哈爾濱地區人體熱舒適與熱適應現場研究

王昭俊，李愛雪，何亞男，楊 威

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱)

隨著生活水平的提高，人們對室內熱環境的熱舒適性要求越來越高，暖通空調系統的運行能耗也隨之增加.冬季降低室內采暖溫度可以節約采暖運行費用，但室內采暖溫度的降低不應以犧牲人體熱舒適性為代價.研究表明，室外溫度越低，人對于冷環境的適應性就越強，對偏熱環境的適應性就越差.因此，冬季不宜將室內溫度維持過高，這樣既不舒適，又浪費能量［1］.冬季居民的熱中性溫度與室內平均室溫接近，說明人的熱經歷對熱中性溫度有顯著影響［2－5］.不同季節人的熱中性溫度不同［6－8］.人體與熱環境是交互作用的結果，人的熱經歷會影響人體熱反應，而人體也會通過生理調節、行為調節和心理調節主動適應熱環境的變化［9-10］.因此，如何充分利用人體對熱環境的適應能力，合理設定該地區不同采暖階段適宜的采暖溫度值得考究.此外，嚴寒地區冬季外窗冷輻射對人體熱感覺影響較大，但其對人體不同部位熱感覺影響差別尚需系統研究.

1 研究方法

本研究的主要目的是考察哈爾濱市采暖期間冬季與春季教室的室內熱環境與熱適應性;考察冬季冷輻射對人體局部熱感覺的影響.采用隨機抽樣調查的方法，冬季與春季選擇同一所教學樓.在選擇樣本時，考慮了受試者距外窗距離、教室朝向、樓層等因素.本次調查于2010年12月到2011年1月冬季、2011年4月春季兩個階段進行.冬春季節均處于采暖期.冬季和春季測試期間的室外日平均氣溫分別為－24.3～-15.1℃和4.0～20.0℃.現場調查包括對哈爾濱市某大學校園教室內熱環境參數進行測量，同時對學生進行熱感覺與熱舒適問卷調查.冬季和春季各收集了200份調查表.

1.1 環境參數測量

本次測試中使用的儀器主要有Testo425熱線風速儀，TES1360溫濕度計和熱電偶溫度計.其中，熱線風速儀用于測量空氣溫度和風速，溫度測量精度為±0.5℃，風速測量精度±0.03m/s.TES1360溫濕度計用于測試空氣相對濕度，測量精度為±2%;熱電偶溫度計用于測試圍護結構表面溫度，測量精度為±0.2℃.

根據房間或區域面積確定測點數.測點布置距離外墻、外窗應大于或等于0.5m.本次測試測點布置是根據房間面積大小，分別取1～3個測點.測點均勻布置在教室內，若取3個測點，則分別布置在房間的前、中、后3處.測試期間受試者皆處于坐姿，每個測點的空氣溫度、空氣流速分別在距離地面0.1、0.6、1.1m處測量，取平均值.相對濕度在距離地面1.1 m處測量.

窗戶、外墻的溫度分別測試5個點，取其平均值;內墻和地面在其中心位置各測試1個點;由于測試條件有限，屋頂溫度沒有測試，取地面溫度值.平均輻射溫度是采用房間各個墻面、外窗、地面的溫度平均值，按其對應的面積加權計算.

1.2 主觀調查

請受試者填寫調查表并對教室熱環境進行主觀評價，內容包括:1)背景調查，如性別、年齡、在哈爾濱市居住時間等;2)著衣量和活動量調查;3)總的熱感覺，采用ASHRAE 7點標度;4)后背、肩膀、頭部、手、腳、腿局部冷感覺;5)濕感覺，采用7點標度;6)改善室內熱環境的措施調查，如開門窗通風、增減衣服等.

2 客觀調查結果與分析

2.1 人員背景

冬季男性為146名，女性為54名，受試者的平均年齡為19.7歲，在哈爾濱市居住的平均時間為3.3a.春季男性為138名，女性為62名，受試者的平均年齡為19.8歲，在哈爾濱市居住的平均時間為3.6a.

