冬季外窗和外墻冷輻射的熱舒適限值*

王昭俊☆ 徐云艷 蘇小文

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對提升人居環(huán)境的熱舒適更加關注。我國嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)冬季建筑外墻和外窗表面溫度低，靠近外墻和外窗的人會有冷輻射感，引起人體局部熱不舒適。因此，基于人體熱舒適的建筑節(jié)能減排研究工作亟需開展。

GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》規(guī)定：外墻內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣溫度之差的最小值為3 ℃[1]。這個參數(shù)是否合理，需要實驗驗證。該標準主要參考了國外相關標準。

McNall等人實驗研究了冷墻輻射對人體熱舒適的影響，10名受試者參加了實驗，受試者的服裝熱阻為0.59 clo，相當于夏季標準服裝[2]。Fanger等人實驗研究了冷/熱墻、冷/熱頂棚引起的不對稱輻射對熱舒適的影響，32名受試者和16名受試者分別參與了2組實驗，服裝熱阻為0.6 clo，研究表明，在不對稱輻射條件下，熱墻引起的不舒適低于冷墻，冷卻頂棚引起的不舒適低于熱頂棚，并得出5%的受試者對環(huán)境感到不舒適的不對稱輻射溫度[3]。Fanger等人基于上述研究成果，提出了不對稱輻射溫度限值，并被引入到ISO 7730：2005標準[4]和ASHRAE 55-2017標準[5]中。

課題組前期開展了實驗，探討了具有一面冷墻和冷外窗的冷輻射環(huán)境中人體熱感覺和生理參數(shù)的變化規(guī)律，實驗中受試者身著冬季服裝，服裝熱阻約為1.0 clo[6-8]。史明洋等人研究了室溫為22 ℃時側(cè)墻冷輻射對人體熱舒適的影響[9]。但相關標準中規(guī)定的熱工設計溫度和嚴寒地區(qū)冬季供暖室內(nèi)計算溫度為18 ℃。因此，需要探討最不利實驗工況下的熱工設計參數(shù)。

本文基于人工氣候室實驗研究結果，分析冷輻射工況下人體距離外墻和外窗1 m時的熱反應，研究嚴寒地區(qū)冬季冷壁面溫度引起的人體熱不舒適的限值。研究結論可為相關標準中建筑熱工設計參數(shù)的確定提供理論依據(jù)。

1 實驗室簡介

實驗在哈爾濱工業(yè)大學建筑熱能工程系1樓大廳的人工氣候?qū)嶒炇疫M行，以減少室外氣候變化對人工氣候室熱濕環(huán)境的影響。實驗室包括2個相鄰房間(A室和B室)。其中，A室用于模擬室內(nèi)熱環(huán)境，B室用于模擬室外氣候。A室和B室之間的隔墻上有一個塑鋼玻璃窗，在實驗條件下該隔墻和窗戶可以視為外窗和外墻，A室的其他圍護結構可視為內(nèi)圍護結構。B室采用彩色鋼板內(nèi)夾聚苯乙烯泡沫塑料保溫材料的墻體，保溫層厚度為150 mm，傳熱系數(shù)為0.404 W/(m2·K)。

該實驗室的總尺寸為6.0 m(長)×3.3 m(寬)×3.0 m(高)，A室的尺寸為3.9 m(長)×3.3 m(寬)×3.0 m(高)，窗戶尺寸為1.8 m(長)×1.5 m(寬)，如圖1所示。

圖1 實驗室測點平面布置圖(單位：mm)

2 實驗方法

2.1 實驗工況設計

為了研究嚴寒地區(qū)冬季外窗和外墻冷輻射對人體熱感覺的影響，將散熱器布置在外窗對面的墻下面。實驗設計了2個工況，分別為稍涼工況和中性工況，見表1。其中，稍涼工況為實驗組，中性工況為對照組。

表1 實驗工況

2.2 實驗參數(shù)采集

每個工況有20名大三學生自愿報名作為受試者參加實驗。受試者男女比例為1∶1，均在哈爾濱生活超過2 a，已經(jīng)適應了哈爾濱冬季室外寒冷干燥的氣候，受試者服裝熱阻約為1.02 clo。實驗中受試者位于測點1，即距離A室的外墻和外窗1 m處，且背對外墻而坐，模擬辦公狀態(tài)。

實驗采用客觀測試與主觀問卷的方式進行，采集室內(nèi)環(huán)境客觀參數(shù)、受試者的主觀感受及生理參數(shù)。實驗中測量的環(huán)境參數(shù)包括A室的空氣溫度、相對濕度、流速、黑球輻射溫度、圍護結構內(nèi)表面溫度和1樓大廳的空氣溫度和相對濕度。

