住宅夏季非空調環(huán)境的人體熱適應
——個體特性

簡毅文，裴 澤，尹素菊，李 毅

(北京工業(yè)大學 a.建筑工程學院；b.應用數(shù)理學院，北京 100124)

住宅夏季非空調環(huán)境的人體熱適應
——個體特性

簡毅文a，裴 澤b，尹素菊b，李 毅a

(北京工業(yè)大學 a.建筑工程學院；b.應用數(shù)理學院，北京 100124)

為了從更細微的層面把握和認識北京地區(qū)住宅夏季非空調環(huán)境下人體的熱適應特性，從單個個體角度開展相關的分析研究。通過分析建立連續(xù)變化的室內溫濕度環(huán)境與人體對熱濕環(huán)境主觀評價的相互聯(lián)系，從人體對室內溫度、濕度的熱適應水平以及在熱適應水平上室內溫、濕度兩者的交互作用兩個方面，對住宅夏季非空調環(huán)境下單個個體熱適應特性進行較完整的分析和刻畫。并以北京城區(qū)某個居住者為例，闡述了上述的分析方法在研究個體對住宅夏季非空調室內環(huán)境熱適應特性的應用。

非空調環(huán)境；人體熱適應；個體特性；適應水平；應用

伴隨著采暖、空調系統(tǒng)普及所引發(fā)的一系列能耗、環(huán)境以及人體舒適健康的問題，自然通風環(huán)境下的人體熱適應問題近年來已受到研究者的廣泛重視，并對此開展了大量現(xiàn)場實地調研的基礎研究[1]。

首先，通過非采暖空調環(huán)境下人體實際熱感覺與采用國際熱舒適標準ISO7730和ASHRAE-1992預測結果存在明顯差異的分析發(fā)現(xiàn)[2-4]，早期的研究者提出了人體熱適應的基本理論( Adaptive Model of Thermal Comfort )[5-6]，認為人體并非是環(huán)境熱刺激的被動接受者，而是通過生理適應、心理適應以及行為調節(jié)3種方式積極主動地與熱濕環(huán)境相互作用，從而在非采暖空調的自然環(huán)境中呈現(xiàn)出與采暖空調環(huán)境下不同的熱感覺狀況。

之后，學者們針對不同氣候條件、不同功能的建筑，從多個角度對室內人體的熱適應做了廣泛的分析調研工作[7-20]。在熱適應模型建立的研究上，美國學者通過大量的數(shù)據(jù)調研和數(shù)據(jù)擬合，得到了人體可接受的舒適溫度和室外空氣平均溫度的線性函數(shù)關系，建立了被ASHRAE55-2004標準所采用的熱適應模型[11]。之后，歐洲學者利用當?shù)氐默F(xiàn)場調研數(shù)據(jù)，通過建立室內舒適溫度與周內外溫相繼平滑溫度的線性回歸方程，得到了對應于3類建筑的設計溫度取值范圍，并做為歐洲建筑設計的標準EN15251[12]。中國研究者在文獻[11]研究的基礎上，對中國主要熱工分區(qū)(嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū))的居住和辦公建筑內夏季和冬季的人體熱適應開展了細致和深入的研究，建立了對應各個地區(qū)特定建筑的人體熱適應模型[13-20]。

分析比較該領域的各項研究工作，可以發(fā)現(xiàn)，盡管建筑所處的地理位置及建筑功能各不相同，但各項研究結果所反映出的均是特定地區(qū)人群對室內環(huán)境熱適應的平均特征，如中性溫度；或是針對80%或90%人群可接受的室內環(huán)境范圍及其隨室外溫度的變化。文獻[17]的研究表示，在外溫30 ℃的情況下，夏熱冬冷地區(qū)90%和80%人群可接受的室內溫度范圍大致分別為22.0～28.0 ℃和23.2～27.8 ℃，這兩個溫度范圍的變化幅度分別為6.0 ℃和4.6 ℃。因此，研究結果所給出的是較寬泛的熱濕環(huán)境范圍。

從人體自身的角度分析，由于人體生理狀況、生活環(huán)境等因素的千差萬別，單個個體對室內環(huán)境會形成不同的熱適應狀況[21]，文獻[22-23]中不同地區(qū)人體熱適應差異的統(tǒng)計顯著性證實了上述的論點。因此，有關人體熱適應平均特征或群體熱適應范圍的分析描述會掩蓋不同個體對室內環(huán)境熱適應的差異，例如對應于80%人群23.2～27.8 ℃的溫度適應范圍，其中可能有部分人的溫度適應范圍為23.2～25 ℃，而另有部分人的范圍為26～27.8 ℃，也即這兩類人群在對室內環(huán)境的熱適應上存在明顯差異。這樣，研究結果沒有細致反映出人體對室內環(huán)境的熱適應狀況，并可能會對人體熱適應的群體特征導致不清晰的認識。

