過渡季壁面輻射溫度對人體熱舒適的影響分析

宋 冰，楊 柳，白魯建

(西安建筑科技大學建筑學院，陜西 西安 710055）

隨著社會生活水平的提高人們對建筑室內(nèi)舒適度的要求和期望不斷增加.為解決自然能源供需之間的矛盾建筑節(jié)能和綠色建筑不斷被人們所接受和重視[1].為了能在不降低或提高現(xiàn)有居住舒適度的基礎(chǔ)上減少建筑能耗需求，20世紀60、70年代以來建筑節(jié)能技術(shù)以及人體熱舒適研究逐漸成為新的熱點.

早在20世紀20、30年代就有學者(如Houghten &Yagloglou)試圖對熱舒適區(qū)范圍進行定義并開展研究[2].隨著研究的深入和測試調(diào)研的范圍逐漸擴大，不少學者對影響人體熱舒適、熱感覺的因素進行研究并提出了多種用于測評室內(nèi)熱環(huán)境狀況的指標，如有效溫度、合成溫度、風冷指標以及熱應(yīng)力指標等等[3-4].20世紀70年代在眾多前人研究的基礎(chǔ)上丹麥學者Fanger通過總結(jié)和大量的實驗室實測數(shù)據(jù)提出了著名的熱舒適理論——PMV-PPD模型，該模型綜合考慮了影響人體熱舒適的六個因素，其中包括四個客觀環(huán)境因素(空氣溫度、空氣濕度、空氣流速以及輻射溫度)和兩個主觀因素(新陳代謝率和服裝熱阻)[5].通過該模型可以對空調(diào)房間的人體熱舒適做出準確的預測，但隨著應(yīng)用范圍的擴大發(fā)現(xiàn)該模型對于自然通風房間的人體熱舒適預測存在較大偏差.由Humphreys和de Dear為代表的學者通過研究提出了人體適應(yīng)性熱舒適理論[6].熱舒適適應(yīng)性理論同樣也指出影響人體熱感覺的因素眾多，其中客觀因素與熱舒適理論一致.

依據(jù)人體熱舒適適應(yīng)性理論，在室內(nèi)人體對周圍環(huán)境有積極的應(yīng)對和調(diào)節(jié)，如穿衣和開窗等.但主觀人體的反應(yīng)也是根據(jù)周圍客觀環(huán)境要素的變化而變化的.城市區(qū)域內(nèi)的住宅建筑通常室內(nèi)風速較低，即便在過渡季或是夏季通過開窗來改善室內(nèi)舒適度，但室內(nèi)風速仍然較低.而米納爾德的研究表明當室內(nèi)風速較低或是靜風狀態(tài)時輻射換熱對于人體熱感覺的影響要高于對流換熱[3].近年來隨著我國人體熱舒適研究的深入，不少學者對于室內(nèi)輻射溫度對人感覺的影響進行了探討[7-10].傅俊萍等人通過實驗和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，利用輻射供暖和輻射供冷來調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境的方式與常規(guī)空調(diào)相比，可在比較低的條件下滿足人體熱舒適要求，節(jié)約能源[11].而藺潔等人通過室內(nèi)熱平衡理論得出了冬季采暖地面所需的最佳供暖溫度[12].

在我國北方地區(qū)采暖一般開始于11月15日左右，但是不少住戶在采暖開始前由于室內(nèi)溫度較低通過其他耗能方式如空調(diào)來使室內(nèi)達到熱舒適狀態(tài)，亦或是采取多穿衣的方式來應(yīng)對室內(nèi)偏冷環(huán)境，這些方式對于建筑節(jié)能以及現(xiàn)代生活需求帶來一定影響.而目前國內(nèi)還鮮有人通過現(xiàn)場實測分析的方法來研究過渡季節(jié)壁面溫度對人體熱感覺的影響.因此，有必要對過渡季人體熱舒適需求進行研究分析，以對住宅建筑的節(jié)能設(shè)計和過渡季有效的節(jié)能指導措施提供理論基礎(chǔ).

