江蘇鹽城地區(qū)居住建筑冬季室內熱舒適研究

湯 莉 唐旻雨

1 背景介紹

隨著經濟發(fā)展、物質條件改善，人們對于居住熱環(huán)境以及熱舒適問題愈發(fā)關注，居住熱環(huán)境舒適與否對居民的身心健康有著直接影響，因此對居住建筑的熱舒適研究具有現實意義。我國評價室內熱環(huán)境舒適與否的標準《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規(guī)定》（GB/T18049—2000）是基于國際通用的熱舒適標準ISO 7730—1994進行等同采用形成的，但目前國際通用標準均是以實驗室研究數據作為理論發(fā)展的基礎，并未全面考慮到服裝類別、地區(qū)氣候、生活習慣、適用人群等所產生的動態(tài)差異[1]。

鹽城市處于黃淮平原，氣候受海洋影響較大，典型的夏熱冬冷地區(qū)，冬季陰冷潮濕，室內熱環(huán)境問題較為嚴重[2]。目前，我國學者對于夏熱冬冷地區(qū)居住生活環(huán)境的研究多集中于夏季高溫高濕的自然通風條件下，冬季陰冷潮濕的研究相對較少。為了提高該地區(qū)居住建筑室內熱舒適性、改善室內熱環(huán)境，本文選擇冬季鹽城市某小區(qū)為研究對象，進行跟蹤調研，通過室內外熱環(huán)境參數、居民生活習性和建筑設計等要素展開研究，以期獲得受試居民的室內熱中性溫度、熱舒適評價及濕感覺評價。

2 熱舒適研究方案

2.1 樣本選擇

鹽城市位于江蘇省中部，全境為平原地貌，地理坐標為北緯32°34′～34°28′，東經119°27′～120°54′[3]。本文所研究的是具有北亞熱帶氣候特征的以南地區(qū)，選取城鎮(zhèn)中某住宅小區(qū)中分布最廣的六層居民樓為研究對象。該小區(qū)籌建于2009年，框架結構，坐北朝南（南偏東17°），無供暖系統(tǒng)。雖然住戶安裝空調設備等進行自采暖，但本次測試結果與結論均在住戶未使用采暖設備的情況下獲得。室內功能空間組織以一層平面圖為例（圖1），測試時間為2021年2月19日至23日。

圖1 居民樓一層平面圖

2.2 現場測試

現場測試采用的是縱向研究法，在調研周期內對選定受試居民進行重復問卷和實測[4]。

（1）熱環(huán)境參數

需要測試的室內熱環(huán)境物理參數如下：空氣溫度和相對濕度，使用Testo 175H1溫濕度記錄儀進行測量；空氣流速，使用Testo 425熱敏風速儀進行測量；黑球溫度，使用JTR04Z黑球溫度記錄儀進行測量，黑球直徑150mm。進行現場測量前檢查設置（表1）。室外溫度則從中國氣象站公開發(fā)布的氣象數據資料中提取。

表1 測試儀器型號及精度

根據受試居民在各功能空間的活動頻率，將測試選定住宅平面分為兩個區(qū)域：Ⅰ區(qū)臥室，Ⅱ區(qū)餐廳，根據 JGJ/T347—2014《建筑熱環(huán)境測試方法標準》布置測點，當房間面積小于16m2時，測點放置于房間平面對角線交點處[5]。其中空氣溫度和空氣流速的測點距離地面1.1m，空氣相對濕度和黑球溫度的測點距離地面0.6m，均隔10min測試一次（圖2）。

圖2 室內測點布置

（2）問卷調查

為了保證對于所身處熱環(huán)境主觀感受的穩(wěn)定性，要求居民在接受問卷調查測試之前保持相對穩(wěn)定狀態(tài)50min以上。受試居民均為本地居民，年齡跨度較大且中老年群體居多，共112人，男女人數比約為1∶1，平均年齡為45歲，已適應當地的氣候變化。每天在固定時間段分發(fā)紙質問卷進行填寫，其中包括居民的身高、體重、年齡、性別和服裝熱阻等基礎信息，以及主觀熱濕感覺七級投票、調節(jié)措施等，共收回有效問卷416份（圖3）。

圖3 各年齡段問卷數量

3 結果與分析

3.1 室內外溫度變化

圖4表明：室內臥室與餐廳的溫度升降趨勢大致相近，隨著室外溫度的變化而變化，但幅度較小，說明圍護結構的保溫隔熱性能良好，蓄熱系數較大。雖然南向大面積開窗對臥室造成了一定的熱損失，相較處于偏北位置的餐廳而言，整體溫度還是稍高。室外平均溫度為9.37℃，溫度變化范圍在-0.2～24.5℃之間，臥室與餐廳室內平均溫度為11.47℃，溫度變化范圍在8.8～16.3℃之間，溫度過低，不能滿足住戶的熱舒適要求。