因此，有必要從個體角度開展人體對室內環(huán)境熱適應的分析和研究，以期在更細微的層面上把握和認識人體的熱適應特性。對此，通過分析建立連續(xù)變化的室內溫濕度與人體對熱濕環(huán)境主觀評價的相互聯(lián)系，從人體對室內溫度、濕度的熱適應水平以及在人體熱適應上室內溫、濕度兩者的交互作用兩個方面，對住宅夏季非空調環(huán)境下單個個體的熱適應特性進行較完整的分析和刻畫。并以北京城區(qū)某個居住者為例，闡述上述方法在研究個體對住宅夏季非空調環(huán)境熱適應特性方面的應用。

1 研究對象及數(shù)據(jù)調研

1.1 研究對象

研究個體為在北京城區(qū)已生活了7a的青年女性，身材中等偏胖，喜冷。該個體周一至周五每天乘坐45 min的公交車上下班，工作地點有室內集中空調。相對應，在住宅內的停留時間為下午6點至第2天早上8點，并且主要在裝有空調的主臥室活動，睡眠時間主要在夜間11點至第2天早上6點半。周末一般不外出。

1.2 室內環(huán)境測試

采用Testo175-H2型溫濕度自記儀，對住宅內客廳和住戶的臥室進行室內溫、濕度的連續(xù)測試和記錄，測試時間為2012年7月1日至2012年9月1日，數(shù)據(jù)記錄的時間間隔為10 min。產品的出廠證書標注該儀器的溫度精度為0.3 ℃，濕度精度為2%。測試過程沒有受到太陽輻射和室內其他熱源、濕源的直接影響。

1.3 問卷調查

問卷調查的內容主要包括：1)建筑基本信息；2)空調使用基本信息；3)個體基本信息，如性別、年齡、生活作息、在北京生活時間等；4)個體對非空調室內環(huán)境的接受狀況，包括滿意、可接受和不可接受；5)以ASHRAE7級標度(-3、-2、-1、0、1、2和3)表示的個體的熱感覺信息。

個體填寫問卷的時間主要為睡覺前的23:00和早上8:00，對晚上休息和夜間睡眠2個時間段的室內熱環(huán)境做出主觀評價。

2 調研結果分析

2.1 室內熱濕環(huán)境狀況

根據(jù)室內溫、濕度隨時間的變化，判斷出室內空調的開啟和關閉狀況，剔除出空調運行以及空調關閉2 h內的室內環(huán)境數(shù)據(jù)。在此基礎上，再依據(jù)個體所反映的生活作息，確定出個體停留室內時的非空調環(huán)境狀況，具體如圖1所示。在此條件下，室內溫度變化范圍為25～31 ℃，相對濕度主要在40%～80%范圍內變化。

2.2 室內溫濕度與個體熱感覺的關系

翻轉課堂教學模式還強調學生課后時間的利用，所以教師還要為成人大學生布置一些作業(yè)，幫助學生進一步鞏固課堂學到的知識，獲得全面發(fā)展。

對調查問卷所反饋人體熱感覺的主觀信息進行匯總分析，再結合相應時間段內的室內溫濕度數(shù)據(jù)，得到非空調自然環(huán)境下個體的熱感覺投票TSV與室內熱濕環(huán)境的相互關系，具體如圖2所示。由此發(fā)現(xiàn)，人體熱感覺在趨勢上隨著室內溫度、濕度的上升而加強，但兩者之間并非呈現(xiàn)明顯的數(shù)量關系，如在溫度28.3 ℃、相對濕度67%的熱濕環(huán)境下，出現(xiàn)了3種不同的人體熱感覺投票。

圖1 個體停留室內時的非空調環(huán)境

圖2 室內熱濕環(huán)境與人體熱感覺

于是，有必要采用統(tǒng)計學方法，從數(shù)量統(tǒng)計特征的角度，研究分析人體熱感覺與其所處室內熱濕環(huán)境之間的相互關系，研究中采用了方差分析中的雙因素法[24]。雙因素法不僅可反映單個控制因素(溫度或濕度)對觀測變量(人體熱感覺)的影響，而且還反映出兩個控制因素(溫度、濕度)在對觀測變量(人體熱感覺)影響上的交互作用。對于控制因素影響顯著性的判斷，該方法利用F檢驗，當對因素檢驗的統(tǒng)計量F大于95%置信水平下的臨界值F0.05時，則認為該因素對觀測變量具有顯著性影響。本研究中住宅夏季非空調環(huán)境下室內溫度、濕度與人體熱感覺的雙因素分析結果見表1。

