楊 柳,楊 雯,鄭武幸, 劉加平
(西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院,陜西 西安,710055)
如今,隨著人們對(duì)改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和增加能源效率的關(guān)注增多,越來(lái)越多的研究集中于在減少能源消耗的基礎(chǔ)上,為居住者提供更健康,更舒適的室內(nèi)熱環(huán)境.在溫暖潮濕地區(qū),風(fēng)扇具有增加有效對(duì)流作用這一特點(diǎn)早已被證明[1-2].新的ASHRAE舒適標(biāo)準(zhǔn)55-2013[3]規(guī)定也將空氣流速提高至0.8m/s(無(wú)個(gè)人調(diào)控)和1.2 m/s(含個(gè)人調(diào)控),延長(zhǎng)了夏季舒適區(qū).翟永超等[4]認(rèn)為使用吊扇可以在避免造成受試者眼干不適的前提下明顯改善熱舒適性并增加環(huán)境的空氣流速和濕度.對(duì)于自然通風(fēng)建筑,風(fēng)扇可以增加透過(guò)窗戶的對(duì)流冷卻,或者在關(guān)閉窗戶的狀態(tài)下保持對(duì)流效果.因此,在炎熱的氣候條件下,風(fēng)扇可以有效避免部分顯熱和潛熱,實(shí)現(xiàn)熱舒適條件,同時(shí)最大限度地減少能源消耗.
而這種能源消耗模式的轉(zhuǎn)變,在熱舒適研究領(lǐng)域中同時(shí)體現(xiàn)在一個(gè)較之前根本上不同的(但不是新的)熱舒適模型的提出——適應(yīng)性熱舒適模型.相較于Fanger的預(yù)測(cè)平均投票/預(yù)測(cè)不滿意百分比(PMV / PPD)模型[5],適應(yīng)性熱舒適模型認(rèn)為熱舒適是受人的行為、生理和心理三者綜合影響的一種熱中性狀態(tài),人體可以通過(guò)行為調(diào)節(jié)、心理適應(yīng)和生理習(xí)服等適應(yīng)性調(diào)節(jié),逐漸減弱由于熱環(huán)境的改變帶給人體自身的刺激和不舒適感,最終獲得中性狀態(tài).通過(guò)Brager, de Dear[6-7], Nicol和Humphreys等眾多研究人員的不斷努力[8-9],ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 50785[10]等當(dāng)前適用的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確認(rèn)了適應(yīng)性熱舒適模型的合理性.
在推進(jìn)自適應(yīng)模型到實(shí)際區(qū)域性建筑的應(yīng)用過(guò)程中,ASHRAE 55將使用風(fēng)扇的自然運(yùn)行建筑歸為自然狀態(tài)空間,GB/T 50785將其劃為非人工冷熱源熱濕環(huán)境(通過(guò)自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)進(jìn)行熱濕環(huán)境調(diào)節(jié)的區(qū)域)進(jìn)行評(píng)價(jià).已有研究表明穩(wěn)態(tài)舒適模型(即PMV模型)不足以說(shuō)明混合型非空調(diào)建筑的實(shí)際熱舒適情況,自適應(yīng)熱舒適模型更適合炎熱氣候[11-13].然而,由于目前存在不同涉及適應(yīng)性熱舒適模型的標(biāo)準(zhǔn),在評(píng)價(jià)一特定氣候區(qū)熱舒適性時(shí),無(wú)法判斷各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)該氣候區(qū)熱舒適性的適用性.
在以往研究的基礎(chǔ)上[14],本文設(shè)計(jì)了實(shí)地測(cè)試研究,側(cè)重分析農(nóng)村居住者在FC模式建筑中的熱舒適感覺(jué),檢查用于評(píng)估亞熱帶氣候下FC模式建筑的適應(yīng)熱舒適性模型——ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 50785.以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo):(1)研究農(nóng)村FC模式建筑的人體熱適應(yīng)規(guī)律;(2)確定評(píng)估農(nóng)村FC模式建筑居住者熱感覺(jué)的最佳方法;(2)得到室外溫度下滿意率為80%和90%的可接受溫度范圍上限.
