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提要

對北京88戶自然通風居民住宅現場測試了夏季室內干球溫度、相對濕度、風速等熱環境參數，以問卷方式和ASHRAE的7級熱舒適指標調查記錄了居民的熱感覺，考察了居室熱環境改善措施。調查結果表明，自然通風條件下北京普通住宅的熱環境基本處于ASHRAE舒適區之外，80％居民可接受的熱環境對應的有效溫度上限為30℃，對溫度的敏感程度與其它地區相近。

關鍵詞：住宅熱舒適熱環境熱感覺

Abstract

Presentsafieldinvestigationinto88non-airconditionedresidentialunitsinBeijing,duringwhichtheindoorthermalenvironmentconditionsweremeasured,thethermalsensevalueoftheoccupantsquestionedandrecorded,andthemethodstoimprovetheindoorthermalconditionsexamined.TheresultsrevealthattheyarecoincidentwithlittleoftheASHRAEcomfortzone,thattheupperlimitoftheeffectivetemperaturecorrespondingtotheacceptedthermalenvironmentbyupto80%oftheoccupantsis30℃,andthattheresponseofthesubjectsinBeijingaresimilartothoseinsomeotherpartsofworld.

Keywords：residence，thermalcomfort，thermalenvironment，thermalsensation

1引言

熱舒適是居住者對室內熱環境滿意程度的一項重要指標。關于人體熱舒適和熱環境之間關系的研究從本世紀初便開始了。目前，ASHRAE55-1992[1]和ISO7730[2]是世界上普遍采用的評價和預測室內熱環境熱舒適程度的標準。ASHRAE標準中給出了至少滿足80%居住者的舒適區。ISO7730闡述了丹麥工業大學Fanger教授提出的預測人體熱感覺指標PMV。與PMV模型相似的還有Gagge教授提出的有效溫度指標（ET*）和標準有效溫度指標（SET）[3]。這類模型共同的特點是它們變為環境參數不隨時間改變，而且批人體看作是外界熱刺激的被動接受者。一定的熱環境參數對人體的作用，是通過兩者之間的熱濕交換來影響人體的生理參數，進而產生不同的熱感覺。所以，這類模型可以被認為是穩態的和以熱平衡方程為基礎的。按照這一類模型制定的ASHRAE標準旨營造一種穩態的、至少80%居民能夠接受的熱環境。

可是，一系列實地測試表明，這類模型并不能準確地預測出人體的熱反應[4～7]。人的適應性可以被認為是產生實驗室研究和實地測試的結果差異的一個主要原因。這種適應性包括生理的、行為的和最主要是心理上的適應性。文獻[8]就曾指出熱感覺的評判在很大程度上取決于人員背景和對環境的一處種期望。所在，舒適性研究應該既有實驗室的實驗，又不能忽略實地的測試分析。

隨著人們生活水平的提高，對熱舒適的要求也相應提高。北京市居民安裝家用空調的人數逐年增加，但隨之而來的是較重的經濟負擔和時常聽到的人們對空調環境的抱怨。究竟北京氣候區應該采用什么樣的空調方式和建筑模式，才能既保證居民的舒適和健康要求，又能盡可能多地節省能源？這正是需要探索的問題，為此，筆者在1998年夏季進行了一次北京市住宅熱舒適調查。

2調查目的與方法

2．1本次調標題要解決的主要問題

2．1．1考察北京市普通居民住宅（基本上是沒有安裝空調的家庭）的熱環境情況。

2．1．2調查在這類自然通風建筑內居民的熱舒適狀況，并將結果與ASHRAE標準和其它研究成果相比較。

2．1．3了解居民在改善居室熱環境方面采取的措施。

2．1．4分析數據，用統計分析的辦法確定現有熱環境條件與居民熱反應之間的相互關系。

2．2調查方法

2．2．1住宅的選擇

因為本次調查主要想了解在自然通風方式下居民的熱舒適情況，所以選擇調查的88家住房基本上沒有裝空調，或雖然有空調，也處于極少開啟的狀態。在選擇這些住房時，主要考慮了房間的樓層、朝向以及自然通風情況。調查了總樓層為2～6層的低層建筑及總樓層為20層的高層住宅；在這兩類建筑中，即選擇了位于整幢建筑物四個角上的房間，也選擇了中部的房間。另外，還照顧到東、西、南、北四個朝向的房間在樣本中分布均勻。一半的住宅位于北京市西南部的石景山區，另一半則在清華大學的校園內。住宅外部的綠化程度，也有明顯的不同。調查過程中，對受試者的選擇盡可能做到男女比例相近。

