農村自然通風建筑冬季人體熱適應研究

董夢如

(河南理工大學，河南 焦作 454000)

1 引言

我國相關學科學者最近越來越關注自然通風建筑室內熱舒適發展現狀，在嚴寒地區哈爾濱、寒冷地區西安、焦作和夏熱冬冷地區廣州[1～4]等地都開展了相關的研究，取得了一定的成果。但是，對于這些地區的縣級及以下的農村地區鮮有研究。

在這樣的背景下，筆者以浙江仙居農村地區為研究對象，在自然通風建筑室內熱環境狀況下，進行了冬季室內熱舒適現場研究，旨在了解仙居農村地區建筑冬季室內熱舒適狀況，為提高農村建筑熱環境、指導被動式建筑設計及空調系統設計提供參考依據。這些結果為氣候適應理論提供了支持，可為優化自然通風建筑設計提供參考。

2 仙居縣自然氣候特征

浙江省仙居縣位于浙江東南(28.5°～29°N，120°～121°E)。年平均氣溫18.3 ℃，1月份平均氣溫5.6 ℃，7月份平均氣溫28.5 ℃。雨量充沛，歷年平均降水量2000 mm左右，呈雙峰型分布，前峰為梅雨，后峰為秋雨，降水的空間分布不均勻，該地區氣候屬于夏熱冬冷氣候區。實地調研發現，該地區夏季居民冬季以自然通風為主，且不進行供暖。

3 研究方法

(1)調研時間為冬季2016年1月23～28日(最冷季)對仙居縣的農村居民住宅的室內環境進行了測試，得到798套數據。受試者均在仙居地區生活多年，已經適應當地的氣候環境。受試者具體情況如表1所示。

表1 受試者基本情況

(2)在調研過程中，對此地區同時堿性冬季室內外環境參數的測量與受試者主觀熱反應問卷調查。調研中具體使用的儀器見表2。

表2 測試儀器的基本信息

(3)受試者的主觀感覺主要包括熱感覺、濕感覺等主觀選擇。這幾者的投票均采用ASHRAE[5]通用的7級投票指標。現場調研所用各類感覺投票標尺見表3。

表3 主觀熱反應和熱期望投票標尺

(4)本研究采用操作溫度作為熱舒適的評價指標[6]。將操作溫度按0.5 ℃/1 ℃的區間分組，以每組操作溫度平均值為自變量，對影響熱感覺的相關因素進行回歸分析。

4 室內熱環境和主觀熱反應

4.1 室內外環境參數

表4給出了仙居地區冬季調研期間室內外環境參數的分布情況仙居冬季室外平均溫度為4.2 ℃，室內空氣溫度均值為7.2 ℃，相對濕度均值為65.7%(冬季室外的相對濕度值由于實驗的原因丟失)，反映出仙居冬季濕冷的氣候特征，即仙居屬于夏熱冬冷氣候區。與GB/T 50824-2013《農村居住建筑節能設計標準》[7]規定的基準溫度下限值(夏熱冬冷地區的臥室、起居室等主要功能房間冬季基準溫度上限值為8℃)相比，仙居地區冬季室內最低溫度與空氣溫度平均值均超出這個范圍。

表4 仙居地區室內外環境參數

4.2 服裝熱阻

圖1為受試者服裝熱阻分布情況。從表1和圖1可以看出，居民的服裝熱阻大多集中在1.15～1.95 clo范圍內，平均值為1.51 clo。受試者服裝熱阻分布比較廣，有呈現出較高值或者較低值的情況，主要原因是因為當地人體長期在此地區的生活，在生理、心理、行為上已經產生了較強的適應性，同時室內的溫度受外部的影響，室內溫度隨之變化，導致受試者減少衣物或增加衣物，但是大多數居民頻繁地出入室內外，不愿頻繁更衣導致；還有一部分年齡在55歲以上的受試者，抗寒能力與青年人有差異，會影響服裝熱阻的最大值。

圖1 冬季與夏季服裝熱阻分布頻率

4.3 主觀熱反應

圖2分別給出了仙居地區冬季熱感覺、濕感覺以及風速趕緊投票的分布情況。由圖2得出：受試者熱感覺、濕感覺以及風速感覺投票均以“中性”(0)為主，其比例分別為58.2%、62.1%、79.7%，這可以看出：仙居農村地區受試者對室內的熱環境滿意度較高，同時也表明該地區的受試者有著良好的熱適應，而濕感覺投票主要是因為當地居民適應了冬季高濕環境，因此濕感覺投票以“中性為主”；“適中”的風速感覺，可能是因為冬季室外溫度低，室內關閉門窗所致無吹風感。

