冬季西安農(nóng)村住宅室內(nèi)熱舒適研究

趙旭蒙，閆秀英*，郝官?gòu)?qiáng)

（1-西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710055；2-中建三局智能技術(shù)有限公司，湖北武漢 430074）

0 引言

國(guó)際熱舒適標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE55—2013[1]與ISO 7730[2]均基于穩(wěn)態(tài)傳熱環(huán)境，且只適用于中等熱環(huán)境。由于文化生活差異和氣候差異，不同地區(qū)的居民有不同的熱經(jīng)歷和熱環(huán)境適應(yīng)能力，這導(dǎo)致人們對(duì)熱環(huán)境感受上的差別。

在熱舒適的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究方向主要集中在：1）不同類型建筑的熱舒適調(diào)研，如城市住宅、辦公建筑、高校建筑等[3-8]；2）不同地理區(qū)劃的建筑的熱舒適調(diào)研，如南海島礁建筑、黔東南地區(qū)建筑、華北平原建筑、東北地區(qū)建筑等[9-12]。在諸多熱舒適現(xiàn)場(chǎng)研究中，以東部、南部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)為主，卻對(duì)地處西部的農(nóng)村地區(qū)研究較少。

西部地區(qū)土地面積約占我國(guó)國(guó)土總面積的70.6%，西部地區(qū)農(nóng)村人口數(shù)量約占我國(guó)農(nóng)村總?cè)丝诘?4%，隨著“新時(shí)代西部大開發(fā)”的提出與推進(jìn)，改善西部地區(qū)農(nóng)村人居環(huán)境成為越來越多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。本文以西安市的農(nóng)村住宅為研究對(duì)象，對(duì)當(dāng)?shù)囟臼覂?nèi)外的物理環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以問卷的方式調(diào)查了當(dāng)?shù)刈魧?duì)室內(nèi)熱環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)。

1 西安地區(qū)氣候與農(nóng)村建筑特點(diǎn)

西安地處陜西關(guān)中平原中部，屬于我國(guó)建筑熱工分區(qū)中的寒冷地區(qū)，氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候。西安市轄區(qū)范圍內(nèi)年平均氣溫為13.9 ℃，年極端最高氣溫為42.9 ℃，極端最低氣溫為-14.7 ℃。最熱月7月平均氣溫為27 ℃，最冷月1月平均氣溫為1 ℃。近年來在華北平原各省不斷增長(zhǎng)的工業(yè)污染排放、當(dāng)?shù)丶竟?jié)性盛行的東風(fēng)以及關(guān)中盆地自身特殊的喇叭形構(gòu)造的綜合作用下，冬季西安地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)中度至重度霧霾天氣。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，西安農(nóng)村地區(qū)大多數(shù)住宅的面積約為250~500 m2，建筑面積120~160 m2。主要為一層或兩層的獨(dú)院式住宅，采用條形的南北朝向形式。住宅底層層高一般為3.2~3.5 m，二層的層高在3.1~3.3 m，以磚混結(jié)構(gòu)為主。屋面上鋪紅色或藍(lán)色彩鋼瓦。窗戶多為鋁合金框單層玻璃，外門為鋼制非標(biāo)門。建筑外墻多為240 mm黏土磚墻，東西側(cè)外墻飾面為清水磚墻，南北側(cè)帖有陶瓷質(zhì)外墻面磚或粉刷建筑涂料，由于經(jīng)濟(jì)條件限制，屋頂和外墻均不采取保溫措施。

2 調(diào)查內(nèi)容與方法

2.1 調(diào)查對(duì)象

本次調(diào)查于2020-01-20—2020-01-23日在陜西省西安市鄠邑區(qū)進(jìn)行。鄠邑區(qū)的國(guó)民生產(chǎn)總值（Gross Domestic Product，GDP）常年位于西安市遠(yuǎn)郊六區(qū)縣（高陵區(qū)、臨潼區(qū)、閻良區(qū)、鄠邑區(qū)、藍(lán)田縣和周至縣）中的第3至第4名，其農(nóng)村住宅現(xiàn)狀具有較強(qiáng)的代表性。

