寒冷地區(qū)不同氣候類型自然通風(fēng)環(huán)境的人體熱適應(yīng)研究*

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室

尹佳星☆ 王昭俊△ 蘇小文 楊宇鑫

西安建筑科技大學(xué) 翟永超

清華大學(xué) 曹 彬

大連理工大學(xué) 端木琳

上海交通大學(xué) 連之偉

華南理工大學(xué) 張宇峰

同濟大學(xué) 周 翔

北京工業(yè)大學(xué) 謝靜超

0 引言

從20世紀80年代開始，我國學(xué)者在全國陸續(xù)開展了自然通風(fēng)條件下的人體熱舒適研究。夏一哉等人對北京市夏季自然通風(fēng)住宅進行了現(xiàn)場研究，得到該地區(qū)80%居民可接受的熱環(huán)境溫度上限為30 ℃[1]；劉晶對重慶市自然通風(fēng)建筑進行了為期1年的現(xiàn)場調(diào)研，得到該地區(qū)各季節(jié)的室內(nèi)舒適溫度區(qū)間[2]；Wang等人通過現(xiàn)場調(diào)研，得到哈爾濱市夏季自然通風(fēng)住宅的熱環(huán)境及熱舒適基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并建立了人體熱適應(yīng)模型[3]；白魯建等人對西安市居住建筑過渡季室內(nèi)熱環(huán)境進行了現(xiàn)場研究，通過分析數(shù)據(jù)得到了該地區(qū)居民的熱中性溫度[4]；端木琳等人系統(tǒng)總結(jié)了不同氣候區(qū)、不同類型建筑的熱舒適范圍及熱中性溫度[5-6]。

GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》將我國劃分為5個熱工分區(qū)：嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)[7]。而我國地域遼闊，同一熱工分區(qū)、地理位置不同的城市氣候差別較大。因此，有必要對寒冷地區(qū)不同氣候類型的自然通風(fēng)環(huán)境下人體熱適應(yīng)性展開研究，以探求相同熱工分區(qū)、不同氣候特點對人體熱適應(yīng)的影響。

本文基于“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“建筑節(jié)能設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)研究”得到的全國熱舒適調(diào)研數(shù)據(jù)集，采用現(xiàn)場測試與主觀問卷調(diào)查相結(jié)合的方法，對寒冷地區(qū)3種氣候類型的典型城市自然通風(fēng)環(huán)境人體熱舒適與熱適應(yīng)的差異性進行研究。

1 代表性城市氣候特點

根據(jù)氣候特點不同，寒冷地區(qū)主要包括溫帶季風(fēng)氣候區(qū)、溫帶大陸性氣候區(qū)及高原山地氣候區(qū)，其中溫帶季風(fēng)氣候區(qū)又可分為溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)與溫帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)[8]。數(shù)據(jù)庫中寒冷地區(qū)的城市有西安、北京、鄭州、大連、吐魯番等。其中，西安市為溫帶大陸性季風(fēng)氣候的代表性城市，大連市為溫帶海洋性季風(fēng)氣候的代表性城市，吐魯番市為溫帶大陸性荒漠氣候的代表性城市[9]。圖1顯示了西安市、大連市和吐魯番市的室外月平均空氣溫度的變化。

圖1 西安市、大連市、吐魯番市的室外月平均溫度

西安市四季分明，年氣溫差較大。西安市全年日照時間為1 500 h左右，全年風(fēng)速較低，年最多風(fēng)向為東北風(fēng)。年平均氣溫為13.5 ℃，最熱月7月的平均溫度為26.7 ℃，日最高溫度可達到37.9 ℃。

大連市因受海洋的影響，夏無酷暑、冬無嚴寒，全年日照總時間為2 500～2 800 h，4月平均風(fēng)速最大，為5.5 m/s，8月平均風(fēng)速最小，為3.9 m/s。年平均氣溫為11 ℃，最熱月8月平均溫度為24.6 ℃，日最高溫度為30.1 ℃。

