湖北農村自然通風住宅熱舒適調查研究

陳 敏 余貞貞 周傳輝

湖北農村自然通風住宅熱舒適調查研究

陳 敏1余貞貞2周傳輝1

（1.武漢科技大學城市建設學院 武漢 430081；2.成都基準方中建筑設計有限公司武漢分公司 武漢 430060）

基于入戶問卷調研與現場實測，研究了湖北山地及丘陵地區農村自然通風住宅室內熱環境及人體熱舒適評價。利用統計回歸方法分析了實際熱感覺MTS與預測熱感覺PMV間的差異，提出了該地區農村自然通風住宅冬、夏季熱舒適性指標（熱中性溫度、可接受溫度、舒適空氣流速范圍）。

農村住宅；自然通風；熱舒適；問卷調查；現場測試

0 引言

我國南方農村住宅有別于城市及北方農村住宅，大多為自然通風建筑，其室內環境的營造不借助或較少借助人工冷熱源。目前針對南方地區熱舒適的研究主要集中于城市建筑或是人工氣候實驗室，關于農村住宅自然通風條件下室內熱環境與人體熱舒適性之間聯系的研究相對匱乏。

現行國際熱舒適標準如ISO7730、CIBSE、EN15251、ASHREA55等，均是在人工氣候實驗室的穩態環境下、針對于歐洲成年男子建立的，忽略了人體的自身調節適應能力與個人身體素質差異，預測自然通風條件下人體實際熱感覺時會發生偏離[1-3]。我國的《農村居住建筑節能設計標準》（GB/T 50824-2013）[4]以及《民用建筑室內熱濕環境評價標準》（GB/T 50785-2012）[5]的部分非人工冷熱源條款適用于農村住宅環境，前者針對全國范圍的農村住宅，后者僅有部分條款適用于農村自然通風住宅，且均未明確指出不同地域、人口、氣候條件下的農村自然通風住宅熱舒適標準。

目前，針對湖北農村地區開展的自然通風熱舒適研究較少，農村住宅建造無據可依，使得住宅設計粗糙，建造、施工水平低，室內熱環境較差[6,7]。為了提高該地區農村住宅室內熱舒適性，改善廣大農民的居住環境，結合當地氣候、建筑、生活方式和人體適應性，開展自然通風熱舒適研究，建立適用于湖北農村住宅自然通風環境下的熱環境及熱舒適評價標準顯得尤為重要。本文采用問卷調查與現場實測相結合的方式，客觀呈現湖北農村自然通風住宅的熱環境現狀，在調研與實測數據的基礎上建立湖北農村住宅的熱舒適評價標準，以期為該地區農村住宅的節能設計提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 樣本選擇

湖北屬于典型的夏熱冬冷氣候區，全省總面積中，山地占56%，丘陵占24%，平原湖區占20%，大量農村位于山地與丘陵之中[8]。調研地點以丘陵和山地農村為主（見表1），由于該地區過渡季節短暫，本次調研與實測選擇典型季節夏季和冬季進行。夏季有效戶數130戶、有效樣本量383份，冬季有效戶數136戶、有效樣本量398份（見表1）。受訪者均為長期生活在當地的居民，已經完全適應了當地的氣候。由于當前農村成年男性大多外出務工，女性樣本量明顯高于男性樣本。夏季樣本中女性占71.8%（275組）、男性占28.2%（108組），冬季樣本中女性占69.1%（275組）、男性占30.9%（123組）。受試者年齡跨度較大且總體上中老年比例較高，夏季最小5歲（1人），最大84歲，冬季最小8歲（1人），最大78歲。受試者年齡分布如圖1所示。