本次調(diào)查建筑樣本容量為32戶，受試人數(shù)為112人，其中男性共63人，女性共49人，涵蓋了小學(xué)、初中、高中、本科和碩士等不同受教育層次的人群。在這32戶中，有30戶采用電暖氣進(jìn)行間歇式采暖，2戶無任何采暖措施。

2.2 主觀問卷調(diào)查

主觀問卷調(diào)查的主要內(nèi)容包括居民的年齡、性別和衣著情況等客觀信息，以及當(dāng)時(shí)環(huán)境下的熱感覺和熱舒適情況，熱感覺采用ASHRAE的7級(jí)標(biāo)度，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研投票標(biāo)尺如表2所示。本次調(diào)查也進(jìn)行了熱期望的調(diào)查。女性樣本的占比為43.75%，男性樣本占比為56.25%。受試者背景資料如表1所示。

表1 受試者背景資料

表2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研投票標(biāo)尺

2.3 環(huán)境參數(shù)測(cè)試

測(cè)試內(nèi)容為房間室內(nèi)外空氣溫度、濕度、室內(nèi)風(fēng)速以及室內(nèi)黑球溫度。主要儀器有：1）TR72UI型雙通道溫濕度記錄儀進(jìn)行室內(nèi)外溫濕度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)步長(zhǎng)5 min，溫濕度精度為±0.3 ℃（-20~80 ℃），±5%RH（25 ℃）。室外置于通風(fēng)背陰，離地約0.5 m處，室內(nèi)置于測(cè)試房間中央，離地高度約1.1 m處；2）AZ8778型黑球溫度計(jì)進(jìn)行室內(nèi)黑球溫度測(cè)量，測(cè)量準(zhǔn)確度±0.2 ℃（15~40 ℃），測(cè)量范圍1~80 ℃；3）TESTO 405型熱線風(fēng)速儀進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)速測(cè)量，測(cè)量精度±（0.1 m/s+5%測(cè)量值）（0~2 m/s）。

測(cè)試時(shí)間為每日起床至就寢（7:00—21:00），本次測(cè)試前后共持續(xù)4 d。

2.4 熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜合考慮人體與其所處周圍空氣自然對(duì)流換熱與輻射換熱的作用，本次調(diào)查選用操作溫度to作為熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)。to由式(1)計(jì)算得到[21]：

式中，tmr為平均輻射溫度，℃；ta為室內(nèi)空氣溫度，℃；hc為對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)，坐姿時(shí)取值4.0[21]；hr為輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)，室溫時(shí)取值4.7[2]。

平均輻射溫度由下式計(jì)算[17]：

式中，tg為黑球溫度，℃；v為室內(nèi)風(fēng)速，m/s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 新陳代謝率及服裝熱阻

接受調(diào)查時(shí)受試者所處狀態(tài)為坐著填寫問卷或回答問題，整個(gè)過程持續(xù)約15 min。將本次調(diào)查中受試者的新陳代謝率水平選定為69.84 W/m2，這屬于坐姿活動(dòng)輕微者所具有的正常代謝水平。（依據(jù)ASHRAE55—2013[1]）。

農(nóng)村居民與城市居民的生活習(xí)慣存在較大差異。本次調(diào)查中西安農(nóng)村住宅室內(nèi)座椅主要為木制方凳或圓凳，無附加坐墊，受試者接受調(diào)查時(shí)坐在座椅上。本次調(diào)查不考慮座椅對(duì)服裝熱阻的影響。受試者總服裝熱阻值由式(3)計(jì)算：

式中，I為單人整套服裝熱阻，clo；Ii為單件服裝熱阻，clo。

表3所示為受試者服裝熱阻分布。由表3可知，受試者服裝熱阻主要集中在1.1~2.5 clo，頻率最大值出現(xiàn)在1.9~2.1 clo，受試者服裝熱阻平均值為1.96 clo，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ASHRAE55—2013[1]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

