空調(diào)與自然通風工況下用戶個性化特征對熱舒適影響分析

陳 勰 熊 宸 程 楠 李依然 袁嘉琦 剛文杰

空調(diào)與自然通風工況下用戶個性化特征對熱舒適影響分析

陳 勰 熊 宸 程 楠 李依然 袁嘉琦 剛文杰

（華中科技大學環(huán)境科學與工程學院 武漢 430074）

面對同樣的室內(nèi)環(huán)境，不同用戶的熱舒適感覺和工作效率不同。為研究用戶個性化特征對熱舒適的影響，針對空調(diào)工況（制冷）以及自然通風工況下的高校教學樓進行實地測試，調(diào)研影響學生滿意度和學習效率的因素及熱舒適，考察用戶性別、居住地、使用空調(diào)習慣等對用戶熱舒適的影響。結(jié)果顯示，大部分用戶對教室環(huán)境和學習效率比較滿意。在夏季空調(diào)工況下，女性的熱中性溫度高于男性，在秋季男女熱感覺差異較小。在相同的相對濕度環(huán)境下，女性均比男性感到更干燥。相同的CO2濃度下，女性比男性感覺更憋悶。在夏季空調(diào)工況下，長期居住地偏南的用戶傾向溫度更低的環(huán)境，秋季無明顯差別。在夏季空調(diào)工況下，寒冷地區(qū)用戶對濕度更敏感，而在自然通風工況下，夏熱冬冷地區(qū)用戶比嚴寒和寒冷地區(qū)用戶易感覺干燥。夏季空調(diào)工況中寒冷地區(qū)用戶比夏熱冬冷地區(qū)用戶易感覺悶，秋季無明顯差別。空調(diào)使用習慣影響用戶熱舒適，夏季使用空調(diào)較多的用戶更適應較低的室溫，較高的相對濕度。對于悶感覺，不同使用空調(diào)習慣的用戶無明顯差別。

熱舒適；個性化特征；教室；學習效率

0 引言

隨著人們生活水平的提高，人們對于舒適性的要求也隨之上升。了解用戶對熱環(huán)境的需求，不僅能提高環(huán)境滿意度，還能避免不必要的能源浪 費[1,2]。然而相同熱環(huán)境下，不同個體的舒適度與工作效率不盡相同，適合不同用戶的最優(yōu)熱環(huán)境也不同。

江燕濤[3]等人對夏熱冬冷地區(qū)的大學生進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在同樣的環(huán)境下，女性的穿衣量一般比男性多，男性耐寒能力要強于女性。Wang Z J[4]等人在嚴寒地區(qū)的熱舒適研究表明，在供熱季女性對溫度的敏感程度強于男性，女性的中性溫度比男性高1℃左右。也有部分學者認為性別對溫度的感知沒有明顯差別[5]。長期居住地的不同也會對熱舒適產(chǎn)生影響[6]，李文菁[7]等人在非空調(diào)環(huán)境下分析了長期生活在湖南的本地人與北方人對同一環(huán)境的冷熱感和濕度感，發(fā)現(xiàn)本地人耐寒性與耐濕性更強，耐熱性更差。Cao B[8]等人在冬季對哈爾濱、北京、上海地區(qū)人群的熱舒適進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)上海人群對冷環(huán)境的適應性更強。在夏季，不同的使用空調(diào)習慣也會影響熱舒適，長期在空調(diào)建筑中居住的人傾向于更低的室內(nèi)溫度[9]，這是由于對空調(diào)越來越多的依賴導致人體對熱的適應能力降低造成的[10]。對高校而言，教室作為學習的主要場所，教室內(nèi)溫度、照度、室內(nèi)空氣品質(zhì)等均會對學習效率產(chǎn)生影響[11-13]。樓華鼎[14]等人研究了教室、研究室、圖書館三種高校建筑中學生的學習效率，發(fā)現(xiàn)受訪者對空氣清新程度和通風情況的滿意度普遍不高。建筑內(nèi)的設施與布局、熱環(huán)境、空氣質(zhì)量、光環(huán)境和聲環(huán)境均會影響學生學習效率。

