寒冷地區不同氣候類型自然通風環境的人體熱適應研究*

哈爾濱工業大學 寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室

尹佳星☆ 王昭俊△ 蘇小文 楊宇鑫

西安建筑科技大學 翟永超

清華大學 曹 彬

大連理工大學 端木琳

上海交通大學 連之偉

華南理工大學 張宇峰

同濟大學 周 翔

北京工業大學 謝靜超

0 引言

從20世紀80年代開始，我國學者在全國陸續開展了自然通風條件下的人體熱舒適研究。夏一哉等人對北京市夏季自然通風住宅進行了現場研究，得到該地區80%居民可接受的熱環境溫度上限為30 ℃[1]；劉晶對重慶市自然通風建筑進行了為期1年的現場調研，得到該地區各季節的室內舒適溫度區間[2]；Wang等人通過現場調研，得到哈爾濱市夏季自然通風住宅的熱環境及熱舒適基礎數據，并建立了人體熱適應模型[3]；白魯建等人對西安市居住建筑過渡季室內熱環境進行了現場研究，通過分析數據得到了該地區居民的熱中性溫度[4]；端木琳等人系統總結了不同氣候區、不同類型建筑的熱舒適范圍及熱中性溫度[5-6]。

GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》將我國劃分為5個熱工分區：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[7]。而我國地域遼闊，同一熱工分區、地理位置不同的城市氣候差別較大。因此，有必要對寒冷地區不同氣候類型的自然通風環境下人體熱適應性展開研究，以探求相同熱工分區、不同氣候特點對人體熱適應的影響。

本文基于“十三五”國家重點研發計劃項目“建筑節能設計基礎參數研究”得到的全國熱舒適調研數據集，采用現場測試與主觀問卷調查相結合的方法，對寒冷地區3種氣候類型的典型城市自然通風環境人體熱舒適與熱適應的差異性進行研究。

1 代表性城市氣候特點

根據氣候特點不同，寒冷地區主要包括溫帶季風氣候區、溫帶大陸性氣候區及高原山地氣候區，其中溫帶季風氣候區又可分為溫帶大陸性季風氣候區與溫帶海洋性季風氣候區[8]。數據庫中寒冷地區的城市有西安、北京、鄭州、大連、吐魯番等。其中，西安市為溫帶大陸性季風氣候的代表性城市，大連市為溫帶海洋性季風氣候的代表性城市，吐魯番市為溫帶大陸性荒漠氣候的代表性城市[9]。圖1顯示了西安市、大連市和吐魯番市的室外月平均空氣溫度的變化。

圖1 西安市、大連市、吐魯番市的室外月平均溫度

西安市四季分明，年氣溫差較大。西安市全年日照時間為1 500 h左右，全年風速較低，年最多風向為東北風。年平均氣溫為13.5 ℃，最熱月7月的平均溫度為26.7 ℃，日最高溫度可達到37.9 ℃。

大連市因受海洋的影響，夏無酷暑、冬無嚴寒，全年日照總時間為2 500～2 800 h，4月平均風速最大，為5.5 m/s，8月平均風速最小，為3.9 m/s。年平均氣溫為11 ℃，最熱月8月平均溫度為24.6 ℃，日最高溫度為30.1 ℃。

吐魯番市緯度較高，四季氣候變化明顯，夏季炎熱、冬季較冷，年氣溫差很大。極度干旱，年平均降水量不足20 mm，全年日照時間約為3 200 h。全年有100余天風力超過8級，最大風力能達到12級以上。年平均氣溫為15.4 ℃，最熱月7月的平均溫度為32.8 ℃，日最高溫度可達44.6 ℃。

2 研究方法

2.1 樣本選擇

本研究使用的熱環境參數現場測試數據及人體主觀熱感受數據均來自“十三五”國家重點研發計劃項目“建筑節能設計基礎參數研究”獲得和共享的全國熱舒適調研數據集。從全國熱舒適數據集中篩選出寒冷地區自然通風環境(非供暖供冷季)的有效樣本數據共2 505組，具體調查時期與數據量見表1。受試者的年齡為20～60歲，建筑類型主要為住宅和辦公建筑，并基本覆蓋各種朝向、樓層、戶型等。

表1 調研數據基本信息統計

2.2 熱環境參數測試

室外熱環境的基本測試參數包括空氣溫度、濕度及風速；室內熱環境的基本測試參數包括空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、黑球溫度及房間各表面平均溫度。