2.2 新陳代謝率

因調查時受試者主要坐著看材料和回答問題，故新陳代謝率定為64W/m2.在調查過程中，詳細記錄了受試者的衣著情況，并按照文獻［11-12］，計算受試者所穿服裝的熱阻值.調查中受試者的座椅一般為木椅子，其附加的熱阻值為0.15clo［13］.冬季和春季受試者服裝熱阻平均值分別為1.04clo和0.77clo.

2.3 室內環境參數

對室內環境參數的統計結果見表1和表2.其中:ta為室內空氣溫度，t為外窗表面溫度，tr為平均輻射溫度，to為操作溫度，φ為相對濕度，v為空氣流速，Icl為熱中性服裝及座椅的熱阻.

表1 冬季室內環境及服裝熱阻參數

表2 春季室內環境及服裝熱阻參數

冬季與春季相比，室內空氣溫度平均值分別為22.8℃和25.4℃;相對濕度分別為29.8%和19.5%;風速分別為0.12 m/s和0.16 m/s;操作溫度分別為21.5℃和24.9℃.冬季外窗表面溫度為8.6～13.5℃，平均值為11.2℃;而春季外窗表面溫度為20.1～24.1℃，平均值為21.9℃.冬季外窗平均溫度比春季的低10.7℃.且冬季外窗表面溫度顯著低于其室內空氣溫度;而春季外窗表面溫度與其室內空氣溫度差別不大.

3 主觀調查結果與分析

3.1 熱感覺

以空氣溫度作為室內熱環境評價指標，冬季對v≤0.15 m/s的樣本(占樣本總數97.5%)進行回歸分析，以空氣溫度0.5℃為組距，統計在此區間的熱感覺投票，并計算平均值［2］.然后進行數據回歸統計分析，得到冬季平均熱感覺投票值和空氣溫度線性擬合的結果見圖1，線性回歸方程為

式中:VMST為平均熱感覺度.令VMST=0，可得熱中性溫度為22.6℃.

由于春季室內的溫度較高，人們希望有點風，吹風感投票很低.對200份樣本進行回歸分析，得到春季平均熱感覺投票值和空氣溫度線性擬合關系為

計算可得熱中性溫度為21.7℃.用F檢驗對回歸方程(1)、(2)的顯著性進行分析，可得冬季和春季的顯著性水平分別為0.005和0.1，說明線性回歸方程是顯著的.用t檢驗對冬季和春季的熱中性溫度的差異性進行分析，可得t0=8.37，遠遠大于2.58(顯著性水平為0.01時對應值)，說明冬季與春季的熱中性溫度有非常顯著的差異.

圖1 隨季節變化熱感覺與空氣溫度的關系

3.2 熱適應

人對熱環境的適應性與季節性密切相關，圖1為冬季和春季平均熱感覺隨室內空氣溫度變化.可見，冬季的熱中性溫度為22.6℃，與冬季室內平均溫度22.8℃相近.而春季的熱中性溫度為21.7℃，與春季室內平均溫度25.4℃相差較大.冬季與春季相比，室內溫度低2.6℃，但冬季熱中性溫度比春季的高0.9℃.

由于哈爾濱冬季采暖期長達6個月，人們在生理上和心理上已經逐漸適應了哈爾濱漫長冬季的室內熱環境;而哈爾濱的春季短暫，春季由于天氣漸漸變暖，而室內供熱量未及時進行調整，導致室內溫度過高，人們尚未適應偏熱的環境.人們期望室內溫度低些，熱中性溫度相對較低.

由圖1可見，當空氣溫度低于24.2℃時，冬季熱感覺低于春季熱感覺;而當空氣溫度超過24.2℃時，冬季熱感覺高于春季熱感覺.這說明在偏暖的環境中，冬季人們更容易感到熱.由于哈爾濱市冬季室外溫度低，人們對哈爾濱市寒冷的室外氣候形成一定的適應性，如果室內溫度過高，人們會感覺更加不適.本文研究結果在一定程度上提供了該地區冬季和春季熱適應的證據.開門窗、喝熱水、活動是受試者首選的調節方式，冬季加衣服、春季減衣服也是選擇頻率較高的方式.