1 研究對象及研究方法

1.1 研究樣本

研究所用樣本房的選取應(yīng)具有代表性，并充分考慮到建筑的構(gòu)造形式、年代以及通風采光和供暖形式等因素.鑒于此本文選取了西安市區(qū)典型六層磚混結(jié)構(gòu)-民居為研究樣本，室內(nèi)采暖形式為暖氣片輻射采暖，建筑面積90 m2.

于2012年10月15日至11月8日以及2013年3月16日至3月31日在所選取樣本房進行測試研究，測試期間共回收960份有效問卷，測試過程中的受訪人群以22～33歲的青年為主.在樣本選擇時充分考慮了身高、體重年齡等影響因素，并均勻分布于分析樣本中.

1.2 現(xiàn)場研究方法

現(xiàn)場測試研究以2～3人為一組.測試時間段為每天的8:00至19:00，期間以2 h為間隔共劃分為五個時間段，每個時間段進行一次室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測量和熱舒適主觀問卷的填寫.

1.2.1 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)測試

室外環(huán)境參數(shù)測試包括空氣溫濕度、黑球溫度以及風速，儀器記錄時間間隔為10 min.室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測試包括空氣溫濕度、黑球溫度、風速以及壁面溫度，記錄時間間隔為10 min.其中部分環(huán)境參數(shù)由測試者進行讀取并填入主觀問卷中.

測量采用的儀器有：TR-72U雙通道溫濕度電子記錄儀、1221型室內(nèi)熱舒適度數(shù)據(jù)記錄儀、Testo微風儀、壁面溫度巡檢儀，其精度和響應(yīng)時間均滿足ASHRAE 55-2004和ISO 7726-2002標準要求.

1.2.2 熱舒適主觀問卷調(diào)查

調(diào)查問卷的內(nèi)容包括：(1)受訪人員的性別、體重、身高以及衣著情況等基本信息；(2)房間開窗以及正在使用電器類用具情況的描述等；(3)受訪者對室內(nèi)環(huán)境的熱環(huán)境、濕環(huán)境以及通風的主觀感受，其中人體熱感覺采用ASHRAE的7級指標表示(-3，-2，-1，0，+1，+2，+3).

1.3 相關(guān)參數(shù)的選取

在數(shù)據(jù)的處理前期工作中對新陳代謝率以及衣服熱阻的參數(shù)進行了處理，其中受訪者的新陳代謝率依據(jù)GB/T 18049-2000《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》中的規(guī)定：坐姿、輕微活動者所具有的新陳代謝水平為 1.2 met，立姿、輕度活動(從事輕體力作業(yè))為1.6 met，立姿、中度活動(家務(wù)勞動)的新陳代謝水平為 2.0 met[13].考慮到本次測試中的受訪者在填寫問卷過程中基本均為坐姿并且填寫前5 min運動狀態(tài)均為靜坐或是看電視，因而新陳代謝率定為1.3 met.

衣服熱阻按照GB/T 18049—2000中的方法，依據(jù)主觀問卷計算出受試者所穿單件服裝的熱阻值，進而估算出整套服裝的熱阻.

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

通過對測試期間服裝熱阻統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)(如圖1所示)：秋季服裝熱阻主要集中在0.8～1.0 clo范圍內(nèi)，均值為0.9 clo；春季服裝熱阻主要集中在0.7～0.8 clo范圍內(nèi)，均值為0.8 clo.因此春秋季服裝熱阻代表值分別定為0.8 clo和0.9 clo.

圖1 服裝熱阻統(tǒng)計圖Fig.1 Statistics of the thermal resistance from human clothing

利用Excel對數(shù)據(jù)進行篩選.篩選后數(shù)據(jù)依據(jù)溫度頻率法[14]分別選取壁面溫度和室內(nèi)操作溫度為基準，利用Excel以0.5 ℃為間隔進行分組平均，然后提取每組均值利用SPSS數(shù)理統(tǒng)計軟件進行相關(guān)性分析.在分析前，將現(xiàn)場測得的室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、代謝率、服裝熱阻以及利用溫濕度算得的飽和蒸汽壓等參數(shù)代入基于Matlab所編寫的程序，得到相應(yīng)的預測平均熱感覺投票值PMV和預測不滿意百分比PPD.