表1 調研地點樣本分布

圖1 冬、夏兩季受訪者的年齡分布

1.2 問卷調查

問卷調查內容包括住宅設計、室內熱環境參數及人體熱舒適評價等，具體包括：（1）湖北農村村落聚集形態、農宅選址布局的特點、被動式設計、圍護結構（墻體、門窗、屋面等）做法等建筑相關信息；（2）受訪者當前的活動狀態、著裝情況、熱感覺、熱舒適度、熱可接受度以及對室內熱環境（溫度、通風情況、潮濕狀況等）的主觀評價；（3）居民改善室內熱環境的調節措施，包括開窗、使用輔助設備（如風扇、取暖器、空調等）改善房間熱環境的手段以及增減衣物等自身的適應性行為。考慮到受訪者的知識水平，問卷均由調研人員填寫。調研人員為武漢科技大學建筑環境與能源應用工程專業本科生，入戶后通過一對一訪談的形式獲取問卷中的信息，填寫問卷。

1.3 現場測試

現場實測的室內熱環境參數包括空氣干球溫度、相對濕度、空氣流速、黑球溫度、圍護結構表面溫度等。采用便攜式溫濕度自記儀連續監測農宅客廳、臥室、室外等處的空氣干球溫度和相對濕度，每分鐘自動記錄一次數據。入戶實測時，測點數量根據《民用建筑室內熱濕環境評價標準》（GB/T 50785-2012）[5]的要求，選擇房間面積（S）中心和對角線上的點，優先選擇室內人員經?；顒踊蛘咦惶?。受試者處于坐姿時，距離地面0.1m（腳踝）、0.6m（軀干）、1.1m（頭頸部）測量，受試者處于站姿時，距離地面0.1m（腳踝）、1.1m（軀干）、1.7m（頭頸部）測量，測量值取不同高度的平均值。圖2為某典型住宅建筑測點分布平面圖，儀器具體參數見表2?，F場調研采用縱向研究法，即對選定的受試者在整個調研周期內做重復問卷采訪和實測。每次入戶時，測試受試者所在的房間（臥室或客廳），一人負責訪談填寫問卷，一人負責實測，記為一組數據。

1.4 數據處理

為使多次調研所得的分散的、定量和定性的數據能夠反映總體特征，對原始資料進行了篩選、分類匯總，使之系統化、條理化和標準化，以利于統計計算和分析對比。在進行統計分析前，確定數據是否服從正態分布，并采用SPSS軟件對數據的獨立性、方差齊性進行了檢驗。進行自變量與因變量之間的相關分析時，對自變量進行了共線性診斷級相關性檢驗。

表2 測試儀器參數及測量精度要求

注：平均輻射溫度t的最低精度要求±2℃，操作溫度op的最低精度要求±2℃。

圖2 某典型住宅測點分布圖

居民對室內熱環境的主觀評價采用ASHRAE的熱感覺標尺（-3冷，-2涼，-1稍涼，0適中，1稍暖，2暖，3熱）[9]。采用Bin法對操作溫度op以1.0℃的間隔分組，若組內樣本量小于5，則該組樣本被剔除，以免對分析結果造成較大誤差。以每組內的平均操作溫度作為自變量，以組內預測和實測平均熱感覺投票的均值作為因變量，通過線性回歸的方式進一步計算得到預測、實測的熱中性溫度和可接受溫度范圍。對于濕度感覺和吹風感，數據處理方法與之相同。

2 問卷調查與現場測試結果

2.1 室內熱濕環境

冬、夏季室內熱濕環境現場入戶實測結果見表3。測試結果表明，實測期間，冬季室內風速最小值為0.05m/s，最大值為0.28m/s，平均值為0.11m/s；夏季室內風速最小值為0.05m/s，最大值為0.35m/s，平均值為0.09m/s。冬夏兩季室內風速平均值均低于人對風速的感覺閾0.25m/s，但23.2%的農宅冬季室內風速高于0.25m/s，冷吹風感較為明顯。冬季室內干球溫度最小值為2℃，最大值為16.7℃，平均值為9℃，32.9%的農宅室內空氣干球溫度低于《農村居住建筑節能設計標準》（GB/T 50824-2013）[4]中規定的8℃溫度下限；夏季室內干球溫度最小值為20.1℃，最大值為33.1℃，平均值為27.1℃，7.83%的農宅夏季室內溫度高于《農村居住建筑節能設計標準》（GB/T 50824-2013）[4]中規定的30℃溫度上限。冬季相對濕度變化范圍為42.8%～86.7%，平均值為68.2%；夏季相對濕度變化范圍為62.0%～93.0%，平均值為80.1%。由此可見，目前湖北農村住宅冬夏兩季室內熱濕環境較為惡劣，冬季濕冷、夏季濕熱。

