基于人體熱舒適對婦幼醫(yī)院開窗行為影響因素研究

程根銀，張暢暢，潘 嵩，吳金順,王新如，耿興銀

(1. 華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201；2. 北京工業(yè)大學 城建學部，北京 100122；3.華北科技學院 建筑工程學院，北京 東燕郊 065201；4. 華北科技學院 應急管理與技術學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

隨著生活質量的日益增長，人們在日常生活和工作中對建筑室內(nèi)環(huán)境熱舒適的要求逐漸提高。開窗行為作為對改善室內(nèi)空氣質量及降低建筑能源消耗有重要影響的人行為，已被國內(nèi)外學者廣泛研究，其中包括辦公建筑[1-2]、住宅建筑[3-4]、學校建筑[5]和綜合醫(yī)院建筑[6]等。在現(xiàn)有的研究中，建筑物主要集中在辦公樓和住宅樓，婦幼醫(yī)院建筑與其他建筑相比室內(nèi)主體人群體質較敏感，開窗行為不僅僅影響其室內(nèi)人員熱舒適與室內(nèi)人員的健康也息息相關，但目前針對于婦幼醫(yī)院建筑的研究還沒有。

國內(nèi)外很多學者對熱舒適在建筑節(jié)能方面的研究已有一定的探索。但對開窗行為的研究來說，室內(nèi)環(huán)境因素與開窗行為體現(xiàn)出來的是否只是表面關系，而維持室內(nèi)人員人體熱舒適才是開窗行為的主要驅動因素，目前還尚未確定。此外，值得重視的是現(xiàn)有的開窗行為研究中，前人均只分析研究了開窗狀態(tài)與影響因素的關系，并沒有結合開窗動作，而僅僅使用開窗狀態(tài)似乎對確定開窗行為的主要驅動因素有一定的偏差。

本次研究地點在寒冷地區(qū)北京的一家婦幼醫(yī)院，氣象站監(jiān)測到冬季室外平均溫度-0.23℃，最低可達-10.9℃，通過對實測數(shù)據(jù)的處理和分析發(fā)現(xiàn)，即使在室外溫度很低，婦幼醫(yī)院建筑室內(nèi)人員體質較敏感的情況下，依然會有開窗行為的發(fā)生，所以研究其開窗行為的驅動因素具有較大意義。

本文將針對婦幼醫(yī)院建筑環(huán)境，對2019年冬季北京某婦幼醫(yī)院四間病房及意見醫(yī)生辦公室進行實時監(jiān)測，通過真實客觀的數(shù)據(jù)，結合開窗動作及開窗狀態(tài)綜合分析，確定開窗行為的主要驅動因素。研究結果將為優(yōu)化婦幼醫(yī)院建筑環(huán)境室內(nèi)人員熱舒適和建筑節(jié)能提供依據(jù)，也將有助于開窗行為研究更進一步的發(fā)展。

1 參數(shù)選取

熱舒適在ASHRAE標準中定義為人對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)，影響人體熱舒適的環(huán)境參數(shù)主要有四個:空氣溫度、空氣相對濕度、空氣速度和平均輻射溫度[7]。目前研究結果中，影響開窗行為的主要因素包括環(huán)境因素(室內(nèi)外溫度、室內(nèi)外相對濕度、室內(nèi)CO2濃度、室外PM2.5濃度等)[8-10]和非環(huán)境因素(時間、個人習慣等)[2、10]，其中室內(nèi)溫濕度是影響開窗行為因素中出現(xiàn)頻率最高的[5，6，8，9]，由此可見室內(nèi)人員對室內(nèi)環(huán)境的控制中，溫濕度占了很重要的一部分。故本次實驗選取室內(nèi)溫度和室內(nèi)濕度兩個影響熱舒適的主要因素以及影響室內(nèi)空氣質量的重要指標之一室內(nèi)CO2濃度這三個環(huán)境因素進行實時監(jiān)測。