2．2．2數據的采集

調查是在1998年7月上旬進行的，此時北京進入盛夏不久，而且雨水較多，氣候基本上屬于溫度較高，且比較潮濕的狀態。

調查分析兩種方式同時進行，一種是對房間物理參數的測量，包括空氣溫度、相對濕度和空氣流動速度。所用的測量儀器是干濕球溫度計和熱線風速儀。另一種是問卷的形式，內容包括：①基本的背景情況，如年齡、性別，在北京居住的時間，辦公室是否有空調等；②調查時刻居民的熱感覺，以及對此時環境的風速、空氣清新程度和潮濕狀況的主觀評價。熱感覺投票值采用ASHRAE的7級指標表示（-3冷，-2涼，-1涼爽，0不冷不熱的中性狀態，+1有點熱，+2熱，+3很熱）；③通常采用的改善室內熱環境的適應性措施，包括遮陽、風扇等有關改變房間物理參數的手段和人員增減衣服、喝飲料等自身的適應性行為。

2．2．3調查的步驟

一個調查小組通常由3人組成。在征得住房主人同間的情況下，進行20～30min的調查。其中一個人負責測量環境參數，另一個人負責對整個居室的建筑特性進行測繪，最后一個人則進行問卷的詢問和填寫的工作。

2．2．4舒適性指標的計算

在調查過程中，詳細記錄了受試者當時的衣著情況，以及坐椅的形式（是硬椅還是沙發，是否鋪有涼席等）。按照ASHRAE55-1992標準，計算出受試者所穿服裝的熱阻值，以單位clo①表示（1clo=0.155℃·m2/W）。目前在熱舒適研究領域，有文章討論椅子對坐姿受試者的服裝熱阻的作用[9]，本文參考它們的研究結果，考慮不同坐椅對服裝熱阻的影響，對熱阻值進行了修正。

新陳代謝率無法直接測量出來。因為整個調查過程歷時至少20min，在這段時間內，受試者通常是坐著仔細看介紹材料和回答問題，所以把新陳代謝定為1.2met②,這是坐姿輕微活動者所具有的新陳代謝水平。

采用Gagge的人體二節點模型[3]，編寫程序，以現場測量的物理量、服裝熱阻和新陳代謝率為輸入量，計算有效溫度ET*和PMV指標。

二節點模型反人體分成兩個同心的圓柱體，分別代表人體的核心層和皮膚層，它們的熱平衡方程式分別為：

(1)

(2)

式中Mcr，Msk為單位體表面的核心層質量和皮膚層質量；ccr，csk為核心層及皮膚層平均比熱容；Tcr，Tsk為為核心層及皮膚層溫度；t為時間；M為單位體表面新陳代謝率；Msh為單位體表面積寒戰調節產熱量；W為單位體表面積對外所做的機械功；Qre為單位體表面積呼吸熱損失；Qdr為單位體表面積與環境間的顯熱換熱量；Qev為單位體表面積與環境間的潛熱換熱量；K為核心層與皮膚間的導熱系數；mbl為核心層與皮膚層間的血流量；cp,bl為血液比熱容。

有效溫度ET*是一個等效的干球溫度量，如果在環境溫度ET*，平均輻射溫度與環境溫度相同，相對濕度50%的等溫假想熱環境中，人體的皮膚濕度和通過皮膚的換熱量與真實環境下的值相同，那么就可以用ET*來表示這一真實環境的溫度。換句話說，ET*值把真實環境下的空氣溫度、相對濕度和平均輻射溫度規整為一個溫度參數，使具有不同空氣溫度、相對濕度和平均輻射溫度的環境能用一個ET*值相互比較。PMV指標是Fanger提出的預測平均熱感覺投票值。

3調查結果

3．1人員背景

表1表示了此次被調查人員的基本情況，平均年齡為49.2歲，在北京平均居住時間為36.5年，說明大多數被調查者已經完全適應了北京的氣候。77%的被調查者辦公室沒有空調，基本上不生活在空調環境中。

