蒙中地區(qū)農(nóng)牧民住宅冬季熱舒適調(diào)查

李偉 白葉飛 許國(guó)強(qiáng) 唐汝寧 康曉龍

1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院

嚴(yán)寒C 類蒙中地區(qū)受經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)和地區(qū)的約束，居住建筑多為居民根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)早期搭建，圍護(hù)結(jié)構(gòu)較落后，建筑無內(nèi)外保溫。冬季供熱采用分散式供暖模式，多為火爐、火炕和土暖氣供暖。農(nóng)牧區(qū)所處地理位置受室外溫度影響較大，長(zhǎng)期以來農(nóng)牧民的熱舒適感較差。隨著我國(guó)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略及脫貧攻堅(jiān)行動(dòng)支撐，了解農(nóng)牧區(qū)居民的居住現(xiàn)狀，提高農(nóng)牧區(qū)居民的室內(nèi)熱舒適水平很有必要。

本文選取該地區(qū)冬季不同住宅進(jìn)行跟蹤測(cè)試，研究建筑室內(nèi)外熱環(huán)境對(duì)人體熱舒適的影響，采用PMV(Predicted Mean Vote) 和 MTS (Mean Thermal Sensation)以及熱中性溫度范圍等指標(biāo)，分析冬季不同住宅內(nèi)人體熱舒適。

1 研究方案

1.1 調(diào)研背景

調(diào)研地點(diǎn)選取內(nèi)蒙古中部涼城縣某典型農(nóng)牧區(qū)，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°02′～113°02′，北緯40°10′～40°50′之間，地處陰山南麓和黃土高原東北邊緣，有“七山一水二分灘”之稱[1]，為晉蒙冀交界的重要部分。

本次調(diào)研選取不同建筑材料的住宅進(jìn)行熱環(huán)境參數(shù)測(cè)試和人員主觀問卷調(diào)查。圖1 為調(diào)研的三種不同建筑材料的住宅結(jié)構(gòu)，分別為土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅。

圖1 不同住宅建筑現(xiàn)狀

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

本次實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)房間內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的選取根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[2]布置，距離門窗和壁面0.6 m 以上的距離，室外測(cè)點(diǎn)為背風(fēng)陰涼處，距離地面1.5 m 高度。分別利用testo 溫度自記儀、JT-IAQ 熱環(huán)境測(cè)試儀等進(jìn)行測(cè)試。表1 為實(shí)驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目及相關(guān)儀器參數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器及參數(shù)

垂直測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，坐姿測(cè)量高度距地面0.1 m（表征人體腳踝處）和1.1 m（表征額頭處）。站姿測(cè)量高度距地面0.1 m（腳踝處）、1.1 m（腰處）和1.7m（額頭處）。水平測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，當(dāng)房間面積S＜16 m2時(shí)選擇房間的中心位置布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。當(dāng)房間或區(qū)域面積為16 m2＜S＜30 m2時(shí)，選擇房間對(duì)角線上兩個(gè)等分點(diǎn)分別布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。

1.3 熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)

多位學(xué)者結(jié)合國(guó)外規(guī)范及我國(guó)地理位置和氣候條件差異，根據(jù)不同氣候條件及實(shí)驗(yàn)環(huán)境提出多種熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)，如熱感覺，操作溫度和熱中性溫度等。

熱感覺是人體主觀對(duì)外界的感受，該項(xiàng)研究多以調(diào)查問卷的形式進(jìn)行，采用ASHRAE 7 級(jí)熱感覺標(biāo)度進(jìn)行[3-4]，分別為冷（-3）、涼（-2）、稍涼（-1）、適中（0）、暖（+1）、稍暖（+2）、熱（+3）。

操作溫度是基于平均輻射溫度和空氣溫度的合成溫度，涵蓋環(huán)境與人體的對(duì)流換熱輻射換熱兩種形式[5-6]。將操作溫度以0.5 ℃的間隔，分為若干個(gè)溫度區(qū)間，以每一操作溫度區(qū)間中心溫度為自變量，以受試者在每一溫度區(qū)間內(nèi)填寫的熱感覺投票值的平均值MTS 為因變量，通過線性回歸分析得到變量MTS 和操作溫度t0之間的線性關(guān)系。擬合而得的線性相關(guān)度較高，說明MTS 可以很好的預(yù)測(cè)人體熱感覺。當(dāng)MTS=0 時(shí)，所得溫度即為熱中性溫度。