表3 受試者服裝熱阻分布

西安農(nóng)村地區(qū)住宅普遍未采取任何保溫措施，因此在冬季通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量損失較大。西安農(nóng)村地區(qū)大量居民采用電暖氣這種局部空間加熱式設(shè)備采暖，無法滿足人體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的需求，當(dāng)?shù)鼐用衿毡樵龃笞陨碇铝恳赃m應(yīng)當(dāng)?shù)剌^差的室內(nèi)熱環(huán)境。

3.2 室外熱環(huán)境參數(shù)

本次調(diào)查期間該地區(qū)室外溫度變化范圍為-2.4~12.7 ℃，室外平均氣溫為3.4 ℃；室外相對(duì)濕度變化范圍為22.7%~70.1%，室外平均相對(duì)濕度約為45%。

3.3 室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)分析

本次調(diào)查期間室內(nèi)空氣溫度變化范圍為5.0~12.8 ℃，室內(nèi)平均氣溫為7.2 ℃，室內(nèi)相對(duì)濕度為40%~80%，室內(nèi)平均相對(duì)濕度為64.4%。

表4 室內(nèi)溫濕度分布

3.4 熱接受率和熱舒適區(qū)間

在ASHRAE的7級(jí)標(biāo)尺中，當(dāng)投票值為-3、-2、2和3時(shí)表示受試者不可接受當(dāng)前熱環(huán)境，當(dāng)投票值為-1、0和1時(shí)表示受試者可以接受當(dāng)前熱環(huán)境。熱不可接受率即為某一熱環(huán)境下投不可接受票的人數(shù)占總投票人數(shù)的百分比。通過操作溫度與熱不可接受率P的擬合計(jì)算，可以得到熱不可接受率與室內(nèi)操作溫度to的擬合圖像如圖1所示。

圖1 熱接受率隨操作溫度的變化

回歸方程為：

相關(guān)系數(shù)：

西安屬于我國(guó)建筑熱工分區(qū)中的寒冷地區(qū)，冬季應(yīng)進(jìn)行供暖。但受到西北內(nèi)陸落后的經(jīng)濟(jì)水平制約，本次調(diào)研中發(fā)現(xiàn)部分農(nóng)村家庭至今尚無任何采暖設(shè)施。約30%的有采暖家庭的采暖設(shè)施十分簡(jiǎn)陋。大多數(shù)有采暖家庭都是間歇式地啟動(dòng)采暖設(shè)施，室內(nèi)熱環(huán)境狀況普遍較差。當(dāng)?shù)鼐用穸嗖扇≡黾右挛?，關(guān)閉門窗，增加活動(dòng)量等主動(dòng)式方法來調(diào)節(jié)自身熱平衡。因此，長(zhǎng)期生活在當(dāng)?shù)氐木用駥?duì)當(dāng)?shù)責(zé)岘h(huán)境的行為、生理和心理適應(yīng)能力較強(qiáng)。

對(duì)于國(guó)際通行的ASHRAE—2013和ISO7730兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的80%居民接受的舒適熱環(huán)境，因?yàn)槎舅鶞y(cè)數(shù)據(jù)基本為冷不滿意率，故可求得冬季80%西安農(nóng)村住宅室內(nèi)居民可接受的溫度下限為9.6 ℃（以操作溫度to計(jì)）。

落入該區(qū)間（可接受溫度下限以上）的樣本數(shù)目?jī)H為總樣本數(shù)目的21.2%，由此見得冬季當(dāng)?shù)氐氖覂?nèi)熱環(huán)境仍有較大改善空間。

3.5 熱中性溫度

由于新冠肺炎疫情的影響，本次調(diào)查樣本容量相對(duì)有限。故綜合了有采暖和無采暖的兩種樣本，來求解熱中性溫度與期望溫度。平均熱感覺M與室內(nèi)操作溫度to的線性擬合圖像如圖2所示。