結果表明，室內溫度和濕度在統(tǒng)計意義上對人體熱感覺都具有顯著影響，同時，這兩個環(huán)境參數(shù)在對人體熱感覺影響上存在明顯的交互作用。

表1 溫度、濕度與熱感覺的雙因素分析結果

2.3 個體熱適應水平的分析

以上在室內溫度、濕度對人體熱感覺影響的顯著性以及兩者在對人體熱感覺的影響上存在的交互作用兩方面反映出人體對室內環(huán)境熱適應的基本狀況。接下來的問題是：不同溫度或不同濕度水平下人體熱感覺的差異程度如何？也即，人體對室內環(huán)境的熱適應水平究竟如何？

考慮室內溫度、濕度對人體熱感覺影響的交互作用，采用頻率分析法，對溫度和相對濕度分別以0.5 ℃和5%的間隔進行劃分，得到室內環(huán)境的各個微區(qū)間。對溫度和濕度分別按0.5 ℃和5%的間隔進行劃分主要原因在于所采用溫濕度自記儀的精度，0.5 ℃和5%的間隔數(shù)值與自記儀溫度和濕度精度值的2倍基本一致。進而在各個微區(qū)間內統(tǒng)計分析不同人體熱感覺出現(xiàn)的頻率次數(shù)，具體結果如圖3和圖4所示，圖3和圖4的數(shù)據(jù)源完全一致，不同點在于前者以濕度為劃分主軸，后者則以溫度為劃分主軸。

圖3 人體熱感覺隨室內溫濕度的變化(以濕度為劃分主軸)

圖4 人體熱感覺隨室內溫濕度的變化(以溫度為劃分主軸)

根據(jù)熱舒適研究中有關人體對室內熱環(huán)境可接受的描述，本研究將只包含TSV≤1的溫濕度區(qū)間作為人體可接受的室內熱環(huán)境范圍，而將出現(xiàn)TSV≥2的溫濕度區(qū)間作為人體不可接受熱環(huán)境范圍。

圖3和圖4的結果直觀反映出人體熱感覺及人體其對室內熱環(huán)境可接受狀況隨室內溫、濕度的變化。

當室內溫度為25～27 ℃，或者相對濕度為30%～55%時，人體熱感覺為舒適或稍熱，對室內熱環(huán)境始終表現(xiàn)為可接受。此時，人體對室內熱環(huán)境的可接受狀況由單一的溫度或濕度參數(shù)所決定，室內溫度和濕度兩者之間不存在交互作用和制約。

而當室內溫度高于27 ℃、同時濕度超過55%后，人體對室內熱環(huán)境的接受狀況不再隨溫度或濕度呈現(xiàn)單一的變化。在對人體熱感覺的影響上，溫度和濕度兩者存在交互作用。在27～28 ℃的溫度范圍，相對濕度低于70%的熱環(huán)境讓人體感到可接受；但當相對濕度高于70%時，人體會出現(xiàn)熱、甚至很熱的感覺，從而對室內環(huán)境感到不可接受。也即，在27～28 ℃的溫度范圍內，相對濕度作用的分界點為70%。同樣分析得出在28～28.5 ℃溫度范圍內的相對濕度分界點為65%。溫度進一步升高到28.5 ℃以上后，人體始終感到熱或很熱，對室內熱濕環(huán)境總不可接受，此時的相對濕度分解點為55%。

因此，隨著室內溫度水平的上升，人體對室內熱環(huán)境從可接受到不可接受的相對濕度分界點也在逐漸變化。這從更細致的角度反映出室內溫度、濕度在對人體熱感覺影響上存在的交互作用。綜合分析室內溫度、濕度的影響狀況及兩者的交互作用，確定研究個體對室內溫濕度環(huán)境感到不可接受的3組起點分別為(27 ℃，70%)、(28 ℃，65%)、(28.5 ℃，55%)，具體如圖5所示。