2.3 主觀問卷調查

主觀問卷參照ASHRAE Standard 55-2017[10]推薦的熱環境滿意度問卷，內容主要包括受試者基本情況、室內熱感覺和滿意度、住宅的基本情況等信息。其中，受試者基本情況包括性別、年齡、身高、體重、居住時間、衣著情況、活動狀態等，熱感覺投票值(TSV)采用ASHRAE的七級分度指標(-3冷、-2涼、-1稍涼、0中性、1稍暖、2暖、3熱)，住宅與辦公建筑的基本情況主要統計樓層、朝向等信息。

2.4 數據處理方法

在現場調查中，詳細記錄了每位受試者當時的衣著情況及座椅形式，并根據ASHRAE Standard 55-2017標準計算出受試者的服裝熱阻。本文研究的樣本均是在住宅和辦公建筑中獲得的，調查時受試者一般坐著填寫調查問卷，因此新陳代謝率一般取值1.0～1.2 met。

3 測試結果與分析

3.1 室內空氣溫度

3種氣候類型的典型城市室內空氣溫度實測數據的統計結果見表2。

表2 3種典型城市自然通風建筑室內空氣溫度統計 ℃

自然通風環境中，溫帶大陸性荒漠氣候的代表城市——吐魯番的室內空氣溫度要明顯高于其他氣候類型的城市，也明顯超出了ASHRAE標準規定的自然通風建筑熱舒適范圍。此外，吐魯番市的室內空氣溫度的標準偏差較大，達到6.3 ℃。大連市實測的室內空氣溫度的標準偏差較小，只有0.7 ℃。結合圖1分析可知，該現象與各氣候類型城市的室外氣溫變化特點有關，在自然通風條件下，室內空氣溫度受室外氣候影響較大。

3.2 人體熱感覺參數

圖2顯示了3個典型城市受試者的熱感覺分布頻率。西安市與大連市的人體熱感覺分布頻率近似為正態分布。由于溫帶大陸性荒漠氣候區夏季最熱月的平均氣溫高達32.8 ℃，測試時期吐魯番市多數居民表示偏熱。當熱感覺投票值TSV為-1、0、1時，認為人體是熱可接受的[11]。在自然通風環境下3個典型城市的大多數居民對室內熱環境表示滿意。大連市受試者對環境的滿意率最高，為96.2%；西安市其次，為89.0%；吐魯番市受試者對環境的滿意率最低，只有77.6%。

圖2 3個典型城市人體熱感覺分布頻率

3.3 自然通風環境的人體熱中性溫度

采用Bin法(溫度頻率法)對寒冷地區3種氣候類型的自然通風建筑中夏季和過渡季的人體熱中性溫度進行分析，結果如表3所示。溫帶大陸性荒漠氣候的人體熱中性溫度明顯較高，這為人體對氣候的適應性提供了證據。

表3 寒冷地區自然通風建筑人體熱感覺評價模型

3.4 熱適應模型與室內可接受溫度區間

基于de Dear教授提出的熱適應模型的基本形式，適用于我國寒冷地區3種氣候類型自然通風建筑的人體熱適應模型見圖3。

圖3 寒冷地區3種氣候類型的人體熱適應模型

其中，由于溫帶海洋性季風氣候類型的數據測試時間過于單一，無法直接推導出人體熱適應模型，因此本文引用了該氣候類型已有的研究成果作為補充[12-13]。

溫帶大陸性季風氣候、溫帶海洋性季風氣候與溫帶大陸性荒漠氣候熱適應模型適用的室外空氣溫度范圍分別為：13～28、5～26、23～41 ℃。

對比分析可知：溫帶大陸性季風氣候、溫帶海洋性季風氣候和溫帶大陸性荒漠氣候熱適應模型方程的斜率分別為0.290 4、0.160 4和0.419 0，表現為沿海到內陸的斜率依次增大，人體對環境變化越來越敏感。這可能是因為溫帶海洋性季風氣候全年較為溫和，夏無酷暑、冬無嚴寒，所以人體對熱環境的敏感性較弱。而溫帶大陸性季風氣候與溫帶大陸性荒漠氣候的日溫差和年溫差較大。當室外溫度發生變化時，人體會更積極地改變自身熱中性溫度，以使自己適應惡劣的室外環境。說明海洋性氣候由于室外氣溫全年變化相對其他氣候類型小，因此人們對熱環境敏感性較差，這為人體對氣候的適應性提供了證據。

