人體熱感覺實(shí)測值偏離預(yù)測值的原因分析

馮國會(huì),周梓強(qiáng),宋嘉森,何 勇

(1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168;2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400044)

隨著科學(xué)的進(jìn)步和生活水平的提高,人們?cè)絹碓较蛲孢m度高的生活環(huán)境。文獻(xiàn)[1]把熱舒適環(huán)境定義為人在心理狀態(tài)上感到滿意的熱環(huán)境。目前常用預(yù)測平均投票PMV指數(shù)來評(píng)價(jià)人的熱感覺。影響人體熱舒適的因素有很多,PMV是考慮最為全面的評(píng)價(jià)指標(biāo),包括空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、平均輻射溫度4個(gè)環(huán)境因素,還有服裝熱阻和新陳代謝率兩個(gè)人為因素。目前關(guān)于熱環(huán)境舒適性的研究主要分為現(xiàn)場測試研究和實(shí)驗(yàn)室研究兩種,由于現(xiàn)場研究能更好地反映隨機(jī)人群對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性,所以應(yīng)用較廣。邢金城[2]在對(duì)天津市某辦公建筑內(nèi)熱環(huán)境舒適度進(jìn)行現(xiàn)場研究發(fā)現(xiàn),冬季、過渡季、夏季人體熱感覺實(shí)測值均偏離預(yù)測值;姚新玲[3]對(duì)上海地區(qū)養(yǎng)老建筑進(jìn)行現(xiàn)場測試分析發(fā)現(xiàn),老年人熱感覺的實(shí)測值和熱感覺的預(yù)測值相比較存在差異,預(yù)測效果不理想。

眾多研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)PMV與現(xiàn)場研究中得到的實(shí)測熱感覺投票TSV進(jìn)行比較時(shí),呈現(xiàn)出顯著的差異,這使得國內(nèi)外許多學(xué)者開始懷疑PMV熱舒適模型的準(zhǔn)確性。筆者通過研究得出,服裝熱阻、新陳代謝率、個(gè)體差異、建筑類型、行為習(xí)慣等因素均會(huì)造成人體熱感覺實(shí)測值偏離預(yù)測值,進(jìn)一步明確了PMV熱舒適模型的適用范圍。

1 PMV熱舒適模型

1.1 PMV熱舒適模型理論

20世紀(jì)70年代,P.O.Fanger[4]收集了1396名受試者在嚴(yán)格控制室內(nèi)參數(shù)的人工氣候?qū)嶒?yàn)室測出的熱舒適實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)而推導(dǎo)出了PMV的實(shí)驗(yàn)回歸公式(見式(1))。其原理為人體處于穩(wěn)態(tài)的熱環(huán)境中時(shí),人體的熱負(fù)荷值越大,人就越熱,反之越冷。

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.0275]TL.

(1)

式中:M表示人體能量代謝率,取決于人體活動(dòng)量大小,W/m2;TL表示人體熱負(fù)荷,W/m2,即人體產(chǎn)熱量與散熱量的差值。

PMV指標(biāo)采用七級(jí)標(biāo)度,熱感覺分別對(duì)應(yīng):冷、涼、微涼、適中、微暖、暖、熱;對(duì)應(yīng)的PMV指標(biāo)值分別為-3,-2,-1,0,+1,+2,+3。

由于個(gè)體差異性的存在,PMV指標(biāo)并不能代表每個(gè)人的熱感覺。因此,P.O.Fanger[4]又提出了預(yù)測不滿意百分比PPD來表示對(duì)環(huán)境不滿意的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的百分比,同時(shí)給出了PMV和PPD之間的定量關(guān)系:

PPD=100-95exp[-(0.033 53PMV4+0.217 9PMV2)].

(2)

文獻(xiàn)[5]中采用PMV-PPD指標(biāo)來評(píng)價(jià)熱環(huán)境,當(dāng)PMV=0時(shí),PPD=5%,表示即使室內(nèi)環(huán)境處于最佳舒適狀況時(shí),仍然有5%的人處于不滿意的狀態(tài)。

1.2 熱感覺和熱舒適

熱感覺是人體對(duì)所處環(huán)境是“冷”還是“熱”的主觀評(píng)價(jià),當(dāng)人體用于體溫調(diào)節(jié)所消耗的能量最少,人體感到不冷不熱,此時(shí)叫做人體處于“中性”狀態(tài)。熱舒適是人體對(duì)熱環(huán)境表示滿意的意識(shí)狀態(tài),有的學(xué)者認(rèn)為熱感覺的中性狀態(tài)就是熱舒適狀態(tài)。筆者認(rèn)為這樣的判斷有失偏頗,熱舒適應(yīng)該指熱不舒適感消失時(shí)所產(chǎn)生的愉悅感,此時(shí)所處的狀態(tài)不一定是“中性”的。