圖2 平均熱感覺M隨室內(nèi)操作溫度變化

回歸方程為：

相關(guān)系數(shù)：

當(dāng)M=0時(shí)，可求得當(dāng)?shù)氐牡氖覂?nèi)熱中性溫度13.88 ℃（以操作溫度to計(jì)）。而調(diào)查期間當(dāng)?shù)厥覂?nèi)的平均操作溫度為8.1 ℃，遠(yuǎn)小于熱中性溫度。

3.6 期望溫度

以0.5 ℃為組距，分別統(tǒng)計(jì)該溫度區(qū)間內(nèi)投票值為冷感（-2和-3）和熱感（+2和+3）的受試者人數(shù)占該區(qū)間投票總?cè)藬?shù)的百分比。將操作溫度與測(cè)試得到的冷熱期望百分比進(jìn)行線性回歸，如圖3所示。兩條擬合曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即為當(dāng)時(shí)測(cè)試環(huán)境下的期望溫度。由圖3可知，冬季西安農(nóng)村住宅居民的期望溫度為14.0 ℃（以操作溫度to計(jì)），相較于室內(nèi)熱中性溫度（13.88 ℃）高了0.12 ℃。說明當(dāng)?shù)鼐用裨诙救云谕氖覂?nèi)熱環(huán)境。

圖3 冬季期望溫度的求解

3.7 實(shí)測(cè)平均熱感覺與預(yù)測(cè)平均熱感覺的比較

將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的室內(nèi)空氣溫度、室內(nèi)黑球溫度、室內(nèi)相對(duì)濕度和室內(nèi)空氣流速等室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)以及受試人員的服裝熱阻、新陳代謝率等輸入提前編制好的MATLAB程序，即可求出預(yù)測(cè)平均熱感覺（A）的值。

預(yù)測(cè)平均熱感覺與室內(nèi)操作溫度to的線性擬合圖像如圖4所示，回歸方程為：

相關(guān)系數(shù)：

由圖4可知，本次測(cè)試中當(dāng)?shù)鼐用裨诙镜念A(yù)測(cè)熱感覺A低于實(shí)測(cè)熱感覺M。當(dāng)A=0時(shí)，可求得預(yù)測(cè)熱中性溫度為14.79 ℃，高于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的熱中性溫度（13.88 ℃），表明該地區(qū)居民對(duì)冷的耐受性高于預(yù)測(cè)值。A與室內(nèi)操作溫度擬合曲線較M與室內(nèi)操作溫度擬合曲線向冷側(cè)偏移，說明長(zhǎng)期以來由于人體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的舒適范圍較預(yù)測(cè)范圍更寬。

圖4 冬季A、M與室內(nèi)操作溫度的關(guān)系對(duì)比

4 結(jié)論

本文以西安市鄠邑區(qū)的農(nóng)村住宅為例，研究了冬季室內(nèi)熱舒適情況，通過對(duì)實(shí)測(cè)得到的室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和主觀調(diào)查問卷結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1）冬季西安農(nóng)村住宅室內(nèi)居民的熱中性溫度為13.88 ℃，期望溫度為14.0 ℃，高于熱中性溫度；冬季當(dāng)?shù)?0%居民可接受的溫度下限為9.5 ℃，由于他們長(zhǎng)期在這種室內(nèi)環(huán)境中生活，耐寒能力較強(qiáng)，并且對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境具有較低的心理期望；

2）冬季當(dāng)?shù)鼐用竦钠骄b熱阻達(dá)到1.96 clo，增大著衣量是他們對(duì)當(dāng)?shù)厥覂?nèi)熱環(huán)境采取的主要適應(yīng)性措施；

3）實(shí)測(cè)熱感覺高于預(yù)測(cè)熱感覺，表明現(xiàn)實(shí)條件下人們可接受的舒適溫度較低，西安農(nóng)村居民的耐冷性較強(qiáng)；西部地區(qū)無保溫層的農(nóng)村住宅存量大，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫改造對(duì)改善當(dāng)?shù)厝司迎h(huán)境具有很強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義。