波動氣候下高校少數民族學生熱適應性分析

汪語哲,張津淼,馬海萍,李 輝,米 霞,高天一,史小平

(1.哈爾濱工業大學 控制與仿真中心,哈爾濱 150001； 2.大連民族大學 機電工程學院,遼寧 大連 116600;3.大數據應用技術國家民委重點實驗室(大連民族大學), 遼寧 大連 116600)

熱環境的舒適程度直接影響學生的學習效率, 室內環境品質直接影響著人們的舒適性、健康及工作效率[1],因此環境的熱舒適度一直是熱舒適領域的研究重點[2].近幾年來，國內外出現的很多熱舒適研究表明，人們對室內熱環境的實際熱感覺與國際熱舒適標準中規定的基于穩態PMV模型的預測結果存在顯著差異，多次證明了熱適應性的存在[3].早在19世紀初期，不舒適的室內熱環境已經引起了當時人們的注意.丹麥的Fanger[4]教授提出的關于室內熱環境的模型是這一領域的重要突破，并提出了綜合性的舒適性方程以及PMV-PPD指標.早在19世紀70年代法國學者Humphreys[5]通過對小學生的熱感覺和熱需求來研究人體熱舒適性.與此同時，國際標準化化組織(ISO)和美國空調學會(ASHRAE)還相繼頒布ISO7730《適中的熱環境—PMV與PPD指標的確定及熱舒適條件的確定》和ASHRAE55-2013《人類居住熱環境條件》等熱舒適標準，為熱舒適領域的研究提供了理論基礎[6].又在此基礎上，為提高傳統熱舒適模型預測的準確性，提出了熱適應模型[7].文獻[8-10]通過環境參數測量、主觀調查等方式，將數據進行對比分析，通過擬合計算,得出了適應性PMV模型，為該地區中小學教學建筑室內熱環境控制與調節、供暖系統設計提供依據. 李念平等[11]探究了有關老年人的熱感覺舒適性.

在波動性氣候環境的適應性研究方面，閆海燕[12]結合相關領域知識得出結論：氣候波動的程度和持續時間決定著人體熱適應的水平，氣候和適應時間是影響適應性熱舒適的主要因素.錢建偉等[13]通過對3個基本氣候帶的氣候，探究人在長期進化過程中所體現出的氣候環境適應性.結果表明, 生活在不同地區的人，逐漸演化成適應當期氣候的生活習慣.而在現有相關研究中，對于人們在人口流動中，不同氣候環境適應性的研究相對較少.本文以中國不同氣候環境下的少數民族為主體，提高少數民族學生的熱感覺適應性.

本文依據人體熱舒適性理論，探討少數民族異地求學過程中對于波動氣候環境的適應性.波動的氣候環境是指來自嚴寒地區、夏熱冬暖地區、夏熱冬冷地區和溫和地區的學生來到大連求學.大連屬于中國寒冷地區，由于特殊的沿海地理位置，氣候適宜較為宜居.但對于異地求學的少數民族學生來說，氣候環境的波動使他們不能較快的適應大連氣候.將少數民族作為研究主體，對加速民族團結乃至民族融合都極具重要意義.隨著社會的發展以及多民族融合的加速形成，越來越多的少數民族學生離開自己的家鄉外出求學，突破了地域、南北方、氣候等相關因素的界限.因此產生一系列的問題，例如飲食習慣不同、氣候差異大、不能適應新環境等.因此，結合民族院校學生群體，本文研究了來自嚴寒、夏熱冬暖、夏熱冬冷地區的回族、蒙古族和土家族學生，探究了氣候波動的情況下在室內熱環境中的適應性，為提高少數民族生產工作效率奠定了基礎.

1 實驗及驗證方法

1.1 實驗方法

本次現場實驗在本校展開，包括8間教室，教室內冬季大多使用暖氣供暖，室內平均溫度為17.2 ℃低于國家標準，供暖效果不佳.調研時間為2018年12月24日至2019年1月10日，處于一年中教室較冷的時段. 實驗對象由來自全國的回族、蒙古族和土家族學生組成.

教室內熱環境測試參數主要包括空氣溫濕度、空氣流速、黑球溫度、二氧化碳濃度等，本次試驗采用德國BAPPU儀器對教室的熱環境參數進行測量，測點距離地面高度約1.1 m.建立熱舒適客觀評價模型的過程離不開主觀問卷調查[14]，問卷調查內容主要包括學生的民族、家庭供暖方式、生源地、服裝熱阻以及對當教室內環境的熱感覺(ASHRAE 7級標尺)、熱舒適、期望溫度等主觀評價.通過主觀調查和客觀環境測量的方式能全面掌握學生處在相應環境中的不同變化.

開始上課前，開啟實驗儀器對教室內熱環境進行持續檢測，為使數據更加準確，更精準的掌握學生熱感覺，第1次問卷調查安排在課前，此時學生進入教室時間較短，沒有熟悉教室溫度，所測得的數據為學生對教學建筑環境最初的判斷.第1次調查后，開始進行正常的教學活動，在此期間實驗者持續觀察學生行為，例如衣物增減情況、情緒、上課狀態等.課后，進行第2次主觀問卷調查，此時學生已熟悉周圍空氣環境，再綜合教室內空氣和濕度等環境的變化，得出的綜合熱感覺投票.第2次主觀問卷調查后回收問卷，實驗結束.