2 測試方法

2.1 建筑基本信息

本次選取北京地區(qū)某婦產(chǎn)醫(yī)院住院部二層的211號、212號、215號和216號四個孕婦病房和一個醫(yī)生辦公室進行測試。該醫(yī)院建筑結構主要是由鋼筋混凝土外加保溫材料構成，建筑室外環(huán)境較安靜，避免了由于室外噪音影響開窗行為的操作，建筑外部情況和室內(nèi)分布如圖1.1 (a) 所示。房間的尺寸為5.3 m×3 m×2.8 m，病房門與走廊相通，測試房間都采用平開窗戶，與外界環(huán)境相通。建筑內(nèi)部結構如圖1.1b 所示，215號、216號病房各有兩張病床和一個獨立衛(wèi)生間，每個房間有各兩扇窗戶，211號和212號病房各有四張病床無獨立衛(wèi)生間，每個房間各有一扇窗戶。醫(yī)生辦公室共有8個工位，有時醫(yī)生會全體出去查房。通過實地觀察和向醫(yī)生咨詢了解，每個病房基本可以住滿產(chǎn)婦和臨近預產(chǎn)期的孕婦，每個孕婦允至多有兩名家屬陪同。本次研究的測試時間為冬季(2018年11月4日-2018年3月14日)，北京冬季婦幼醫(yī)院采取集中供暖，在此期間內(nèi)不使用其他機械通風，自然通風是主要通風方式。

圖1 測試建筑

2.2 數(shù)據(jù)采集

本文所有室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)都取自安裝在病房的實時監(jiān)測自記儀，室外環(huán)境參數(shù)通過樓頂安裝的便攜式氣象站進行記錄，此外還實時監(jiān)測窗戶的開啟/關閉狀態(tài)。室外PM2.5數(shù)據(jù)在網(wǎng)站(http://www.aqistudy.cn)獲得。測試所使用的儀器都具有自動采集數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)的功能，可以設置數(shù)據(jù)測試間隔，24 h記錄數(shù)據(jù)，本次所測試的環(huán)境參數(shù)的測試間隔均設置為10 min。測試期間為確保測試數(shù)據(jù)的準確性，所用儀器都在每次測試前都會進行校核。

圖2 測試設備

表1 實驗儀器基本參數(shù)

3 開窗行為分析

3.1 室內(nèi)溫度

室內(nèi)溫度是表示室內(nèi)熱環(huán)境的重要指標之一。根據(jù)GB/T18883-2002《室內(nèi)空氣質量標準》冬季采暖時室內(nèi)溫度的標準值為16～24℃[11]。醫(yī)學研究表明，兒童和老人在平衡熱和失熱方面不如成人，因此他們對熱環(huán)境的敏感性更高，對舒適性的要求更高。GB 51039-2014《綜合醫(yī)院建筑設計規(guī)范》[12]新生兒室內(nèi)溫度全年宜保持22～26℃。本次實測數(shù)據(jù)顯示，五個房間在實測期間，室內(nèi)溫度處于22～26 ℃范圍內(nèi)時長占其所測總時長百分比分別為77.4 %、87.1%、89.9%、77.9%和64.6%，由此可見室內(nèi)人員大部分時間對熱環(huán)境室內(nèi)溫度的要求滿足于22～26 ℃范圍內(nèi)，符合設計規(guī)范的范圍。因此，本文將22～26 ℃設定為病房室內(nèi)溫度的舒適區(qū)。

由圖3(a)可知，室內(nèi)溫度很少時間處于非舒適范圍內(nèi)，并且很少有開窗行為的發(fā)生，處在非舒適區(qū)時長最長的溫度在21～22 ℃范圍內(nèi)，僅占總時長的7.9%。與其他溫度相比，開窗行為集中發(fā)生在舒適范圍內(nèi)(22～26 ℃)，開窗次數(shù)高達299次，占所測總開窗次數(shù)的82.6 %。說明室內(nèi)人員不會長時間處在非舒適環(huán)境里，并會通過頻繁操作窗戶的狀態(tài)使室溫保持在舒適范圍內(nèi)。

JGJ/T 67-2019《辦公建筑設計標準》中規(guī)定室內(nèi)空氣質量各項指標應符合現(xiàn)行國家標準GB/T18883-2002《室內(nèi)空氣質量標準》的要求，冬季供暖季辦公室室內(nèi)溫度應符合16～24℃范圍內(nèi)。但婦幼醫(yī)院建筑內(nèi)的辦公室不僅僅是辦公場所，也是孕產(chǎn)婦和嬰幼兒經(jīng)常出入的地方，故婦幼醫(yī)院醫(yī)生辦公室的標準溫度應向病房室內(nèi)溫度舒適范圍靠近。實測數(shù)據(jù)顯示醫(yī)生辦公室室內(nèi)溫度最低為19.1，比辦公建筑標準室溫最低溫度要高3.1℃，顯然要求普通辦公建筑類型的規(guī)范標準不能完全作為婦幼醫(yī)院建筑辦公室的標準值。