對測試期間各壁面測點的溫度值及各壁面面積求得加權(quán)平均值，將與各主觀問卷填寫時刻對應(yīng)的壁面溫度加權(quán)平均值定位此刻壁面平均溫度[15].

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)

測試期間室內(nèi)外溫度變化范圍為：11.7～22.3 ℃與6.3～25.6 ℃(秋季)；17.1～27.1 ℃與9.1～32.0 ℃(春季).室內(nèi)相對濕度變化范圍是：22%～52.4 %(秋季)；20%～38%(春季).室內(nèi)風速均值為0.05 m/s，風速主觀感覺為無風.測試期間為過渡季節(jié)，各房間均為不采暖房間.

3.2 熱中性溫度與人體熱舒適分析

操作溫度(top)是一種綜合考慮了室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度的合成溫度，它包括了對人體熱感覺影響最為主要的環(huán)境參數(shù)指標，因而用來評價和描述人體熱感覺更為準確.而中性溫度則是在實測過程中大多數(shù)人群熱感覺為中性時的室內(nèi)操作溫度，在此本文采用操作溫度作為室內(nèi)熱環(huán)境狀況的評價指標，并對春秋季節(jié)的人體中性溫度分別進行了求解.如圖2所示，采用溫度頻率法分別對春秋季節(jié)的實測平均熱感覺投票值和預測平均熱感覺投票值(PMV)進行了回歸分析.通過回歸分析分別得到春秋季節(jié)實測平均熱感覺投票值與室內(nèi)操作溫度(top)的線性回歸方程：

圖2 過渡季人體中性溫度Fig.2 The neutral temperature of human body in transition seasons

將式(1)、(2)中的MTS等于0可以得到在人體熱中性感覺下的室內(nèi)操作溫度分別為20.8 ℃(春季)、21.3 ℃(秋季)，采用同樣的方法可以得到預測中性溫度分別為22.2 ℃(春季)、24.6 ℃(秋季).通過結(jié)果可以看出在春秋季節(jié)居民的實測中性溫度均比預測值偏低，這反映了人體對地域氣候的適應(yīng)性.其中春季的中性溫度低于秋季，這是由于春秋季節(jié)分別是由冬至夏以及由夏至冬的過渡過程，受到冬夏季環(huán)境的影響因而秋季人們更傾向于溫暖的環(huán)境而在春季則更傾向于偏涼的室內(nèi)環(huán)境.

如上文所述，操作溫度是一種將空氣溫度和輻射溫度綜合考慮的合成指標，而空氣溫度與輻射溫度對人體熱平衡的影響方式以及影響程度均不相同.因而本文將在后面的章節(jié)中深入探討和分析過渡季節(jié)不同的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)以及衣著對人體熱感覺的影響程度.

3.3 服裝熱阻與壁面溫度

圖3 壁面溫度與服裝熱阻分析圖Fig.3 The correlation analysis between temperature of wall surface and thermal resistance of human clothing

從圖3可以看出，壁面平均溫度對衣著量有較大影響，兩者有著較好的相關(guān)性.隨著壁面平均溫度的降低衣著量也逐漸增加，這是由于測試期間壁面平均溫度整體偏低導致對人體冷輻射量較大，間接影響著人體衣著量的大小.通過春秋季數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，壁面平均溫度越低人體對冷輻射的敏感性越大，衣著量與壁面平均溫度的相關(guān)性也就越好.

3.4 人體熱感覺與壁面溫度

圖4 壁面溫度與人體熱感覺分析圖Fig.4 The correlation analysis between wall temperature and thermal sensation

依據(jù)人體熱平衡方程可知，正常比例散熱中輻射散熱約占45%～50%，占據(jù)人體散熱比例中的大部分[16].而在室內(nèi)對人體輻射傳熱量有較大影響的是壁面溫度.圖4分別將春秋過渡季的實測MTS及預測PMV值與相應(yīng)的壁面平均溫度進行線性回歸分析.分析發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)風速偏低的情況下(<0.05 m/s)人體熱感覺與壁面平均溫度有較大相關(guān)性，隨著壁面平均溫度的升高人體熱感覺逐步趨于中性.對比春秋季實測MTS與壁面平均溫度的回歸曲線發(fā)現(xiàn)隨著壁面平均溫度的升高，人體熱感覺對壁面平均溫度的敏感性逐漸降低.通過線性相關(guān)分析可以得到以下公式(見表1).

