農(nóng)村自然通風(fēng)建筑冬季人體熱適應(yīng)研究

董夢如

(河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000)

1 引言

我國相關(guān)學(xué)科學(xué)者最近越來越關(guān)注自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱舒適發(fā)展現(xiàn)狀，在嚴寒地區(qū)哈爾濱、寒冷地區(qū)西安、焦作和夏熱冬冷地區(qū)廣州[1～4]等地都開展了相關(guān)的研究，取得了一定的成果。但是，對于這些地區(qū)的縣級及以下的農(nóng)村地區(qū)鮮有研究。

在這樣的背景下，筆者以浙江仙居農(nóng)村地區(qū)為研究對象，在自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境狀況下，進行了冬季室內(nèi)熱舒適現(xiàn)場研究，旨在了解仙居農(nóng)村地區(qū)建筑冬季室內(nèi)熱舒適狀況，為提高農(nóng)村建筑熱環(huán)境、指導(dǎo)被動式建筑設(shè)計及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù)。這些結(jié)果為氣候適應(yīng)理論提供了支持，可為優(yōu)化自然通風(fēng)建筑設(shè)計提供參考。

2 仙居縣自然氣候特征

浙江省仙居縣位于浙江東南(28.5°～29°N，120°～121°E)。年平均氣溫18.3 ℃，1月份平均氣溫5.6 ℃，7月份平均氣溫28.5 ℃。雨量充沛，歷年平均降水量2000 mm左右，呈雙峰型分布，前峰為梅雨，后峰為秋雨，降水的空間分布不均勻，該地區(qū)氣候?qū)儆谙臒岫錃夂騾^(qū)。實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)夏季居民冬季以自然通風(fēng)為主，且不進行供暖。

3 研究方法

(1)調(diào)研時間為冬季2016年1月23～28日(最冷季)對仙居縣的農(nóng)村居民住宅的室內(nèi)環(huán)境進行了測試，得到798套數(shù)據(jù)。受試者均在仙居地區(qū)生活多年，已經(jīng)適應(yīng)當?shù)氐臍夂颦h(huán)境。受試者具體情況如表1所示。

表1 受試者基本情況

(2)在調(diào)研過程中，對此地區(qū)同時堿性冬季室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)的測量與受試者主觀熱反應(yīng)問卷調(diào)查。調(diào)研中具體使用的儀器見表2。

表2 測試儀器的基本信息

(3)受試者的主觀感覺主要包括熱感覺、濕感覺等主觀選擇。這幾者的投票均采用ASHRAE[5]通用的7級投票指標。現(xiàn)場調(diào)研所用各類感覺投票標尺見表3。

表3 主觀熱反應(yīng)和熱期望投票標尺

(4)本研究采用操作溫度作為熱舒適的評價指標[6]。將操作溫度按0.5 ℃/1 ℃的區(qū)間分組，以每組操作溫度平均值為自變量，對影響熱感覺的相關(guān)因素進行回歸分析。

4 室內(nèi)熱環(huán)境和主觀熱反應(yīng)

4.1 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)

表4給出了仙居地區(qū)冬季調(diào)研期間室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)的分布情況仙居冬季室外平均溫度為4.2 ℃，室內(nèi)空氣溫度均值為7.2 ℃，相對濕度均值為65.7%(冬季室外的相對濕度值由于實驗的原因丟失)，反映出仙居冬季濕冷的氣候特征，即仙居屬于夏熱冬冷氣候區(qū)。與GB/T 50824-2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》[7]規(guī)定的基準溫度下限值(夏熱冬冷地區(qū)的臥室、起居室等主要功能房間冬季基準溫度上限值為8℃)相比，仙居地區(qū)冬季室內(nèi)最低溫度與空氣溫度平均值均超出這個范圍。

表4 仙居地區(qū)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)

4.2 服裝熱阻

圖1為受試者服裝熱阻分布情況。從表1和圖1可以看出，居民的服裝熱阻大多集中在1.15～1.95 clo范圍內(nèi)，平均值為1.51 clo。受試者服裝熱阻分布比較廣，有呈現(xiàn)出較高值或者較低值的情況，主要原因是因為當?shù)厝梭w長期在此地區(qū)的生活，在生理、心理、行為上已經(jīng)產(chǎn)生了較強的適應(yīng)性，同時室內(nèi)的溫度受外部的影響，室內(nèi)溫度隨之變化，導(dǎo)致受試者減少衣物或增加衣物，但是大多數(shù)居民頻繁地出入室內(nèi)外，不愿頻繁更衣導(dǎo)致；還有一部分年齡在55歲以上的受試者，抗寒能力與青年人有差異，會影響服裝熱阻的最大值。

圖1 冬季與夏季服裝熱阻分布頻率

4.3 主觀熱反應(yīng)

圖2分別給出了仙居地區(qū)冬季熱感覺、濕感覺以及風(fēng)速趕緊投票的分布情況。由圖2得出：受試者熱感覺、濕感覺以及風(fēng)速感覺投票均以“中性”(0)為主，其比例分別為58.2%、62.1%、79.7%，這可以看出：仙居農(nóng)村地區(qū)受試者對室內(nèi)的熱環(huán)境滿意度較高，同時也表明該地區(qū)的受試者有著良好的熱適應(yīng)，而濕感覺投票主要是因為當?shù)鼐用襁m應(yīng)了冬季高濕環(huán)境，因此濕感覺投票以“中性為主”；“適中”的風(fēng)速感覺，可能是因為冬季室外溫度低，室內(nèi)關(guān)閉門窗所致無吹風(fēng)感。