布置空氣溫度的測點時，主要考慮所關注的空間溫度分布和不妨礙受試者進出實驗室。在A室內(nèi)共布置了2組測點，第1組測點(簡稱測點1)位于受試者附近，空氣溫度測點布置在距地面0.1、1.1 m高處，受試者在實驗中距離外窗1.0 m；第2組測點(簡稱測點2)位于房間中心點，空氣溫度測點布置在距地面0.1、0.6、1.1 m高處，分別代表坐姿受試者的腳踝、腰部和頭部?？諝庀鄬穸?、空氣流速和黑球輻射溫度測點布置在測點1距地面0.6 m高處。

生理參數(shù)包括皮膚溫度、心率和血壓等，皮膚溫度測試部位為額頭、背部、手背、手臂和小腿5個部位。心理反應包括受試者的整體熱反應及與皮膚溫度測點相對應的不同部位的局部熱反應。受試者熱感覺投票采用ASHRAE 7點連續(xù)標度，熱舒適采用間斷標度。

每次實驗進行90 min，其中前30 min讓受試者適應室內(nèi)熱環(huán)境，后60 min為實驗階段。受試者在實驗過程中每隔10 min填寫一次主觀問卷，生理參數(shù)的采集頻率為皮膚溫度每隔5 min一次，血壓和心率每隔30 min一次。環(huán)境客觀參數(shù)每隔5 min自動采集一次。

由于本文重點關注外墻和外窗冷輻射對人體熱舒適的影響，而課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，與中性工況相比，稍涼工況中，受試者小腿等局部熱感覺和整體熱感覺具有顯著性差異[6]。工況1受試者已經(jīng)感覺到整體偏涼，是最不利工況。因此本文將重點分析工況1的實驗結果。

3 實驗結果分析

3.1 皮膚溫度和熱感覺投票

圖2顯示了工況1受試者各部位皮膚溫度的變化曲線[6]。表2給出了19 ℃稍涼工況下20位受試者位于距離外墻和外窗1 m處的局部熱感覺和全身(整體)熱感覺投票值。由圖2可知：手背的皮膚溫度最低，因為手背是裸露在空氣中的，但是表2中手背熱感覺投票平均值并不是最小的，這是因為受試者處于工作狀態(tài)時手的活動最頻繁，因此手背不是全身感覺最不舒適的部位；此外，小腿的皮膚溫度僅高于手背，且隨著實驗的進行，小腿的皮膚溫度不斷降低，從表2可以看到，小腿的平均熱感覺投票值最小，即最不舒適，這是因為受試者在工作狀態(tài)下，小腿幾乎不動，受冷輻射影響較明顯。根據(jù)圖2和表2可知：在工況1(室溫為19 ℃)，熱感覺投票差異明顯，額頭、背部、手臂及手背熱感覺投票接近熱中性；而小腿熱感覺投票值最小，為-1.2，接近稍涼。

圖2 工況1受試者各部位皮膚溫度變化曲線[6]

由表2可知，小腿部位對外墻和外窗冷輻射的影響最敏感。ISO 7730：2005和ASHRAE 55-2017標準推薦：室內(nèi)熱環(huán)境設計時不滿意率取10%，此時PMV=-0.5～0.5。我國相關標準規(guī)定不滿意率為20%，對應的熱感覺投票值為-0.85～0.85。表2中20名受試者全身熱感覺投票值的平均值為-0.82。因此，可認為該值是20%不滿意率的下限值，此時對應的工況為最不利工況。

表2 工況1熱感覺投票值

3.2 評價模型

根據(jù)工況1 20名受試者局部熱感覺和整體熱感覺的投票結果，采用逐步回歸法計算得到局部熱感覺對整體熱感覺的影響權重，結果見表3。

表3 逐步回歸模型系數(shù)檢驗結果

由表3可知：在距外墻1 m位置處，小腿和背部對整體熱感覺的影響最顯著；背部的影響權重略大于小腿，這是因為實驗時受試者是背對外墻和外窗坐姿打字或看書，由于后背的面積較大，因此受外窗冷輻射影響較明顯。采用逐步回歸分析，得到局部與整體熱感覺之間的關系式為

TSV=0.542TSVb+0.503TSVl-0.062 (1)

