西安某高校宿舍人體熱舒適氣候適應性模型研究

張凱歌 王麗娟 孔培婷 王 鵬

西安某高校宿舍人體熱舒適氣候適應性模型研究

張凱歌 王麗娟 孔培婷 王 鵬

（西安工程大學城市規劃與市政工程學院 西安 710600）

對該地區某高校學生宿舍冬季室內外溫度、相對濕度和風速進行測試，并對受試者的基本信息、主觀熱感覺和服裝熱阻進行問卷調查。利用回歸方法得出該地區的熱中性溫度（18.6℃）及其范圍（16.9～22.7℃)，并建立該地區熱舒適氣候適應性模型（熱適應模型），初步確立室內熱中性溫度和室外空氣溫度的關系。將熱中性溫度作為室內溫度設計的標準，可以提高人體舒適度，并可以適當減少建筑能耗。

學生宿舍；熱舒適；熱感覺；適應性模型；熱中性溫度

0 引言

隨著我國經濟的發展和國民生活水平的不斷提高，人們對室內環境的要求也越來越高。因此在人體熱舒適方面的研究逐漸受到重視。目前常用的研究方法有實驗室測試和實地調研測試。兩者主要區別在于是否考慮了人體自身對環境的適應性。當環境變化時，人們會不斷采取各種方式來適應這種變化，熱適應模型反映的就是人和環境之間“給與拿”的關系[1]。

國外研究者Humphreys和Nicol在1978年提出了一種利用室外溫度來預測室內熱舒適溫度的方法[2]。他們通過對大量實測數據的分析研究，得到了適用于自然通風環境下室內熱中性溫度t與室外月平均溫度t的相關方程。Auliciems等人接著對Humphreys的研究進行了修正和補充，得到了適用于自然通風和空調建筑環境下的室內熱中性溫度t與室外月平均溫度t的相關方程[3]。

國內研究者李俊鴿、楊柳等人通過對南陽市居民住宅的實地調研測試得到了室內熱中性溫度和室外空氣溫度（測試期間的平均溫度）的相關方程，并指出將熱中性溫度溫度作為室內溫度設計指標可以改善室內環境并降低設備能耗[4]。楊柳、楊茜等人通過對昆明市居民住宅進行實地調研測試得到了該地區的熱中性溫度，并建立熱適應模型[5]。茅艷了對我國的四個不同氣候區12個代表城市進行了調研和測試，分別建立了不同氣候區的熱適應模型[6]。

我國的建筑熱工分區有嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和溫和地區。長時間在不同地區生活的人對環境的適應能力不相同，因而適應性模型也不盡相同。目前的熱適應模型研究以住宅和辦公環境為主，而關于人員密度較大的學生宿舍研究相對較少。本文對寒冷地區西安某高校的學生宿舍室進行調研測試，采用線性回歸得到該地區人體熱適應模型。

1 調研方案

1.1 調研地點和時間簡介

西安市位于黃河流域中部的陜西關中地區，在建筑氣候區劃分上屬于第Ⅱ類，是溫暖帶半濕潤大陸性季風氣候。在建筑熱工氣候分區中屬于寒冷地區，最冷月平均氣溫在-1.2～0℃之間。

本次調研的西安某高校學生宿舍冬季供暖方式為間歇性集中供暖，且宿舍內配備壁掛式空調。調研期間，間歇供暖下有些宿舍溫度不能滿足舒適需求，部分受試者使用空調輔助采暖。測試時間定為2019年12月4日～2020年1月10日（10:00～14:00、19:00～21:00和22:00～23:00）。測試期間共得到229份調查數據，其中67份問卷（29.3%）來自空調采暖環境，162份問卷（70.7%）來自間歇供暖環境。

1.2 測試內容及方法

1.2.1 環境參數

測試的室內環境參數有空氣溫度、相對濕度、黑球溫度和空氣流動速度；室外參數有空氣溫度。所用到的儀器有：MI6401熱舒適儀；Testo 175H1溫濕度自計議。儀器測量范圍及精度如表1，環境參數詳如表2所示。

表1 儀器參數

表2 環境參數統計

本次調研采用操作溫度綜合反映環境溫度。操作溫度綜合考慮了室內空氣溫度和平均輻射溫度對人員熱感覺的影響[7,8]。鑒于空氣溫度與平均輻射溫度之差小于2℃，操作溫度計算公式為：