現(xiàn)有的熱舒適研究大多都是關(guān)于某一特定建筑物的熱舒適性，或者個性化特征與熱感覺的關(guān)系，對于濕和悶兩種感覺研究的較少，本文通過在夏熱冬冷地區(qū)的高校教室進行監(jiān)測，同時通過問卷調(diào)研用戶在監(jiān)測環(huán)境下的熱舒適及滿意度，挖掘影響學生學習效率的因素，分析用戶性別、居住地、使用空調(diào)習慣等個性化特征對熱感覺、濕感覺、悶感覺的影響。

1 研究內(nèi)容和方法

通過對高校教學樓的熱環(huán)境進行實地測試，測試儀器參數(shù)如表1所示，并以發(fā)放問卷的形式調(diào)研學生對教室環(huán)境的滿意度、學習狀況以及學生的熱感覺、濕感覺、悶感覺，得到不同性別、不同居住地、不同使用空調(diào)習慣的用戶熱舒適差異。本研究分為夏季空調(diào)工況和秋季自然通風工況。夏季空調(diào)工況為2019年9月，大部分教室處于制冷工況，室內(nèi)熱環(huán)境范圍為24℃~30℃、23%~65%、300×10-6~ 1600×10-6，女性著裝為短袖T恤，短褲、裙子或長褲，男性著裝為短袖T恤、短褲或長褲。秋季自然通風工況為2019年10月至11月，教室均未開啟空調(diào)，為自然通風工況。室內(nèi)熱環(huán)境范圍為20℃~27℃、23%~65%、300×10-6~1600×10-6。女性著裝為長袖或T恤加薄外套、長褲、短褲或裙，男性著裝為長袖或T恤加薄外套、長褲。所有接受測試的用戶均處于靜坐狀態(tài)。

對收集到的問卷進行篩選，為避免熱活動的影響，選擇在教室停留超過半小時的用戶，并篩選年齡17~25歲，最終夏季測試階段共收集到672份問卷，其中有效問卷638份，男性448份，女性190份。秋季測試階段收集到658份問卷，其中有效問卷601份，男性376份，女性225份。

表1 測試儀器參數(shù)

2 結(jié)果分析與討論

通過分析調(diào)研數(shù)據(jù)，得到教室環(huán)境總體滿意度，學生學習狀況，以及用戶個性化特征（性別、長期居住地、使用空調(diào)習慣）對人體熱舒適的影響。其中熱感覺投票值采用ASHRAE七級指標表示：-3（很冷）、-2（冷）、-1（有點冷）、0（中性）、1（有點熱）、2（熱）、3（很熱）；濕感覺投票值采用五級指標：-2（很潮濕）、-1（潮濕）、0（一般）、1（干燥）、2（很干燥）；悶感覺投票值采用五級指標：1（不悶）、2（有點悶）、3（比較悶）、4（很悶）、5（非常悶）。

2.1 熱環(huán)境及滿意度總體分析

2.1.1 教室環(huán)境滿意度調(diào)研結(jié)果

對教室的滿意度評價如表2所示。由表2可知，在夏季空調(diào)工況和秋季自然通風工況下，教室環(huán)境滿意度選擇“一般”和“比較滿意”的用戶都占主要部分，夏季滿意程度選擇“一般”、“比較滿意”、“非常滿意”的用戶占到89.81%，在秋季占到85.34%，說明教室內(nèi)環(huán)境較舒適。進一步調(diào)研學生對教室環(huán)境不滿意原因，結(jié)果如表3所示。

表2 教室環(huán)境滿意度評價結(jié)果

表3 用戶對教室環(huán)境的不滿意原因

由表3可知，無論是夏季空調(diào)工況還是秋季自然通風工況，導致學生對教室環(huán)境不滿意的主要因素均為空氣清新程度和房間布局及人員密度。雖然秋季自然通風工況下，通過門窗的自然通風量大，但仍有部分用戶感覺空氣不清新，認為較悶和教室內(nèi)異味。在房間布局及人員密度中，人員密度的影響更大。值得注意的是，空調(diào)工況下吹風感覺占比12.97%，到了自然通風工況占比下降了一半多，為5.46%。說明空調(diào)工況下空調(diào)送風可導致用戶有吹風感，可以通過改善送風口位置、風速等提高舒適度。

