西安地區(qū)開放式辦公建筑夏季人體熱舒適調(diào)查研究*

趙勝凱 楊 柳 高斯如 翟永超

(西安建筑科技大學(xué),西安)

0 引言

根據(jù)國際能源署對建筑行業(yè)能源使用與二氧化碳排放的統(tǒng)計(jì),2018年建筑行業(yè)能耗占全球能耗的1/3以上,與能源相關(guān)的二氧化碳排放中約40%來自建筑運(yùn)營過程[1]。眾所周知,空調(diào)系統(tǒng)是辦公建筑能耗的主要來源,導(dǎo)致了建筑運(yùn)行階段二氧化碳的大量排放。當(dāng)前中國辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)耗電量約占總耗電量的50%[2]。在實(shí)現(xiàn)我國“雙碳目標(biāo)”的背景下,既能降低建筑能耗又能提供舒適健康的室內(nèi)熱環(huán)境是我們需要解決的問題,那么為夏季辦公建筑制定合理的室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)顯得尤為重要。

目前,我國GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中對夏季辦公空調(diào)建筑規(guī)定的舒適區(qū)間分為2個等級:Ⅰ級為24≤ta≤26 ℃,40%≤φ≤60%(其中ta、φ分別為空氣溫度和相對濕度);Ⅱ級為26

目前已有不少學(xué)者對辦公建筑的室內(nèi)熱環(huán)境和人體熱舒適進(jìn)行了調(diào)研。大多數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)夏季辦公建筑室內(nèi)存在過冷的現(xiàn)象,但過冷的室內(nèi)熱環(huán)境并不一定會給辦公人群帶來較高的滿意度,這種做法不僅是一種能源浪費(fèi)的表現(xiàn),而且產(chǎn)生的不適感也會影響人員的生產(chǎn)力和健康[6-7]。de Dear等人發(fā)現(xiàn)新加坡辦公樓的室內(nèi)熱環(huán)境普遍符合熱舒適標(biāo)準(zhǔn)[8]。Rupp等人對巴西夏季辦公樓的調(diào)研結(jié)果顯示室內(nèi)舒適溫度的范圍比ASHRAE 55-2020[4]建議的范圍更寬[9]。中國香港夏季辦公樓的中性溫度為23.5 ℃[10],而中國臺灣中性溫度比香港高2 ℃[11]。徐誠等人對長沙地區(qū)集中空調(diào)辦公建筑調(diào)研發(fā)現(xiàn),夏季人們更偏好涼爽的室內(nèi)熱環(huán)境,且有70%的受訪者會使用個性化風(fēng)扇來提高自身熱舒適[12]。Liu等人在夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑中研究發(fā)現(xiàn),夏季不同的室內(nèi)設(shè)定溫度對建筑能耗影響較大[13]。石嘉怡等人對寒冷氣候區(qū)辦公建筑進(jìn)行的熱舒適調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),辦公建筑人群比同地區(qū)居住建筑人群有更強(qiáng)的室外氣候適應(yīng)能力[14]。Jia等人以天津市混合運(yùn)行辦公建筑為研究對象,進(jìn)行了為期1年的實(shí)地調(diào)研,發(fā)現(xiàn)熱適應(yīng)模型對于混合運(yùn)行建筑室內(nèi)熱環(huán)境有較好的適用性[15]。

由上述可知,目前對西安夏季空調(diào)辦公建筑的熱舒適研究較少。此外,不同氣候區(qū)夏季辦公空調(diào)建筑的中性溫度差異并不像自由運(yùn)行建筑那么顯著,對于西安地區(qū)夏季辦公建筑人體熱舒適需求是否與其他氣候區(qū)存在差異性,并沒有明確的答案。因此,筆者以西安地區(qū)6棟典型開放式辦公建筑為研究對象,通過物理環(huán)境參數(shù)測試和主觀問卷調(diào)查相結(jié)合的方式進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研,分析了實(shí)際辦公建筑中人員的熱舒適需求,并將調(diào)研結(jié)果與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及其他氣候區(qū)已有研究進(jìn)行對比。以期為西安地區(qū)辦公建筑夏季空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論參考與依據(jù)。