2.2 人員服裝熱阻與新陳代謝率

入戶調查時，調查人員詳細記錄受訪者的著裝與所處狀態。服裝熱阻為《民用建筑室內熱濕環境評價標準》（GB/T 50785-2012）[5]中推薦的單件服裝熱阻的累加，受訪者大多處于站姿放松狀態或坐在輕質木椅上，故不考慮附加熱阻。夏季服裝熱阻在0.08～1.12clo，均值為0.53clo；冬季服裝熱阻在0.97～2.00clo，均值為1.45clo。受訪者在不同熱環境下的著裝情況體現了其適應熱環境的行為特征。冬、夏季居民代謝率均在0.80～2.00met之間，均值為1.41met左右。典型行為可概括為輕度的體力活動，大多是一個小時內中重度活動與站立、靜坐等活動的綜合效果。

表3 冬、夏季室內熱濕環境參數

2.3 室內熱舒適與熱感覺投票

從圖3熱舒適度投票可看出，冬、夏季投票較為集中且稍不舒適（1）的投票占大多數，而圖4熱感覺投票，夏季投票大多集中在“適中（0）”，即夏季有更多的人認為“稍不舒適（1）”就是“適中（0）”，熱舒適與熱感覺投票存在分離現象。

圖3 室內熱舒適度評價

圖4 熱感覺投票分布

2.4 濕感覺投票

由圖5可知，冬、夏季的濕感覺投票主要集中在“適中（0）”。雖然表3中冬、夏季室內平均相對濕度分別為68.2%、80.1%，但是受訪者濕感覺（HSV）投票集中且較為滿意，說明該地區農村居民對于室內相對濕度并不敏感。

圖5 濕感覺投票分布

3 湖北農村自然通風住宅熱舒適標準的建立

3.1 熱感覺（PMV、MTS）

分別分析實際熱感覺MTS和預測熱感覺PMV與操作溫度之間的關系，擬合結果見圖6。由圖6（a）可知：夏季PMV預測（斜率大）高估了居民對溫度變化的敏感程度，且溫度偏離中性溫度越多，“剪刀差”現象越明顯。當PMV=0，夏季熱中性溫度op=24.7℃；當MTS=0，實測熱中性溫度op=24.5℃。夏季實測熱中性溫度較預測熱中性溫度低0.2℃，且低于常規空調設定溫度26.0℃。這與其他學者的研究結論有所偏差[8]。出現這一結果的原因是，2017年夏季陰雨天氣頻繁，夏季平均氣溫比往年正常氣溫低2～3℃，造成居民熱感覺投票值偏低。

從圖6（b）冬季熱感覺回歸曲線可看出：冬季實測平均熱感覺MTS的斜率略大于預測平均熱感覺PMV，且實測MTS高于預測PMV，即居民對冬季溫度變化較夏季敏感。當PMV=0，預測熱中性溫度op=16.1℃；當MTS=0，實測熱中性溫度op=14.7℃。冬季實測熱中性溫度比預測熱中性溫度低1.4℃，這表明湖北農村居民對冬季偏冷環境的適應性較強。

圖6 熱感覺與操作溫度關系

3.2 濕感覺（HSV）

湖北農村住宅夏季室內相對濕度高、冬季室內相對濕度變化大，但居民濕度感覺投票非常集中。相關性檢驗的結果表明，居民的濕度感與室內相對濕度的相關性不高，說明農村居民對于室內相對濕度的變化不敏感。因此，已有的熱舒適模型用于湖北農村住宅自然通風熱舒適研究時，不需要進行濕度修正，這點和同樣處于夏熱冬冷地區的重慶地區的研究結果[9]不同，與濕熱地區人群熱濕反應的研究結果[10-13]也不同。