式中TSVb為背部熱感覺；TSVl為小腿熱感覺。

文獻[6]綜合了稍涼工況1和中性工況2的數(shù)據(jù)，采用主成分分析法得到冷輻射環(huán)境中的熱感覺評價模型，其中額頭、背部、手背、手臂和小腿的系數(shù)分別為0.18、0.28、0.33、0.33和0.33。額頭的系數(shù)最小，對整體熱感覺的影響也最小，而四肢包括手背、手臂和小腿的影響較大。盡管2個評價模型用的方法不同，但是均顯現(xiàn)出小腿的熱感覺對整體的影響較大。

對局部熱感覺與全身熱感覺投票進行線性擬合和差異性分析，結果如表4所示。由表4可知：小腿和背部的局部熱感覺與整體熱感覺的擬合關系相關性系數(shù)較大，這與兩者的影響權重較大的結論是一致的；額頭和手背的相關性系數(shù)較小，表明其對整體熱感覺的影響不大；從顯著性系數(shù)可見，局部熱感覺與整體熱感覺之間不存在明顯的差異性。

表4 局部熱感覺與全身熱感覺投票線性擬合結果及顯著性分析

4 冬季外墻和外窗內(nèi)表面溫度與室溫之差限值分析

4.1 冷外墻和外窗內(nèi)表面溫度計算

通過前面分析可知，19 ℃稍涼工況下距離外墻和外窗1 m時，平均熱感覺投票為-0.82，約20%的受試者已對熱環(huán)境感到不滿意，該工況為冬季最不利實驗工況。為了定量分析該工況下外壁面溫度對人體冷輻射的影響，采用面積加權法計算外墻和外窗構成的整個外壁面的溫度。

根據(jù)實驗室外墻與外窗的尺寸，采用面積加權法，可以計算得到實驗室外墻和外窗的壁面加權平均溫度，計算式如下：

ts=0.273twi+0.727twa

(2)

式中ts為外壁面平均溫度，℃；twi、twa分別為外窗和外墻的內(nèi)表面溫度，℃。

實驗過程中，外墻和外窗內(nèi)表面布置多個溫度測點，如圖3所示。其中，在外墻左右兩邊對稱的中心位置布置了2個測點，在外窗上均勻布置了6個測點。統(tǒng)計各測點的溫度，并計算平均值，結果見表5。由表5可知，外窗6個測點在10次實驗中的平均值為11.15 ℃，外墻2個測點的平均值為18.24 ℃，代入式(2)，計算得到稍涼工況下外壁面平均溫度為16.3 ℃。

1～8.測點。圖3 外墻和外窗冷壁面測點布置圖[6](單位：mm)

表5 工況1外窗和外墻內(nèi)表面溫度 ℃

4.2 冷外墻和外窗內(nèi)表面溫度與室溫之差

統(tǒng)計工況1室內(nèi)空氣溫度(見表6)，以得到外墻和外窗內(nèi)表面溫度與室溫之差。由表6可知，測點1和測點2處室內(nèi)空氣溫度的平均值差別不大，即在距外墻1 m和距外墻2 m處的室內(nèi)空氣溫度沒有明顯差別。

表6 工況1的室內(nèi)空氣溫度結果統(tǒng)計 ℃

計算得到冷外墻和外窗內(nèi)表面溫度與受試者周圍的平均室內(nèi)空氣溫度之差為2.5 ℃，而在中間位置的室內(nèi)空氣溫度與外壁面溫度之差為2.6 ℃。由此得到，當室內(nèi)人員處于靠近外墻的位置時，外壁面溫度與室內(nèi)空氣溫度之差不應大于2.6 ℃，否則室內(nèi)人員會感覺不舒適。由于實驗房間較小，實際應用時可以取二者之差為3 ℃。因此，規(guī)范中規(guī)定的外墻內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣溫度的差值小于3 ℃是合理的。

5 結論

1) 在距外墻和外窗1 m位置處，小腿的平均熱感覺投票值最小，說明小腿對外墻和外窗冷輻射的影響最敏感。建立了最不利工況下人體全身熱感覺和局部熱感覺的相關性模型。

2) 室內(nèi)空氣溫度為19 ℃的冷工況下，受試者距離外墻和外窗1 m時，平均熱感覺投票為-0.82，滿足小于20%不滿意率的下限值。

3) 采用面積加權法計算得到了冬季冷外墻和外窗內(nèi)壁面溫度，該值與距離冷壁面1 m和2 m位置處的室溫之差分別為2.5 ℃和2.6 ℃，驗證了相關規(guī)范中規(guī)定的外墻內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣溫度的差值小于3 ℃是合理的。