1 研究方法

1.1 調(diào)研對象概況

西安地區(qū)屬于我國熱工分區(qū)中的寒冷氣候區(qū),暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,雨量適中。選取西安地區(qū)6棟典型開放式辦公建筑作為調(diào)研對象,調(diào)研時間為2019年6—8月,調(diào)研辦公區(qū)域的面積主要分布在500～1 000 m2之間,調(diào)研的所有辦公樓均采用集中空調(diào)系統(tǒng)。調(diào)研期間室外空氣溫度在19.8～41.7 ℃之間,平均空氣溫度為28.9 ℃;相對濕度主要分布在17.2%～100%之間,平均相對濕度為66.0%。

1.2 受訪者基本信息

受訪者詳細(xì)背景信息見表1。本次調(diào)研共收回1 200份有效問卷。性別比例方面,男性共640份,女性共560份;年齡構(gòu)成方面,受訪人員的年齡集中在24～40歲,平均年齡為28歲,平均體質(zhì)量為64.6 kg。

表1 受訪者基本信息

1.3 室內(nèi)熱環(huán)境測試

室內(nèi)熱環(huán)境測試參數(shù)包括室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、黑球溫度、空氣流速、CO2濃度和不對稱輻射溫度等。其中,空氣溫度、相對濕度、黑球溫度和空氣流速的測試高度分別為0.1、0.6、1.1 m;CO2濃度的測試高度為1.1 m;平均輻射溫度通過自制的2個半黑球測試,測試高度為0.6 m。為了保證測試環(huán)境參數(shù)的可靠性,每個位置的測量時間均不短于10 min。測試儀器放在受訪者附近0.5 m位置進(jìn)行測試。表2顯示了熱環(huán)境測試儀器的型號、測試范圍及精度。所有測量儀器的精度和響應(yīng)時間均符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7726:1998[18]的規(guī)定和測試要求。

表2 熱環(huán)境測試儀器型號、測試范圍及精度

1.4 主觀問卷

本次調(diào)研采用紙質(zhì)問卷。調(diào)研問卷主要包含兩部分內(nèi)容:1) 受訪者基本信息,包括身高、體質(zhì)量、年齡、性別、著裝和過去15 min內(nèi)的活動狀態(tài);2) 主觀評價(jià),包括熱感覺投票(TSV)、熱可接受度投票(TAV)、溫度偏好投票(TPV)和氣流偏好投票等,各標(biāo)尺的評價(jià)量表見表3。室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)測試和主觀評價(jià)同時同地進(jìn)行。

表3 主觀評價(jià)標(biāo)尺

1.5 數(shù)據(jù)處理

本研究中涉及到了操作溫度、不對稱輻射溫度、豎直溫差、平均輻射溫度等評價(jià)指標(biāo)。操作溫度top的計(jì)算公式為:top=0.5(ta+tr),其中tr為平均輻射溫度。平均輻射溫度tr的計(jì)算公式為:tr=[(tg+273)4+2.5×108v0.6(tg-ta)]1/4-273,其中tg為黑球溫度,v為空氣流速。豎直溫差為頭部與腳踝溫度之差。服裝熱阻值和代謝率值的計(jì)算參照ASHRAE 55-2020[4]和ISO 7730:2005[19]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取值,在計(jì)算服裝熱阻時加上標(biāo)準(zhǔn)辦公座椅0.1 clo。熱適應(yīng)模型中室外溫度的計(jì)算參考ASHRAE 55-2020[4]標(biāo)準(zhǔn)中室外7天平滑周溫度,計(jì)算公式為

tout=(1-α)[te(d-1)+αte(d-2)+…+α7te(d-8)]