式中，t為操作溫度，℃；t為平均輻射溫度，℃；t為室內空氣溫度，℃。

平均輻射溫度計算公式為[9]：

式中，t為黑球溫度，℃；為空氣流動速度，m/s。

1.2.2人員信息

調查對象為46名在校學生，其中男生27人，女生19人。受試者年齡分布在22～29歲之間，在本地區生活均超過4a，已經適應了該地區的生活環境。為了準確分析室內環境對人員熱舒適的影響，受試者填寫問卷前在室內穩定至少40min。受試者活動水平為靜坐（新陳代謝約1.2met）。問卷調查的信息有：

（1）基本信息：性別、年齡、身高、體重和服裝熱阻（詳情見表3）；

（2）采暖方式：間歇采暖或空調采暖；

（3）熱感覺：（+3）熱、（+2）暖、（+1）稍暖、（0）適中、（-1）稍涼、（-2）涼、（-3）冷[10]。

表3 人員基本信息

2 結果分析

2.1 服裝的適應性調節

服裝是影響人體熱舒適的重要因素。人們通常會根據環境溫度或自身活動水平來增減服裝，從而達到舒適的目的。本研究針對受試者在室內外不同熱環境和著裝情況，分別建立服裝熱阻I與室外空氣溫度t和室內操作溫度t的線性關系，如圖1所示。

圖1表明，調研期間受試者室外服裝熱阻在1.5～1.8clo之間，多數聚集在1.7clo附近；室內服裝熱阻在0.9～1.8clo之間，多集中在1.1clo附近。室內外服裝熱阻都隨溫度的增加而減少，但室外服裝熱阻隨溫度的變化率小于室內。說明人們對室內溫度更敏感，服裝行為調節更加主動。

不同氣候區的服裝熱阻與環境溫度的回歸方程不同（詳見表4）。當溫度改變1℃時，不同地區服裝熱阻約改變1.84clo（昆明市）、1.94clo（廣州市）、1.60clo（南陽市）、1.34clo（北京市）、1.02clo（長春市）和1.78clo（西安市）。可見，不同氣候區的人對溫度的敏感程度不同，即使在同一氣候區的不同城市之間也會有所差異。長時間生活在不同地區的人會適應當地室外氣候，形成地域性差異穿衣特點。

表4 不同地區服裝熱阻與室外空氣溫度的回歸方程

2.2 熱中性溫度

圖2 實測熱感覺與室內操作溫度的關系

熱中性溫度指的是人體感覺不冷也不熱時的最佳溫度，一般是指熱感覺投票值等于0時的溫度。將實測熱感覺投票與室內操作溫度進行線性回歸，結果如圖2所示。當實測熱感覺投票值TSV=0，得到該地區冬季學生宿舍的熱中性溫度為18.6℃。

2.3 熱環境接受范圍

人體對環境的適應能力是有限的，確定接受溫度的上下限對建筑設計和環境控制非常重要。確定熱環境接受能力，主要有直接和間接兩種方法。直接法是讓受試者判斷熱環境是否能夠接受，統計分析受試者不接受所處熱環境的百分率。間接法是對問卷中受試者填寫的熱感覺投票值分析，計算某一操作溫度下投票值為不接受的人數占總人數的百分率[12]。本研究采用間接法，將滿足80%以上人群舒適要求的最低和最高溫度作為下限和上限。將得到的室內操作溫度與不接受投票率（PPD）進行統計分析，結果如圖3所示。回歸曲線表明：當不接受投票率不超過20%時，熱中性溫度在16.9～22.7℃之間。

圖3 不可接受率與室內操作溫度的關系

2.4 熱適應模型

圖4 熱中性溫度與室外空氣溫度的關系

熱適應模型是室內熱中性溫度t與室外空氣溫度t的線性回歸方程，兩者關系如圖4所示。從回歸方程的斜率（0.240）可以看出，當室外空氣溫度改變1℃時，人們的熱中性溫度會改變0.24℃。這個結果與茅艷所得到的寒冷地區熱適應模型結論一致[6]。

上述人們對熱環境接受范圍研究表明：在不接受投票率不超過20%的條件下，受試者的熱中性溫度范圍為16.9～22.7℃，也就是說本研究提出的熱適應模型范圍為16.9～22.7℃。由此可得熱適應模型（見圖5）。