由圖3(b)所示，醫(yī)生辦公室在22～25℃范圍內(nèi)的時長遠高于其他溫度，在此范圍內(nèi)的時長共1355.2 h，占總時長的81.7 %，說明辦公室室內(nèi)人員對多數(shù)時間對室溫保持在22～25℃范圍內(nèi)較滿意，同時22～25℃也符合病房室內(nèi)溫度舒適范圍內(nèi)。因此，本文將22～25℃設定為醫(yī)生辦公室的室溫舒適區(qū)間。醫(yī)生辦公室的開窗行為僅發(fā)生了4次，均出現(xiàn)在舒適區(qū)間內(nèi)，更加驗證了維持室內(nèi)溫度舒適是驅動開窗行為的主要因素。

與病房室溫舒適區(qū)間相比，辦公室對室溫在25～26℃區(qū)間內(nèi)保持時間較少，僅92 h，占總時長的5.5 %。說明醫(yī)生辦公室大多數(shù)屬于醫(yī)生辦公時間，25～26℃超出了室內(nèi)的辦公人員的舒適溫度。

由圖4可見，212號病房和醫(yī)生辦公室屬于開窗不積極的房間，而211號、215號和216號病房室內(nèi)溫度在9～26℃范圍內(nèi)，雖然開窗狀態(tài)概率有一些起伏，但總體開窗狀態(tài)概率與室內(nèi)溫度是呈線性關系的，即開窗狀態(tài)概率越高，室內(nèi)溫度越低，尤其26～33℃高室溫范圍內(nèi)開窗狀態(tài)和開窗動作概率幾乎均為0。由此說明長時間保持開窗狀態(tài)導致室溫低于舒適區(qū)，而長時間不通風導致室溫升高超出舒適區(qū)。

綜上所述可以得出，維持室內(nèi)溫度舒適是室內(nèi)人員開窗行為的主要驅動因素，而室溫舒適區(qū)以外的范圍均屬于開窗行為發(fā)生或不發(fā)生所影響的結果。

3.2 室內(nèi)相對濕度

室內(nèi)空氣相對濕度(RH)是表示室內(nèi)熱環(huán)境的另一重要指標[13]。已有研究發(fā)現(xiàn)人類對溫度的變化比相對濕度的變化更敏感[14]，并且在實驗中發(fā)現(xiàn)周圍環(huán)境溫度剛好在舒適區(qū)溫度范圍時，空氣濕度對人體熱舒適性的影響非常小，但當溫度逐漸升高時，濕度對其的影響會越來越明顯[15]。故溫度對人體熱舒適的感覺要比相對濕度影響更大一些，單獨研究室內(nèi)濕度對人體熱舒適的影響是不全面的，應將室內(nèi)溫度和相對濕度結合分析。

1971年美國耶魯大學 Pierce 研究所的Gagge提出了新有效溫度(ET*)指標[16],是影響舒適度的多個因素(如干球溫度、濕度、空氣流速等)的一個綜合指標。通過對身著0.6clo服裝、靜坐在流速0.15m/s空氣中的人進行實驗，并采用φ=50% 的空氣溫度作為與其冷熱感相同環(huán)境的等效溫度。

(t,φ)=(ET*,50%)

該指標只適用于著裝輕薄、活動量小、風速低的環(huán)境[4]。婦幼醫(yī)院室內(nèi)熱環(huán)境均以孕產(chǎn)婦和嬰幼兒為主，無大活動量的行為，并極少有溫度過低和風速過大的情況，室內(nèi)人員穿著都很輕薄，同時活動量也很小，故新有效溫度指標適用于婦幼醫(yī)院建筑。