無論是熱感覺還是熱舒適,都無法利用儀器精確地測量出來,一般都是利用主觀的調(diào)查問卷形式來了解受測者的主觀感受。王昭俊[6]對(duì)哈爾濱市66戶住宅中120名居民的熱感覺和熱舒適進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查,得到數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析得出了熱感覺投票值分布頻率與熱舒適投票值分布頻率是不同的結(jié)果。熱舒適和熱感覺有分離的現(xiàn)象存在。

2 熱環(huán)境測試分析

2.1 測試過程

在進(jìn)行某一建筑環(huán)境熱舒適的調(diào)研時(shí),往往是通過對(duì)環(huán)境中的人群進(jìn)行調(diào)查問卷的形式來獲取其對(duì)當(dāng)前環(huán)境的真實(shí)感受,問卷會(huì)設(shè)置受試者對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速等物理項(xiàng)的感覺投票,測試時(shí)所穿的衣物進(jìn)行記錄,在進(jìn)行調(diào)查問卷的同時(shí)對(duì)當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、黑球溫度利用儀器測試,采用黑球溫度間接計(jì)算法計(jì)算平均輻射溫度:

(3)

式中:Tm為平均輻射溫度,℃;Tg為黑球溫度,℃;Ta為室外空氣溫度,℃;V為空氣流速,m/s。

測試中一般采用操作溫度作為環(huán)境熱舒適的溫度指標(biāo),操作溫度是把輻射和對(duì)流因素綜合考慮所得出的,具有精度高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn),操作溫度計(jì)算如下:

T0=A×Ta+(1-A)Tm.

(4)

式中:T0為操作溫度,℃;Ta為室外空氣溫度,℃;Tm為平均輻射溫度,℃;A為系數(shù),由空氣流速確定。

2.2 實(shí)測值與預(yù)測值的對(duì)比

筆者選取多個(gè)現(xiàn)場研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)熱感覺實(shí)測值與預(yù)測值之間的偏差是普遍存在的。對(duì)于現(xiàn)場實(shí)際熱感覺投票值,采用溫度頻率法進(jìn)行回歸處理,即通過計(jì)算出來的操作溫度T0,以0.5 ℃為一個(gè)區(qū)間,每一個(gè)區(qū)間內(nèi)的平均溫度作為自變量,參與調(diào)查問卷的人群在該溫度區(qū)間內(nèi)的實(shí)測熱感覺投票值為因變量,利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的回歸統(tǒng)計(jì),得到人群實(shí)測熱感覺投票TSV關(guān)于操作溫度T0的回歸曲線TSV=f(T0)。根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)[7]中的PMV-PPD計(jì)算程序,將現(xiàn)場測量和調(diào)查問卷中得到的空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、平均輻射溫度、服裝熱阻、新陳代謝率等數(shù)據(jù)輸入到程序中,即可計(jì)算出每一份問卷對(duì)應(yīng)的PMV預(yù)測值。同樣利用溫度頻率法,得到PMV關(guān)于操作溫度T0的回歸曲線PMV=f(T0)。國內(nèi)外研究熱環(huán)境舒適度的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 國內(nèi)外熱感覺投票TSV與PMV的對(duì)比結(jié)果Table 1 Comparison of thermal sensation voting TSV and PMV at home and abroad

從表1中可以看出,TSV與PMV的回歸方程系數(shù)是不一致的,總體都是隨著操作溫度的增加而呈上升的趨勢,公式斜率反映的是受試人群對(duì)環(huán)境操作溫度變化的敏感程度,可以看到不同的受試人群,不同的建筑類型對(duì)于熱敏感程度是不同的。同時(shí),分別令回歸方程TSV=0,PMV=0可以得到實(shí)際的熱中性溫度和預(yù)測的熱中性溫度,通過熱中性溫度可以更直觀地看出人對(duì)環(huán)境熱感覺實(shí)測值偏離預(yù)測值的程度。

3 偏差現(xiàn)象分析

要分析PMV熱舒適模型的偏差現(xiàn)象,首先從其主要的影響因素方面著手,PMV模型是由6個(gè)變量計(jì)算出來的,包括四個(gè)可測量的環(huán)境參數(shù)和兩個(gè)估算參數(shù)(服裝熱阻和新陳代謝率),測試前四個(gè)變量主要是利用《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)[7]中規(guī)定的儀器進(jìn)行測量,因此在各種不同的研究中所產(chǎn)生的誤差是非常小的,可以忽略不計(jì)。而另外兩個(gè)參數(shù)的確定往往會(huì)產(chǎn)生一定程度的誤差,因此筆者主要針對(duì)服裝熱阻、新陳代謝率和其他因素進(jìn)行偏差分析。