(1)

式中tout為計(jì)算日的平滑周溫度,℃;te(d-1)、te(d-2)、te(d-8)分別為計(jì)算日前1天、前2天、前8天的室外日平均溫度,℃;α為系數(shù),反映過去溫度衰減的影響率,取值為0.8。

2 結(jié)果分析

2.1 室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)

測試期間各項(xiàng)室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)分布如圖1所示。夏季空調(diào)辦公建筑室內(nèi)空氣溫度集中在22.8～28.8 ℃,平均空氣溫度為25.8 ℃;相對濕度集中在40%～80%,平均相對濕度為60.7%;與GB 50736—2012[3]的夏季空調(diào)舒適范圍(24≤ta≤28 ℃,40%≤φ≤70%)對比發(fā)現(xiàn),分別有90%的室內(nèi)空氣溫度和86%的相對濕度落在了標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。由于夏季辦公樓外窗和外墻受到太陽輻射和室外高溫的影響,室內(nèi)不對稱輻射溫度集中在0～4 ℃,說明夏季辦公建筑輻射對室內(nèi)熱環(huán)境的影響較為明顯;從豎直溫差結(jié)果來看,室內(nèi)空氣溫度并沒有明顯的分層現(xiàn)象。室內(nèi)空氣流速大部分小于0.2 m/s,CO2平均體積分?jǐn)?shù)為880×10-6,低于GB/T 18883—2022《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的限值1 000×10-6[20],滿足室內(nèi)通風(fēng)要求。

圖1 室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)分布

2.2 主觀問卷結(jié)果與分析

2.2.1熱感覺投票分析

受訪者的熱感覺投票分布如圖2所示。從圖2可以看出:受訪者熱感覺投票主要集中在[-1,1]之間,其中有42%受訪者的熱感覺投票為中性,說明大部分受訪者在當(dāng)前辦公建筑室內(nèi)熱環(huán)境下處于熱中性狀態(tài),夏季受訪者偏涼的熱感覺比偏暖的比例稍高;另外,分別有5%和13%的受訪者熱感覺投票在冷側(cè)端和熱側(cè)端。將實(shí)測的空氣溫度、相對濕度、平均輻射溫度、空氣流速及受訪者的服裝熱阻和代謝率代入Fanger的PMV方程中計(jì)算得到PMV。圖3顯示了受訪者的熱感覺投票、PMV與操作溫度的線性擬合關(guān)系式。采用Bin法,將操作溫度按0.5 ℃進(jìn)行分組,平均值作為每組的變量。隨著操作溫度的升高,熱感覺平均值明顯升高。令TSV、PMV等于0,求得夏季辦公人員的實(shí)測和預(yù)測中性溫度分別為25.4 ℃和25.3 ℃。對2條擬合線進(jìn)行協(xié)方差分析,結(jié)果顯示直線的斜率和截距均不存在顯著性差異。

圖2 熱感覺投票總體分布

圖3 TSV、PMV與操作溫度的關(guān)系

2.2.2熱可接受度投票分析

圖4顯示了辦公建筑中受訪者的熱可接受度投票分布情況。由圖4可以看出:90%的受訪者認(rèn)為當(dāng)前的室內(nèi)熱環(huán)境可接受。本研究的主要目的之一是確定舒適溫度范圍,ASHRAE 55-2012[4]標(biāo)準(zhǔn)中將受訪者80%可接受的溫度區(qū)間定義為舒適溫度范圍。因此同樣采用Bin法,將每0.5 ℃操作溫度區(qū)間受訪者熱不可接受度投票與此溫度下全部投票的百分比視為不可接受百分比,然后將操作溫度與不可接受百分比進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合得到可接受溫度范圍,見圖5。求得該地區(qū)夏季空調(diào)辦公建筑80%人員可接受溫度上限為28.2 ℃,與預(yù)計(jì)不滿意者的百分?jǐn)?shù)PPD預(yù)測結(jié)果相比,本研究得到的舒適范圍更寬,夏季可接受溫度上限更高。

