夏熱冬冷地區(qū)夏季居民熱舒適調(diào)查及開窗行為模型研究

陳偉煌,李司秀

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州510010)

0 引言

人類生產(chǎn)和生活越來越多地受到建筑室內(nèi)環(huán)境的影響,提供舒適的室內(nèi)環(huán)境已經(jīng)成為當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵課題。建筑用戶可以通過門、窗、窗簾、照明設(shè)備以及供熱、制冷等建筑部件和室內(nèi)設(shè)備的控制來調(diào)節(jié)室內(nèi)的舒適度。已有研究人員通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)用戶不同的生活習(xí)性對(duì)建筑能耗產(chǎn)生重要影響,因此弄清楚居民對(duì)不同建筑部件和室內(nèi)設(shè)備的控制規(guī)律是相當(dāng)重要的[1-2]。

迄今為止,國外已經(jīng)開展了許多關(guān)于不同氣候條件下居民對(duì)窗戶開關(guān)控制行為的研究[3-8],但是國內(nèi)這方面的研究還處于空白狀態(tài)。中國夏熱冬冷地區(qū)夏季高溫高濕冬季濕寒陰冷,居民習(xí)慣全年采用自然通風(fēng)或者換氣,因此,研究居民的開窗行為對(duì)建筑節(jié)能和提高居民熱舒適具有重要的意義。

本文的研究目的是通過測(cè)試調(diào)查方法研究夏熱冬冷地區(qū)夏季居民的開窗行為模型,了解居民的熱舒適狀況和分析室內(nèi)外溫度、居民的行為方式和一天中不同的時(shí)刻等因素對(duì)居民開窗行為的影響程度,并推導(dǎo)出居民開窗概率與室內(nèi)、外溫度之間的關(guān)系式。

1 調(diào)查內(nèi)容及方法

1.1 測(cè)試地點(diǎn)

測(cè)試地點(diǎn)是一座三層的高校辦公大樓,位于長沙市,地處夏熱冬冷地區(qū)。本次調(diào)查選取了該辦公大樓的五間辦公室進(jìn)行測(cè)試,其中兩間為采用自然通風(fēng)的辦公室,三間為使用空調(diào)的辦公室,空調(diào)一般開啟的時(shí)間為上午8點(diǎn)至下午5點(diǎn)。每間辦公室的建筑類型、朝向、窗戶的類型以及人數(shù)情況見表1。

表1 測(cè)試房間的情況

1.2 測(cè)試時(shí)間與天氣狀況

測(cè)試時(shí)間為2008年6月20日至9月20日。此時(shí)長沙處于夏季,該地區(qū)夏季氣候有兩個(gè)特點(diǎn):一是漫長酷熱,高溫高濕;二是降水不均,旱澇無定。在調(diào)查期間,室外最低溫度19.0℃,最高溫度42.7℃,整個(gè)測(cè)試期間的平均室外溫度為29.2℃;室外相對(duì)濕度很高,其平均值為75.7%。

1.3 調(diào)查方法

調(diào)查分兩種方式同時(shí)進(jìn)行:一種是對(duì)室內(nèi)外物理參數(shù)的測(cè)量;另一種是主觀調(diào)查,采取問卷調(diào)查的形式。

1.3.1 物理參數(shù)測(cè)量

測(cè)量房間內(nèi)空氣溫度和相對(duì)濕度采用的是Testo 175-H2溫濕度自記儀,室外的溫濕度以及風(fēng)速的測(cè)量則由安裝在該測(cè)試辦公大樓屋頂?shù)谋銛y式氣象站來完成,房間內(nèi)人員的在室情況以及窗戶的開關(guān)狀態(tài)則由安裝在每個(gè)房間的開窗行為計(jì)時(shí)器來檢測(cè)。整個(gè)測(cè)試期間所有的測(cè)試儀器都是24小時(shí)日夜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.3.2 主觀調(diào)查

在整個(gè)測(cè)試期間,采用每周一次的主觀問卷調(diào)查,請(qǐng)受試者填寫調(diào)查表并對(duì)房間熱環(huán)境進(jìn)行主觀評(píng)價(jià),每次測(cè)試的對(duì)象為五個(gè)測(cè)試房間內(nèi)的所有人。調(diào)查問卷的內(nèi)容包括:1)受試者背景資料,如性別、年齡、在該城市居住的時(shí)間等;2)調(diào)查時(shí)受試者的著衣情況;3)受試者離窗戶的距離;4)調(diào)查時(shí)受試者的熱感覺,熱感覺投票值采用ASHRAE的7級(jí)指標(biāo)表示 (+3很熱,+2熱,+1較熱,0適中,-1較冷,-2冷,-3很冷)[9];5)調(diào)查時(shí)受試者對(duì)此時(shí)環(huán)境的相對(duì)濕度的評(píng)價(jià)指標(biāo) (+3很干,+2干,+1較干,0適中,-1較濕,-2濕,-3很濕)[10];6)受試者一般通過何種控制方式來調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱舒適。