圖5 熱適應模型

熱適應模型表明，人們的熱中性溫度隨室外空氣溫度變化而變化。在創造舒適室內熱環境時，可以利用熱適應模型，根據人們的需求對室內溫度進行控制，從而達到節能目的。目前，國內學者針對不同地區、不同氣候條件建立熱適應模型，為節省供熱空調能耗打下基礎。

3 結論

本文對西安地區某高校學生宿舍進行了實地調研，并對調研結果進行了統計分析，得到如下結論。

（1）該高校學生冬季室外服裝熱阻在1.5～1.8clo之間，主要集中在1.7clo附近；室內服裝熱阻在0.9～1.8clo之間，多聚集在1.1clo附近。不同地區人形成適應當地氣候特點的穿衣習慣，即服裝熱阻具有地域性差異。

（2）西安地區某高校學生宿舍的熱中性溫度為18.6℃，滿足80%人員舒適要求的熱中性溫度范圍為16.9～22.7℃。

（3）熱適應模型表明，熱中性溫度并非一個固定數值，它與當地氣候有關。若以該模型為依據去控制室內溫度，可以實現建筑節能。

[1] Gail S Brager, Richard J de Dear. Thermal adaptation in the built environment: a literature review[J]. Energy & Buildings, 1998,27(1).

[2] Humphreys M. Outdoor temperature and comfort indoors[J]. Building Research and Practice, 1978(3/4).

[3] Auliciems A, de Dear R. Air conditioning in Australia I：human thermal factors[J]. Architectural Science Review, 1986,29:67-75.

[4] 李俊鴿,楊柳,劉加平.夏熱冬冷地區人體熱舒適氣候適應模型研究[J].暖通空調,2008,(7):20-24,5.

[5] 楊柳.溫和地區人體熱舒適氣候適應模型研究[C].2010年建筑環境科學與技術國際學術會議論文集,2010:226-230.

[6] 茅艷.人體熱舒適氣候適應性研究[D].西安:西安建筑科技大學,2007.

[7] 屈萬英,王興龍,閆海燕,等.西安地區學生公寓過渡季熱舒適性實地調查與分析[J].建筑科學,2013,29(4): 25-30.

[8] 王昭俊.現場研究中熱舒適指標的選取問題[J].暖通空調,2004(12):39-42.

[9] 王麗娟,狄育慧.平均輻射溫度應用探討[J].暖通空調,2015,45(1):87-90.

[10] ANSI/ASHRAE Standard 55. Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy[S]. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers. 2017.

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[12] 楊柳,楊茜,閆海燕,等.陜西關中農村冬季住宅室內熱舒適調查研究[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2011,43(4):551-556.

[13] 管勇,張金萍,胡萬玲.蘭州市冬季辦公房間熱舒適研究[J].建筑科學,2009,25(8):94-97,108.

[14] Tan Meilan, Li Baizhan, Liu Hong, et al. Field experiments on thermal comfort in university dormitories in Chongqing, China[J]. Journal of Central South University of Technology, 2009,16(S1):55-61.

[15] 諸葛陽,盧雅林,宋潞云,等.南京高校室內冬季熱舒適性和IAQ調查研究[J].建筑熱能通風空調,2016,35(6): 42-45.

[16] 王昭俊,任靜,吉玉辰,等.嚴寒地區住宅與辦公建筑熱環境與熱適應研究[J].建筑科學,2016,32(4):60-65.

Research on Adaptive Thermal Comfort Model for University Dormitory in Xi’an

Zhang Kaige Wang Lijuan Kong Peiting Wang Peng

( College of Urban Planning and Municipal Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an, 710600 )

The indoor and outdoor temperature, relative humidity, and wind speed of college student dormitories in Xi 'an city were tested in winter, and the basic information, subjective thermal sensation, and clothing thermal resistance of the subjects were investigated by questionnaire. Using the regression method, the thermal neutral temperature (18.6℃）and its range in this region were obtained(16.9～22.7 ℃), and a thermal comfort climate adaptation model (thermal adaptative model) for this region was established. The relationship between indoor thermal neutral temperature and the outdoor air temperature was preliminarily established. Taking thermal neutral temperature as the standard of indoor temperature design can improve the comfort of human body and reduce building energy consumption.

student dormitory; thermal comfort; thermal sensation; adaptive model; thermal neutral temperature

TU83

A

1671-6612（2021）02-202-05

張凱歌（1995-），男，在讀碩士研究生，E-mail：313944526@qq.com

王麗娟（1984-），女，博士，副教授，E-mail：wanglijuan@xpu.edu.cn

2020-08-18