圖5 人體可接受與不可接受的室內熱濕環(huán)境

進一步，運用統(tǒng)計學參數(shù)檢驗的t檢驗方法[24]，以人體熱感覺為被檢驗參數(shù)，分析驗證上述有關人體對室內熱濕環(huán)境熱適應水平的結論。t檢驗通過差異發(fā)生的概率來分析判斷兩個總體的均值是否存在顯著差異。當被檢參數(shù)統(tǒng)計量的雙尾概率P小于所對應的顯著性水平α時，則認為兩總體的均值有顯著性差異，否則沒有顯著性差異?；蛘邫z驗兩總體均值差的95%置信區(qū)間是否跨零,若不跨零，則認為差異性顯著；若跨零，則認為差異性不顯著。

在對應于室溫27～28 ℃的室內熱濕環(huán)境區(qū)間內，以相對濕度70%為分界，將該區(qū)域內的熱濕環(huán)境狀態(tài)及相應的人體熱感覺投票TSV劃分為兩組，對此進行參數(shù)檢驗。同樣，在室溫28～28.5 ℃以及28.5～31 ℃所對應的兩個室內熱濕環(huán)境區(qū)間內，分別以相對濕度65%和55%為分界，對各個區(qū)間內的室內熱濕環(huán)境狀態(tài)及相應的人體熱感覺投票TSV進行分組，進行參數(shù)的分析驗證。具體計算結果如表2所示。

表2 不同室內環(huán)境區(qū)間內濕度分界點的t檢驗結果

對上述3個室內熱濕環(huán)境區(qū)間，被檢參數(shù)統(tǒng)計量的雙尾概率P值均為0.00，小于顯著性水平0.05；此外，各個環(huán)境區(qū)間內兩組環(huán)境下TSV均值差的95%置信區(qū)間都不跨零。因此，計算結果從統(tǒng)計驗證的角度說明了70%的相對濕度是該個體在27～28 ℃溫度水平下對室內熱環(huán)境從可接受到不可接受的分界點，同樣，65%和55%分別是對應著28～28.5 ℃以及28.5～31 ℃溫度水平的相對濕度分界點。

3 結 論

通過分析建立連續(xù)變化的室內溫濕度環(huán)境與人體對熱濕環(huán)境主觀評價的相互聯(lián)系，可以從人體對室內溫度、濕度的熱適應水平以及在熱適應水平上室內溫、濕度兩者的交互作用兩個方面，對住宅夏季非空調環(huán)境下單個個體的熱適應特性進行較完整的分析和刻畫。

針對單個個體的研究可以在更細微的層面上把握人體對住宅夏季非空調環(huán)境的熱適應特性，從而為在更廣層面上研究和認識人體對室內環(huán)境熱適應的群體特征提供基礎。

[1] 清華大學建筑節(jié)能研究中心,中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報2009[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社 2009.

[2] Busch J F. Thermal comfort in Thai air-conditioned and naturally ventilated offices [M]. Standards for Thermal Comfort, 1995: 114-121.

[3] De D, Richard B, Gail S. Thermal comfort in naturally ventilated buildings: Revisions to Ashrae Standard 55[J]. Energy and Buildings, 2002, 34(6): 549-561.

[4] 夏一哉，趙榮義，江億. 北京市住宅環(huán)境熱舒適研究[J] 暖通空調, 1999, 29 (2): 1-5.

Xia Y Z, Zhao R Y, Jiang Y. Thermal comfort in naturally ventilated houses in Beijing[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 1999, 29(2): 1-5.

[5] Dear D, Brager R, Schiller G. Developing an adaptive model of thermal comfort and preference [J]. ASHRAE Transactions, 1998, 104 (1): 145-167.

[6] Humphreys M A, Nicol J F. Understanding the adaptive approach to thermal comfort [J]. ASHRAE Technical Data Bulletin, 1998, 14(1): 1-14.

[7] Gotoa T, Mitamurab T, Yoshinoc H, et al. Long-term field survey on thermal adaptation in office buildings in Japan [J]. Building and Environment, 2007, 42(6): 3944-3954.

[8] Hwang R L, Cheng M J, Lin T P, et al. Thermal perceptions, general adaptation methods and occupants idea about the trade-off between thermal comfort and energy saving in hot-humid regions [J]. Building and Environment, 2009, 44(3): 1128-1134.

[9] Wu Y C, Mahdavi A. Assessment of thermal comfort under transitional conditions [J]. Building and Environment, 2014,76:30-36.

[10] Mishra A K, Ramgopal M. Thermal comfort field study in undergraduate laboratories-An analysis of occupant perceptions [J]. Building and Environment, 2014, 76: 62-72.

[11] ANSI/ ASHRAE Standard 55-2004: Thermal environmental conditions for human occupancy [S]. Atlanta: ASHRAE, 2004.

[12] CEN Standard EN15251. Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings-addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics [S]. Brussels: Comite Europeen de Normalisation, 2007.