圖5為在溫濕圖上描繪出的新舒適圖，圖中一組傾斜虛線即新等效溫度線，等效溫度線以φ=50% 為基準的不同溫濕度組合，給人以相同的感覺，即等效溫度線的各個點有不同溫度濕度組合，它給人相同的冷熱感。圖中菱形框區(qū)為ASHRAE-ksu所規(guī)定的舒適區(qū)，適用于靜坐活動，穿0.6～0.8 clo服裝的人;平形四邊形陰影面積是ASHRAE標準55—74所推薦的舒適區(qū)，適用于比靜坐略高的活動水平，身著0.8～1.0 clo服裝。

如圖6所示，當室內(nèi)溫度處于舒適區(qū)(22～26℃)，室內(nèi)相對濕度在25%～40%范圍內(nèi)時基本符合ASHRAE標準55—74所推薦的舒適區(qū)。本次實測數(shù)據(jù)顯示，室內(nèi)溫度在22～26℃時，室內(nèi)相對濕度在25%～40%范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)較為集中，見圖4。因此，本文室內(nèi)相對濕度的舒適區(qū)間應為25%～40%。

圖6 室內(nèi)溫度與相對濕度散點圖

由圖7(a)和(b)可知，與其他范圍相比，病房和醫(yī)生辦公室室內(nèi)相對濕度在25%～40%內(nèi)所占時長最長，分別為5897.7 h(占病房總時長的64.2 %)和956.2 h(占醫(yī)生辦公室總時長的57.6%)。說明室內(nèi)人員大部分時間習慣于相對濕度在25～40 %范圍內(nèi)，這符合上述規(guī)定的室內(nèi)相對濕度舒適區(qū)間。在此區(qū)間內(nèi)，室內(nèi)人員開窗頻繁，病房開窗次數(shù)高達250次，醫(yī)生辦公室僅開了4次窗，均發(fā)生在此區(qū)間內(nèi)。由此可見，室內(nèi)人員為了保證室內(nèi)適宜環(huán)境，會通過開窗行為來維持室內(nèi)相對濕度的舒適感。

如圖8所示，五個房間的室內(nèi)相對濕度與開窗狀態(tài)概率的變化趨勢一致，即隨著開窗狀態(tài)概率的降低，室內(nèi)相對濕度逐漸升高，當開窗狀態(tài)概率幾乎為零時，室內(nèi)相對濕度度達到最高，可以看出窗戶開或關的狀態(tài)對室內(nèi)相對濕度變化有很大影響。

室內(nèi)相對濕度不僅影響了人體的熱舒適，也是度量室內(nèi)空氣質量的一個指標[7]。數(shù)據(jù)顯示只有病房出現(xiàn)了大于60%的高濕度情況，而病房高相對濕度基本出現(xiàn)在夜晚休息時間，如圖9所示。病房的作用包括了孕產(chǎn)婦、新生兒和家屬的夜間休息，在沒有提前為室內(nèi)通風做基礎的情況下，人體在夜間通過呼吸釋放的水分長時間積累是導致室內(nèi)產(chǎn)生高相對濕度的直接原因。而在夜間休息時間，人體對外界環(huán)境感知降低，因此高濕度環(huán)境不屬于開窗行為的驅動因素。

圖7 開窗行為與室內(nèi)相對濕度的關系

圖8 開窗狀態(tài)與室內(nèi)相對濕度的關系

綜上所述，室內(nèi)相對濕度的舒適區(qū)屬于開窗行為的驅動因素，而高于或低于舒適區(qū)的范圍均屬于開窗行為影響的結果。

3.3 室內(nèi)二氧化碳

CO2濃度屬于室內(nèi)空氣質量的重要指標[17]根據(jù)GB/T18883-2002《室內(nèi)空氣質量標準》冬季采暖時室內(nèi)CO2濃度的標準值為1000 ppm[11]。北京冬季室外天氣寒冷，病房室內(nèi)人員體制敏感，所以開窗行為的次數(shù)和時長都比較低。這樣長時間不通風的結果導致病房室內(nèi)CO2濃度多數(shù)時間超出了室內(nèi)空氣質量標準范圍。醫(yī)生辦公室房間結構與病房不同，辦公室的門朝向樓道口，為了方便醫(yī)護人員和患者出入，多數(shù)時間不關門，僅掛棉質門簾。因此醫(yī)生辦公室的CO2濃度在標準范圍內(nèi)的時間較多。

