北疆地區(qū)室內(nèi)熱環(huán)境實測及人體熱反應研究

汪秋剛, 李 靖, 額熱艾汗, 任玉成

(石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832002)

隨著生活水平的提高，人們對室內(nèi)熱環(huán)境的要求也越來越高，有關研究成為熱點。以新疆地區(qū)為例，國內(nèi)外學者主要有以下研究：Yoshino H等人對中國9座城市的室內(nèi)熱環(huán)境進行了實測與調(diào)查，指出烏魯木齊冬季室內(nèi)溫度穩(wěn)定在20 ℃左右[1]；李延俊等對北疆鄉(xiāng)村住宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境進行了實測，表明圍護結構熱工性能差是造成室內(nèi)熱環(huán)境差、采暖能耗高的主要原因[2]；羅清海等人充分了解了北疆氣候地理特點，指出利用特有的氣象資源，是降低住宅能耗的有效途徑，進一步利用Energy Plus對烏魯木齊一典型住宅在不同通風模式下室內(nèi)空氣溫度進行了計算，結果表明充分利用夜間通風可不同程度降低房間溫度，同時也提到新疆地區(qū)夏季有供冷需求[3]；陳大鵬指出烏魯木齊與同為嚴寒地區(qū)的哈爾濱相比，夏季氣候干燥，且更為炎熱[4]；何金春等對烏魯木齊某高校教學樓不同朝向教室夏季室內(nèi)熱環(huán)境進行測試，結果表明窗戶朝向和自然通風組織是影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要原因，室內(nèi)最高溫度達到了33.5 ℃[5]。

綜上所述，對新疆地區(qū)室內(nèi)熱環(huán)境的研究已涉及冬夏兩季，冬季由于集中式供暖具有很好的熱舒適性，而夏季由于空調(diào)系統(tǒng)的缺乏而熱舒適性較差，眾多學者支持通過自然通風來改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境的觀點。作者對自然通風狀態(tài)下的室內(nèi)熱環(huán)境進行了約6個月的實測，并隨機采集夜間人體皮膚表面溫度(休息狀態(tài))，以期反映不同室內(nèi)熱環(huán)境下的人體生理熱反應，為各類通風空調(diào)設備的運行與管理提供參考，從而在滿足室內(nèi)熱舒適性的前提下降低建筑能耗。

1 測試對象及方法

測試對象位于北疆某高校建于2000年的一棟五層宿舍樓，整體正南朝向，四周無遮擋；測試房間位于頂層，其進深5.70 m，寬3.0 m，高3.10 m；南向開窗，尺寸為1.74 m × 1.74 m，采用兩普通單框單玻窗加空氣夾層的結構，其上布置四扇可獨立打開的窗戶，門窗相對布置，在其全部打開時，能形成很好的對流。

測點布置參考《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》[6]，各壁面度傳感器布置在被測壁面中心，室內(nèi)環(huán)境測點在宿舍中心，距地面1.4 m處，所有的溫度傳感器以鋁箔紙覆蓋，以減小周圍壁面對其的輻射影響；溫濕度一體變送器用來測量室內(nèi)相對濕度，置于室內(nèi)環(huán)境測點，實測圖如圖1[7-8]。

圖1 室內(nèi)熱環(huán)境實測圖

溫度傳感器是三線制、A級精度的PT100；溫濕度變送器的型號是壁掛式的MIK-3TH；數(shù)據(jù)通過NHR-8700B藍屏無紙記錄儀自動采集。

2018年4月16日至10月14日整個非采暖期內(nèi)，對該房間室內(nèi)熱環(huán)境進行了不間斷實測。測試期內(nèi)，房間窗戶幾乎是全部打開的，當室內(nèi)有人時門一般也是完全打開的。具體參數(shù)包括室內(nèi)溫濕度、室外環(huán)境溫度以及人體皮膚表面溫度；數(shù)據(jù)每5 min自動保存一次。