2 調(diào)查結(jié)果與分析

2.1 室外溫度

冬季在農(nóng)牧民住宅的調(diào)研時(shí)間選在2021 年1 月11 日～1 月15 日，調(diào)研期間室外天氣晴朗。室外空氣溫濕度分布如圖1 所示，為以24 h 為一個(gè)周期的波動(dòng)。該地區(qū)農(nóng)牧民冬季多采用火爐、火炕等分散供暖模式，滿足室內(nèi)溫度需求。

圖2 冬季室外溫濕度

該地區(qū)主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)為氣溫年較差大，冬季寒冷漫長(zhǎng)。調(diào)研期間室外空氣溫度主要集中在-16～-10 ℃，占比65%，室外空氣溫度較低；室外空氣相對(duì)濕度室外空氣相對(duì)濕度主要集中在45%～60%，占比64%，農(nóng)牧區(qū)冬季室外空氣相對(duì)濕度適中。冬季受西北冷空氣寒風(fēng)影響劇烈，晝夜溫差極大，所處地理位置使農(nóng)牧區(qū)住宅氣溫低于周圍村鎮(zhèn)室外氣溫。

2.2 垂直空氣溫差

為計(jì)算室內(nèi)環(huán)境達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后垂直方向上存在的空氣溫差，根據(jù)《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評(píng)價(jià)方法》[3]中的垂直空氣溫差公式,在室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定后，計(jì)算同一條垂直線方向上，受試人體頭部到腳踝的位置處檢測(cè)點(diǎn)的溫度差值。

對(duì)土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅三種不同的當(dāng)?shù)刈≌髯蚤_展為期4 8h 的過渡季室內(nèi)溫度測(cè)量。測(cè)量期間利用TESTO-147 溫濕度自記儀，將儀器擺放在調(diào)研房間同一垂直線上，水平方向按照0.1 m，1.1 m，1.7 m 的高度分別放置，三種住宅站姿與坐姿狀態(tài)下垂直空氣溫差如表2 所示。

表2 三種住宅不同狀態(tài)下垂直空氣溫差

由表2 所得，土坯住宅、磚瓦住宅和惠民工程住宅在冬季垂直空氣溫差均為站姿大于坐姿狀態(tài)，說明保持站姿狀態(tài)的人體熱舒適比坐姿狀態(tài)的熱舒適感覺差。坐姿狀態(tài)中垂直空氣溫差順序?yàn)椋捍u瓦住宅＞惠民工程住宅＞土坯住宅，即坐姿狀態(tài)時(shí)土坯住宅室內(nèi)人員熱舒適感最好，其土坯材料的保溫性能使室內(nèi)不同梯度溫度差距較小，雖然建造年代遠(yuǎn)大于惠民工程住宅，但居民熱舒適感仍較好。

2.3 熱感覺投票值

對(duì)調(diào)研地點(diǎn)農(nóng)牧區(qū)土坯住宅、磚瓦住宅和惠民工程住宅的熱感覺投票值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照Fanger 七級(jí)熱指標(biāo)“冷（-3）、涼（-2）、稍涼（-1）、適中（0）、稍暖（+1）、暖（+2）、熱（+3）”統(tǒng)計(jì)室內(nèi)居民熱感覺，如圖3 住宅熱感覺投票值所示。

圖3 冬季三種住宅熱感覺投票值

由圖3 可知，冬季居民熱感覺投票更傾向“涼”到“適中”，“適中”投票值占主要比例，說明室內(nèi)人員的當(dāng)前熱感覺較滿意，但仍有一部分投票值趨于偏冷環(huán)境。同時(shí)，由于農(nóng)牧區(qū)采暖方式有限，均為分散式供暖，室內(nèi)環(huán)境溫度不如城鎮(zhèn)集中供暖溫度均衡，農(nóng)牧區(qū)居民熱感覺投票值各不一致。在偏冷傾向下的投票值，即從“冷”到“稍涼”區(qū)間占比順序?yàn)椋捍u瓦住宅＞土坯住宅＞惠民工程住宅，磚瓦住宅人體熱感覺投票偏冷狀態(tài)占比最大，磚瓦住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土坯住宅相比蓄熱能力差且無內(nèi)外保溫，居民熱感覺偏冷占比最大。