吐魯番市緯度較高，四季氣候變化明顯，夏季炎熱、冬季較冷，年氣溫差很大。極度干旱，年平均降水量不足20 mm，全年日照時間約為3 200 h。全年有100余天風(fēng)力超過8級，最大風(fēng)力能達到12級以上。年平均氣溫為15.4 ℃，最熱月7月的平均溫度為32.8 ℃，日最高溫度可達44.6 ℃。

2 研究方法

2.1 樣本選擇

本研究使用的熱環(huán)境參數(shù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)及人體主觀熱感受數(shù)據(jù)均來自“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“建筑節(jié)能設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)研究”獲得和共享的全國熱舒適調(diào)研數(shù)據(jù)集。從全國熱舒適數(shù)據(jù)集中篩選出寒冷地區(qū)自然通風(fēng)環(huán)境(非供暖供冷季)的有效樣本數(shù)據(jù)共2 505組，具體調(diào)查時期與數(shù)據(jù)量見表1。受試者的年齡為20～60歲，建筑類型主要為住宅和辦公建筑，并基本覆蓋各種朝向、樓層、戶型等。

表1 調(diào)研數(shù)據(jù)基本信息統(tǒng)計

2.2 熱環(huán)境參數(shù)測試

室外熱環(huán)境的基本測試參數(shù)包括空氣溫度、濕度及風(fēng)速；室內(nèi)熱環(huán)境的基本測試參數(shù)包括空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、黑球溫度及房間各表面平均溫度。

2.3 主觀問卷調(diào)查

主觀問卷參照ASHRAE Standard 55-2017[10]推薦的熱環(huán)境滿意度問卷，內(nèi)容主要包括受試者基本情況、室內(nèi)熱感覺和滿意度、住宅的基本情況等信息。其中，受試者基本情況包括性別、年齡、身高、體重、居住時間、衣著情況、活動狀態(tài)等，熱感覺投票值(TSV)采用ASHRAE的七級分度指標(-3冷、-2涼、-1稍涼、0中性、1稍暖、2暖、3熱)，住宅與辦公建筑的基本情況主要統(tǒng)計樓層、朝向等信息。

2.4 數(shù)據(jù)處理方法

在現(xiàn)場調(diào)查中，詳細記錄了每位受試者當(dāng)時的衣著情況及座椅形式，并根據(jù)ASHRAE Standard 55-2017標準計算出受試者的服裝熱阻。本文研究的樣本均是在住宅和辦公建筑中獲得的，調(diào)查時受試者一般坐著填寫調(diào)查問卷，因此新陳代謝率一般取值1.0～1.2 met。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 室內(nèi)空氣溫度

3種氣候類型的典型城市室內(nèi)空氣溫度實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 3種典型城市自然通風(fēng)建筑室內(nèi)空氣溫度統(tǒng)計 ℃

自然通風(fēng)環(huán)境中，溫帶大陸性荒漠氣候的代表城市——吐魯番的室內(nèi)空氣溫度要明顯高于其他氣候類型的城市，也明顯超出了ASHRAE標準規(guī)定的自然通風(fēng)建筑熱舒適范圍。此外，吐魯番市的室內(nèi)空氣溫度的標準偏差較大，達到6.3 ℃。大連市實測的室內(nèi)空氣溫度的標準偏差較小，只有0.7 ℃。結(jié)合圖1分析可知，該現(xiàn)象與各氣候類型城市的室外氣溫變化特點有關(guān)，在自然通風(fēng)條件下，室內(nèi)空氣溫度受室外氣候影響較大。

3.2 人體熱感覺參數(shù)