圖4 室內外溫度變化圖

3.2 室內外濕度變化

圖5表明：室內臥室與餐廳的濕度變化趨勢大致相近，受室外氣候變化影響，室內濕度整體呈上升趨勢，但相較于室外濕度的波動幅度，室內濕度整體波動情況較為穩(wěn)定。其中臥室在20日14：00出現了異于變化趨勢的測試數值，根據詢問得知是因住戶偶然行為干擾所致，可以予以忽略。臥室與餐廳的平均濕度為58.58%，濕度變化范圍在53.3%～65.4%之間，極差在10%左右，差距較小。大部分時間保持在國家室內空氣質量標準所要求的30%～70%，能夠滿足室內濕度要求[6]。室外平均濕度為42.27%，濕度變化范圍在16%～81%之間。室內外熱環(huán)境參數參看表2。

圖5 室內外濕度變化圖

表2 冬季室內外熱環(huán)境參數

3.3 問卷調查結果

（1）服裝熱阻與新陳代謝率

調研時間為2月19日—23日，整體氣溫相較于一月份來說逐步回升，但不穩(wěn)定，期間氣象臺發(fā)布過藍色寒潮預警，并且由于室內未使用采暖設備進行溫度調節(jié)，因此居民普遍保持冬季的穿衣習慣。問卷調查中顯示居民的服裝熱阻范圍在1.17～2.62，數值波動區(qū)間彈性大，平均值為1.65，分布頻率如圖6所示：服裝熱阻集中在1.5～2.5（約占81.3%）。理論研究表明：在舒適條件下女性新陳代謝率較男性稍低，汗蒸發(fā)量比男性低4g/m2×h，體表溫度低約0.2℃，因此男性服裝熱阻平均值相比于女性而言較高[7]。但從圖6中可以看出，女性服裝熱阻的分布頻率比男性更集中于高數值階段，這與上述理論成果相悖。究其原因，可以結合Rohles、Fanger 、Nevins、Johnson的實驗研究結果來看：不同年齡階段的人群熱舒適結果并沒有顯著差異，對于老年群體傾向于較高室溫環(huán)境現象的合理解釋是老年群體身體機能下降、基礎新陳代謝下降、活動量小，寒冷季節(jié)對人體所造成的熱損失需要依靠增加服裝熱阻來平衡。而此次調研的女性受訪居民中高齡群體所占整體比例稍高，所以出現了服裝熱阻高數值集聚現象。此外，還應該考慮到座椅本身對人體的附加熱阻，但受試居民在接受調查問卷時所坐的大多是無復雜造型、無特殊材質的座椅，因此座椅的熱阻增值可以忽略不計。

圖6 居民服裝熱阻分布頻率

人體的新陳代謝值與活動強度成正比，根據統(tǒng)計受試居民各時段的活動強度可知，大多保持著輕微活動狀態(tài)，因此根據ASHRAE 55-2004的活動水平表格圖7，選擇1.2met作為受試居民的新陳代謝率[8]。

圖7 不同活動強度下的代謝率

（2）熱中性溫度及熱感覺

為分析居民實際熱感覺和熱環(huán)境參數之間的聯(lián)系，將調查樣本以溫度頻率法進行分組，將MTS（Mean Thermal Sensation）設定為因變量，操作溫度t0設定為自變量[9]。操作溫度根據ASHRAE Standard 55-2013中規(guī)定：當人體新陳代謝率在1.0～1.3met的數值區(qū)間，且無陽光直射、平均空氣流速小于0.2m/s、平均輻射溫度和平均空氣溫度相差小于4℃時，操作溫度可以按照下列計算[10]。計算公式為：

式中：t0為操作溫度；tmr為平均輻射溫度；ta為室內空氣溫度；tg為黑球溫度；由于冬季室外溫度低且室內未采暖，居民為了御寒而緊閉門窗，所測得的空氣流速V在0.15以下，符合ASHRAE標準的規(guī)定，但由于人體對空氣流速的最低感覺閾限為0.2m/s，低于此數值不會對人體形成吹風感，故風速對人體熱感覺的影響程度可以忽略不計。