3 結(jié)果與分析

對(duì)三種不同住宅的調(diào)研數(shù)據(jù)分析，實(shí)測(cè)平均熱感覺MTS 和預(yù)測(cè)平均熱感覺投票值PMV 分別與操作溫度t0進(jìn)行線性回歸，擬合曲線變化趨勢(shì)如圖4 到圖6 所示，圖擬合結(jié)果如下表3 所示。

表3 冬季三種住宅PMV/MTS 與操作溫度關(guān)系

圖4 冬季土坯住宅室內(nèi)操作溫度與PMV/MTS 關(guān)系

圖6 冬季惠民工程民居室內(nèi)操作溫度與PMV/MTS 關(guān)系

圖5 冬季磚瓦住宅室內(nèi)操作溫度與PMV/MTS 關(guān)系

從表3 可知，操作溫度每改變1 ℃，土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅的預(yù)測(cè)平均熱感覺PMV 分別改變0.36、0.13 和0.17 個(gè)標(biāo)度，實(shí)測(cè)平均熱感覺MTS分別改變0.31、0.11 和0.14 個(gè)標(biāo)度，MTS 標(biāo)度改變小于PMV 標(biāo)度，人體實(shí)測(cè)平均熱感覺更容易適應(yīng)偏冷環(huán)境。

隨著操作溫度逐漸升高，實(shí)測(cè)平均熱感覺MTS與預(yù)測(cè)平均熱感覺PMV 差距逐漸減小。由于在冬季該地農(nóng)牧區(qū)居民采用火爐、火炕等采暖方式進(jìn)行室內(nèi)供暖，溫度升高，實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)熱感覺越接近。長(zhǎng)期生活在當(dāng)?shù)氐木用?，心理上更傾向于偏冷環(huán)境，對(duì)居住環(huán)境形成一定的適應(yīng)能力。農(nóng)牧區(qū)居民實(shí)測(cè)平均熱感覺MTS 始終高于預(yù)測(cè)平均熱感覺PMV。

冬季三種住宅MTS=0、PMV=0 時(shí)，土坯住宅內(nèi)得到的實(shí)測(cè)熱中性溫度和預(yù)測(cè)熱中性溫度分別15.2 ℃和16.8 ℃，預(yù)測(cè)比實(shí)測(cè)高1.6 ℃。磚瓦住宅內(nèi)得到的實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)分別為14.8 ℃和16.2 ℃，預(yù)測(cè)比實(shí)測(cè)高1.4 ℃?；菝窆こ套≌瑑?nèi)得到的實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)分別為17.8 ℃和18.8 ℃，預(yù)測(cè)比實(shí)測(cè)高1 ℃。實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)熱中性溫度差距最小的是惠民工程住宅，磚瓦住宅次之，差距最大的土坯住宅?；菝窆こ套≌膶?shí)測(cè)與預(yù)測(cè)溫度均高于其余兩種住宅，且差距最小。惠民工程住宅室內(nèi)人員熱感覺更好，室內(nèi)熱舒適度最高。

我國(guó)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[2]中規(guī)定將人群中90%感覺滿意的熱環(huán)境評(píng)價(jià)為I 級(jí)熱舒適，即MTS=±0.5 時(shí)的中性溫度范圍。令MTS=±0.5，可以得到冬季內(nèi)蒙古南部農(nóng)牧區(qū)的土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅90%可接受溫度區(qū)間分別為13.64～16.87 ℃、10.36～19.45 ℃、14.21～21.35 ℃。

4 結(jié)論

1)三種住宅的冬季垂直空氣溫差均為站姿大于坐姿狀態(tài)，坐姿狀態(tài)時(shí)土坯住宅室內(nèi)人員熱舒適感最好，其土坯材料的保溫性能使室內(nèi)不同梯度溫度差距較小，雖然室內(nèi)溫度低于惠民工程住宅，但居民熱舒適感較好。

2)蒙中地區(qū)土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅的預(yù)測(cè)熱中性溫度和實(shí)測(cè)熱中性溫度溫度差值分別為1.6 ℃、1.4 ℃和1 ℃?；菝窆こ套≌罹嘧钚?，說明其室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)于磚瓦住宅和土坯住宅，室內(nèi)人員熱舒適度最高。

3)土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅90%可接受溫度區(qū)間分別為13.64～16.87 ℃、10.36～19.45 ℃、14.21～21.35 ℃。