圖2顯示了3個典型城市受試者的熱感覺分布頻率。西安市與大連市的人體熱感覺分布頻率近似為正態(tài)分布。由于溫帶大陸性荒漠氣候區(qū)夏季最熱月的平均氣溫高達32.8 ℃，測試時期吐魯番市多數(shù)居民表示偏熱。當(dāng)熱感覺投票值TSV為-1、0、1時，認為人體是熱可接受的[11]。在自然通風(fēng)環(huán)境下3個典型城市的大多數(shù)居民對室內(nèi)熱環(huán)境表示滿意。大連市受試者對環(huán)境的滿意率最高，為96.2%；西安市其次，為89.0%；吐魯番市受試者對環(huán)境的滿意率最低，只有77.6%。

圖2 3個典型城市人體熱感覺分布頻率

3.3 自然通風(fēng)環(huán)境的人體熱中性溫度

采用Bin法(溫度頻率法)對寒冷地區(qū)3種氣候類型的自然通風(fēng)建筑中夏季和過渡季的人體熱中性溫度進行分析，結(jié)果如表3所示。溫帶大陸性荒漠氣候的人體熱中性溫度明顯較高，這為人體對氣候的適應(yīng)性提供了證據(jù)。

表3 寒冷地區(qū)自然通風(fēng)建筑人體熱感覺評價模型

3.4 熱適應(yīng)模型與室內(nèi)可接受溫度區(qū)間

基于de Dear教授提出的熱適應(yīng)模型的基本形式，適用于我國寒冷地區(qū)3種氣候類型自然通風(fēng)建筑的人體熱適應(yīng)模型見圖3。

圖3 寒冷地區(qū)3種氣候類型的人體熱適應(yīng)模型

其中，由于溫帶海洋性季風(fēng)氣候類型的數(shù)據(jù)測試時間過于單一，無法直接推導(dǎo)出人體熱適應(yīng)模型，因此本文引用了該氣候類型已有的研究成果作為補充[12-13]。

溫帶大陸性季風(fēng)氣候、溫帶海洋性季風(fēng)氣候與溫帶大陸性荒漠氣候熱適應(yīng)模型適用的室外空氣溫度范圍分別為：13～28、5～26、23～41 ℃。

對比分析可知：溫帶大陸性季風(fēng)氣候、溫帶海洋性季風(fēng)氣候和溫帶大陸性荒漠氣候熱適應(yīng)模型方程的斜率分別為0.290 4、0.160 4和0.419 0，表現(xiàn)為沿海到內(nèi)陸的斜率依次增大，人體對環(huán)境變化越來越敏感。這可能是因為溫帶海洋性季風(fēng)氣候全年較為溫和，夏無酷暑、冬無嚴寒，所以人體對熱環(huán)境的敏感性較弱。而溫帶大陸性季風(fēng)氣候與溫帶大陸性荒漠氣候的日溫差和年溫差較大。當(dāng)室外溫度發(fā)生變化時，人體會更積極地改變自身熱中性溫度，以使自己適應(yīng)惡劣的室外環(huán)境。說明海洋性氣候由于室外氣溫全年變化相對其他氣候類型小，因此人們對熱環(huán)境敏感性較差，這為人體對氣候的適應(yīng)性提供了證據(jù)。

根據(jù)ASHRAE Standard 55-2017[10]，以熱中性溫度為中心，90%的人可接受的舒適區(qū)寬度為5 ℃，80%的人可接受的舒適區(qū)寬度為7 ℃。不同氣候類型的人體可接受溫度區(qū)間見表4。夏季吐魯番市居民的熱中性溫度最高可達28.0 ℃，80%的人可接受溫度上限為31.5 ℃，均高于其他2種氣候類型的典型城市。究其原因，可能由于夏季的溫帶大陸性荒漠氣候具有極端高溫天氣，使得當(dāng)?shù)鼐用駥Ω邷氐倪m應(yīng)能力更強，可以承受溫度的上限更高，這在一定程度上體現(xiàn)了人體對室外氣候的適應(yīng)性。