圖4 熱可接受度投票分布

圖5 可接受溫度范圍

2.2.3偏好投票分析

圖6顯示了受訪者的溫度偏好和氣流偏好投票結(jié)果百分比。從溫度偏好的投票結(jié)果來看,分別有29%和15%的受訪者希望室內(nèi)“涼一些”和“暖一些”。從氣流偏好的投票結(jié)果來看,分別有13%和36%的受訪者希望氣流“小一些”和“大一些”。說明夏季空調(diào)辦公建筑中人群偏好涼、氣流偏大的室內(nèi)熱環(huán)境。為了確定辦公人群的偏好溫度,以0.5 ℃為1個操作溫度區(qū)間,使用Probit回歸分別得到辦公人群在不同操作溫度區(qū)間下希望“暖一些”和“涼一些”的回歸曲線,如圖7所示。其中,2條概率回歸曲線的交點(diǎn)可認(rèn)為是受訪者的偏好溫度,為25.2 ℃,比受訪者中性溫度低0.2 ℃,再次證實(shí)了夏季辦公人群偏好中性偏涼的室內(nèi)熱環(huán)境。此時仍各有約10%的受訪者希望室內(nèi)溫度“暖一些”和“涼一些”。

圖6 溫度偏好和氣流偏好投票百分比

圖7 夏季辦公人群的偏好溫度

2.3 服裝熱阻和行為調(diào)節(jié)

圖8a顯示了夏季辦公人員的服裝熱阻分布?？梢钥闯?主要分布在0.4～0.8 clo之間,平均值為0.58 clo,比ASHRAE 55-2020[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的夏季服裝熱阻(0.5 clo)稍高一些。圖8b顯示了測試期間受訪者的服裝熱阻隨室內(nèi)操作溫度變化的線性回歸關(guān)系?？梢钥闯?夏季服裝熱阻與室內(nèi)操作溫度呈負(fù)相關(guān)變化。由于夏季集中空調(diào)辦公建筑中人員的服裝有所要求,受訪者服裝熱阻隨溫度變化的行為調(diào)節(jié)機(jī)會相對較少,所以服裝熱阻值隨室內(nèi)操作溫度下降趨勢較為平緩。

圖8 服裝熱阻分布及服裝熱阻隨操作溫度的變化

3 討論

3.1 室內(nèi)熱環(huán)境評價(jià)模型的適用性

圖9顯示了PMV模型和熱適應(yīng)模型的適應(yīng)性對比。與ASHRAE 55-2020標(biāo)準(zhǔn)中PMV-PPD模型對比發(fā)現(xiàn),僅有24%的點(diǎn)落在了舒適范圍內(nèi),說明PMV-PPD模型并不適用于評價(jià)西安地區(qū)夏季辦公建筑室內(nèi)熱環(huán)境;有超過90%的點(diǎn)落在了GB/T 50785—2012標(biāo)準(zhǔn)的舒適區(qū)范圍內(nèi),說明目前該地區(qū)夏季室內(nèi)熱環(huán)境的設(shè)定符合GB/T 50785—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。從圖9b熱適應(yīng)模型結(jié)果來看,分別有99%和83%的室內(nèi)溫濕度落在了ASHRAE 55-2020和GB/T 50785—2012標(biāo)準(zhǔn)中熱適應(yīng)模型的舒適范圍內(nèi),這與圖4的熱可接受度投票結(jié)果非常吻合,其中有90%的受訪者對室內(nèi)熱環(huán)境表示可接受。結(jié)果表明,熱適應(yīng)模型比PMV模型更適用于評價(jià)夏季空調(diào)辦公建筑的室內(nèi)熱環(huán)境。此外,也證實(shí)了室內(nèi)環(huán)境控制在較窄的溫度范圍內(nèi)并不代表受訪者對熱環(huán)境的高滿意度[21]。