3.3 冷輻射對人體熱感覺的影響

由于冬季測試期間外窗表面的平均溫度為11.2℃，明顯低于春季外窗表面平均溫度21.9℃，而且冬季外窗表面溫度顯著低于其室內空氣溫度;而春季外窗表面溫度與其室內空氣溫度差別不大.因此，本文僅分析冬季外窗冷輻射對人體熱感覺的影響.按照冬季受試者與外窗的距離，對樣本進行分組統計分析.其中距外窗0.7～1.4 m(距外窗的平均距離為1.2 m)設為1組，樣本數為105個，占樣本總數的52.5%.其他樣本作為對照組，樣本數95個.

圖2為局部冷感覺分布頻率圖.可見靠窗組受試者的局部冷感覺明顯高于對照組受試者的.將兩組數據相同部位冷感覺的頻率相加，從高到低依次為:肩部(12.88%)、后背(12.78%)、腳(11.53%)、腿 (11.53%)、手 (8.57%)、頭(4.76%).原因是肩部和后背對冷感覺比其他部位更加敏感，而頭部更適應偏冷的環境.

圖2 局部冷感覺分布頻率

4 討論

4.1 室內熱環境指標的選取

哈爾濱市冬季室外氣溫低，外窗、外墻冷輻射對人體熱感覺影響較顯著.而操作溫度反映了人體與空氣對流換熱以及人體與圍護結構輻射換熱的綜合作用，宜采用操作溫度作為室內熱環境指標，綜合評價室內空氣溫度和輻射溫度對人體熱感覺的影響.哈爾濱市春季和秋季室外氣溫逐漸升高，外窗、外墻冷輻射對人體熱感覺影響不明顯，采用空氣溫度作為室內熱環境指標，簡單、便于操作.以操作溫度作為室內熱環境評價指標，對冬季v≤0.15 m/s的樣本重新進行回歸分析，冬季操作溫度和平均熱感覺線性擬合方程為

熱中性溫度為20.5℃(以操作溫度表示).熱中性溫度體現了人體對熱環境的適應性，故熱中性操作溫度應與室內操作溫度的平均值相近.在哈爾濱地區，由于冬季外窗、外墻冷輻射的影響，操作溫度一般比室內空氣溫度低.因此，計算得到的熱中性操作溫度20.5℃比熱中性空氣溫度22.6℃低.

4.2 與哈爾濱市其他現場研究比較

近20a哈爾濱市冬季熱舒適現場研究統計結果見表3，其中tw為室外空氣平均溫度.可見2000年冬季是近40a最寒冷的冬季，測試期間室外氣溫為－29.5～-15.5℃;2010年冬季測試期間室外氣溫為－24.3～15.1℃，較冷;2009年冬季測試期間室外氣溫為-16.8～10.5℃，較暖.室內空氣溫度平均值由1990年的17.47℃提高到了2010年的22.8℃，提高了約5.3℃.1990年熱中性溫度為17.69℃;2000年熱中性操作溫度為21.5℃;2010年熱中性操作溫度為20.5℃，熱中性空氣溫度為22.6℃.

表3 哈爾濱市冬季熱舒適現場研究結果

由于20a前冬季采暖期間室內空氣溫度普遍較低，為17.47℃，人們期望提高冬季的室內空氣溫度.隨著生活水平的提高，2000年冬季采暖期間平均室內空氣溫度提高到20.1℃，由于人的熱適應性，此時的熱中性溫度也比10a前提高了約3.8℃.到2010年，冬季采暖期間平均室內空氣溫度提高到22.8℃，熱中性空氣溫度又上升了1.1℃.近20a隨著室內空氣溫度的升高，服裝熱阻由1.74clo下降到了1.04clo.