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查選擇在我國(guó)亞熱帶氣候代表城市三亞和北海進(jìn)行,對(duì)符合FC和NFC模式條件的農(nóng)村建筑進(jìn)行了人體熱舒適的連續(xù)測(cè)試和調(diào)查,共獲取375組有效數(shù)據(jù).室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)測(cè)試和主觀問(wèn)卷同時(shí)進(jìn)行,測(cè)試時(shí)間在每天的早(7:30~11:00)、中(11:00~14:00)、晚(14:00~19:00)三個(gè)時(shí)段.現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主要包括室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)試和室外環(huán)境參數(shù)測(cè)試[16],室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)試主要使用1221型室內(nèi)熱舒適度數(shù)據(jù)記錄儀,室外環(huán)境參數(shù)測(cè)試主要使用JZH-1室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)室內(nèi)外空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和黑球溫度分別進(jìn)行測(cè)量,其精度和響應(yīng)時(shí)間均滿足ISO 7726-2002標(biāo)準(zhǔn).主觀問(wèn)卷調(diào)查包括:受試者基本情況(如年齡、身高、體重、衣著狀況等)、人體熱感覺(jué)和熱舒適度調(diào)查、受試者改善室內(nèi)熱環(huán)境的措施(如加減衣物、開(kāi)關(guān)門窗等)及對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的滿意度.結(jié)果見(jiàn)表1,表中的服裝熱阻是根據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行附加修正后的值.問(wèn)卷中居住者的主觀感受調(diào)查,包括熱感投票(TSV),熱舒適投票(TCV),熱接受程度,如表2所示.
表1 人員信息統(tǒng)計(jì)表Tab. 1 Conditions of individuals
表2 熱舒適指標(biāo)尺度Tab. 2 Thermal comfort index scale
亞熱帶氣候具有溫度高濕度大的特點(diǎn).圖1為測(cè)試期間(8月4-23號(hào))北海室內(nèi)氣象數(shù)據(jù),表2為三亞、北海室內(nèi)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表.
可以看出,室內(nèi)空氣相對(duì)濕度大部分為60%~80%,空氣流速最高為2.55 m/s.室內(nèi)空氣溫度在27.4~35.2 ℃之間變化, 室內(nèi)空氣溫度隨室外空氣溫度的升高而升高.除了空氣流速等氣象因素外, 室內(nèi)外溫差大小主要由建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫和隔熱性能以及室內(nèi)產(chǎn)熱量的大小決定.
圖1 測(cè)試期間(8月4-23號(hào))北海室內(nèi)氣象數(shù)據(jù)Fig1. Indoor environmental data during the test(August4-23th) in Beihai District
表3 三亞、北海室內(nèi)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 Tab. 3 Indoor environmental data during the test in Sanya and Beihai
多個(gè)熱舒適相關(guān)參數(shù)(TSV,TCV,PMV等)可用來(lái)定量描述居住者的主觀熱感知,例如,熱感覺(jué)是人們對(duì)所處環(huán)境冷熱最直接的心理反應(yīng),熱感覺(jué)的大小可間接反映出環(huán)境的冷熱情況.圖2得到了以TSV和TCV評(píng)價(jià)室內(nèi)熱環(huán)境的總體分布,結(jié)果顯示(1) 居住者的熱舒適度廣泛分布,但主要是集中在了“適中”和“不太舒適”的選項(xiàng).這似乎表明雖然居住者在經(jīng)歷不同的室內(nèi)物理環(huán)境,但他們具有的主觀感受頗為相似;(2)如果深入對(duì)比,可以看出NFC模式下居住者的TSV普遍偏高,且有52%的人群認(rèn)為室內(nèi)熱環(huán)境是舒適的(舒適度≥0),而FC模式下認(rèn)為室內(nèi)熱環(huán)境是舒適的人群比例為63%.這可能是因?yàn)樵陲L(fēng)扇作用下,多數(shù)室內(nèi)溫度可以維持在一個(gè)較舒適的范圍,而在自然通風(fēng)作用下的室內(nèi)溫度波動(dòng)較大.
