住房,采暖方式采用無煙道的取暖設備。常傾向于降低通風率以求室溫不至過低。但在這種情況下要注意蒸汽凝結的產生,解決的方法是在廚房浴室等產生蒸汽的地方設置排風設備。室內在低通風率的條件下,也可降低水蒸汽的壓力。

在炎熱地區(qū)或炎熱季節(jié):通風的主要作用是氣體通過人體時,帶走人體發(fā)出的熱量以及蒸發(fā)的汗氣以增加人的舒適感。

在濕熱地區(qū):應提供2m/s的氣流速度,在建筑設計上要盡量利用建筑學上的科研成果,使其取得最佳的通風條件,達到上述的風速要求。

在干熱地區(qū):當白天室內氣溫不超過保持人體舒適的溫度,則把白天需要的通風量減少至能夠排除室內產生氣味的最低限度。在傍晚,對氣流的要求是降低室內氣溫以抵消室內的內表面的熱量。這類地區(qū)的傍晚及夜間的室外溫度不高,氣流速度達1m/sec就差不多了。從節(jié)能角度考慮,建筑物內通風,當然由物理原理可決定的自然通風為最佳選擇。由物理原理而引起自然通風,是由下述二種物理現(xiàn)象所引起的。

4 物理原理而引起自然通風

建筑物二側存在壓力梯度而引起。其壓差可由外部風的作用或室內、外的溫度梯度而引起。由物理學中流體的伯努利能量守恒原理而引起氣體流速度化。這種通風現(xiàn)象的形成可以由內部房間的結構形狀所決定。建筑物內部的實際的自然通風是由氣壓與溫差二種因素綜合作用的結果。這二種作用可能是互相疊加,也可能是互相抵消。通過開口處的氣流量與綜合壓力差的平方根成正比,即使二者疊加,其流量僅比比較大的單獨作用氣流量多出40%而已。

由熱壓引起的氣流量Q可由下列關系求得

其中K=常數(shù),決定于開口的阻力,對標準開口,美國建議K=9.4(英制單位),則上式為

其中h=氣流壓頭;Δt=室內外溫差;A=開口截面積。K如用公制,則

熱壓取決于室內外溫差,及氣流通道高度h,一般h=2m必須有相當大的溫差,才有實際意義。這種較大的溫差只存在于寒冷地區(qū)。在夏季,要利用它,就嫌小了。只有在廚房、浴室及廁所設有垂直等管道作為通風之用是一個例外,因為此時h可達幾層樓高,自然通風自然產生。

5 展望

科技發(fā)展是無止盡的。住宅建筑科學的發(fā)展也是如此。特別是最近一系列新材料;如綠色材料、各種各樣的保溫,隔熱、保濕材料、新方法的不斷創(chuàng)新,再生能源的充分利用,智能化儀器設備的發(fā)展,會使得住宅建筑朝著更加環(huán)保、更加沿著環(huán)境與人的健康相和諧的方向不斷發(fā)展。

[1]OSBORNE,W.C.,Fans(lst edn.),Pergamon Press,1966.

[2]Trane Air ConditioningManual,281,Trane Co.,USA,revised 1965.

[3]Fan Engineering(6th edn.),Buffalo Forge Co.USA,1961.

[4]C.E.A.W inslow.Objectives and standardsof ventilation,ASHVE J.,Vol.32,March 1926,PP.113～152.

[5]黃晨.建筑環(huán)境學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[6]姚運先.室內環(huán)境污染控制[M].北京:中國環(huán)境科學出版社,2007.

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A

1673-288X(2010)06-0018-05

黃仕雄(1960—)男,南京人,教師,主要從事環(huán)境藝術、景觀建筑設計。