表1被調查人員背景的統計歸納樣本數目88

性別

男57%

女43%

年齡/歲

平均值49．2

標準偏差16．9

最大值82

最小值16

在北京居住的時間/年

平均值36．5

標準偏差19

最大值76

最小值1

辦公室有空調的人數的比例23%

辦公室無空調的人數的比例77%

3．2室內氣候及服裝熱阻

對測量得到的室內氣候參數和服裝熱阻值進行統計分析的結果見表2?？梢钥闯鯡T*值位于26.6℃到32.8℃之間，相對濕度在53%到88%之間。對照ASHRAE55-92中舒適區要求，ET*值應在23℃到26℃之間，相對濕度小于60%，可以看出夏季北京自然通風形式下的普通住宅的熱環境基本上都在ASHRAE舒適區之外。

表2室內物理參數及服裝熱阻的統計歸納

平均值標準偏差最大值最小值

空氣溫度/℃28.61.163126

相對濕度/％77.46.78853

空氣流速/m/s0.180.251.50.02

ET*/℃30.31.4932.826.6

服裝熱阻/clo0.310.080.50.15

圖1表示了實測得到的室內空氣溫度、風速、服裝熱阻和計算得到ET*值的分布頻率。溫度測量中，29℃室溫出現的頻率最高，占樣本總數的23.5%。由于空氣的平均相對濕度大于50%，所以計算得到ET*值比測量的空氣溫度要大，而且它的分布也較測量值均勻。ET*為31.5℃時的情況最多，占樣本數的16.5%。在風速的分布情況中，0.1m/s的風速為最多，占48.2%；樣本總數的91%風速小于0.5m/s。服裝熱阻的平均值為0.31clo,頻率最大值出現在0.4clo，為28.2%，可以看出，夏季北京市居民在家中的普遍著衣量不大。

圖1實測空氣溫度、風速、服裝熱阻和計算有效溫度

3．3熱感覺

選取風速小于0.2m/s的工況（占總樣本的75%），分別回歸出實測的熱感覺值TSV隨空氣溫度Ta和ET*變化的曲線，曲線方程分別為：

TSV=-7.950+0.298ET*(R=0.925)(3)

TSV=-8.068+0.319Ta(R=0.963)(4)

R為相關系數。

從這兩個回歸方程中，我們就可以得到當TSV=0時，ET*和Ta分別為26.7℃和25.3℃，其物理意義是熱中性狀態所對應的溫度。

關于熱環境的可接受率，通常的研究方法有兩種。一種是直接法，即在熱舒適問卷中讓受試者明確判斷對此環境是否可以接受。另一種則是間接法，即按照慣例，當受試者的投票值在-1到+1之間時，認為他們對此時的熱環境能夠接受。ASHRAE標準就是要尋求至少80%的居民可接受的熱環境。這里的可接受率和Fanger提出的PPD（預測不滿意率）有些許差別。圖2表示了本次調查中得到的隨ET*的增加，可接受率的變化規律。以80%界定，可以得以北京市自然通風建筑中居民可接受的熱環境溫度上限大約在30℃（以ET*表示）。

圖2可接受率隨有效溫度(ET*)的變化

3．4風速的主觀評價

調查中，測得平均風速值為0.18m/s。問卷中受試者對空氣流動速度的評價，47%認為知中，43%認為小，其余10%認為太小，沒有人認為風速偏大。曾經試圖尋找空氣清新程度和潮濕程度與風速的關系，但沒有得到可靠的關系式。

3．5適應性手段

在人與環境的相互關系中，人不僅僅是環境物理參數刺激的被動接受者，同時也是積極的適應者，。調查過程中發現，至少85%的居民對居室熱環境有不同程度的調節行為，包括用窗簾或外遮陽罩來擋射入室內的陽光，用開并門窗或用電扇來調節室內的空氣流速；自身對熱環境的調節行為有空舒適簡便的家居服裝、喝飲料、洗澡等等。這些適應性手段無疑增加了人們的舒適感，提高了他們對環境的滿意程度。調查發現，90%的住房有電扇，其中31.6%的居民認為他們對電扇的使用頻率為常開，16.5%的居民認為是常關，其余認為使用頻率為30%到80%不等。對于喝飲料，47.4%的人喜歡喝熱的至少是溫的飲料，如熱茶或涼開水，46.1%的人喜歡喝冷飲，只有6.5%的人不喜歡喝任何飲料。NickBake[10]等人的研究發現，754次觀測中，喝冷飲的出現次數是308次，只有12次是喝熱飲。從中我們可能明顯地看出中國人與西方人在生活習慣上的不同，這必然會對熱感覺產生影響。