[13] Wang Z j, Li A X, Ren J, et al. Thermal adaptation and thermal environment in university classrooms and offices in Harbin [J]. Building and Environment, 2014, Available online.

[14] 曹彬，朱穎心，歐陽沁,等. 北京地區(qū)冬季室內人體熱舒適性及熱適應性調查[J] 暖通空調, 2010, 40( 5 ): 98-101.

Cao B, Zhu Y X, Ouyang Q, et al. Field research of human thermal comfort and thermal adaptability during winter in Beijing [J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2010, 40(5): 98-101.

[15] 黃莉，朱穎心，歐陽沁，等. 北京地區(qū)農宅供暖季室內熱舒適研究[J] 暖通空調, 2011, 41(6): 83-85.

Huang L, Zhu Y X, Ouyang Q, et al. Indoor thermal comfort in rural houses around Beijing in heating season[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2011, 41(6): 83-85.

[16] 閆海燕，楊柳. 焦作夏季居住建筑人體熱舒適現(xiàn)場研究[J]. 暖通空調，2012，42(4): 96-103.

Yan H Y, Yang L. Field study on occupant thermal comfort in residential buildings of Jiaozuo city in summer[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2012，42(4): 96-103.

[17] 劉紅，李百戰(zhàn)，馬曉磊 夏熱冬冷地區(qū)非采暖空調室內可接受溫度范圍[J] 土木建筑與環(huán)境工程, 2011, 33(4): 127-133.

Liu H, Li B Z, Ma X L. Acceptable temperature range of indoor environment without air conditioning and heating in hot summer and cold winter zone [J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2011, 33(4): 127-133.

[18] 李俊鴿，楊柳，劉加平.夏熱冬冷地區(qū)人體熱舒適的氣候適應模型研究[J]. 暖通空調, 2008, 38(7): 20-25.

Li J G, Yang L, Liu J P. Adaptive thermal comfort model for hot summer and cold winter zone [J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2008, 38(7): 20-25.

[19] 金玲，孟慶林，趙立華，等. 粵東農村住宅室內熱環(huán)境及熱舒適現(xiàn)場研究[J]. 土木建筑與環(huán)境工程，2013,35(2): 105-112.

Jin L，Meng Q L，Zhao L H, et al. Indoor environment and thermal comfort in rural houses in east Guangdong of China[J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2013,35(2): 105-112.

[20] Zhang Y F, Wang J Y, Chen H M, et al. Thermal comfort in naturally ventilated buildings in hot-humid area of China [J]. Building and Environment, 2010, 45(4): 2562-2570.

[21] 孫慶偉，李東亮. 人體生理學 [M]. 北京：中國醫(yī)藥科技出版社,2009.

[22] Cao B, Zhu Y X, Ouyang Q, et al. Field study of human thermal comfort and thermal adaptability during the summer and winter in Beijing [J]. Energy and Buildings, 2011, 43(2): 1051-1056.

[23] Makaremi N, Salleh E, Zaky M J, et al. Thermal comfort conditions of shaded outdoor spaces in hot and humid climate of Malaysia [J]. Building and Environment, 2012, 48(1): 7-14.

[24] 李春喜，邵云，姜麗娜. 生物統(tǒng)計學[M]. 4th.北京：科學出版社 2008.

(編輯 胡 玲)

ThermalAdaptationtoFree-EunningEnvironmentofApartmentsinBeijingIndividualLevel

JanYiwenga,PeiZea,YinSujub,LiYia

(a. College of Architecture and Civil Engineering;b. College of Applied Sciences, Beijing University of Technology,Beijing 100124,P.R.China)

Occupant’s thermal adaptation to free-running environment of apartments in summer was studied at an individual level.The relationship between indoor environmental parameters and occupant’s thermal sensation to indoor environment has been developed. Moreover, the effects of indoor temperature and relative humidity, as well as the interaction effects of the two parameters on occupant’s thermal sensation have been analyzed. On this basis, the characteristics of occupant’s adaptation to indoor temperature and relative humidity have be identified simultaneously. One particular individual dweller in Beijing has been selected to study the thermal adaptation by applying the method to practice.

free-running environment; thermal adaptation; individual level; adaptation level; application

10.11835/j.issn.1674-4764.2014.05.008

2014-03-09

國家自然科學基金資助項目(51278004)；北京市自然科學基金資助項目(8142004)

簡毅文(1967-),博士,副教授，主要從事暖通研究，(E-mail)jianyiwen@bjut.edu.cn。

Tu831

A

1674-4764(2014)05-0050-05