2.1.2 學習效率滿意度調(diào)研結(jié)果

學習效率滿意度以及影響學習效率的因素如表4、表5所示。由表4可以看出，夏季空調(diào)工況和秋季自然通風工況，用戶的學習情況類似，認為自己學校效率“一般”的用戶最多，對學習效率“比較滿意”的用戶次之，說明大部分用戶學習效率尚可。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)熬夜是影響學習的最主要因素，經(jīng)過受試者反饋后進一步調(diào)整調(diào)研問卷發(fā)現(xiàn)，手機等電子設備的使用是學習效率低的更主要原因。在兩種工況下，教室內(nèi)熱濕環(huán)境導致用戶學習效率低的比例為13.06%和10.36%，說明在同樣的教室熱環(huán)境下，不同用戶的熱感覺及對環(huán)境的滿意度不同，接下來分析用戶個性化差異對其熱舒適的影響。

表4 用戶學習效率自我評價

表5 學習效率低的原因

2.2 用戶性別對熱舒適的影響

2.2.1 用戶性別對熱感覺的影響

通過多次測試與問卷調(diào)研獲得教室內(nèi)男女生所有的熱感覺投票值，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，夏季空調(diào)工況下以及秋季自然通風工況下，男女用戶的熱感覺投票值基本都在-0.6到0.6之間，表明教室內(nèi)溫度整體而言是比較舒適的，通過對投票值較高的用戶進一步調(diào)研發(fā)現(xiàn)造成不舒適的原因為教室內(nèi)的溫度場分布不均勻、在靠近窗戶處太陽輻射較為強烈、靠近門口處滲透風較大等。對比男女投票可知，夏季空調(diào)工況下，熱感覺在29~30℃范圍內(nèi)兩者差別不大，其余溫度下女性均比男性感覺偏冷，即女性的舒適溫度較高。秋季自然通風工況下兩者的差異較小，隨著溫度升高，男女熱感覺投票均升高。

圖1 性別對熱感覺的影響

2.2.2 用戶性別對濕感覺的影響

男女生在不同濕度下的濕感覺投票值如圖2所示。由圖2可知，夏季空調(diào)工況和秋季自然通風工況中，女性用戶的濕感覺投票都普遍要高于男性用戶，即在同一相對濕度下，女性比男性感到更加干燥。將濕感覺選擇“一般”的用戶視為對濕度滿意。空調(diào)工況和自然通風工況都在相對濕度為50%~60%時滿意率最高，分別達到了62.8%和65.0%。說明用戶更傾向于50%~60%的相對濕度區(qū)間。同時，我們也發(fā)現(xiàn)，教室內(nèi)的濕環(huán)境大部分時候都是會讓人感覺比較干燥的，適當?shù)募訚袷怯斜匾摹?/p>

圖2 性別對濕感覺的影響

2.2.3 用戶性別對悶感覺的影響

男女生在不同CO2濃度下的悶感覺投票值見圖3。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，當CO2濃度從300×10-6變化到1600×10-6，男女的悶感覺沒有發(fā)生明顯的變化，基本都在2~3范圍內(nèi)，說明用戶憋悶的感覺和CO2濃度之間沒有緊密的聯(lián)系，且均感覺有點悶。女性的悶感覺投票在大多數(shù)CO2濃度區(qū)間內(nèi)都要高于男性，說明女性較男性而言更容易感到憋悶。此外，盡管在自然通風工況下新風量比較大，用戶的悶感覺相對空調(diào)工況下沒有太大提升，女性的悶感覺投票大部分仍然高于男性。

圖3 性別對悶感覺的影響

2.3 用戶長期居住地對熱舒適的影響

在夏季空調(diào)工況和秋季自然通風工況中，我們調(diào)查了受訪者的長期居住地，以探究生活在不同氣候區(qū)用戶的熱舒適差異。氣候區(qū)分為五類：嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)。

2.3.1 用戶長期居住地對熱感覺的影響

不同居住地用戶的熱感覺投票值如圖4，由圖4可知，在夏季空調(diào)工況下，曲線從下往上依次是寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)，說明相同溫度下長期居住地越往北的用戶更容易感覺冷，長期居住地越往南的用戶偏愛更涼爽的環(huán)境。在秋季自然通風工況下，不同地區(qū)用戶的熱感覺沒有顯示出明顯的差異，對溫度的接受范圍都比較廣，熱感覺沒有隨著溫度上升有較大幅度增加。