3.1 服裝熱阻

服裝隔熱對(duì)人體熱舒適至關(guān)重要,因此考慮人與環(huán)境的熱交換時(shí)必須考慮服裝熱阻的影響。服裝熱阻一般是利用假人在穩(wěn)態(tài)環(huán)境中測量得出,假人所測得的服裝熱阻值,相當(dāng)于真人靜坐狀態(tài)下的衣服熱阻。因?yàn)槿梭w與環(huán)境之間的熱交換過程必須借助于服裝的作用,所以這種過程是比較復(fù)雜的。目前的熱舒適研究中,服裝熱阻值可通過查詢《民用建筑熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)中代表性服裝熱阻表獲得。在進(jìn)行熱舒適現(xiàn)場調(diào)查問卷過程中,通過記錄被試人員的穿著情況來確定總的服裝熱阻值。韓滔[8]認(rèn)為除了極少數(shù)天氣突變情況外,人在一天中的穿著一般情況是不變的,大多是以上午的天氣為參考標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)生一定的誤差?；谀承┣闆r受試人群是坐在椅子上或者臥床狀態(tài),因此也要考慮椅子或床鋪的熱阻。G.S.Brager[9]在研究中增加了0.15clo的椅子熱阻,對(duì)舊金山辦公建筑人員熱感覺進(jìn)行重新計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)TSV相比較PMV的偏差有所減少。綜上所述,服裝熱阻的確定多以估算為主,但有很多的細(xì)節(jié)問題沒有考慮導(dǎo)致估算值有偏差。所以筆者認(rèn)為在確定服裝熱阻時(shí)的不嚴(yán)謹(jǐn)性是TSV與PMV存在偏差的原因之一。

3.2 新陳代謝率

人的能量新陳代謝率受多種因素影響,包括肌肉強(qiáng)度、溫度、進(jìn)食時(shí)長、神經(jīng)緊張程度等。實(shí)際的研究中是根據(jù)受試人的活動(dòng)水平來確定新陳代謝率,通過查詢《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)[7]中的代謝率表得到。表2為給定環(huán)境參數(shù)下代謝率對(duì)PMV的影響,從表中可以看到,不同的行動(dòng)水平會(huì)產(chǎn)生不同的代謝率,從而對(duì)應(yīng)不同的PMV指數(shù)。新陳代謝率表中給出的是平均代謝率,無法反映不同個(gè)體之間的差異或者同一個(gè)體不同時(shí)間段的差異。準(zhǔn)確的估算代謝率是比較困難的,由文獻(xiàn)[10]可得PMV模型預(yù)測值的準(zhǔn)確性隨著代謝率的變化而變化:在1.4 met以下,PMV模型的準(zhǔn)確性最高;高于1.8 met時(shí),預(yù)測值會(huì)比實(shí)測值高出一個(gè)等級(jí)。

表2 給定環(huán)境參數(shù)下代謝率對(duì)PMV的影響Table 2 Effect of metabolic rate on PMV under given environmental parameters

3.3 其他因素

3.3.1 個(gè)體差異

個(gè)體差異普遍考慮的是年齡、性別、人種等因素的影響。徐剛[11]認(rèn)為因?yàn)槟行怨趋兰≥^為發(fā)達(dá),在工作狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生更多的熱量,因此更容易感到炎熱。L.Lan[12]針對(duì)我國人群性別對(duì)熱舒適的影響研究發(fā)現(xiàn),女性處于熱中性狀態(tài)時(shí)的溫度為26.3℃,男性為25.3℃,女性可接受的環(huán)境溫度偏高于男性。

對(duì)于年齡的影響是比較明顯的,L.Schellen[13]研究發(fā)現(xiàn)老年人對(duì)于溫度的敏感程度較低,并且對(duì)于偏暖的環(huán)境期望較大;楊玉蘭[14]認(rèn)為老年人因?yàn)樾睦砗蜕砩系奶厥庑?直接使用PMV模型會(huì)產(chǎn)生較大的誤差,無法準(zhǔn)確預(yù)測老年人熱感覺。分析原因主要是因?yàn)槔夏耆讼啾扔谀贻p人有較低的代謝率,從而影響自身產(chǎn)熱。