2 室內(nèi)熱環(huán)境測試結果

2.1 室內(nèi)空氣溫度分布特點

測試期內(nèi)的室內(nèi)空氣溫度變化統(tǒng)計情況如圖2所示。監(jiān)測到的室內(nèi)最低溫度18.5 ℃，在7月11日15時最高溫度達到了35.4 ℃。4月份，室內(nèi)平均溫度24.1 ℃，20～22 ℃內(nèi)的占3.9%，22.1～24 ℃和24.1～26 ℃區(qū)間內(nèi)的最多，分別占到了45%和46.5%，26.1～28 ℃內(nèi)的有4.6%。5月份與4月下旬具有相近的室內(nèi)環(huán)境溫度，室內(nèi)最低溫度19.2 ℃，最高28.4 ℃，平均24 ℃，溫度低于20 ℃的占1.1%，在22.1～24 ℃和24.1～26 ℃內(nèi)的最多，分別占到了40.2%和40.4%，有9%的超過了26 ℃。6月份較5月份室內(nèi)溫度有了較大的升高，室內(nèi)最低溫度23.3 ℃，最高33.6 ℃，平均值為29 ℃，僅有6.9%的在26 ℃內(nèi)，分別有24.2%、35.8%及29%落在了26.1～28 ℃、28.1～30 ℃及30.1～32 ℃內(nèi)，且有4%的超過了32.1 ℃。7月份室內(nèi)溫度整體最高，室內(nèi)最低溫度23.4 ℃，最高35.4 ℃，平均值為30.7 ℃，僅有6%的在28 ℃內(nèi)，分別有30%、40.9%及20.5%落在了28.1～30 ℃、30.1～32 ℃及32.1～34 ℃內(nèi)，且有2.6%的超過了34.1 ℃。8月份與7月份有類似的室內(nèi)溫度，室內(nèi)最低溫度23.3 ℃，最高35.2 ℃，室內(nèi)平均溫度29.8 ℃，僅有0.2%的在26 ℃內(nèi)，分別有19.3%、25%及12.7%落在了26.1～28 ℃、30.1～32 ℃及32.1～34 ℃內(nèi)，28.1～30 ℃內(nèi)的達到了38.9%，且有2.2%的超過了34.1 ℃。9月份溫度出現(xiàn)了明顯的下降，室內(nèi)最低溫度19.5 ℃，最高28.3 ℃，平均值為23.9 ℃，僅有0.3%的超過了28.1 ℃，落在22.1～24 ℃和24.1～26 ℃內(nèi)的最多，分別為33.4%和35.5%，19.3%和11.9%的分別在20～22 ℃和26.1～28 ℃內(nèi)，有0.5%的低于20 ℃。10月初，供暖前的14 d，室內(nèi)環(huán)境溫度進一步下降，最低降到了18.5 ℃，平均溫度21.8 ℃，20 ℃以下占了13.1%，20～22 ℃和22.1～24 ℃內(nèi)分別有43.5%和35.4%，有8%的超過了24.1 ℃。

圖2 室內(nèi)溫度分布圖

2.2 室內(nèi)相對濕度分布特點

室內(nèi)相對濕度分布如圖3所示。其最小值為13.3%RH，最大值是54.6%RH。4月，相對濕度最低值為21.7%RH，最大為39.3%RH，25.1%～30%RH內(nèi)的占54.8%，30.1%～35%RH內(nèi)的有32.7%。5月，相對濕度最低值為18.9%RH，最大為48.3%RH，小于20%RH的有2.5%，20%～30%RH內(nèi)的占到了67.4%，30.1%～35%RH內(nèi)的有18.8%，大于40%RH的占5.4%。6月，相對濕度最低值為13.3%RH，最大為49%RH，小于20%RH的有8%，20%～25%RH內(nèi)的占28.1%，25.1%～30%RH內(nèi)的有35.5%，30.1%～35%RH內(nèi)的有17.1%，大于40%RH的占3.7%。7月，相對濕度最低值為14.1%RH，最大為45.1%RH，小于20%RH的有11.1%，20%～30%RH內(nèi)的占到了74.8%，大于40%RH的有1.4%。8月，相對濕度最低值為17%RH，最大為54.6%RH，小于20%RH的有3.1%，20%～25%RH內(nèi)的占17.3%，25.1%～30%RH和30.1%～35%RH內(nèi)的分別有27.2%和27.1%，大于40%RH的占12.3%。9月相對濕度最低值為16.3%RH，最大為50.8%RH，在20%～25%RH內(nèi)的最多為45.4%，25.1%～30%RH內(nèi)的31.1%，小于20%RH的占9.8%，大于40%RH的有2.1%。10月，相對濕度最大為36.7%RH，最小為17.4%RH，平均值為24.6%RH，20%～30%RH占到了83.3%。室內(nèi)相對濕度受室外環(huán)境與室內(nèi)人為活動影響較大，可以看出，其值整體處于較低水平，大多都在20%～30%RH的范圍內(nèi)。