4.3 冬季熱適應模型

將1990年、2000年、2009年和2010年冬季測試的室內平均溫度和計算得到的熱中性溫度進行回歸分析，得到冬季熱適應模型見圖3.擬合方程如下為

由表3和圖3可見，在熱舒適溫度范圍內，冬季的熱中性溫度與測試期間室內平均溫度呈線性關系，即隨室內平均溫度升高而增加.說明人們以往的熱經歷和熱暴露對人體熱感覺有很大影響.由于哈爾濱冬季漫長，人們已經從生理上和心理上充分適應其所處的熱環境了.但當春季室內溫度明顯超出熱舒適范圍時，熱中性溫度與室內平均溫度便不成正相關的關系.

圖3 熱中性溫度與室內平均溫度的關系

圖4為服裝熱阻與室內平均溫度的關系圖.圖中的4個點分別表示1990年、2000年、2009年和2010年冬季的測試結果.擬合方程為

圖4 服裝熱阻與室內空氣溫度的關系

可見，冬季的服裝熱阻與測試期間室內平均溫度呈線性關系，即隨室內平均溫度升高而減少.這說明人們可采取增減衣物的措施主動適應室內熱環境的變化，這是行為調節的直接形式.

4.4 不同采暖階段適宜的采暖溫度

基于以上調查，2000年冬季的熱中性操作溫度為21.5℃.本次調查冬季的熱中性操作溫度為20.5℃，下降了1.0℃;熱中性空氣溫度為22.6℃，上升了1.1℃.

由于我國采暖通風與空氣調節設計規范中僅對冬季采暖房間的空氣溫度有要求，而對平均輻射溫度沒有要求，且實際應用中也不能控制輻射溫度，故本文重點分析以空氣溫度作為熱環境評價指標.冬季熱中性溫度的提高，主要由于近年來冬季室內溫度提高了.在熱舒適溫度范圍內，由于人的熱適應性，冬季熱中性溫度與平均室內空氣溫度很接近.由于哈爾濱冬季漫長，人們已經從生理上和心理上充分適應其所處的熱環境了.由前面分析可知，當空氣溫度超過24.2℃時，冬季熱感覺高于春季熱感覺.這說明在偏暖的環境中，冬季人們更容易感到熱.由于冬季室外溫度低，人們對哈爾濱市寒冷的室外氣候形成一定的適應性，如果室內溫度過高，人們會感覺更加不適.這與文獻［1］的結論一致.

而在春季，由于室外溫度提高，而供熱量不變，故室內空氣溫度較高，人們普遍感覺偏熱，因此人們期望室內溫度降低，熱中性溫度偏低.此外，由于春季室內空氣溫度比冬季的高，春季平均相對濕度比冬季低10.3%，從而也引發了人們的不適感.另一方面，冬季和春季由于室內過熱，人們主要通過開窗降溫，既不舒適，又浪費能源.為了節能降耗，同時也可充分發揮人的適應性，可適當降低冬季和春季采暖末期室內溫度.

由于秋季采暖前，人們心理期望室內溫度高些［6，8］，因此熱中性溫度偏高，建議采暖初期適當提高室內溫度.

5 結論

1)冬季熱中性溫度為22.6℃，與冬季室內平均溫度22.8℃很接近.春季熱中性溫度為21.7℃，而春季室內平均溫度為25.4℃.

2)當空氣溫度超過24.2℃時，冬季熱感覺高于春季熱感覺.在偏暖的環境中，冬季人們更容易感到熱.

3)靠窗組受試者的局部冷感覺明顯高于對照組受試者.人體局部冷感覺出現的頻率從高到低依次為:肩部、后背、腳、腿、手、頭.

4)因冬季采暖中期和春季采暖末期室溫過高，既不舒適，又浪費能源.宜充分利用人對熱環境的適應性，適當降低冬季和春季采暖末期室內溫度.秋季人們心理期望室內溫度高些，建議采暖初期適當提高室內溫度.

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