圖4 長期居住地對熱感覺的影響

2.3.2 用戶長期居住地對濕感覺的影響

不同居住地用戶的濕感覺投票值如圖5所示，由圖5可知，在夏季空調(diào)工況下，隨著相對濕度增加，所有地區(qū)用戶的濕感覺投票值呈下降趨勢，寒冷地區(qū)用戶對濕度比較敏感，在濕度大于50%時會感到潮濕，而其他地區(qū)用戶仍感覺干燥。夏熱冬冷地區(qū)用戶對濕度不太敏感，在20%~70%的濕度范圍內(nèi)都沒有感覺明顯干燥或潮濕。在秋季自然通風工況下，嚴寒地區(qū)用戶濕感覺低于其他地區(qū)，即易感覺潮濕，夏熱冬冷地區(qū)用戶的濕感覺投票值普遍較高，高于寒冷地區(qū)、高于嚴寒地區(qū)，也就是說，夏熱冬冷地區(qū)用戶要比寒冷地區(qū)和嚴寒地區(qū)用戶感覺更加干燥。

圖5 長期居住地對濕感覺的影響

2.3.3 用戶長期居住地對悶感覺的影響

不同居住地用戶的悶感覺投票值如圖6所示，由圖6可知，在夏季空調(diào)工況下，寒冷地區(qū)用戶比夏熱冬冷地區(qū)用戶悶感覺投票值高，即寒冷地區(qū)用戶相比于夏熱冬冷地區(qū)用戶更感覺悶。在秋季自然通風工況下不同居住地用戶的悶感覺無明顯區(qū)別。

圖6 長期居住地對悶感覺的影響

2.4 用戶使用空調(diào)習慣對熱舒適的影響

在夏季空調(diào)工況中，我們統(tǒng)計了用戶在家以及在學校使用空調(diào)時間占室內(nèi)活動總時間的百分比，一共分為五個等級，分別是：0~20%、20%~40%、40%~60%、60%~80%、80%~100%。由表6可得，在家中，不同使用空調(diào)頻率的人數(shù)相近。而夏季在校內(nèi)期間，超過70%的同學在室內(nèi)使用空調(diào)的頻率超過60%，多達30%的同學使用空調(diào)的頻率超過80%，原因主要是教學樓內(nèi)教室空調(diào)基本保持開啟狀態(tài)，同學們在上課或自習過程中，大部分時間處在空調(diào)環(huán)境之下。使用空調(diào)頻率大于40%的用戶無論是在家還是在學校都超過了一半，在學校中處在空調(diào)環(huán)境下的時間要多于在家中的時間。在與熱舒適的相關(guān)性分析中，將使用空調(diào)時間占室內(nèi)活動總時間的百分比為0~60%的用戶稱為使用空調(diào)一般和較少的用戶，百分比為60~100%的用戶稱為使用空調(diào)較多的用戶。本文考察長期使用空調(diào)習慣對人員熱舒適的影響，因此以在家使用空調(diào)的時間分布分析用戶熱感覺、濕感覺與悶感覺的差異。

表6 在家和在學校用戶的使用空調(diào)習慣

2.4.1 用戶使用空調(diào)習慣對熱感覺的影響

不同使用空調(diào)習慣用戶的熱感覺投票值如圖7所示，由圖7可知，在同一室內(nèi)溫度下，使用空調(diào)較多的用戶相比于使用空調(diào)一般和較少的用戶熱感覺投票值高。在25~27℃范圍內(nèi)，使用空調(diào)較多的用戶感覺舒適，而使用空調(diào)一般和較少的用戶感覺冷，說明使用空調(diào)較多的用戶對較冷環(huán)境的適應性更強。

圖7 在家使用空調(diào)習慣對熱感覺的影響

2.4.2 用戶使用空調(diào)習慣對濕感覺的影響

不同使用空調(diào)習慣用戶的濕感覺投票值如圖8所示，由圖8可以看出，在家使用空調(diào)較多的用戶濕感覺投票值高于使用空調(diào)一般和較少的用戶，由此可知，使用空調(diào)較多的用戶更感覺空氣干燥，即使用空調(diào)較多的用戶更偏好濕度高的環(huán)境。

