大連地區冬季辦公建筑人體熱舒適研究

孫冰 端木琳 李祥立 崔冰冰

大連理工大學建設工程學部

0 引言

隨著社會的發展和生活水平的不斷提高，人們對室內環境的要求也越來越高，良好的室內環境可以滿足人體熱舒適和健康要求[1]。近20 年來，國內學者在熱舒適方面開展了大量的現場調研，但研究對象以教室、住宅、學生宿舍居多[2]，對辦公建筑的相關研究則較少。

目前，部分學者對辦公建筑的室內熱環境現狀[3-6]和人員熱適應性[7-10]展開了研究，但覆蓋率卻遠遠不夠。我國地域遼闊，故有必要進一步擴大熱舒適現場調研范圍。本文通過對大連地區辦公建筑進行現場調研，討論分析大連地區冬季辦公建筑的室內熱環境現狀和人體熱舒適情況，并將調研結果與其他學者的調研結果進行了對比。

1 調查方法

本次調查采用現場測試與問卷填寫結合的方式，從2019 年1 月至2 月對大連市6 棟辦公建筑的17 間辦公室進行了現場調查。將每一名受試者的個人背景信息，室內環境參數以及其對應的主觀調查問卷視為一組，本次調查共收集數據172 組。

1.1 樣本選擇

本次測試的房間遵循隨機抽樣原則，并記錄受試者的性別，年齡，身高，體重，在大連生活時間以及收入水平等信息。在受試者中，男性104 人，女性68 人，年齡均在18～60 歲之間，具體情況如表1 所示。

表1 人員背景信息統計

1.2 環境參數測試

測試的環境參數主要包括空氣溫度、相對濕度、空氣流速、黑球溫度、房間各表面平均溫度等，所用儀器及詳細參數如表2 所示。

表2 測試儀器型號及參數

測試時，在每位受試者的0.5 m 范圍內，距離地面0.1 m、0.6 m、1.1 m 處分別測量空氣溫度和空氣流速，距離地面0.6 m 處測量相對濕度和黑球溫度。

1.3 調查問卷填寫

為減少錄入數據錯誤，調查問卷采用電子問卷的形式，內容主要包括房間內人數，受試者位置，著裝情況，活動狀態以及人員主觀評價。為防止之前的活動狀態對人體主觀評價產生影響，調查中的活動狀態包括受試者30 min 前活動狀態和調查進行時活動狀態兩部分，從而使測試結果更精確。人員主觀評價主要包括熱感覺投票值TSV（Thermal Sensation Vote）、熱舒適投票值TCV（Thermal Comfort Vote）和熱可接受度投票值TAV（Thermal Acceptability Vote）。其中，熱感覺投票值采用的7 級標度（-3 冷、-2 涼、-1 稍涼、0 不冷不熱、1 稍暖、2 暖、3 熱），熱舒適投票值采用5 級標度（1 舒適、2 稍不舒適、3 不舒適、4 很不舒適、5 極不舒適），熱可接受度采用4 級標度（-1 不可接受、-0.1 剛剛不可接受、0.1 剛剛可接受、1 可接受）。

調研時，客觀環境測試與主觀調查問卷填寫同時進行。二者數據記錄的時間間隔不超過10 分鐘。

2 調查結果分析

2.1 熱環境參數

本次測試室內溫度分布范圍為15.6°C～25.8°C，平均值為22.6°C。表3 為我國現有冬季室內熱濕環境設計標準，與表3 對比，室內溫度滿足《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2016）[11]的設計要求，但不滿足《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）[12]的節能要求。不同建筑的溫度分布規律如圖1 所示，從圖中可以看出，每棟建筑的室內溫度分布較集中，但不同建筑之間室內溫度差異較大。測試的室內溫度普遍高于22°C，但也不乏溫度低于18°C的辦公室，這主要表現老舊的辦公樓中，供暖情況較差。

表3 我國現有冬季室內熱濕環境設計標準

圖1 不同建筑室內溫度分布箱線圖

相對濕度范圍為13.1%～37.6%，平均值為24.1%，相較于表3 中的相對濕度設計標準，測試的相對濕度較低。不同建筑的分布規律如圖2 所示，從圖中可知，相對濕度的分布規律與室內溫度類似，但趨勢相反，室內溫度較高，對應的相對溫度便較低。測試中，約有77%的人處于低濕環境中。這不利于人體的健康，會導致鼻子，眼睛以及喉嚨等器官受到較大刺激[13]。