圖3 室內(nèi)相對濕度分布圖

2.3 皮膚表面溫度變化

人體對熱環(huán)境的反映可以通過皮膚表面溫度的變化來體現(xiàn)，人體通過調(diào)節(jié)皮膚溫度來平衡自身熱量的得失，將皮膚溫度作為人體熱感覺的指標是具有重要的意義[10]。圖4是測試期夜間皮膚表面溫度變化情況。對比圖2和圖4，可以看出，皮膚表面溫度與室內(nèi)環(huán)境溫度具有相似的變化趨勢。4月，皮膚表面溫度最低為29.1 ℃，最高為35.6 ℃，低于31 ℃的占12.2%，31.1～32 ℃內(nèi)的有22.9%，32.1～33 ℃內(nèi)的占到了35.6%，33.1～34 ℃內(nèi)的有13.9%，34.1～35 ℃內(nèi)的有9.7%，有5.7%的超過了35 ℃。5月，其最低為28.7 ℃，最高為35.7 ℃，低于31 ℃的占14.4%，31.1～32 ℃內(nèi)的占了29.4%，32.1～33 ℃內(nèi)的有26.7%，33.1～34 ℃內(nèi)的有14.4%，34.1～35 ℃內(nèi)的有13.2%，有1.8%的超過了35 ℃。6月，其最低為29.1 ℃，最高為35.9 ℃，低于31 ℃的有3.4%，31.1～32 ℃內(nèi)的有14.2%，32.1～33 ℃內(nèi)的占到了35%，33.1～34 ℃內(nèi)的有32.8%，34.1～35 ℃內(nèi)的有12.1%，有2.3%的超過了35 ℃。7月，其最低為29.8 ℃，最高為35.5 ℃，低于31℃的有0.7%，31.1～32 ℃內(nèi)的有3.7%，32.1～33 ℃內(nèi)的有17.4%，55.2%的在33.1～34 ℃范圍內(nèi)，34.1～35 ℃內(nèi)的有21.5%，有1.4%的超過了35 ℃。8月，其最低為30.4 ℃，最高達到了36.3 ℃，低于31 ℃的有0.6%，31.1～32 ℃內(nèi)的有7.1%，32.1～33 ℃內(nèi)的有25.4%，42.8%的在33.1～34 ℃范圍內(nèi)，34.1～35 ℃內(nèi)的有21.8%，有2.3%的超過了35 ℃。9月，其最低為28.5 ℃，最高為35.6 ℃，低于31 ℃的有15.9%，31.1～32 ℃內(nèi)的占27.4%，32.1～33 ℃內(nèi)的有17%，33.1～34 ℃內(nèi)的有16.9%，34.1～35 ℃內(nèi)的有19.7%，有3.2%的超過了35 ℃。10月，其最低為30.1 ℃，最高為35.7 ℃，低于31 ℃的有13.5%，31.1～32 ℃內(nèi)的有11.9%，32.1～33 ℃內(nèi)的有8.6%，33.1～34 ℃內(nèi)的有16.9%，34.1～35 ℃內(nèi)的占到了41.4%，有7.7%的超過了35 ℃。可以看出，室內(nèi)環(huán)境溫度對皮膚表面溫度有較大影響，當室內(nèi)溫度較低時，皮膚表面溫度主要在31.1～33 ℃的范圍內(nèi)，當室內(nèi)溫度較高時，皮膚溫度主要在33.1～35 ℃內(nèi)。

圖4 皮膚表面溫度分布圖

3 分析與討論

3.1 室內(nèi)、外溫度相互關系

圖5 室內(nèi)、外溫度相互關系

3.2 室內(nèi)熱濕環(huán)境評價

測試期內(nèi)各月室內(nèi)熱濕環(huán)境如圖6所示，圖中熱舒適區(qū)域范圍根據(jù)ASHRAE Standard (ASHRAE 55—2017)確定[9]。可以看出，測試期內(nèi)室內(nèi)環(huán)境濕度始終滿足小于12 g/kg(AD)的標準要求，室內(nèi)溫度的變化是導致熱舒適性變化的唯一因素。4月份15 d的室內(nèi)熱環(huán)境全部在熱舒適區(qū)域內(nèi)，其中12 d在服裝熱阻為1.0 clo的區(qū)域內(nèi)，即在這一段時間內(nèi)只要衣著得當就能得到良好的熱舒適性，但要注意保暖。5月份31 d的室內(nèi)熱環(huán)境全部在熱舒適區(qū)域范圍內(nèi)，其中29 d在服裝熱阻為1.0 clo的區(qū)域內(nèi)，5月份大多時間內(nèi)仍然要注意衣服的保暖性能。6月與5月相比較，室內(nèi)熱環(huán)境發(fā)生了較大的變化，僅有6 d在熱舒適區(qū)域范圍內(nèi)，其余24 d僅靠改變服裝熱阻難以獲得良好的熱舒適性。7月份的31 d全部在熱舒適性區(qū)域以外，需要通過增加外界輔助設備來改善室內(nèi)熱環(huán)境，如電風扇、空調(diào)等。8月份中的29 d在熱舒適區(qū)域以外，同樣需要外界輔助設施來改善室內(nèi)熱環(huán)境。9月和10月44 d，37 d在服裝熱阻為1.0 clo的熱舒適區(qū)域內(nèi)，需要注意服裝的保暖性能，其余7 d在0.5 clo區(qū)域內(nèi)。