圖2 主觀熱反應(yīng)投票分布

5 環(huán)境參數(shù)對主觀熱反應(yīng)的影響

5.1 環(huán)境參數(shù)對熱感覺的影響

5.1.1 操作溫度對熱感覺的影響

受試者對熱感覺的大小投票可間接反映出其所處環(huán)境的冷熱情況。將仙居冬季的操作溫度以1 ℃為間隔進行分組，將求得每1 ℃內(nèi)的操作溫度均值和實測熱感覺均值進行權(quán)重回歸，得到仙居農(nóng)村地區(qū)冬季熱感覺投票和操作溫度的關(guān)系，如圖3所示。

經(jīng)回歸分析方法得到冬季的平均熱感覺與操作溫度的關(guān)系式是：

冬季：MTS=0.09to-1.165 (P=0.001<0.05)

平均熱感覺(MTS)與操作溫度存在明顯的線性關(guān)系，這說明隨著操作溫度的升高，人體熱感覺逐漸增加，不利于人體的熱舒適感覺。令MTS=0，得到冬季熱中性溫度12.9 ℃，處于較低的水平。從而可得：仙居地區(qū)自然通風(fēng)建筑居民長期居住在此地區(qū)，對當?shù)氐臍夂蜻m應(yīng)性較強，13.0 ℃便可達到舒適水平。

圖3 平均熱感覺投票與操作溫度的關(guān)系

5.1.2 濕度對熱感覺的影響

由于仙居是夏熱冬冷氣候區(qū)，季室內(nèi)相對濕度大多在50%以上。故對冬季相對濕度≤50%及>50%情況下對熱感覺與操作溫度關(guān)系進行分析?；貧w結(jié)果如圖4所示。

冬季不同濕度水平回歸方程：

相對濕度≤50%：MTS=0.12to-1.686

(P=0.000<0.001，R2=0.641)。

相對濕度>50%：MTS=0.058to-0.811

(P=0.003<0.05，R2=0.284)。

在仙居地區(qū)，分別對冬季熱感覺投票與操作溫度關(guān)系在不同濕度水平下進行研究。研究發(fā)現(xiàn)：在同一季節(jié)的不同濕度水平下的回歸線差異較小。這說明，在夏熱冬冷氣候區(qū)，環(huán)境相對濕度對人們熱感覺投票結(jié)果影響較小?；蛟S這一發(fā)現(xiàn)在研究夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村居民室內(nèi)熱舒適時，可減少室內(nèi)濕度對其影響比重。

圖4 不同濕度水平下冬季熱感覺和操作溫度的關(guān)系

5.2 操作溫度對熱期望的影響

采用相同的方法，分析每0.5 ℃操作溫度區(qū)間內(nèi)熱期望變涼/變暖的投票占全部投票的百分比與相應(yīng)的平均操作溫度進行Probit回歸，得到如圖5所示的曲線。得到仙居地區(qū)居民期望夏季變涼的頻率隨著溫度的上升逐漸增加，可達到100%；冬季期望變暖的頻率隨著溫度的上升逐漸降低，可達到0.00%，但是期望變暖的百分比并不會隨著室內(nèi)溫度的升高有顯著性變化。這可以看出，仙居農(nóng)村居民對于夏季期望變涼、冬季期望變暖的強烈愿望。求得冬季熱期望溫度ET=21.0 ℃。當冬季80%的居民期望溫度變暖時，對應(yīng)的操作溫度為5.6 ℃。80%的居民期望溫度值從側(cè)面說明在受試者冬季抗寒性是比較強的。但是居民仍舊期待更好的生活環(huán)境。

圖5 期望變暖的百分比和操作溫度的關(guān)系

6 討論

受試者均在仙居地區(qū)生活5年以上，對此地區(qū)熱濕環(huán)境有著較強的心理適應(yīng)、行為適應(yīng)。由圖6可以看出，冬季的數(shù)據(jù)均落在ASHRAE 55標準舒適區(qū)之外，而且受試者的中性溫度為12.9 ℃，說明受試者對冬季低溫環(huán)境的耐受力以及強適應(yīng)性；冬季可以通過增減衣物進行行為調(diào)節(jié)，有較強的行為適應(yīng)。結(jié)果表明：ASHRAE 55標準低估了仙居農(nóng)村居民可接受程度的上下限，并不適用于評價夏熱冬冷地區(qū)冬季自然通風(fēng)環(huán)境。

圖6 冬季室內(nèi)外溫度與ASHRAE 55-2017標準的比較

7 結(jié)論

仙居農(nóng)村地區(qū)測得的冬季人體熱中性溫度為12.9 ℃，具有較強的耐熱及耐寒能力。在預(yù)測夏熱冬冷地區(qū)人體熱舒適時，應(yīng)考慮加入建筑環(huán)境、生活習(xí)慣、經(jīng)濟條件和對環(huán)境的可調(diào)節(jié)程度等因素的影響，可以看出濕度的影響比重占到最小。這是因為本次調(diào)研的受試者均適應(yīng)了該地區(qū)的空氣濕度情況，在研究濕度對熱感覺的影響時，冬季熱感覺投票與操作溫度在不同濕度水平下的回歸線無顯著差異性。我國夏熱冬冷地區(qū)人群對長期生活的冬季濕冷環(huán)境具有較強的適應(yīng)能力。