內蒙古中西部農牧民居住建筑冬季室內熱舒適度

張 杰， 樊 慧， 殷俊峰

(內蒙古科技大學建筑學院， 包頭 014010)

隨著中國鄉村振興戰略、美麗鄉村建設的實施，人們更加關注農牧民的居住條件和生活環境。目前，內蒙古中西部農牧民居住建筑以自建為主，存在空間設計不夠合理，保溫性能、氣密性差等問題，導致冬季供暖能耗高，室內溫度偏低，難以滿足農牧民對于熱舒適度的要求。

中國關于室內熱舒適度的研究開始于20世紀80年代，魏潤柏等[1]率先開展了人體、服裝、環境等影響人體熱舒適性的理論研究。目前，中國眾多學者相繼研究了不同地區、不同類型建筑的室內熱環境。主要集中于兩個方面：一是分析了辦公建筑室內熱環境與人員工作效率的關系[2-8]；二是通過對住宅熱環境及熱適應性進行現場調查，研究熱舒適溫度分布以及熱中性溫度情況[9-14]。但對嚴寒地區尤其是內蒙古中西部農牧區居住建筑冬季室內熱環境和熱舒適的研究還較少。

內蒙古中西部農牧民住宅室內冬季熱舒適的研究為合理確定農牧民冬季室內熱舒適區間、進一步揭示人體熱適應機理提供理論依據，對提高農牧民生活的舒適性和宜居性具有重要意義。

為此，在對內蒙古中西部農牧民居住建筑現狀調研的基礎上，以標準ASHRAE55—2013[15]中提出的七級指標作為熱舒適評價尺度，對調研數據進行擬合分析，并總結其規律，研究影響人體熱感覺與室內溫度、服裝熱阻、新陳代謝率及年齡之間的關系，確定冬季室內熱舒適溫度范圍、熱中性溫度和期望溫度，以期為豐富室內熱舒適理論提供補充和完善，為農牧民住宅室內熱舒適設計或評價提供依據和指導。

1 現狀調研

1.1 調研內容

內蒙古中西部屬于嚴寒地區，冬季漫長而寒冷，晝夜溫差大。農牧民居住建筑的保溫性能、氣密性能和供暖情況是影響室內熱環境的根本因素。對內蒙古中西部農牧區部分鄉村、嘎查進行了大量調研(見表1)。主要包括：①受訪者生活資料，年齡、性別、日常生活習慣、活動規律、飲食及衣著情況等；②居住建筑及居住環境；③受訪者的熱感覺程度。這些翔實資料為研究內蒙古中西部農牧民居住建筑冬季室內熱舒適度奠定了良好基礎。

1.2 農牧民生活

農牧民的生活習慣、生產方式和城鎮居民有很大的不同。居住建筑多采用火炕、火爐、土暖氣等設備供暖。火炕是內蒙古中西部地區農牧民普遍使用的供暖方式之一，利用做飯的余熱加熱炕面，向室內散熱，使室內溫度升高。供暖燃料為農作物秸稈、牛羊糞或煤。農牧民每天多次從室外向室內補充炊事、供暖所需的燃料，同時，還要定時喂養雞、鴨、豬、羊等禽畜，室外如廁等。這些行為方式導致戶門經常開閉加快了室內熱量的散失，降低了室內溫度。為了適應(也是習慣)常出入室內外，農牧民在室內的著衣一般比城市居民普遍厚暖。同時，冬季大多數時間在家做一些雜活，尤其是婦女家務勞動較多，新陳代謝率相對較高。不同活動強度下的人體代謝率，見表2[17]。代謝率單位為met，健康成年人靜坐狀態下代謝率為1 met，即58.2 W/m2。從表2中看出，農牧民代謝率為0.7～2.0 met(40～116 W/m2)。

1.3 居住建筑概況

內蒙古中西部農牧區居住建筑缺乏規劃設計，以農牧民自建為主，保溫性能差，導致冬季供暖能耗高、熱舒適度不足。調研發現大多數農牧區居住建筑東西長為10 m,南北寬為7 m。外墻多為370 mm磚墻，南向外部貼瓷磚，東、西、北向抹灰，無保溫層，沒有設計門斗或陽光間等節能措施，氣密性較差，其圍護結構構造見表3。農牧區居住建筑外圍護結構傳熱系數均大于城市住宅，遠不滿足《農村牧區居住建筑節能設計標準》DBJ 03-78—2017[16]的相關規定，冷輻射明顯，室內早晚溫度波動大。

1.4 服裝熱阻

內蒙古中西部農牧民冬季室內著衣情況見表4。根據標準ASHRAE55—2013[15]中對服裝熱阻的定義，計算出不同人群所穿服裝的總熱阻值為

男子:

Icl=0.113+0.727∑Icomp

(1)

女子:

Icl=0.05+0.77∑Icomp

(2)

表1 內蒙古中西部部分農村牧區熱環境情況

表2 不同活動強度下的人體代謝率

表3 居住建筑外圍護結構詳細構造

表4 農牧民冬季室內著衣情況

1.5 冬季室外溫度

對內蒙古中西部農牧區冬季室外空氣溫度進行統計分析(見圖1)可知，室外空氣溫度均值為-4 ℃。室外溫度主要分布在-10～8 ℃，占比為75%。

表5 不同服裝熱阻值

圖1 冬季室外空氣溫度分布Fig.1 Outdoor air temperature distribution in winter

1.6 室內人體熱感覺

內蒙古中西部居住建筑冬季室內溫度主要分布在10～16 ℃。農牧民熱感覺分布如圖2所示，感覺微涼、涼和冷的農牧民分別為29.4%、13.8%和4.2%，總計有47.4%的農牧民感覺室內溫度偏低，不能達到舒適度的要求。