根據ASHRAE Standard 55-2017[10]，以熱中性溫度為中心，90%的人可接受的舒適區寬度為5 ℃，80%的人可接受的舒適區寬度為7 ℃。不同氣候類型的人體可接受溫度區間見表4。夏季吐魯番市居民的熱中性溫度最高可達28.0 ℃，80%的人可接受溫度上限為31.5 ℃，均高于其他2種氣候類型的典型城市。究其原因，可能由于夏季的溫帶大陸性荒漠氣候具有極端高溫天氣，使得當地居民對高溫的適應能力更強，可以承受溫度的上限更高，這在一定程度上體現了人體對室外氣候的適應性。

表4 3種氣候類型不同室外空氣溫度下80%的人可接受溫度區間 ℃

4 影響人體熱感覺因素的多元線性分析

除室內空氣溫度外，平均輻射溫度、空氣流速、空氣濕度、服裝熱阻等因素都會在一定程度上影響人體熱感覺。

將上述因素作為自變量，受試者在夏季的熱感覺投票值作為因變量，通過多元線性回歸擬合得到人體熱感覺的多因素預測模型。自變量之間具有一定的互斥性，所以回歸模型具有良好的解釋能力和預測效果。因全國熱舒適數據庫中尚缺少大連市夏季自然通風建筑樣本，所以本文沒有分析大連的數據。

對影響夏季自然通風建筑人體熱感覺的因素進行顯著性分析后發現：室內空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度對西安市夏季人體熱感覺有顯著影響(P<0.05)；室內空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度與服裝熱阻對吐魯番市夏季人體熱感覺有顯著影響(P<0.05)。

通過多元線性回歸擬合得到西安市、吐魯番市夏季人體熱感覺與顯著性影響因素的函數關系式，如式(1)、(2)所示。

西安市：

TSV=0.077ta-0.578v+0.026tr-2.355

(R2=0.313 7)

(1)

吐魯番市：

TSV=0.104ta-1.161v+0.035tr+0.058Iclo-

3.614 (R2=0.372 6)

(2)

式(1)、(2)中v為室內空氣流速，m/s；tr為平均輻射溫度，℃；Iclo為服裝熱阻，clo。

5 討論

表5給出了我國不同熱工分區典型城市居民在夏季自然通風環境下的人體熱中性溫度。

表5 不同熱工分區典型城市夏季自然通風環境下人體熱中性溫度 ℃

在自然通風環境下，地理位置從北到南的居民的人體熱中性溫度逐漸升高。嚴寒地區居民的人體熱中性溫度最低，為23.7 ℃；夏熱冬暖地區的人體熱中性溫度最高，為28.1 ℃。寒冷地區不同城市因為氣候類型不同，夏季人體熱中性溫度有較大差別，在25～27 ℃之間。

6 結論

1) 寒冷地區不同氣候類型代表性城市的氣候特點有明顯差別，西安、大連和吐魯番市夏季最熱月平均氣溫分別為26.7、24.6、32.8 ℃。

2) 在測試期間，大多數居民對室內熱環境表示滿意。大連受試者對環境的滿意率最高，為96.2%；西安居民的滿意率為88.96%；吐魯番居民的滿意率最低，為77.6%。

3) 溫帶大陸性荒漠氣候夏季的人體熱中性溫度為26.2 ℃，春秋過渡季的人體熱中性溫度為22.3 ℃，均高于其他2種氣候類型。

4) 溫帶大陸性季風氣候、溫帶海洋性季風氣候、溫帶大陸性荒漠氣候80%居民最高可接受溫度分別為26.6、29.1、31.5 ℃，均較高。地區之間熱中性溫度有差異，所以空調設計或者熱工設計需要因地制宜，而不是采用統一的標準，以降低能耗。

5) 與寒冷地區其他氣候類型相比，溫帶海洋性季風氣候類型居民對熱環境的敏感性較弱；溫帶大陸性荒漠氣候類型居民可接受溫度上限高于其他2種氣候類型，這為人體對氣候的適應性提供了證據。

6) 室內空氣溫度、空氣流速與平均輻射溫度對西安市夏季人體熱感覺有顯著影響；室內空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度與服裝熱阻對吐魯番市夏季人體熱感覺有顯著影響。通過多元線性擬合得到了西安市、吐魯番市夏季自然通風建筑人體熱感覺的多因素預測模型。