本實驗采用現場環境測試與主觀問卷調查相結合的調查手段，在對教室內熱環境參數進行測試的同時，對正在上課的學生進行問卷調查，其中被試者年齡在18～22歲之間，身體健康狀況良好，無不良嗜好.教室內熱環境測試參數主要包括空氣溫濕度、空氣流速、黑球溫度、二氧化碳濃度等.通過主觀調查和客觀環境測量的方式能全面掌握學生處在相應環境中的不同變化.

1.2 驗證方法

本文將得出的PMV(預測熱感覺)模型、aPMV(預測熱感覺適應性)模型和TSV(實際熱感覺)模型相對比，aPMV曲線更接近于TSV曲線表明針對于少數民族制定的波動性氣候自適應系數的調解結果較為準確.

2 調研測試結果分析

2.1 室內熱環境參數分析

教室內的空氣溫度(Ta)、黑球溫度(Tp)、空氣速度(v)和濕度(ρ)見表1，教室內平均空氣溫度為17.2 ℃，低于供暖標準，最小值為13.6 ℃與舒適區間相差較大.可見在氣候分區為寒冷地區的大連，學生一直處于較冷的環境下學習.

表1 室內熱環境參數

經計算，如圖1所示，16 ℃～17 ℃占60%，16 ℃以下占40%，室內平均溫度16 ℃，遠低于ASHRAE-55《人類居住熱環境條件》中規定20.0 ℃～23.5 ℃的冬季舒適區溫度范圍. 如圖2所示，室內平均濕度為33%，在20%～45%的范圍內較多，相對濕度在ASHRAE 55—2004《熱環境條件下的人群入住》規定的20%～60%范圍內.如圖3所示，0.05 ～0.10 m/s占70%，空氣平均速度為0.08 m/s,整體風速都較低，學生感覺較舒適.

圖1 教室內溫度分布頻率

圖2 教室內相對濕度百分比

圖3 教室內風速分布頻率

2.2 熱舒適性分析

由室內空氣溫度、氣流速度、相對濕度、平均輻射溫度、服裝熱阻和新陳代謝率計算得到的預計平均熱感覺指數PMV，是預測反映被試者熱感覺的重要指標.而少數民族與漢族在相同環境下的熱感覺上，存在著很大的差異.由圖4所示，落在ASHRAE 7級標準中-0.5～0.5的舒適區之間的散點較少，總體上少數民族和漢族在教室內的舒適性不高，根據下文中PMV-PPD預測以及熱感覺投票，學生普遍感覺較冷.

圖4 少數民族、漢族PMV與服裝熱阻回歸模型

根據表2，在PMV與服裝熱阻回歸模型中，當學生處于熱中性狀態(即PMV=0)時，少數民族學生衣服熱阻為1.98 clo；漢族學生衣服熱阻為2.18 clo,二者都遠高于被測學生的平均衣服熱阻1.53 clo.因此，預測學生在教室內的舒適程度較低.且由上述模型可知，漢族PMV與服裝熱阻的相關性較強，對于漢族學生來說，衣服的增減對他們熱舒適的影響更顯著，因此少數民族與漢族的熱舒適性存在差異，少數民族學生對衣物改變適應性的依賴較小.

表2 PMV與服裝熱阻回歸方程

本文在將數據統計預測的同時，還將少數民族學生和漢族學生的熱感覺投票和熱不滿意率進行了對比.由圖5和表3回歸方程所示，取滿意度為80%，冬季教室內可接受溫度，漢族與少數民族分別為18.0 ℃和18.5 ℃；取滿意度為90%，冬季教室內可接受溫度，漢族與少數民族分別為18.7 ℃和19.4 ℃.由此得知，漢族滿意的舒適溫度區間為18.0 ℃～18.7 ℃，少數民族滿意的舒適度區間為18.5 ℃～19.4 ℃.對本次調研樣本的統計得到，教室內落到舒適區間的樣本較少，室內環境需得到改善.

圖5 少數民族、漢族PPD與溫度回歸模型

表3 PPD與室內溫度回歸方程

本文根據ASHRAE 7級標準，將本次測試的學生的預測熱感覺(PMV)與熱感覺投票(TSV)比例分配如圖6、7所示. (PMV 與TSV為熱感覺衡量等級指數，一般從-3～+3劃分，從小到大分別對應冷、涼、微涼、適中、微暖、暖和熱)學生的預測熱感覺大部分都在熱中性(標尺為0)以下.圖7中在-1～1這3個可接受舒適度標尺中，少數民族學生占86.96%，漢族學生占81.03%，少數民族學生有較高的適應性.因此漢族對大連地區的新環境有較低的滿意率，是因為本校少數民族生源多來自嚴寒地區、寒冷地區以及夏熱冬冷地區，而漢族多來自夏熱冬暖、溫和地區，因生活環境相差較大導致滿意率不近相同.

