哈爾濱地區(qū)人體熱舒適與熱適應(yīng)現(xiàn)場研究

王昭俊，李愛雪，何亞男，楊 威

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱)

隨著生活水平的提高，人們對室內(nèi)熱環(huán)境的熱舒適性要求越來越高，暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗也隨之增加.冬季降低室內(nèi)采暖溫度可以節(jié)約采暖運行費用，但室內(nèi)采暖溫度的降低不應(yīng)以犧牲人體熱舒適性為代價.研究表明，室外溫度越低，人對于冷環(huán)境的適應(yīng)性就越強(qiáng)，對偏熱環(huán)境的適應(yīng)性就越差.因此，冬季不宜將室內(nèi)溫度維持過高，這樣既不舒適，又浪費能量［1］.冬季居民的熱中性溫度與室內(nèi)平均室溫接近，說明人的熱經(jīng)歷對熱中性溫度有顯著影響［2－5］.不同季節(jié)人的熱中性溫度不同［6－8］.人體與熱環(huán)境是交互作用的結(jié)果，人的熱經(jīng)歷會影響人體熱反應(yīng)，而人體也會通過生理調(diào)節(jié)、行為調(diào)節(jié)和心理調(diào)節(jié)主動適應(yīng)熱環(huán)境的變化［9-10］.因此，如何充分利用人體對熱環(huán)境的適應(yīng)能力，合理設(shè)定該地區(qū)不同采暖階段適宜的采暖溫度值得考究.此外，嚴(yán)寒地區(qū)冬季外窗冷輻射對人體熱感覺影響較大，但其對人體不同部位熱感覺影響差別尚需系統(tǒng)研究.

1 研究方法

本研究的主要目的是考察哈爾濱市采暖期間冬季與春季教室的室內(nèi)熱環(huán)境與熱適應(yīng)性;考察冬季冷輻射對人體局部熱感覺的影響.采用隨機(jī)抽樣調(diào)查的方法，冬季與春季選擇同一所教學(xué)樓.在選擇樣本時，考慮了受試者距外窗距離、教室朝向、樓層等因素.本次調(diào)查于2010年12月到2011年1月冬季、2011年4月春季兩個階段進(jìn)行.冬春季節(jié)均處于采暖期.冬季和春季測試期間的室外日平均氣溫分別為－24.3～-15.1℃和4.0～20.0℃.現(xiàn)場調(diào)查包括對哈爾濱市某大學(xué)校園教室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量，同時對學(xué)生進(jìn)行熱感覺與熱舒適問卷調(diào)查.冬季和春季各收集了200份調(diào)查表.

1.1 環(huán)境參數(shù)測量

本次測試中使用的儀器主要有Testo425熱線風(fēng)速儀，TES1360溫濕度計和熱電偶溫度計.其中，熱線風(fēng)速儀用于測量空氣溫度和風(fēng)速，溫度測量精度為±0.5℃，風(fēng)速測量精度±0.03m/s.TES1360溫濕度計用于測試空氣相對濕度，測量精度為±2%;熱電偶溫度計用于測試圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度，測量精度為±0.2℃.

根據(jù)房間或區(qū)域面積確定測點數(shù).測點布置距離外墻、外窗應(yīng)大于或等于0.5m.本次測試測點布置是根據(jù)房間面積大小，分別取1～3個測點.測點均勻布置在教室內(nèi)，若取3個測點，則分別布置在房間的前、中、后3處.測試期間受試者皆處于坐姿，每個測點的空氣溫度、空氣流速分別在距離地面0.1、0.6、1.1m處測量，取平均值.相對濕度在距離地面1.1 m處測量.

窗戶、外墻的溫度分別測試5個點，取其平均值;內(nèi)墻和地面在其中心位置各測試1個點;由于測試條件有限，屋頂溫度沒有測試，取地面溫度值.平均輻射溫度是采用房間各個墻面、外窗、地面的溫度平均值，按其對應(yīng)的面積加權(quán)計算.

1.2 主觀調(diào)查

請受試者填寫調(diào)查表并對教室熱環(huán)境進(jìn)行主觀評價，內(nèi)容包括:1)背景調(diào)查，如性別、年齡、在哈爾濱市居住時間等;2)著衣量和活動量調(diào)查;3)總的熱感覺，采用ASHRAE 7點標(biāo)度;4)后背、肩膀、頭部、手、腳、腿局部冷感覺;5)濕感覺，采用7點標(biāo)度;6)改善室內(nèi)熱環(huán)境的措施調(diào)查，如開門窗通風(fēng)、增減衣服等.