圖6 各月室內(nèi)熱濕環(huán)境圖

3.3 皮膚表面溫度與室內(nèi)環(huán)境相互關系

圖7是測試者皮膚表面溫度隨室內(nèi)環(huán)境溫度的變化情況。可以看出，室內(nèi)溫度越高，人體皮膚表面與環(huán)境溫度差越小，最大時達到了16 ℃，最小時瞬時值低于0 ℃。在室內(nèi)環(huán)境溫度較低時(4、5、9和10月)，其回歸線具有較大的斜率，即皮膚溫度受室內(nèi)環(huán)境溫度變化的影響較大，人體自主調(diào)節(jié)功能并不顯著；室內(nèi)環(huán)境溫度較高時(6、7和8月)，回歸線的斜率有了較大的下降，人體皮膚溫度對于室內(nèi)環(huán)境溫度變化的敏感程度降低，室內(nèi)環(huán)境溫度對其的影響逐漸減小，人體自主的調(diào)節(jié)功能作用越來越大。從人體自主調(diào)節(jié)功能的參與程度來評價室內(nèi)環(huán)境的熱舒適程度，4、5、9和10月熱舒適性更好，而6、7、8月的熱舒適性較差，這與ASHRAE Standard圖評價方法結果相一致，參考圖6。

圖7 皮膚表面溫度與室內(nèi)環(huán)境溫度相互關系

4 結論與建議

4.1 結論

(1)實測結果表明，2018年4月16日至10月14日，室內(nèi)溫度最低18.5 ℃，最高35.4 ℃，6、7及8月室內(nèi)平均溫度分別達到了29 ℃、30.7 ℃和29.8 ℃；室內(nèi)相對濕度受室外環(huán)境與室內(nèi)人為活動影響較大，整體處于較低水平，大多都在20%～30%RH的范圍內(nèi)；室內(nèi)環(huán)境溫度對皮膚表面溫度有較大影響，當室內(nèi)溫度較低時，皮膚表面溫度主要在31.1～33 ℃的范圍內(nèi)，當室內(nèi)溫度較高時，皮膚溫度主要在33.1～35 ℃內(nèi)。

(2)通過線性回歸的方法討論室內(nèi)環(huán)境溫度隨室外環(huán)境的變化關系，夜間室內(nèi)溫度對室外環(huán)境溫度的變化更為敏感，6、7和8月室外環(huán)境溫度變化對室內(nèi)溫度的影響大于4、5、9及10月。

(3)運用ASHRAE Standard圖對測試期內(nèi)各月的熱環(huán)境進行評價，4、5、9及10月基本全部在標準規(guī)定的熱舒適區(qū)域內(nèi)，但要注意衣服的保暖；而6、7和8月基本不在熱舒適區(qū)域內(nèi)，需要通過采取額外的降溫措施來改善室內(nèi)熱環(huán)境。

(4)對人體皮膚表面的測試結果進行分析，室內(nèi)環(huán)境對皮膚表面溫度的影響隨室內(nèi)環(huán)境溫度的增加而減小，且顯示的熱舒適性與ASHRAE Standard圖結果相一致。

4.2 建議

隨著氣候的變化，嚴寒地區(qū)夏季炎熱的特點越來越突出，降溫措施不得不認真考慮；另一方面，太陽能制冷技術日益成熟，其推廣的經(jīng)濟性和可靠性逐漸得到了保障。綜合考慮，若將太陽能制冷系統(tǒng)的集熱部分裝于屋頂上，既可以防止屋面被直接暴曬，也可以充分利用太陽能資源，是很有前景的清潔能源利用技術，值得進一步研究。