圖2 TSV,TCV調(diào)查結(jié)果Fig.2 Results of TSV,TCV
圖3表示了熱舒適度TCV,熱接受度TA與熱感覺(jué)TSV的關(guān)系.(1)中性熱感覺(jué)(TSV=0)對(duì)應(yīng)于最大的熱舒適度值和熱可接受度值.當(dāng)從中性熱感覺(jué)出發(fā),TSV逐步增大時(shí),越來(lái)越多的調(diào)查者的TCV趨于“不舒適”,同時(shí),TA也逐步向“不可接受”,“完全不可接受”移動(dòng);(2)當(dāng)TSV增加到一定程度時(shí),兩種模式下的TCV和TA趨于一致,這表明當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到一臨界值時(shí),風(fēng)扇的室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用也受到了一定限制,結(jié)合圖3、5、8計(jì)算得出,該臨界值為當(dāng)TSV為1.9,體感溫度為31.6 ℃,室外空氣溫度為32.68 ℃時(shí);(3)FC模式下TCV和熱接受度隨TSV的變化敏感度稍大于NFC模式下TCV和熱接受度隨TSV的變化敏感度.
圖4可以看出,(1)當(dāng)TSV>0時(shí),幾乎無(wú)居住者希望熱感覺(jué)維持不變,絕大多數(shù)居住者希望獲得稍涼的熱感覺(jué),其中,F(xiàn)C模式下占89%,NFC模式下比例增大至94%.當(dāng)處在一較熱環(huán)境時(shí),大部分居住者表達(dá)了希望降低目前溫度,以獲得可以接受的熱舒適性的期望;(2)盡管FC和NFC模式下的居住者熱期望值存在差異,但差異并不顯著.
出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因可能是由于NFC居住者通過(guò)長(zhǎng)期的自我調(diào)節(jié)(服裝、行為等),逐漸適應(yīng)了當(dāng)前的熱環(huán)境,降低了自身的熱敏感度,轉(zhuǎn)移了熱期望.
采用溫度頻率法對(duì)TSV和預(yù)測(cè)平均熱感覺(jué)PMV分別與操作溫度top進(jìn)行線性回歸分析,結(jié)果見(jiàn)圖5,線性回歸方程為式(1)~(4).對(duì)比分析后得出,(1)在FC和NFC兩種模式下,TSV曲線與PMV曲線均存在不同程度偏離且近乎平行,這可能是由于在相對(duì)極端的熱環(huán)境下,人體進(jìn)行調(diào)節(jié)的措施和調(diào)節(jié)效果都比較有限,適應(yīng)水平已經(jīng)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的程度;(2)對(duì)比TSV的回歸直線的斜率,可以看出TSV-NFC變化較柔和,即居住者對(duì)熱環(huán)境敏感性較弱.這表明,在環(huán)境趨向不舒適時(shí),人體的自適應(yīng)能力可以起到明顯地改變熱感覺(jué)的作用.在室內(nèi)有無(wú)風(fēng)扇不同作用下,人體的適應(yīng)水平也不同,造成這種差異的原因是人體的熱感覺(jué)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,不僅涉及人體的熱平衡,但還有如生理適應(yīng)環(huán)境,行為調(diào)整,和心理習(xí)慣或期望的非熱因素,人們獲得的可以使其達(dá)到舒適的調(diào)節(jié)潛力也不同.為比較人體適應(yīng)性在兩種模式下產(chǎn)生的差異大小及規(guī)律,下面將對(duì)人體適應(yīng)水平進(jìn)行分析比較.
圖3 熱感覺(jué)分別與熱舒適和熱接受的關(guān)系Fig.3 Relationship between thermal sensation and thermal comfort & thermal sensation and thermal acceptability.
圖4 TSV與熱期望的關(guān)系Fig.4 Relationship between thermal sensation and thermal preference.