3.3.2 建筑類型

由于PMV模型公式是在環(huán)境參數(shù)嚴(yán)格控制的人工氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)歸納總結(jié)出來的,因此對(duì)于建筑類型是沒有考慮的。建筑可以分為空調(diào)建筑和自然通風(fēng)建筑,對(duì)于自然通風(fēng)建筑,其室內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)都是不斷變化的,是一種不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)環(huán)境,因此面對(duì)不同的建筑環(huán)境不能簡單地套用PMV模型去預(yù)測熱感覺。P.O.Fanger[4]對(duì)雅典等四個(gè)較熱地區(qū)的自然通風(fēng)建筑現(xiàn)場調(diào)查后發(fā)現(xiàn)熱感覺實(shí)測值與預(yù)測值呈現(xiàn)出“剪刀差”現(xiàn)象,并且溫度越高,PMV與TSV的偏差越大。劉劍釗[15]對(duì)自然通風(fēng)建筑和空調(diào)建筑PMV模型進(jìn)行分析得出,對(duì)于自然通風(fēng)建筑,PMV模型在夏季和冬季都低估了人體熱感覺;而在空調(diào)建筑中,卻高估了夏季和冬季的人體熱感覺。

對(duì)于自然通風(fēng)建筑,P.O.Fanger[4]分析如下:①自由運(yùn)行的環(huán)境使得人體新陳代謝率估計(jì)不準(zhǔn);②自然通風(fēng)建筑中的人群對(duì)環(huán)境溫度期待較低,假如其長期生活在炎熱環(huán)境中,就會(huì)比普通人更加能接受高溫。對(duì)此P.O.Fanger[4]引入了一個(gè)值為0.5～1的期望因子e,對(duì)原來的PMV模型進(jìn)行修正(見式(5))。通常情況下根據(jù)不同的氣候條件選擇不同的期望因子,對(duì)于自然通風(fēng)建筑所處的環(huán)境,炎熱程度越強(qiáng),采用的期望因子數(shù)值越小。但該方法的問題是只考慮心理的影響,沒有實(shí)質(zhì)性的反映兩種熱環(huán)境的區(qū)別,最明顯的缺陷就是不能修正室內(nèi)中性溫度。

PMVe=ePMV.

(5)

另一種方法是采用適應(yīng)性模型,將室內(nèi)的中性溫度與室外月平均溫度聯(lián)系起來,表現(xiàn)出了自然通風(fēng)建筑中室內(nèi)舒適溫度隨室外溫度的變化過程,計(jì)算如下:

Tcomf=aTout,m+b.

(6)

式中:Tcomf為室內(nèi)舒適溫度,℃;Tout,m為室外空氣月平均溫度,℃。

金振星[16]在研究中對(duì)我國9個(gè)南北方典型城市進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查,分別建立了我國南北方的適應(yīng)性模型:

南方:Tcomf=0.821Tout,m+14.79.

(7)

北方:Tcomf=0.422Tout,m+15.69.

(8)

端木琳等[17]認(rèn)為適應(yīng)性模型只考慮人的適應(yīng)性,忽略了環(huán)境因素的影響;而PMV模型考慮了環(huán)境因素,未考慮人的適應(yīng)性,兩者各有優(yōu)劣,可以考慮將兩者結(jié)合起來。R.M.Yao等[18]綜合考慮了心理適應(yīng)、生理適應(yīng)和行為適應(yīng)等因素,基于“黑箱”理論得到自適應(yīng)預(yù)測平均投票模型aPMV:

(9)

《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)[7]中對(duì)自適應(yīng)系數(shù)λ在我國不同氣候區(qū)不同建筑類型做了說明(見表3)。

表3 不同情況下λ的取值Table 3 The values of λ in different cases

4 結(jié) 論

(1)對(duì)服裝熱阻值和新陳代謝率的估算較為粗略,這兩個(gè)因素直接影響PMV預(yù)測值的準(zhǔn)確性。不同的情況下對(duì)衣物阻值的簡單累加并不能代表真實(shí)情況下的熱阻;新陳代謝率只考慮了運(yùn)動(dòng)情況得出指標(biāo),肌肉強(qiáng)度、溫度、進(jìn)食時(shí)長、神經(jīng)緊張程度等多種因素均會(huì)影響新陳代謝水平。

(2)樣本人群中個(gè)體差異性的存在使得對(duì)同一建筑環(huán)境熱舒適的評(píng)價(jià)不同,例如老年人代謝率普遍低于年輕人,男人比女人更易產(chǎn)生熱量。

(3)PMV模型在處于空調(diào)建筑穩(wěn)態(tài)環(huán)境中預(yù)測會(huì)較為準(zhǔn)確,在自然通風(fēng)房間中誤差較大,因此可以采用PMV修正模型、適應(yīng)性模型和aPMV的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。