MTS與t0的關系通過線性擬合得到方程式：

從圖8可以看出，PW V的斜率明顯低于MTS。當MTS=0時，實測熱中性溫度為13.6℃；當PWV=0時，預測熱中性溫度為14.2℃，預測比實測高0.6℃。由以上結果可得知：無論實測還是預測的熱中性溫度均未達到國家對于冬季室內熱舒適溫度所要求的16℃，主要原因是受試居民普遍通過增加服裝熱阻來調節(jié)，再輔之以周期性的行為調節(jié)和心理適應，對于偏冷環(huán)境形成了一定程度的低溫適應性，如果室內溫度升高反而會有不舒適的感受[11]。

圖8 冬季熱感覺與操作溫度to關系圖

3.3 濕感覺

將受試居民對冬季住宅室內相對濕度的濕感覺HVS（Humidity Sensation Vote）設定為因變量，室內相對濕度設定為自變量，關系對比如圖9所示，通過線性擬合分別得到Ⅰ區(qū)臥室、Ⅱ區(qū)餐廳的方程式：

圖9 冬季濕感覺與室內相對濕度關系圖

從圖中不難看出，測試期間臥室、餐廳的受試居民濕感覺投票值與室內相對濕度的線性擬合斜率數值低，相關性不強，投票值集中在±1區(qū)間內，這表明受試居民對其所處熱環(huán)境的相對濕度為適中感受[6]。這也從側面印證了文獻結論的正確性：僅極端條件下相對濕度變化會影響人體產生熱感覺[12]。

4 討論

4.1 改善室外環(huán)境

室內空間布局與居民的個人習慣、生活作息相關，難以給出統(tǒng)一改進措施，提升空間有限，但是能夠從室外小區(qū)環(huán)境的景觀、綠化、公共空間設計等層面提出具有可操作性的建議[13]。首先，可以通過改善小區(qū)風環(huán)境。目前該小區(qū)內的綠化建設基本是以草地為主，樹木基本未種植，既缺少觀賞性，又缺少能夠抵御冬季季風的屏障。鹽城地區(qū)位于江蘇省中東部，冬季盛行來自亞洲大陸內部的西北風，可以在此方向上多種植常青樹進行遮擋，也可以起到一定的隔聲作用。

另一方面，通過改善公共空間設計來有效提高居民，特別是中老年居民的熱適應能力。調研顯示，社區(qū)居民里中老年人群所占比例較高，考慮到他們代謝機能下降，御寒能力衰退等原因，應該適當增加鄰里交流互動空間，提供休憩娛樂的場地，有效提高他們生理、心理的適應性，例如可以將樓棟之間的閑置空間充分利用，設計為這樣的交流空間。

4.2 窗戶改進措施

調研對象的窗墻比偏高，應選用氣密性好的厚12mm的中空雙層玻璃和傳熱系數小的窗框，減少冬季大面積開窗所造成的冷風滲透和冷輻射，增強保溫性能，維持室內舒適溫度[14]。調研中發(fā)現由于冬季寒冷的室外氣溫，居民大多時間緊閉門窗，長此以往室內空氣流動性低，污染物濃度升高，空氣品質降低，對于老年人、兒童以及患有心肺疾病的敏感人群存在潛在風險，所以在氣溫適宜的情況下需要勤開窗通風。另受試居民使用的大多為推拉窗，有效利用率低，開啟面積只有一半，可以在活動頻率高的房間安裝平開窗，增加開啟面積、加強通風效果的同時還能夠縮短通風時間。

4.3 采暖設備設置

此次冬季調研中，受試居民未采用懸掛式空調進行技術調節(jié)，詢問以往的使用頻率和情況得知：這類設備服務區(qū)域有限，每戶需要安裝多個才能夠保證不同空間溫度的適宜性，水平方向溫度分布不均，極易出現局部區(qū)域過熱，能源浪費的情況。除了調低設定溫度減少能耗、均勻溫度的傳統(tǒng)方法之外，還可以采用熱舒適指標控制空調的方式進行溫度調節(jié)[15]。

結語

①冬季調研期間鹽城市室外天氣狀況復雜、室內外溫差較大，室內未采取自采暖措施，且受試居民因年齡增長新陳代謝率有所下降，使得居民平均服裝熱阻保持在1.65clo，高于ASHRAE-2013中0.9clo的冬季標準服裝熱阻值。

②受試居民對于冬季室內熱環(huán)境的不滿意率較高，室內熱中性溫度低于國家冬季規(guī)定的16℃，但通過服裝熱阻、心理期望等調節(jié)措施，居民對于偏冷的室內環(huán)境具備一定的耐受性。

③受試居民預測熱中性溫度為14.2℃，實測熱中性溫度為13.6℃，如果通過PMV模型來預測居民冬季室內的熱舒適溫度，會出現一定程度的偏離；且居民對實測中存在的10%～12%的濕度差別不敏感，因此不需要進行濕度修正。

資料來源：

文中圖表均為作者自繪。