圖8 在家使用空調(diào)習慣對濕感覺的影響

2.4.3 用戶使用空調(diào)習慣對悶感覺的影響

不同使用空調(diào)習慣用戶的悶感覺投票值如圖9所示，由圖9可知，不同使用空調(diào)習慣用戶的悶感覺投票值與CO2濃度的聯(lián)系不緊密，與上文結(jié)論一致。且兩類用戶的悶感覺無明顯差別。

圖9 在家使用空調(diào)習慣對悶感覺的影響

3 結(jié)論

本文通過對高校教室熱環(huán)境和用戶熱舒適進行調(diào)研，分析影響學生熱舒適和學習效率的因素，研究用戶個性化特征（性別、長期居住地、使用空調(diào)習慣）對室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度的反應，考察用戶特征及其熱舒適的規(guī)律。結(jié)果表明：

（1）大部分學生對教室總體環(huán)境以及自身學習效率都比較滿意，空氣清新程度、人員密度是對環(huán)境不滿意的主要原因，電子設備的使用和熬夜是影響學習效率的主要因素。

（2）夏季空調(diào)工況中女性舒適溫度高，秋季自然通風工況中男女性熱感覺差別不大；空調(diào)工況和自然通風工況下，50%~60%的相對濕度是最舒適的區(qū)間，女性相比男性感覺更加干燥；兩種工況下，女性普遍要比男性感覺更憋悶。

（3）夏季空調(diào)工況下，在相同熱環(huán)境下，長期居住地為嚴寒和寒冷地區(qū)的用戶比其他地方用戶感覺偏冷，秋季自然通風工況下，南北方用戶的熱感覺沒有明顯差別；對于濕感覺，夏季空調(diào)工況下寒冷地區(qū)用戶對濕度的敏感程度大于夏熱冬冷地區(qū)。秋季自然通風工況中夏熱冬冷地區(qū)用戶比嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)用戶感覺偏干燥；對于悶感覺，夏季空調(diào)工況下，寒冷地區(qū)較夏熱冬冷地區(qū)的用戶更感覺悶。秋季自然通風工況下，不同居住地用戶的悶感覺無明顯差別。

（4）在夏季空調(diào)工況下，在家使用空調(diào)較多的用戶相比于使用空調(diào)一般以及較少的用戶更適應溫度更低的室內(nèi)環(huán)境；對于濕感覺，使用空調(diào)較多的用戶更偏好濕度較高的環(huán)境；不同使用空調(diào)習慣用戶的悶感覺無明顯差別。

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Impact of the Occupants’ Personalized Characters on Thermal Comfort in Air-conditioned and Natural Ventilation Environment

Chen Xie Xiong Chen Cheng Nan Li Yiran Yuan Jiaqi Gang Wenjie

( School of Environmental Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

Different occupants can have different thermal comfort votes and working efficiency under the same indoor environment. In order to provide a particular design, the field investigation and questionnaire survey were conducted in classrooms in a university in air conditioning and natural ventilation conditions, analyzing occupants’ satisfaction degree and working efficiency, discussing the comfort differences of occupants with different genders, long-tern residence and habit of using air conditioners. Results show that the majority of occupants are satisfied with the indoor environment and working efficiency. The comfortable temperature of females is higher than males in air-conditioned environment. But there is no difference in natural ventilation environment. Females are more sensitive to the humidity, and are easier to feel stuffy. Occupants who live in the south for a long time tend to have a cooler temperature in air-conditioned environment. But there is no difference in natural ventilation environment. Occupants who live in cold area are more sensitive to humidity in air-conditioned environment. In natural ventilation environment, occupants in hot summer and cold winter area feel drier than occupants in severe cold and cold areas. Occupants in cold area are more likely to feel stuffy than occupants in hot summer and cold winter area in air-conditioned environment. In natural ventilation environment, there is no difference. The habits of using air conditioners affect occupants' thermal comfort. In air-conditioned environment occupants who use more air conditioners are more suitable for lower temperature and higher relative humidity. For the feeling of stuffiness, there is no obvious difference between occupants with different air conditioning habits.

Thermal comfort; Personalized character; Classroom; Efficiency

TU023

A

1671-6612（2021）02-182-07

陳 勰（1999.7-），女，本科，E-mail：chenxie@hust.edu.cn

剛文杰（1988.5-），女，博士，副教授，E-mail：gangwenjie@hust.edu.cn

2020-07-23