CO2濃度在1～1000 ppm區(qū)間內(nèi)，室內(nèi)空氣環(huán)境較清新，不構成驅使室內(nèi)人員開窗行為發(fā)生的理由，故在此范圍內(nèi)，CO2不屬于開窗行為的驅動因素。如圖10(a)所示，五個房間的室內(nèi)CO2濃度在1～1000 ppm區(qū)間與其他區(qū)間相比開窗狀態(tài)已經(jīng)保持了較高的概率，說明良好的通風環(huán)境有效的降低了室內(nèi)CO2濃度，保持了較好的室內(nèi)空氣質量。而室內(nèi)CO2出現(xiàn)較高濃度時，開窗狀態(tài)概率基本為0，說明室內(nèi)長時間不通風是空氣質量變差的主要原因。因此1～1000 ppm范圍應屬于開窗行為后的結果，不屬于開窗行為驅動因素。

1000～3000 ppm雖超出室內(nèi)CO2標準值，但實測顯示病房在此范圍內(nèi)的時長最長(6836.3 h)，開窗次數(shù)最多(238次)，見圖10(b)。與室內(nèi)溫度和相對濕度交叉分析顯示，在此范圍內(nèi)多數(shù)時間屬于熱環(huán)境的舒適區(qū)。由此可見，在室內(nèi)人員對CO2無明顯感知的情況下，優(yōu)先維持室內(nèi)熱環(huán)境的舒適感?？梢缘贸鯟O2濃度在1000～3000 ppm范圍內(nèi)不屬于開窗行為的驅動因素。

濃度大于3000 ppm的情況只出現(xiàn)在病房內(nèi)，室內(nèi)人員的人體代謝是室內(nèi)CO2的主要來源，人數(shù)越多CO2呼出量越多。211號和212號病房共四張床位，比215號和216號病房多出兩張床位，每張床位至少兩位家屬陪同，所以多數(shù)時間211號和212號病房內(nèi)的人數(shù)要比215號和216號病房高出一倍左右。由此可見，高濃度CO2在211號和212號病房出現(xiàn)的較頻繁，超出4000 ppm的情況也基本在211號和212號病房，如圖11(a)(b)所示。

與醫(yī)生辦公室相比，病房室內(nèi)CO2有682.2 h處于高濃度(3000～5000 ppm)。病房屬于孕產(chǎn)婦及家屬居住生活的場所，有規(guī)律性的午休及晚間休息時間。如圖12所示，在清晨7∶00-8∶00時間段內(nèi)，開窗狀態(tài)概率有明顯升高，這是使在此時間段內(nèi)病房無高濃度CO2的主要原因。可以看出，病房在沒有提前為休息時間做任何通風措施的基礎上，長時間不通風是高濃度CO2產(chǎn)生的主要原因。已有研究證明室內(nèi)CO2濃度超過3000 ppm室內(nèi)人員會有疲勞、嗜睡的癥狀[18]。午休和夜晚休息期間本就屬于容易疲勞的時間，此時CO2導致的疲勞、嗜睡癥狀并不能引起室內(nèi)人員的注意，故不屬于開窗行為的驅動因素。

綜上所述，室內(nèi)CO2濃度不屬于婦幼醫(yī)院建筑開窗行為的驅動因素。

圖10 室內(nèi)CO2濃度

圖11 室內(nèi)CO2濃度時間分布

圖12 每個時間段開窗狀態(tài)概率分布

4 結論

(1) 只分析單一因素對開窗行為的影響是有局限性的，而多因素交叉作用營造的室內(nèi)人員的熱舒適是驅動開窗行為的重要因素。

(2) 開窗狀態(tài)概率的高低會影響室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化，僅通過開窗狀態(tài)證明環(huán)境因素是否為開窗行為驅動因素是有一定偏差的，結合開窗動作對分析驅動開窗的主要因素要更加準確。

(3) 醫(yī)生辦公室和患者病房的室內(nèi)主體人群不同，對熱舒適的要求不同，導致其開窗行為規(guī)律特征所有差異。

(4) 人體對熱舒適的感覺較主觀，室內(nèi)人員對室內(nèi)環(huán)境熱舒適的感覺較明顯，會優(yōu)先維持室內(nèi)熱環(huán)境的舒適感，忽視CO2濃度對空氣質量的影響，所以室內(nèi)CO2不屬于室內(nèi)人員開窗行為的驅動因素。