圖2 不同建筑相對濕度分布箱線圖

測試的室內空氣流速范圍為0～0.02 m/s，遠小于表3 中規定的冬季室內空氣流速上限。

2.2 新陳代謝率與服裝熱阻

由于辦公室中人員的活動狀態均為靜坐閱讀，打字或整理文件，故人員新陳代謝率在1.0～1.2met 范圍內。人員的服裝熱阻平均值為1.1clo，稍大于ASHRAE 55-2017 規定的1.0clo[14]。服裝熱阻的最小值為0.49clo，最大值為1.72clo，變化范圍較大，這是室內人員根據環境溫度進行適應性調節的結果，室內溫度較低，人員會主動添加衣物，反之會適當減少衣物[15]。

2.3 人員主觀評價

圖3 為人員主觀感覺投票分布圖。從圖中可以看出，大約有50%的人的熱感覺投票在1～3 之間，即認為室內環境稍暖或偏熱。有44%的人認為室內不冷不熱，65%的人認為室內環境舒適，但只有7%的人認為室內環境不可接受。這說明即使在不舒適的環境中，也會有部分人員認為可接受，也進一步說明了人員的熱可接受范圍較大，對環境的忍耐力較好。

圖3 人員主觀評價分布圖

3 討論與分析

3.1 TSV 與PMV 對比

TSV 是根據問卷調查得到的人體主觀熱感覺評價，而PMV（Predicted Mean Vote）是1982 年由Fanger提出的用來評價大多數人熱感覺的指標[16]。以空氣溫度作為室內熱環境評價指標，并采用0.5°C的間隔，計算每段區間內的熱感覺投票值的平均值，作為平均熱感覺投票MTS（Mean Thermal Sensation vote）[17]。同時，計算每段區間內的相對濕度，平均輻射溫度，空氣流速，服裝熱阻以及新陳代謝率的平均值，并根據ASHRAE 55-2017 中附錄B 的方法計算各溫度區間對應的PMV 值。

將MTS 和PMV 值與室內環境溫度ta進行擬合，結果如圖4 所示。從圖中可以看出，無論室內溫度偏高還是偏低，平均熱感覺投票MTS 普遍高于PMV 值。這是因為當室內溫度偏低時，人員表現出較強的耐受性和較低的熱期望，并采取一定的行為調節來改善自身的熱感覺，如喝熱飲、增添衣物、使用便攜式暖手寶等[18]。而當室內溫度偏高時，由于人們已經適應了大連地區較低的室外環境，對溫度較高的室內表現出較強的不適應反應，同時，因為大部分辦公室采用中央空調進行供暖，室內人員不具備對環境的控制能力，故產生較差的熱感覺和熱舒適水平[19]。

圖4 MTS，PMV 與室內溫度的關系

3.2 熱中性溫度與可接受溫度范圍

平均熱感覺投票MTS 和PMV 與室內環境溫度ta的擬合方程如下：

由擬合結果可知，式（1）的擬合優度較小，這主要是因為測試中溫度偏低的樣本量較少，對TSV 進行平均處理后仍不能有效降低由于人體個性化差異造成的樣本點分布較離散的情況，而式（2）擬合優度較大是因為PMV 只對大部分人的熱感覺進行評價，沒有考慮人體的個性化差異[20]。根據式（1）（2）可知，平均熱感覺投票MTS 與PMV 隨空氣變化的斜率分別為0.2278°C-1和0.2406°C-1，即當空氣溫度每升高1°C，平均熱感覺投票MTS 與PMV 分別增加0.2278 和0.2406，這說明用PMV 預測的熱感覺比人員實際的熱感覺投票敏感，也進一步說明了室內人員會通過積極的適應性調節來改善自身的熱感覺，對環境具有較強的適應能力。

根據式（1）可計算出，熱中性溫度為19.8°C，比室內平均溫度低2.8°C。根據《民用建筑供暖通風與空氣調節GB50736-2016》，當人體衣著適量且處于安靜狀態的情況下，室內溫度為20°C較為適宜，這與計算得出的中性溫度幾乎一致，這也說明了規范制定的合理性。同時，可求出當PPD 為20%時，熱可接受范圍為[16.0°C，23.5°C]。當PPD 為10%時，熱可接受范圍為[17.6°C，22.0°C]。

3.3 非環境因素對人體熱感覺的影響

用4.1 中的方法，分別對性別，BMI 指數以及人員位置等非環境因素進行擬合分析。其中，BMI 指數（Body Mass Index）是指身體質量指數，由體重（千克）除以身高（米）的平方得到，是目前國際上用來衡量人體胖瘦程度的常用指標，可分為體重過低（BMI<18.5）、正常（18.5臆BMI<23.9）以及超重（BMI逸24）三種[21]。而人員位置則是根據測試時的室內人員分布情況，將人員位置分為中間，距外墻或外窗2 m 之內以及距內墻或內門2 m 之內三種情況。三種非環境因素的擬合結果如圖5 所示，分析計算結果如表4 所示。