2 調(diào)查結(jié)果和討論

2.1 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)

對(duì)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2,Tin為室內(nèi)溫度,Tout為室外溫度,φin為室內(nèi)相對(duì)濕度,φout為室外相對(duì)濕度,v為室外風(fēng)速。由表2可見,整個(gè)測(cè)試過程室外處于高溫高濕、悶熱無風(fēng)的氣候條件,而空調(diào)房間內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度都小于自然通風(fēng)房間。

圖1 溫度和時(shí)間百分比的關(guān)系

整個(gè)測(cè)試期間每個(gè)房間的室內(nèi)溫度和室外溫度超過某一溫度的時(shí)間百分比見圖1。由圖1可見,室外溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于室內(nèi)溫度的溫度作用范圍,空調(diào)房間比自然通風(fēng)房間具有較低的室內(nèi)溫度條件,而窗戶的朝向在本次調(diào)查中對(duì)相同類型的房間室內(nèi)溫度的影響不是很明顯。因此在后面的研究過程中,本文只對(duì)自然通風(fēng)房間和空調(diào)房間進(jìn)行比較分析。

表2 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)的概況

2.2 衣服熱阻

眾所周知,人們會(huì)自覺地根據(jù)天氣的變化增減服裝,以適應(yīng)不同的溫度條件。在本次測(cè)試中發(fā)現(xiàn)該地區(qū)夏季人們普遍喜歡穿短袖、短褲、短裙、涼鞋或者拖鞋等比較輕便、涼快的服裝和鞋子。通過調(diào)查分析得到自然通風(fēng)房間和空調(diào)房間用戶的平均服裝熱阻分別為0.32clo和0.35clo,但并沒有發(fā)現(xiàn)衣服熱阻和居民開窗行為之間明顯的關(guān)系。我們認(rèn)為這是由于該地區(qū)夏季溫度普遍很高,居民的著裝已經(jīng)減少到我們文化道德所能接受的程度,而且人們每天的著裝類型差異并不明顯,所以夏季居民的著裝和開窗行為之間并無規(guī)律可尋。

2.3 居民的行為方式

研究居民的行為方式要確定兩個(gè)因素:一是居民一天的在室情況[11],二是居民一天不同時(shí)刻的開窗狀況。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法,居民一天不同時(shí)刻的在室情況和開窗狀況見圖2和圖3。結(jié)合圖2和圖3我們可以得到:室內(nèi)人員一般都是每天第一次到達(dá)辦公室時(shí)開窗,最后一次離開辦公室時(shí)關(guān)窗,中途的離開不會(huì)導(dǎo)致窗戶狀態(tài)的變化。在整個(gè)辦公時(shí)間段自然通風(fēng)房間的窗戶基本處于全開狀態(tài),而且變化不大;而空調(diào)房間在上班之后隨著時(shí)間的推移開窗概率慢慢的減少,中午12點(diǎn)之后基本處于平穩(wěn),而后在下午6點(diǎn)左右開窗概率又有所增加,這主要是受到空調(diào)房間內(nèi)空調(diào)起停時(shí)間的影響。

2.4 熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)開窗行為的影響

2.4.1 室內(nèi)溫度感覺

當(dāng)室內(nèi)的環(huán)境溫度使居民感到不舒適時(shí),自然通風(fēng)房間的居民往往除了開窗之外,還采用電風(fēng)扇、手持扇等方式來降溫;而空調(diào)房間的居民則大多通過關(guān)窗和開啟空調(diào)器的方式來滿足需求。自然通風(fēng)和空調(diào)房間居民對(duì)房間內(nèi)溫度感覺的投票結(jié)果見圖4。通過問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到:88.56%的空調(diào)房間室內(nèi)人員對(duì)室內(nèi)溫度感覺的投票值集中在-1和+1之間,而自然通風(fēng)房間室內(nèi)人員在該范圍的投票比例卻只有64.99%,還有32.69%的室內(nèi)人員認(rèn)為自然通風(fēng)房間的環(huán)境溫度熱或很熱。