圖5 室內(nèi)操作溫度top 與TSV、PMV 的關(guān)系Fig.5 Relationship between top against TSV and PMV
GB/T 50785中通過(guò)提出自適應(yīng)系數(shù)λ,建立了PMV與aPMV之間的關(guān)系.自適應(yīng)系數(shù)的絕對(duì)值可用來(lái)量化人體的自適應(yīng)水平,它反映了人體在受到熱刺激時(shí)試圖恢復(fù)熱中性狀態(tài)的適應(yīng)能力,當(dāng)λ=0時(shí),即PMV= aPMV,表示熱環(huán)境處于舒適范圍,人體未采取適應(yīng)行為;當(dāng)λ<0時(shí),表示在溫度偏低時(shí)TSV比PMV值偏高,λ>0時(shí)則相反.鄭武幸等[15]利用λ量化計(jì)算寒冷氣候區(qū)四季人體自適應(yīng)水平,得出的室內(nèi)熱濕等級(jí)評(píng)價(jià)范圍與GB/T 50785中給出的λ值有所差異.本文參照其計(jì)算方法與本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到FC和NFC模式下人體自適應(yīng)系數(shù)分別為:0.43,0.12,對(duì)比GB/T 50785中給出的自適應(yīng)系數(shù)λ值,當(dāng)PMV≥0時(shí),λ=0.21,但根據(jù)本文的分析結(jié)果,即使當(dāng)PMV≥0時(shí),兩種模式下的λ值并不相同,且差別較大,因此,以GB/T 50785來(lái)評(píng)價(jià)亞熱帶氣候下FC建筑室內(nèi)熱環(huán)境,是否能夠完全真實(shí)地反映居住者的自適應(yīng)水平?利用哪一現(xiàn)有熱舒適模型提及的可接受溫度范圍來(lái)評(píng)估這種熱環(huán)境下的建筑更合理?
為了確定評(píng)估在FC模式下居住者熱舒適性的最佳方法,我們采用了兩個(gè)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性熱舒適模型:GB/T 50785和ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)中提及的可接受溫度范圍,評(píng)估對(duì)應(yīng)于主觀問(wèn)卷調(diào)查所測(cè)量的物理熱參數(shù).圖6顯示出了評(píng)價(jià)結(jié)果,如圖6A所示,從GB/T 50785的適應(yīng)性熱舒適模型的角度看,調(diào)查建筑的室內(nèi)熱環(huán)境非常差,極少點(diǎn)(12.5%)處在推薦的舒適區(qū).然而,圖6B顯示,對(duì)于ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性熱舒適模型,評(píng)價(jià)效果比較好,45%的點(diǎn)處于80%或90%的可接受范圍.與GB/T 50785模型對(duì)比,從ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)獲得的評(píng)估結(jié)果與主觀結(jié)果更加一致(參考圖2),這表明居住者的熱反應(yīng)主要集中在了“中性”和“稍微可以接受”的選項(xiàng).同時(shí)參考前文圖3-5結(jié)果以及自適應(yīng)系數(shù)的分析對(duì)比,可以認(rèn)為ASHRAE 55的適應(yīng)性熱舒適模型更適用于亞熱帶氣候下的FC民居.
然而,盡管ASHRAE 55更為適用,仍僅有45%的點(diǎn)位于可接受范圍,因此,本文進(jìn)一步利用FC模式建筑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查所得的數(shù)據(jù)確定了夏季室外溫度下滿意率為80%和90%的可接受溫度范圍上限.
圖6 ASHARE55和GB / T 50785適應(yīng)性熱舒適模型Fig. 6 Adaptive comfort model in ASHARE55 and GB / T 50785
為了充分反映不同溫度下使用風(fēng)扇的自然運(yùn)行狀態(tài)建筑中居民的熱適應(yīng)性和熱調(diào)節(jié)能力,在全年室內(nèi)外空氣溫度關(guān)系圖基礎(chǔ)上, 根據(jù)人們對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的熱感覺(jué)投票值分布狀況,將室外溫度以2℃為1個(gè)溫度段單元,尋找室外各溫度段下的室內(nèi)操作溫度與TSV的回歸方程[16].室外空氣溫度范圍從27~35℃,總共分為4個(gè)溫度段.通過(guò)數(shù)據(jù)回歸的方式,得到每個(gè)室外空氣溫度段下,室內(nèi)操作溫度所對(duì)應(yīng)的實(shí)際投票值之間的一元回歸方程,具體如圖7所示.從圖7和回歸方程可以看出,室外溫度較高時(shí),每個(gè)溫度段回歸出來(lái)的方程斜率相近;隨溫度增高,斜率輕微增大.這說(shuō)明盡管較高溫度下人體表現(xiàn)出來(lái)的敏感程度相似,但溫度越高仍越敏感見(jiàn)圖7 (a)~ (d).