2 客觀調(diào)查結(jié)果與分析

2.1 人員背景

冬季男性為146名，女性為54名，受試者的平均年齡為19.7歲，在哈爾濱市居住的平均時間為3.3a.春季男性為138名，女性為62名，受試者的平均年齡為19.8歲，在哈爾濱市居住的平均時間為3.6a.

2.2 新陳代謝率

因調(diào)查時受試者主要坐著看材料和回答問題，故新陳代謝率定為64W/m2.在調(diào)查過程中，詳細(xì)記錄了受試者的衣著情況，并按照文獻(xiàn)［11-12］，計算受試者所穿服裝的熱阻值.調(diào)查中受試者的座椅一般為木椅子，其附加的熱阻值為0.15clo［13］.冬季和春季受試者服裝熱阻平均值分別為1.04clo和0.77clo.

2.3 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果見表1和表2.其中:ta為室內(nèi)空氣溫度，t為外窗表面溫度，tr為平均輻射溫度，to為操作溫度，φ為相對濕度，v為空氣流速，Icl為熱中性服裝及座椅的熱阻.

表1 冬季室內(nèi)環(huán)境及服裝熱阻參數(shù)

表2 春季室內(nèi)環(huán)境及服裝熱阻參數(shù)

冬季與春季相比，室內(nèi)空氣溫度平均值分別為22.8℃和25.4℃;相對濕度分別為29.8%和19.5%;風(fēng)速分別為0.12 m/s和0.16 m/s;操作溫度分別為21.5℃和24.9℃.冬季外窗表面溫度為8.6～13.5℃，平均值為11.2℃;而春季外窗表面溫度為20.1～24.1℃，平均值為21.9℃.冬季外窗平均溫度比春季的低10.7℃.且冬季外窗表面溫度顯著低于其室內(nèi)空氣溫度;而春季外窗表面溫度與其室內(nèi)空氣溫度差別不大.

3 主觀調(diào)查結(jié)果與分析

3.1 熱感覺

以空氣溫度作為室內(nèi)熱環(huán)境評價指標(biāo)，冬季對v≤0.15 m/s的樣本(占樣本總數(shù)97.5%)進(jìn)行回歸分析，以空氣溫度0.5℃為組距，統(tǒng)計在此區(qū)間的熱感覺投票，并計算平均值［2］.然后進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸統(tǒng)計分析，得到冬季平均熱感覺投票值和空氣溫度線性擬合的結(jié)果見圖1，線性回歸方程為

式中:VMST為平均熱感覺度.令VMST=0，可得熱中性溫度為22.6℃.

由于春季室內(nèi)的溫度較高，人們希望有點風(fēng)，吹風(fēng)感投票很低.對200份樣本進(jìn)行回歸分析，得到春季平均熱感覺投票值和空氣溫度線性擬合關(guān)系為

計算可得熱中性溫度為21.7℃.用F檢驗對回歸方程(1)、(2)的顯著性進(jìn)行分析，可得冬季和春季的顯著性水平分別為0.005和0.1，說明線性回歸方程是顯著的.用t檢驗對冬季和春季的熱中性溫度的差異性進(jìn)行分析，可得t0=8.37，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2.58(顯著性水平為0.01時對應(yīng)值)，說明冬季與春季的熱中性溫度有非常顯著的差異.

圖1 隨季節(jié)變化熱感覺與空氣溫度的關(guān)系

3.2 熱適應(yīng)

人對熱環(huán)境的適應(yīng)性與季節(jié)性密切相關(guān)，圖1為冬季和春季平均熱感覺隨室內(nèi)空氣溫度變化.可見，冬季的熱中性溫度為22.6℃，與冬季室內(nèi)平均溫度22.8℃相近.而春季的熱中性溫度為21.7℃，與春季室內(nèi)平均溫度25.4℃相差較大.冬季與春季相比，室內(nèi)溫度低2.6℃，但冬季熱中性溫度比春季的高0.9℃.

由于哈爾濱冬季采暖期長達(dá)6個月，人們在生理上和心理上已經(jīng)逐漸適應(yīng)了哈爾濱漫長冬季的室內(nèi)熱環(huán)境;而哈爾濱的春季短暫，春季由于天氣漸漸變暖，而室內(nèi)供熱量未及時進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致室內(nèi)溫度過高，人們尚未適應(yīng)偏熱的環(huán)境.人們期望室內(nèi)溫度低些，熱中性溫度相對較低.