圖2 主觀熱反應投票分布

5 環境參數對主觀熱反應的影響

5.1 環境參數對熱感覺的影響

5.1.1 操作溫度對熱感覺的影響

受試者對熱感覺的大小投票可間接反映出其所處環境的冷熱情況。將仙居冬季的操作溫度以1 ℃為間隔進行分組，將求得每1 ℃內的操作溫度均值和實測熱感覺均值進行權重回歸，得到仙居農村地區冬季熱感覺投票和操作溫度的關系，如圖3所示。

經回歸分析方法得到冬季的平均熱感覺與操作溫度的關系式是：

冬季：MTS=0.09to-1.165 (P=0.001<0.05)

平均熱感覺(MTS)與操作溫度存在明顯的線性關系，這說明隨著操作溫度的升高，人體熱感覺逐漸增加，不利于人體的熱舒適感覺。令MTS=0，得到冬季熱中性溫度12.9 ℃，處于較低的水平。從而可得：仙居地區自然通風建筑居民長期居住在此地區，對當地的氣候適應性較強，13.0 ℃便可達到舒適水平。

圖3 平均熱感覺投票與操作溫度的關系

5.1.2 濕度對熱感覺的影響

由于仙居是夏熱冬冷氣候區，季室內相對濕度大多在50%以上。故對冬季相對濕度≤50%及>50%情況下對熱感覺與操作溫度關系進行分析。回歸結果如圖4所示。

冬季不同濕度水平回歸方程：

相對濕度≤50%：MTS=0.12to-1.686

(P=0.000<0.001，R2=0.641)。

相對濕度>50%：MTS=0.058to-0.811

(P=0.003<0.05，R2=0.284)。

在仙居地區，分別對冬季熱感覺投票與操作溫度關系在不同濕度水平下進行研究。研究發現：在同一季節的不同濕度水平下的回歸線差異較小。這說明，在夏熱冬冷氣候區，環境相對濕度對人們熱感覺投票結果影響較小。或許這一發現在研究夏熱冬冷地區農村居民室內熱舒適時，可減少室內濕度對其影響比重。

圖4 不同濕度水平下冬季熱感覺和操作溫度的關系

5.2 操作溫度對熱期望的影響

采用相同的方法，分析每0.5 ℃操作溫度區間內熱期望變涼/變暖的投票占全部投票的百分比與相應的平均操作溫度進行Probit回歸，得到如圖5所示的曲線。得到仙居地區居民期望夏季變涼的頻率隨著溫度的上升逐漸增加，可達到100%；冬季期望變暖的頻率隨著溫度的上升逐漸降低，可達到0.00%，但是期望變暖的百分比并不會隨著室內溫度的升高有顯著性變化。這可以看出，仙居農村居民對于夏季期望變涼、冬季期望變暖的強烈愿望。求得冬季熱期望溫度ET=21.0 ℃。當冬季80%的居民期望溫度變暖時，對應的操作溫度為5.6 ℃。80%的居民期望溫度值從側面說明在受試者冬季抗寒性是比較強的。但是居民仍舊期待更好的生活環境。

圖5 期望變暖的百分比和操作溫度的關系

6 討論

受試者均在仙居地區生活5年以上，對此地區熱濕環境有著較強的心理適應、行為適應。由圖6可以看出，冬季的數據均落在ASHRAE 55標準舒適區之外，而且受試者的中性溫度為12.9 ℃，說明受試者對冬季低溫環境的耐受力以及強適應性；冬季可以通過增減衣物進行行為調節，有較強的行為適應。結果表明：ASHRAE 55標準低估了仙居農村居民可接受程度的上下限，并不適用于評價夏熱冬冷地區冬季自然通風環境。

圖6 冬季室內外溫度與ASHRAE 55-2017標準的比較

7 結論

仙居農村地區測得的冬季人體熱中性溫度為12.9 ℃，具有較強的耐熱及耐寒能力。在預測夏熱冬冷地區人體熱舒適時，應考慮加入建筑環境、生活習慣、經濟條件和對環境的可調節程度等因素的影響，可以看出濕度的影響比重占到最小。這是因為本次調研的受試者均適應了該地區的空氣濕度情況，在研究濕度對熱感覺的影響時，冬季熱感覺投票與操作溫度在不同濕度水平下的回歸線無顯著差異性。我國夏熱冬冷地區人群對長期生活的冬季濕冷環境具有較強的適應能力。