在得到各室外空氣溫度段下室內(nèi)操作溫度與TSV之間的回歸方程的基礎(chǔ)上, 根據(jù)Franger的PMV-PPD方程,得出當(dāng)預(yù)測(cè)熱感覺(jué)投票值(PMV)為±0.5時(shí),有90%的人滿意室內(nèi)熱環(huán)境, 當(dāng)預(yù)測(cè)熱感覺(jué)投票值(PMV)為±0.85,有80%的人滿意室內(nèi)熱環(huán)境.假設(shè)實(shí)際熱感覺(jué)投票(TSV)與實(shí)際不滿意率遵循PMV-PPD同樣的規(guī)律,由于測(cè)試在夏季進(jìn)行,故只計(jì)算各溫度段下,TSV為0.5和0.85所對(duì)應(yīng)的溫度值,以室外空氣溫度為橫坐標(biāo), 室內(nèi)操作溫度為縱坐標(biāo)作圖,得到各數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的點(diǎn),并通過(guò)線性回歸的方法,得到80%和90%可接受的線性回歸方程的上限值,具體如圖8所示.從圖8可以明顯看出回歸后的80%、90%可接受線(上限)近似平行,這反映了在相對(duì)極端的熱環(huán)境下,人體進(jìn)行調(diào)節(jié)的措施和調(diào)節(jié)效果都比較有限;可接受溫度范圍上限提高、80%與90%可接受線平移溫度減小,這表明盡管風(fēng)扇在一定程度上改善了人體熱舒適,但較高的溫度下居住者對(duì)熱濕環(huán)境的滿意度變化更為敏感.
圖7 室外空氣溫度下TSV與室內(nèi)操作溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between TSV(with tout)and top
圖8 80%和90%可接受溫度線性回歸(上限)Fig.8 The acceptable temperature linear regression of 80%&90%(upper limit)
通過(guò)縱向分析濕熱氣候農(nóng)村FC和NFC模式建筑居住者熱舒適現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,可以得到以下結(jié)論和建議:
(1) 當(dāng)TSV為1.9,體感溫度為31.6℃,室外空氣溫度為32.68℃時(shí),風(fēng)扇的室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用受到了較大限制;
(2) 兩種模式下TSV和PMV隨溫度變化的規(guī)律存在明顯的差異,說(shuō)明人體在不同模式對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性水平不同,產(chǎn)生這種差異的原因是FC模式民居中人們獲得的可以使其達(dá)到舒適的調(diào)節(jié)潛力不同造成的;
(3) FC和NFC模式下自適應(yīng)系數(shù)分別為:0.43、0.12,說(shuō)明了兩種模式下人體適應(yīng)水平差異性,進(jìn)一步與GB/T 50785中給出的自適應(yīng)系數(shù)λ值對(duì)比,均有較大差別;
(4) 與GB/T 50785模型對(duì)比,從ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)獲得的評(píng)估結(jié)果與主觀結(jié)果更加一致,ASHRAE 55的適應(yīng)性熱舒適模型更適用于亞熱帶氣候下的FC模式建筑;
(5) 將FC模式建筑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)按溫度段單元通過(guò)二次線性回歸, 得到夏季室外溫度下滿意率為80%和90%的可接受溫度范圍上限.反映了亞熱帶氣候下人們進(jìn)行調(diào)節(jié)的措施和調(diào)節(jié)效果都比較有限且盡管風(fēng)扇在一定程度上改善了人體熱舒適,但較高的溫度下居住者對(duì)熱濕環(huán)境的滿意度變化更為敏感.
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