由圖1可見，當(dāng)空氣溫度低于24.2℃時，冬季熱感覺低于春季熱感覺;而當(dāng)空氣溫度超過24.2℃時，冬季熱感覺高于春季熱感覺.這說明在偏暖的環(huán)境中，冬季人們更容易感到熱.由于哈爾濱市冬季室外溫度低，人們對哈爾濱市寒冷的室外氣候形成一定的適應(yīng)性，如果室內(nèi)溫度過高，人們會感覺更加不適.本文研究結(jié)果在一定程度上提供了該地區(qū)冬季和春季熱適應(yīng)的證據(jù).開門窗、喝熱水、活動是受試者首選的調(diào)節(jié)方式，冬季加衣服、春季減衣服也是選擇頻率較高的方式.

3.3 冷輻射對人體熱感覺的影響

由于冬季測試期間外窗表面的平均溫度為11.2℃，明顯低于春季外窗表面平均溫度21.9℃，而且冬季外窗表面溫度顯著低于其室內(nèi)空氣溫度;而春季外窗表面溫度與其室內(nèi)空氣溫度差別不大.因此，本文僅分析冬季外窗冷輻射對人體熱感覺的影響.按照冬季受試者與外窗的距離，對樣本進(jìn)行分組統(tǒng)計分析.其中距外窗0.7～1.4 m(距外窗的平均距離為1.2 m)設(shè)為1組，樣本數(shù)為105個，占樣本總數(shù)的52.5%.其他樣本作為對照組，樣本數(shù)95個.

圖2為局部冷感覺分布頻率圖.可見靠窗組受試者的局部冷感覺明顯高于對照組受試者的.將兩組數(shù)據(jù)相同部位冷感覺的頻率相加，從高到低依次為:肩部(12.88%)、后背(12.78%)、腳(11.53%)、腿 (11.53%)、手 (8.57%)、頭(4.76%).原因是肩部和后背對冷感覺比其他部位更加敏感，而頭部更適應(yīng)偏冷的環(huán)境.

圖2 局部冷感覺分布頻率

4 討論

4.1 室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)的選取

哈爾濱市冬季室外氣溫低，外窗、外墻冷輻射對人體熱感覺影響較顯著.而操作溫度反映了人體與空氣對流換熱以及人體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射換熱的綜合作用，宜采用操作溫度作為室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)，綜合評價室內(nèi)空氣溫度和輻射溫度對人體熱感覺的影響.哈爾濱市春季和秋季室外氣溫逐漸升高，外窗、外墻冷輻射對人體熱感覺影響不明顯，采用空氣溫度作為室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)，簡單、便于操作.以操作溫度作為室內(nèi)熱環(huán)境評價指標(biāo)，對冬季v≤0.15 m/s的樣本重新進(jìn)行回歸分析，冬季操作溫度和平均熱感覺線性擬合方程為

熱中性溫度為20.5℃(以操作溫度表示).熱中性溫度體現(xiàn)了人體對熱環(huán)境的適應(yīng)性，故熱中性操作溫度應(yīng)與室內(nèi)操作溫度的平均值相近.在哈爾濱地區(qū)，由于冬季外窗、外墻冷輻射的影響，操作溫度一般比室內(nèi)空氣溫度低.因此，計算得到的熱中性操作溫度20.5℃比熱中性空氣溫度22.6℃低.

4.2 與哈爾濱市其他現(xiàn)場研究比較

近20a哈爾濱市冬季熱舒適現(xiàn)場研究統(tǒng)計結(jié)果見表3，其中tw為室外空氣平均溫度.可見2000年冬季是近40a最寒冷的冬季，測試期間室外氣溫為－29.5～-15.5℃;2010年冬季測試期間室外氣溫為－24.3～15.1℃，較冷;2009年冬季測試期間室外氣溫為-16.8～10.5℃，較暖.室內(nèi)空氣溫度平均值由1990年的17.47℃提高到了2010年的22.8℃，提高了約5.3℃.1990年熱中性溫度為17.69℃;2000年熱中性操作溫度為21.5℃;2010年熱中性操作溫度為20.5℃，熱中性空氣溫度為22.6℃.

表3 哈爾濱市冬季熱舒適現(xiàn)場研究結(jié)果

由于20a前冬季采暖期間室內(nèi)空氣溫度普遍較低，為17.47℃，人們期望提高冬季的室內(nèi)空氣溫度.隨著生活水平的提高，2000年冬季采暖期間平均室內(nèi)空氣溫度提高到20.1℃，由于人的熱適應(yīng)性，此時的熱中性溫度也比10a前提高了約3.8℃.到2010年，冬季采暖期間平均室內(nèi)空氣溫度提高到22.8℃，熱中性空氣溫度又上升了1.1℃.近20a隨著室內(nèi)空氣溫度的升高，服裝熱阻由1.74clo下降到了1.04clo.