表4 3種氣候類型不同室外空氣溫度下80%的人可接受溫度區(qū)間 ℃

4 影響人體熱感覺因素的多元線性分析

除室內(nèi)空氣溫度外，平均輻射溫度、空氣流速、空氣濕度、服裝熱阻等因素都會在一定程度上影響人體熱感覺。

將上述因素作為自變量，受試者在夏季的熱感覺投票值作為因變量，通過多元線性回歸擬合得到人體熱感覺的多因素預(yù)測模型。自變量之間具有一定的互斥性，所以回歸模型具有良好的解釋能力和預(yù)測效果。因全國熱舒適數(shù)據(jù)庫中尚缺少大連市夏季自然通風(fēng)建筑樣本，所以本文沒有分析大連的數(shù)據(jù)。

對影響夏季自然通風(fēng)建筑人體熱感覺的因素進行顯著性分析后發(fā)現(xiàn)：室內(nèi)空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度對西安市夏季人體熱感覺有顯著影響(P<0.05)；室內(nèi)空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度與服裝熱阻對吐魯番市夏季人體熱感覺有顯著影響(P<0.05)。

通過多元線性回歸擬合得到西安市、吐魯番市夏季人體熱感覺與顯著性影響因素的函數(shù)關(guān)系式，如式(1)、(2)所示。

西安市：

TSV=0.077ta-0.578v+0.026tr-2.355

(R2=0.313 7)

(1)

吐魯番市：

TSV=0.104ta-1.161v+0.035tr+0.058Iclo-

3.614 (R2=0.372 6)

(2)

式(1)、(2)中v為室內(nèi)空氣流速，m/s；tr為平均輻射溫度，℃；Iclo為服裝熱阻，clo。

5 討論

表5給出了我國不同熱工分區(qū)典型城市居民在夏季自然通風(fēng)環(huán)境下的人體熱中性溫度。

表5 不同熱工分區(qū)典型城市夏季自然通風(fēng)環(huán)境下人體熱中性溫度 ℃

在自然通風(fēng)環(huán)境下，地理位置從北到南的居民的人體熱中性溫度逐漸升高。嚴寒地區(qū)居民的人體熱中性溫度最低，為23.7 ℃；夏熱冬暖地區(qū)的人體熱中性溫度最高，為28.1 ℃。寒冷地區(qū)不同城市因為氣候類型不同，夏季人體熱中性溫度有較大差別，在25～27 ℃之間。

6 結(jié)論

1) 寒冷地區(qū)不同氣候類型代表性城市的氣候特點有明顯差別，西安、大連和吐魯番市夏季最熱月平均氣溫分別為26.7、24.6、32.8 ℃。

2) 在測試期間，大多數(shù)居民對室內(nèi)熱環(huán)境表示滿意。大連受試者對環(huán)境的滿意率最高，為96.2%；西安居民的滿意率為88.96%；吐魯番居民的滿意率最低，為77.6%。

3) 溫帶大陸性荒漠氣候夏季的人體熱中性溫度為26.2 ℃，春秋過渡季的人體熱中性溫度為22.3 ℃，均高于其他2種氣候類型。

4) 溫帶大陸性季風(fēng)氣候、溫帶海洋性季風(fēng)氣候、溫帶大陸性荒漠氣候80%居民最高可接受溫度分別為26.6、29.1、31.5 ℃，均較高。地區(qū)之間熱中性溫度有差異，所以空調(diào)設(shè)計或者熱工設(shè)計需要因地制宜，而不是采用統(tǒng)一的標準，以降低能耗。

5) 與寒冷地區(qū)其他氣候類型相比，溫帶海洋性季風(fēng)氣候類型居民對熱環(huán)境的敏感性較弱；溫帶大陸性荒漠氣候類型居民可接受溫度上限高于其他2種氣候類型，這為人體對氣候的適應(yīng)性提供了證據(jù)。

6) 室內(nèi)空氣溫度、空氣流速與平均輻射溫度對西安市夏季人體熱感覺有顯著影響；室內(nèi)空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度與服裝熱阻對吐魯番市夏季人體熱感覺有顯著影響。通過多元線性擬合得到了西安市、吐魯番市夏季自然通風(fēng)建筑人體熱感覺的多因素預(yù)測模型。