圖5 不同非環境影響因素擬合結果

表4 不同非環境影響因素下的熱舒適模型

1）性別

從計算結果可以看出，在服裝熱阻基本相同的情況下，女性的熱中性溫度較高，這說明相對于男性，女性喜好溫度較高的環境。同時，女性的熱感覺變化比男性敏感，熱舒適區下限溫度較高，對寒冷環境的忍耐力較差。

2）BMI 指數

從圖5（b）和表4 可知，體重過低的人對熱環境的變化比較敏感，體重正常的人次之，超重的人最不敏感。偏瘦的人喜好溫度較高的環境，而超重的人喜好溫度較低的環境，且舒適區范圍較寬。

3）人員位置

由圖5（c）和表4 不難發現，距外墻或外窗2 m 之內的人員熱中性溫度偏低，位于中間位置的人員熱中性溫度偏高。這是因為靠近外墻或外窗處的室內溫度較中間位置低，由于人體熱感覺的適應性，各處人員的熱中性溫度也不同。

4 與其他地區研究成果對比

不同季節、不同建筑類型對人體熱舒適均有影響，為比較不同地區人體熱舒適的特點，現將本文的研究結果與其他地區冬季辦公建筑的熱舒適調研結果進行對比。

4.1 與國內研究成果對比

將本文研究結果與國內其他地區冬季辦公建筑的熱舒適調研結果進行對比，并按照從北到南的順序排列，統計結果如表5 所示，其中熱舒適溫度范圍指80%可接受的溫度范圍，熱中性溫度與熱舒適范圍分布如圖6 所示。

表5 國內不同地區冬季辦公建筑熱舒適調研結果比較

圖6 國內不同地區冬季辦公建筑熱中性溫度與熱舒適溫度范圍分布圖

從表5 中不難發現，除廣州地區外，各地區冬季辦公建筑現場調研的平均服裝熱阻無明顯變化，這是因為在辦公建筑中，人員的服裝調節會受到限制[22]。從北到南，除夏熱冬暖地區外，熱中性溫度逐漸降低，而整體熱舒適溫度范圍變化不大。這是因為從北到南，雖然冬季室外溫度逐漸增高，但室內溫度逐漸降低，人體對寒冷環境的耐受性增強。而對于夏熱冬暖地區，由于其冬季室內外溫度均相對較高，熱中性溫度有升高趨勢。

4.2 與國外研究成果對比

為比較大連與國外其他地區的人體熱舒適差異，本文從ASHRAE RP-884[29]數據庫中挑選出與大連地區緯度相近地區的熱舒適現場調研數據，并進行對比分析，結果如表6 所示。

表6 國外與大連緯度相近地區冬季辦公建筑熱舒適調研結果比較

從表6 可以看出，各地區室內溫度均高于大連地區，平均服裝熱阻均低于大連地區，人員對冷環境的適應能力較差，故中性溫度較高。這與各地區的氣候、生活習慣以及人員期望息息相關。

5 結論

本文對大連地區冬季辦公建筑進行了熱舒適現場調研，并得出以下結論：

1）大連地區冬季被測辦公建筑平均室內溫度為22.6°C，平均相對濕度為24.1%，室內空氣流速范圍為0～0.02 m/s。與《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）中的室內熱濕環境要求相比，室內溫度高于20°C，不滿足節能要求。相對濕度低于30%，空氣較干燥。空氣流速低于0.2 m/s，滿足熱舒適要求。熱中性溫度為19.76°C，接近《民用建筑供暖通風與空氣調節》（GB50736-2016）的室內溫度推薦值（20°C）。

2）大連地區冬季被測辦公建筑的平均熱感覺投票MTS 普遍高于PMV 值，平均熱感覺投票MTS 隨空氣變化的斜率較小，這是人員在生理，心理和行為等方面進行適應性調節的結果。當PPD 為20%時，熱可接受范圍為[16.03°C，23.49°C]。當PPD 為10%時，熱可接受范圍為[17.57°C，21.96°C]。

3）通過分析發現，女性更喜好溫度較高的環境，且對溫度變化較敏感。偏瘦的人熱中性溫度較高，超重的人熱中性溫度較低，且對低溫的耐受力更好。位于外墻或外窗2 m 之內的人熱中性溫度偏低，熱舒適區下限較低，而位于中間位置的人，熱中性溫度偏高，熱舒適區溫度下限偏高。

4）比較不同地區冬季辦公建筑的熱舒適調研結果發現，對于國內其他地區，除夏熱冬暖地區外，從北到南熱中性溫度逐漸降低，熱舒適溫度范圍變化不大。對于ASHRAE RP-884 數據庫中國外與大連緯度相近地區，各地區平均服裝熱阻均小于大連地區有所差異，中性溫度均高于大連地區。這是由各地區氣候、生活習慣以及人員期望等造成的。