4.3 冬季熱適應(yīng)模型

將1990年、2000年、2009年和2010年冬季測試的室內(nèi)平均溫度和計算得到的熱中性溫度進(jìn)行回歸分析，得到冬季熱適應(yīng)模型見圖3.擬合方程如下為

由表3和圖3可見，在熱舒適溫度范圍內(nèi)，冬季的熱中性溫度與測試期間室內(nèi)平均溫度呈線性關(guān)系，即隨室內(nèi)平均溫度升高而增加.說明人們以往的熱經(jīng)歷和熱暴露對人體熱感覺有很大影響.由于哈爾濱冬季漫長，人們已經(jīng)從生理上和心理上充分適應(yīng)其所處的熱環(huán)境了.但當(dāng)春季室內(nèi)溫度明顯超出熱舒適范圍時，熱中性溫度與室內(nèi)平均溫度便不成正相關(guān)的關(guān)系.

圖3 熱中性溫度與室內(nèi)平均溫度的關(guān)系

圖4為服裝熱阻與室內(nèi)平均溫度的關(guān)系圖.圖中的4個點分別表示1990年、2000年、2009年和2010年冬季的測試結(jié)果.擬合方程為

圖4 服裝熱阻與室內(nèi)空氣溫度的關(guān)系

可見，冬季的服裝熱阻與測試期間室內(nèi)平均溫度呈線性關(guān)系，即隨室內(nèi)平均溫度升高而減少.這說明人們可采取增減衣物的措施主動適應(yīng)室內(nèi)熱環(huán)境的變化，這是行為調(diào)節(jié)的直接形式.

4.4 不同采暖階段適宜的采暖溫度

基于以上調(diào)查，2000年冬季的熱中性操作溫度為21.5℃.本次調(diào)查冬季的熱中性操作溫度為20.5℃，下降了1.0℃;熱中性空氣溫度為22.6℃，上升了1.1℃.

由于我國采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范中僅對冬季采暖房間的空氣溫度有要求，而對平均輻射溫度沒有要求，且實際應(yīng)用中也不能控制輻射溫度，故本文重點分析以空氣溫度作為熱環(huán)境評價指標(biāo).冬季熱中性溫度的提高，主要由于近年來冬季室內(nèi)溫度提高了.在熱舒適溫度范圍內(nèi)，由于人的熱適應(yīng)性，冬季熱中性溫度與平均室內(nèi)空氣溫度很接近.由于哈爾濱冬季漫長，人們已經(jīng)從生理上和心理上充分適應(yīng)其所處的熱環(huán)境了.由前面分析可知，當(dāng)空氣溫度超過24.2℃時，冬季熱感覺高于春季熱感覺.這說明在偏暖的環(huán)境中，冬季人們更容易感到熱.由于冬季室外溫度低，人們對哈爾濱市寒冷的室外氣候形成一定的適應(yīng)性，如果室內(nèi)溫度過高，人們會感覺更加不適.這與文獻(xiàn)［1］的結(jié)論一致.

而在春季，由于室外溫度提高，而供熱量不變，故室內(nèi)空氣溫度較高，人們普遍感覺偏熱，因此人們期望室內(nèi)溫度降低，熱中性溫度偏低.此外，由于春季室內(nèi)空氣溫度比冬季的高，春季平均相對濕度比冬季低10.3%，從而也引發(fā)了人們的不適感.另一方面，冬季和春季由于室內(nèi)過熱，人們主要通過開窗降溫，既不舒適，又浪費能源.為了節(jié)能降耗，同時也可充分發(fā)揮人的適應(yīng)性，可適當(dāng)降低冬季和春季采暖末期室內(nèi)溫度.

由于秋季采暖前，人們心理期望室內(nèi)溫度高些［6，8］，因此熱中性溫度偏高，建議采暖初期適當(dāng)提高室內(nèi)溫度.

5 結(jié)論

1)冬季熱中性溫度為22.6℃，與冬季室內(nèi)平均溫度22.8℃很接近.春季熱中性溫度為21.7℃，而春季室內(nèi)平均溫度為25.4℃.

2)當(dāng)空氣溫度超過24.2℃時，冬季熱感覺高于春季熱感覺.在偏暖的環(huán)境中，冬季人們更容易感到熱.

3)靠窗組受試者的局部冷感覺明顯高于對照組受試者.人體局部冷感覺出現(xiàn)的頻率從高到低依次為:肩部、后背、腳、腿、手、頭.

4)因冬季采暖中期和春季采暖末期室溫過高，既不舒適，又浪費能源.宜充分利用人對熱環(huán)境的適應(yīng)性，適當(dāng)降低冬季和春季采暖末期室內(nèi)溫度.秋季人們心理期望室內(nèi)溫度高些，建議采暖初期適當(dāng)提高室內(nèi)溫度.

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