圖6 預測熱感覺(PMV)比例分配

圖7 熱感覺投票(TSV)比例分配

由室內空氣與預計平均熱感覺指數PMV擬合的模型，也是預測反映被試者熱感覺的重要指標.少數民族學生在氣候波動條件下，對環境的感知也存在著很大的差異.如圖8～10所示，PMV與TSV的回歸曲線之間相差較大，這說明由于學生自身的適應性，PMV已經不能準確預測學生熱感覺.

圖8 回族PMV、TSV與溫度回歸模型

當TSV=0,PMV=0時,回族、蒙古族和土家族實際和預測熱中性溫度見表4～6,學生的實際熱感覺因自身對于長期生活環境的適應性，投票值TSV明顯與PMV相差較大，其中土家族實際熱中性溫度最低，原因是生長在中國南方地區的少數民族由于長期沒有供暖，身體產生了相應的適應性；回族實際熱中性溫度最高，原因是長期使用輔助溫度調節設施，人們冬季對抗自然溫度的能力較低，需要更高的室內溫度來保持熱舒適.

表4 PMV、TSV與溫度擬合數據(回族)

圖9 蒙古族PMV、TSV與溫度回歸模型

表5 PMV、TSV與溫度擬合模型(蒙古族)

圖10 土家族PMV、TSV與溫度回歸模型

表6 PMV、TSV與溫度擬合模型(土家族)

2.3 熱感覺適應性模型

PMV在-1～0之間占41%，-2～-1之間占45%，與TSV分析結果相悖，這樣的結果說明PMV與TSV之間存在差異.PMV模型并不能準確預測少數民族學生教室內的平均熱感覺，其中人們自身產生的對環境的適應性是重要的原因.預測平均熱感覺aPMV模型，給出了自適應系數λ(λ反映了人體采取的自適應調節水平,λ絕對值越大自適應水平越高)將PMV與aPMV聯系在一起[15]，如下式所示：

(1)

根據數據對比，本校回族、蒙古族和土家族學生適應性存在明顯差異，對于問卷調查數據，利用最小二乘法[9]求得自適應系數見表7.

表7 各少數民族λ值參考值

3個少數民族λ絕對值總體比較，土家族>蒙古族>回族，土家族的人們對波動的熱環境適應能力最強，回族最弱.土家族居住在中國夏熱冬冷和夏熱冬暖地區屬于中國南方地帶，普遍冬季沒有供暖，夏季悶熱、冬季濕冷的氣候環境使得居住在那里的人們有較高的適應能力.而居住在中國最北方地區以及中原地帶的回族因為日常有較高的服裝熱阻來抵御寒冷，在氣候波動時表現出較弱的適應性.

將各氣候分區的少數民族λ值帶入到式(1)中并將aPMV與溫度進行擬合.

回族：

(2)

蒙古族：

(3)

土家族：

(4)

如式(2)～(4)所示，根據現場問卷調查及測試所得出的aPMV相對于PMV更接近少數民族學生的實際熱感覺，能夠更準確預測少數民族學生的熱感覺，幫助各地區少數民族學生更快適應大連沿海地區冬季環境，準確調節室內溫度.對于教室內溫度較低、教室內空氣流速較低的情況，建議學校采取有效的供暖設備，屋內采取新風系統根據學生情況來控制空氣流速，提高學習效率.

2.4 熱感覺適應性模型驗證

根據圖11～13，相比于PMV模型，aPMV模型的曲線更接近于熱感覺投票值TSV，這表明針對于少數民族制定的波動性氣候自適應系數的調解結果較為準確.但還需進一步加強實驗方案設計以及擴大調查范圍，使結果更為準確.

圖11 回族PMV、aPMV、TSV對比

圖12 蒙古族PMV、aPMV、TSV對比

圖13 土家族PMV、aPMV、TSV對比

3 結 論

1)漢族PMV與服裝熱阻的相關性較強，對于漢族學生來說，衣服的增減對他們熱舒適的影響更顯著.冬季教室內可接受溫度，漢族與少數民族分別為18.0 ℃和18.5 ℃；取滿意度為90%，冬季教室內可接受溫度，漢族與少數民族分別為18.7 ℃和19.4 ℃.由此得知，漢族滿意的舒適溫度區間為18.0 ℃～18.7 ℃，少數民族滿意的舒適度區間為18.5 ℃～19.4 ℃.對本次調研樣本的統計得到，教室內落到舒適區間的樣本較少，室內環境需得到改善.

2)PMV模型并不能準確預測少數民族學生教室內的平均熱感覺，其中適應性是產生差異的主要原因.因此本文為少數民族學生提出了預計適應性平均熱感覺aPMV模型，模型中給出回族、蒙古族和土家族λ參考值，分別為-0.79、-0.90、 0.97，并闡明了產生差異的原因.本文提出的各氣候分區少數民族適應性模型能準確預測學生的熱舒適度.

3)民族院校中，少數民族占全校學生總數的半數以上，為使少數民族加快適應波動的氣候環境，以實際熱中性溫度為標準，通過安裝新風系統、改善室內取暖設備等措施，個性化的建立實驗室熱工改造方案.