2.4.2 室內(nèi)相對(duì)濕度感覺

熱舒適標(biāo)準(zhǔn)推薦的相對(duì)濕度 φ=35%～70%,而實(shí)際調(diào)查中兩種建筑類型房間的相對(duì)濕度都基本在34%～89%之間波動(dòng)。自然通風(fēng)和空調(diào)房間居民對(duì)房間內(nèi)相對(duì)濕度感覺的投票結(jié)果見圖5。如圖5所示,82.57%的空調(diào)房間居民投票值在-1和+1之間,而自然通風(fēng)房間只有40.37%的受試者選擇了這個(gè)范圍,有57.49%的人認(rèn)為自然通風(fēng)房間室內(nèi)的相對(duì)濕度大或者很大。這說明了夏季室外高溫高濕的氣候條件嚴(yán)重的破壞了自然通風(fēng)房間室內(nèi)居民的舒適度,而空調(diào)房間的居民可以通過關(guān)閉窗戶和開啟空調(diào)器的方式來阻擋室外的熱濕氣流,同時(shí)降低房間內(nèi)的溫度。

2.5 居民開窗行為模型的建立

本文所研究的居民開窗行為實(shí)際上是一個(gè)二分類問題 (即1代表開窗,0代表關(guān)窗),而Logistic回歸模型則可以成功的解決某個(gè)二分類的應(yīng)變量與有關(guān)自變量之間的關(guān)系,所以本文采用Binary Logistic回歸模型來研究居民的開窗行為。對(duì)于開窗數(shù)據(jù)則采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS Version 14進(jìn)行分析處理。Binary Logistic回歸分析的概率模型如下:

其中p表示開窗的概率,x表示自變量,在本文研究中它表示室內(nèi)外溫度 (即Tin和Tout),b表示自變量x的回歸系數(shù),c表示常數(shù)。表3列出了自然通風(fēng)和空調(diào)房間居民開窗概率與室內(nèi)外溫度之間數(shù)學(xué)模型,這些模型都是基于房間內(nèi)有人辦公的情況下建立的。由表3可見,空調(diào)房間和自然通風(fēng)房間室內(nèi)居民的開窗概率隨著室內(nèi)、外溫度的升高而增加,隨著室內(nèi)、外溫度的降低而減少。

運(yùn)用以上的數(shù)學(xué)模型我們可以將統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)通過圖6表示出來。由圖6可見,雖然兩種類型建筑室內(nèi)人員的開窗概率都隨著室內(nèi)外溫度的增加而增加,但是空調(diào)房間開窗概率的變化幅度明顯大于自然通風(fēng)房間,這意味夏季空調(diào)房間室內(nèi)人員開、關(guān)窗戶的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然通風(fēng)房間。

由公式 (1)可以得到:

表3 居民的開窗行為模型

如圖6(a)和 (c)所示,在不同的室內(nèi)、外溫度下,夏季自然通風(fēng)房間室內(nèi)人員的開窗概率都在80%以上,而且隨著溫度的不斷上升基本接近1,這說明夏季自然通風(fēng)房間在辦公時(shí)間段室內(nèi)窗戶基本處于全開狀態(tài);如圖6(b)和 (d)所示,隨著室內(nèi)、外溫度的增加空調(diào)房間室內(nèi)人員的開窗概率不斷的增加,而且空調(diào)房間室內(nèi)居民開窗概率隨溫度上升的幅度比自然通風(fēng)房間明顯。

2.6 居民開窗行為模型的檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)采用Binary Logistic回歸模型建立的開窗行為模型的可靠性,圖7對(duì)模型計(jì)算得到的開窗概率預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,圖7中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示在相同的室內(nèi)、外溫度下開窗概率的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值。

由圖7可得:所有擬合直線的相關(guān)系數(shù)都介于0.84～0.91之間,這說明運(yùn)用Binary Logistic回歸模型研究室內(nèi)人員的開窗概率是較為準(zhǔn)確的,同時(shí)居民的開窗行為與室內(nèi)外溫度緊密相關(guān)。

3 結(jié)論

本文通過問卷調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的研究方法,采用Binary Logistic回歸模型研究居民的開窗行為,得到了夏季居民的開窗行為與室內(nèi)、外溫度緊密相關(guān),室內(nèi)人員的開窗概率隨著室內(nèi)、外溫度的升高呈上升狀態(tài),而且空調(diào)房間室內(nèi)居民開窗概率隨溫度上升的幅度比自然通風(fēng)房間明顯。

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