圖2 熱感覺分布Fig.2 Thermal distribution

2 熱環境研究

2.1 熱舒適評價方法

采用標準ASHRAE55—2013[15]中提出的七級指標(見表6)作為熱舒適評價尺度。此標準不處理非熱環境因素，如空氣品質，聲學，照明度，或其他物理，化學，或生物空間的能引起人不適或構成健康威脅的污染物[15]。本文以處于一定室溫環境居民的熱感覺評價值為研究變量，分析不同影響因素對冬季農牧民熱感覺的影響程度，以及計算可接受溫度范圍、熱中性溫度和期望溫度。可接受溫度范圍為農牧民可接受率大于90%的溫度區間。熱中性溫度為人們既不感覺到冷也不感覺到熱的溫度，當平均熱感覺評價值為0時得出熱中性溫度。期望溫度為農牧民所期望的溫度，分別對期望更冷和期望更熱的數據進行線性擬合，兩條直線的交點值為期望溫度。

表6 熱反應評價

2.2 平均熱感覺與室內溫度

利用線性回歸方法[19]確定人體熱感覺與室內溫度之間的定量關系，判定不同溫度下人體的熱反應，公式為

MTS=a+bT

(3)

式(3)中，MTS為實測熱感覺平均值；a為回歸直線在縱軸上的截距；b為回歸系數，反映人體熱感覺對溫度變化的敏感程度。當MTS=0時，對應的室內溫度T為熱中性溫度。

將調研數據進行線性擬合，得到平均熱感覺MTS與室內平均溫度T的關系如圖3所示。

圖3 T-MTS關系Fig.3 The relationship between T and MTS

回歸方程的確定系數R2=0.859 3，表明方程擬合效果很好。回歸系數為0.241，表示人體的熱感覺隨溫度的升高而增加。室內溫度每變化約4.15 ℃時，熱感覺評價分度改變一級。當MTS=0時所求解熱中性溫度為16.09 ℃。

2.3 平均熱感覺與服裝熱阻

為研究熱感覺與服裝熱阻(CLO)的關系，首先以平均室內溫度為自變量，平均服裝熱阻為因變量，通過回歸分析確定研究服裝熱阻與室內溫度的關系(圖4)。從圖4中得出，室內溫度每升高6.53 ℃，服裝熱阻值降低0.50 clo。繼而可以得到熱感覺與服裝熱阻的關系，服裝熱阻每改變0.32 clo，熱感覺評價分度改變一級。

圖4 T-CLO關系圖Fig.4 The relationship between T and CLO

2.4 平均熱感覺與年齡

不同年齡段的人群對溫度的熱感覺會有所差別。分析不同年齡段農牧民熱感覺與室內溫度之間的關系(見圖5)。

對于成年男性，室內溫度每升高3.37 ℃，熱感覺評價分度升高一級。對于成年女性，室內平均溫度每升高3.67 ℃，熱感覺評價分度升高一級。對于少兒，室內平均溫度每升高3.94 ℃，熱感覺評價分度升高一級。對于老年人，室內平均溫度每升高4.62 ℃，熱感覺評價分度升高一級。熱環境適應性為成年男子>成年婦女>少兒>老人。當MTS=0時，分別計算其熱中性溫度，見表7。

圖5 不同年齡情況下T-MTS關系圖Fig.5 The relationship between T and MTS

表7 不同年齡人群熱中性溫度

2.5 平均熱感覺與新陳代謝率

從表2可知，農牧民在不同活動強度下人體代謝率(MET)主要分布在0.7～2.0 met。為研究熱感覺與人體代謝率的關系，按活動強度分為三個主要分布狀態：基本靜態(MET<0.9 met)(0.9 met

圖6 不同活動強度下T-MTS關系圖Fig.6 T-MTS diagram at different activity intensities

同時，調研發現牧民對于寒冷環境的適應能力高于農民，分析其主要原因為飲食的差別。農民以面食、米飯為主，而牧民以牛奶、肉類為主。由于攝入食物的差別，人體內部發熱量也會有所不同，也就是新陳代謝率的不同。

2.6 可接受溫度范圍與期望溫度

根據2.1節所述方法，擬合分析得到農牧民冬季熱可接受率Y與室內溫度T的關系如圖7所示。

圖7 可接受溫度Fig.7 Acceptable temperature

以可接受率大于90%的溫度區間作為可接受溫度范圍，得到內蒙古中西部農牧民冬季可接受室內溫度范圍為13.63～21.66 ℃。可接受溫度范圍較寬，可見農牧民對熱環境有較強的適應性。

根據2.1節所述方法，分別統計所期望的室內溫度比目前溫度較暖和較涼的人數所占總人數的百分比，通過線性擬合分析得到圖8，兩條線的交叉點為期望溫度。

圖8 期望溫度Fig.8 Expect the temperature

研究得出農牧民的期望溫度為19.38 ℃，比熱中性溫度高3.29 ℃。

3 結論

(1)內蒙古中西部農牧民冬季所穿服裝熱阻平均值為1.34 clo。老年人Icl=1.52 clo,成年男子Icl=1.17 clo,成年女子Icl=1.20 clo,少兒Icl=1.47 clo。

(2)室內溫度每改變4.15 ℃，熱感覺評價分度改變一個單位，平均服裝熱阻改變0.32 clo。

(3)內蒙古中西部農牧民冬季室內可接受溫度范圍為13.63～21.66 ℃，期望溫度為19.38 ℃，熱中性溫度為16.09 ℃。