3.3 熱不滿意率

ASHRAE標準和ISO7730標準中規定熱環境不滿意率小于或等于20%的溫度為人們可接受的舒適溫度范圍。夏季預測熱舒適溫度范圍為op=21.1～27.7℃、夏季實測熱舒適溫度范圍op=19.8～28.7℃，夏季居民實際可接受溫度范圍較預測值寬，可接受溫度范圍上限的提高為建筑節能提供巨大的節能潛力。冬季預測熱舒適溫度下限op=12.6℃，實測熱舒適溫度下限op=9.9℃，比預測的可接受溫度下限低2.7℃，說明居民的極限溫度耐受力比預測的強。

3.4 舒適的室內空氣流速范圍

圖7 冬、夏季吹風感與室內空氣平均流速關系

由圖7可知，夏季室內吹風范圍較窄，而冬季吹風感范圍較寬。同等空氣流速下，冬季吹風感投票高于夏季，且空氣流速越高，“剪刀差”現象越明顯，即湖北農村居民對冬季室內空氣流速變化的敏感程度高于夏季。

當吹風感DSV分別等于中間兩個標度時，即為可接受的空氣流速范圍。夏季實測吹風感DSV=3.0708υ+0.4703（2=0.933），DSV=1時，υ=0.17m/s；DSV=2時，υ=0.50m/s，故夏季舒適的室內空氣流速范圍為0.17～0.50m/s。而圖7中居民的吹風感投票均小于2，且室內最大空氣流速為0.35m/s，說明現有的自然通風住宅室內通風效果未能達到居民的需求。若改善自然通風效果，舒適的空氣流速上限將達到0.50m/s，高于空調供冷工況規定的0.3m/s。冬季舒適的室內空氣流速范圍為0.11～0.20m/s，且冷吹風感較明顯。因此，部分住宅需采取措施抑制冬季室內空氣流動以避免造成冷吹風感。

3.5 熱舒適評價標準的建立

室內熱舒適標準是住宅設計的基礎，也是營造適宜的室內熱環境及實現建筑節能的前提。表4為基于調研與實測數據建立的適用于湖北農村自然通風住宅熱舒適標準。

表4 湖北農村自然通風住宅熱舒適標準

4 結論

（1）湖北農村自然通風住宅夏季室內濕熱，空氣流速低；冬季室內濕冷，相對濕度波動大，易引起冷吹風感，居民對冬季室內空氣流速變化的敏感程度遠高于夏季。

（2）對于湖北農村自然通風住宅，采用PMV模型預測居民熱感覺時，夏季會產生嚴重的偏離，冬季低于實際熱感覺值。

（3）湖北農村自然通風住宅夏季和冬季實測熱中性溫度分別為24.5℃和14.7℃。夏季實測熱舒適溫度范圍op=19.8～28.7℃，冬季實測熱舒適溫度下限為op=9.9℃。夏季和冬季居民舒適的室內風速范圍分別為0.17～0.50m/s和0.11～0.20m/s。

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[4] GB/T 50824-2013,農村居住建筑節能設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

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Field Investigation of Thermal Comfort of Natural Ventilated Residential Buildings in Rural Areas of Hubei Province

Chen Min1Yu Zhenzhen2Zhou Chuanhui1

( 1.School of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, 430081;2.Ji Zhun Fang Zhong Wuhan Architectural Design Co., Ltd., Wuhan, 430060 )

Based on the questionnaire survey and field measurement in rural residences with natural ventilation in Hubei Province, the subjective evaluation of the residents' thermal environment was researched. The statistical regression analysis was used to compare the differences between the actual thermal sensation MTS and PMV, and proposed the indicators of the winter and summer thermal comfort of natural ventilated residences in rural areas of Hubei Province (thermal neutral temperature, acceptable temperature and comfortable wind speed range).

rural residence; natural ventilation; thermal comfort; questionnaire survey; field measurement

TU831

A

1671-6612（2020）05-571-06

湖北省自然科學基金項目（編號：2017CFB311）

陳 敏（1984-），女，講師，博士，E-mail：chenminstud@126.com

2020-01-02