4討論

4．1實測的熱感覺值PMV的比較

將實測的熱舒適參數空氣溫度、相對濕度、風速、新陳代謝率和服裝熱阻（這里由于測量設備有限，無法在短時間內測出平均輻射溫度值，假設它與空氣溫度相等）代入程序，計算得到PMV值，并把它們與實際測得的熱感覺值畫在同一張圖上，見圖3。橫縱坐標都是量化的熱感覺值。從圖中可以看出，實測的熱感覺值TSV普遍低于PMV值，這說明所調查的人群對熱的承受能力要高些。

圖3熱感覺實測值與PMV計算值的比較

4．2與其它調研結果的比較

關于熱舒適的實地調研，在世界各地有許多研究者都曾進行過，他們的結果給我們提供了極好的對比機會。另外，筆者認為以ET*為變量比以空氣溫度或操作溫度為變量要好，它能更準確地體現熱環境的熱濕交換特性。

Bush[11]對泰國曼谷夏季自然通風建筑的研究發現，熱感覺投票值（TSV）隨ET*變化曲線的斜率為0.234/℃，Schiller[12]對洛杉磯的研究發現，同樣也以ET*為變量，TSV變化曲線的斜率為0.318/℃，這一結果與本文的0.298/℃極為相近。此斜率表示人們的熱感覺對溫度變化的敏感程度與其他地區的居民相似。

熱中性狀態下對應的溫度，研究成果見表3[13]。本文得出的北京夏季自然通風建筑中居民的熱中性溫度（Ta和ET*）分別為25.3℃和26.7℃，與布里斯班地區的結果相近。

表3實地熱舒適實驗：熱中性狀態下對應的溫度地域及氣候熱環境控制手段熱中性狀態下對應的空氣干球溫度/℃

墨爾本－夏季自然通風21.8

布里斯班-夏季自然通風25.6

泰國－夏季自然通風28.5/27.4(ET*)

新加坡－夏季自然通風28.5

4．3適應性的問題

如前所述，調查析室內工況基本上處于ASHRAE舒適區以外，但結果表明，北京無空調家庭居民的熱中性溫度為26.7℃（以ET*表示），而且直到ET*為30℃，仍有80%的居民感到環境可以接受。究其原因，筆者認為一方面是由于居民在家中的著衣量較少（平均服裝熱阻為0.31clo），而且室內風速較空調環境的風速要大，另一方面也與居民的生理適應性和對環境的心理期望有關。被調查者在北京居住的時間平均在30年以上，絕大部分人已經適應了夏季的炎熱氣候，對熱有一定的承受能力，而且由于家中沒有空調，從心理上就已經對室內較高的溫度有所準備，同時，在熱不適時可以采取一些適應性手段來改善熱感覺。從心理學角度上看，當人們能夠對引起不快的因素加以控制時，不快的程度將會減弱。另外，在調查發現，空調帶來的經濟負擔、對環境的關注和喜歡自然環境的心理都增加了無空調住戶對熱的環境的適應性。

5結論

5．1由于夏季室外氣溫較高，室內熱狀況普遍偏熱，以ET*表示，平均溫度為30.3℃；但自然通風建筑中的居室對室內的較高溫度有較強的承受能力。

5．2風扇是這類建筑居民改善不適的主要手段，90%的家庭備有風扇，且有31.6%的家庭認為風扇的使用頻率為常開。另外，居民普遍能有意識地以多種適應性行為來改善自身的熱感覺。

5．3熱感覺隨ET*的變化曲線的斜率是0.298/℃，與其它地區自然通風建筑中的居民對溫度的敏感程度相似。

5．4居民的熱中性溫度以ET*表示為26.7℃，測量得到可接受的熱環境溫度上限大約在30℃（以ET*表示）。

5．5在預測人體熱感覺時，應該考慮建筑環境、生活習慣、經濟條件和對環境的可調節程度等因素的影響。ASHRAE標準55-92規定的夏季舒適區對本次調查的北京氣候區自然通風建筑來說，顯得有些狹窄了。

6參考文獻

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