表1 線性回歸方程Tab.1 Regression equation

將上述方程y值歸零可以算得人體達到舒適狀態(tài)時壁面平均溫度值.計算結(jié)果如上表所示，春秋季預測值高出實測值平均為1.3 ℃，由于PMV計算模型是依據(jù)國外熱舒適模型來建立的，不同人群對地方氣候有一定的適應(yīng)性，因此預測值一般高于實測值.有計算結(jié)果可以看出，在壁面平均溫度達到22.2 ℃時處于房間中的人體更易獲得熱舒適狀態(tài).但該地區(qū)過渡季節(jié)室內(nèi)壁面平均溫度均值僅為19 ℃，壁面平均溫度值偏低，這使得處于室內(nèi)活動量較少的人體易于感到冷不舒適，傾向于采用其他耗能方式來達到舒適狀態(tài).因此提高居住建筑墻體的保溫蓄熱性能對節(jié)能意義重大，而且其他學者通過研究也發(fā)現(xiàn)在冬季室內(nèi)采暖時采用房間壁面輻射采暖更易于使室內(nèi)達到舒適狀態(tài).

通過與3.2節(jié)中求得的春秋季節(jié)人體中性溫度對比可以看出，在過渡季節(jié)人體對于室內(nèi)壁面溫度的需求要高于對室內(nèi)整體環(huán)境的空氣溫度，這說明在過渡季節(jié)比室內(nèi)空氣溫度偏高的壁面溫度更易于使人體感到舒適.

3.5 人體熱舒適影響因子敏感性分析

圖5 各參數(shù)敏感性分析圖（秋季）Fig.5 Sensitivity analysis(Autumn)

圖6 各參數(shù)敏感性分析（春季）Fig.6 Sensitivity analysis(Spring)

黑球溫度是一種依據(jù)氣溫、氣流、輻射熱而表示體感的人體熱舒適模型，它與空氣溫度一起均可作為簡單的室內(nèi)熱環(huán)境評價指標[17].文中將空氣溫度、黑球溫度、壁面平均溫度三個參數(shù)分別于實測平均熱感覺值進行相關(guān)性分析，如圖5、6所示.分析發(fā)現(xiàn)，春秋季中人體熱感覺對壁面平均溫度的敏感性均高于空氣溫度和黑球溫度的.這說明在我國北方過渡季室內(nèi)開窗時間少、室內(nèi)風速較低的情況下，壁面平均溫度與人體的輻射換熱量要高于空氣溫度與人體的換熱量，對人體熱感覺的影響也較大.

4 結(jié)論

(1)西安地區(qū)春秋過渡季節(jié)室內(nèi)人體服裝熱阻均值分別為0.8 clo和0.9 clo.

(2)室內(nèi)壁面平均溫度與人體服裝熱阻有一定的相關(guān)性，壁面平均溫度越低人體對冷輻射的敏感性越大，衣著量與壁面平均溫度的相關(guān)性也就越好.

(3)在過渡季關(guān)窗室內(nèi)風速較低的情況下，人體熱感覺與壁面平均溫度有較大的相關(guān)性.隨著壁面平均溫度的升高人體熱感覺趨于中性，人體熱感覺對壁面平均溫度的敏感性也逐漸降低.通過計算發(fā)現(xiàn)，過渡季壁面平均溫度達到22.2 ℃時人體更易達到熱舒適狀態(tài).

(4)在我國寒冷地區(qū)過渡季期間，適當提高墻體保溫及蓄熱性能以及在采暖期壁面輻射采暖方式更易于使室內(nèi)熱環(huán)境達到舒適狀態(tài).

(5)在過渡季關(guān)窗室內(nèi)風速較低的情況下，人體熱感覺對壁面平均溫度的敏感性均高于空氣溫度和黑球溫度.

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