圖9 PMV模型和熱適應(yīng)模型的適應(yīng)性對比

3.2 與其他氣候區(qū)現(xiàn)場研究對比

前文已經(jīng)提及,本研究得到的中性溫度為25.4 ℃,可接受溫度上限為28.2 ℃。將本研究結(jié)果與ISO 7730:2005[19]和GB 50736—2012[3]標(biāo)準(zhǔn)中的舒適溫度進(jìn)行比較。ISO 7730:2005標(biāo)準(zhǔn)中-0.7

表4顯示了本研究所得到的結(jié)果與我國其他氣候區(qū)現(xiàn)場研究結(jié)果的對比。可以發(fā)現(xiàn),夏季辦公建筑不同氣候區(qū)的中性溫度和可接受溫度上限也存在差異。本文得到的中性溫度與可接受溫度上限均顯著低于廣州地區(qū)(濕熱氣候),西安地區(qū)屬于干熱氣候區(qū),證明了不同氣候會影響人的適應(yīng)能力。與文獻(xiàn)[12]在長沙地區(qū)得到的中性溫度一致,但低于文獻(xiàn)[24]在長沙的分體空調(diào)得到的中性溫度,由此可見,夏季不同的供冷方式也會影響人的熱舒適需求。夏季不同氣候區(qū)辦公建筑中人員的服裝熱阻值無顯著差異性。

表4 本研究與其他研究結(jié)果對比

3.3 性別差異分析

已有研究發(fā)現(xiàn),辦公建筑中不同性別對于室內(nèi)溫度的需求不同,因此有必要探究西安地區(qū)夏季辦公建筑中熱舒適方面的性別差異。通過對投票結(jié)果進(jìn)行分析,得到辦公建筑熱舒適的性別差異,見表5。研究發(fā)現(xiàn):男性平均熱感覺投票高于女性,平均熱可接受度投票TAV低于女性,說明相同溫度下男性比女性感覺偏熱,女性對較高溫度的室內(nèi)環(huán)境的接受度較高;夏季男性和女性的平均服裝熱阻無差異,均為夏季辦公建筑的標(biāo)準(zhǔn)服裝熱阻;男性中性溫度和偏好溫度均低于女性,再次證實(shí)了夏季男性比女性更偏好偏涼的室內(nèi)熱環(huán)境,這與以往辦公建筑研究結(jié)果一致[25]。Yang等人的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),靜坐狀態(tài)下男性代謝率高于女性[26],可以解釋本研究中發(fā)現(xiàn)的男性偏好偏涼熱環(huán)境這一現(xiàn)象。從研究結(jié)果來看,男性與女性的熱舒適差異并不顯著。

表5 辦公建筑熱舒適的性別差異

4 結(jié)論

1) 西安地區(qū)夏季辦公樓室內(nèi)平均空氣溫度為25.8 ℃,平均相對濕度為60%,分別有94%的空氣溫度和86%的相對濕度落在GB 50736—2012標(biāo)準(zhǔn)的舒適區(qū)范圍內(nèi)。

2) 通過對受訪者的主觀問卷進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)90%的受訪者的熱感覺投票集中在[-1,1]之間,90%的受訪者對室內(nèi)熱環(huán)境表示可接受,但仍有部分受訪者希望室內(nèi)溫度“涼一些”和氣流“大一些”。

3) 西安地區(qū)辦公建筑人群夏季的中性溫度為25.4 ℃,偏好溫度為25.2 ℃,80%可接受溫度的上限為28.2 ℃。參照GB 50736—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù),可以將上限提高至28.2 ℃。

4) 與ASHRAE 55-2020標(biāo)準(zhǔn)中的PMV模型相比,熱適應(yīng)模型更適用于西安地區(qū)夏季辦公建筑的室內(nèi)熱環(huán)境評價(jià)。