蒙中地區(qū)農(nóng)牧民住宅冬季熱舒適調(diào)查

李偉 白葉飛 許國強 唐汝寧 康曉龍

1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院

2 內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑學院

嚴寒C 類蒙中地區(qū)受經(jīng)濟不發(fā)達和地區(qū)的約束，居住建筑多為居民根據(jù)自身經(jīng)驗早期搭建，圍護結(jié)構(gòu)較落后，建筑無內(nèi)外保溫。冬季供熱采用分散式供暖模式，多為火爐、火炕和土暖氣供暖。農(nóng)牧區(qū)所處地理位置受室外溫度影響較大，長期以來農(nóng)牧民的熱舒適感較差。隨著我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略及脫貧攻堅行動支撐，了解農(nóng)牧區(qū)居民的居住現(xiàn)狀，提高農(nóng)牧區(qū)居民的室內(nèi)熱舒適水平很有必要。

本文選取該地區(qū)冬季不同住宅進行跟蹤測試，研究建筑室內(nèi)外熱環(huán)境對人體熱舒適的影響，采用PMV(Predicted Mean Vote) 和 MTS (Mean Thermal Sensation)以及熱中性溫度范圍等指標，分析冬季不同住宅內(nèi)人體熱舒適。

1 研究方案

1.1 調(diào)研背景

調(diào)研地點選取內(nèi)蒙古中部涼城縣某典型農(nóng)牧區(qū)，其地理坐標為東經(jīng)112°02′～113°02′，北緯40°10′～40°50′之間，地處陰山南麓和黃土高原東北邊緣，有“七山一水二分灘”之稱[1]，為晉蒙冀交界的重要部分。

本次調(diào)研選取不同建筑材料的住宅進行熱環(huán)境參數(shù)測試和人員主觀問卷調(diào)查。圖1 為調(diào)研的三種不同建筑材料的住宅結(jié)構(gòu)，分別為土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅。

圖1 不同住宅建筑現(xiàn)狀

1.2 實驗儀器及方法

本次實驗過程中對房間內(nèi)部測點的選取根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》[2]布置，距離門窗和壁面0.6 m 以上的距離，室外測點為背風陰涼處，距離地面1.5 m 高度。分別利用testo 溫度自記儀、JT-IAQ 熱環(huán)境測試儀等進行測試。表1 為實驗測試項目及相關(guān)儀器參數(shù)。

表1 實驗儀器及參數(shù)

垂直測點布置時，坐姿測量高度距地面0.1 m（表征人體腳踝處）和1.1 m（表征額頭處）。站姿測量高度距地面0.1 m（腳踝處）、1.1 m（腰處）和1.7m（額頭處）。水平測點布置時，當房間面積S＜16 m2時選擇房間的中心位置布置一個測點。當房間或區(qū)域面積為16 m2＜S＜30 m2時，選擇房間對角線上兩個等分點分別布置兩個測點。

1.3 熱舒適評價指標

多位學者結(jié)合國外規(guī)范及我國地理位置和氣候條件差異，根據(jù)不同氣候條件及實驗環(huán)境提出多種熱舒適評價指標，如熱感覺，操作溫度和熱中性溫度等。

熱感覺是人體主觀對外界的感受，該項研究多以調(diào)查問卷的形式進行，采用ASHRAE 7 級熱感覺標度進行[3-4]，分別為冷（-3）、涼（-2）、稍涼（-1）、適中（0）、暖（+1）、稍暖（+2）、熱（+3）。

操作溫度是基于平均輻射溫度和空氣溫度的合成溫度，涵蓋環(huán)境與人體的對流換熱輻射換熱兩種形式[5-6]。將操作溫度以0.5 ℃的間隔，分為若干個溫度區(qū)間，以每一操作溫度區(qū)間中心溫度為自變量，以受試者在每一溫度區(qū)間內(nèi)填寫的熱感覺投票值的平均值MTS 為因變量，通過線性回歸分析得到變量MTS 和操作溫度t0之間的線性關(guān)系。擬合而得的線性相關(guān)度較高，說明MTS 可以很好的預(yù)測人體熱感覺。當MTS=0 時，所得溫度即為熱中性溫度。

2 調(diào)查結(jié)果與分析

2.1 室外溫度

冬季在農(nóng)牧民住宅的調(diào)研時間選在2021 年1 月11 日～1 月15 日，調(diào)研期間室外天氣晴朗。室外空氣溫濕度分布如圖1 所示，為以24 h 為一個周期的波動。該地區(qū)農(nóng)牧民冬季多采用火爐、火炕等分散供暖模式，滿足室內(nèi)溫度需求。

圖2 冬季室外溫濕度

該地區(qū)主要氣候特點為氣溫年較差大，冬季寒冷漫長。調(diào)研期間室外空氣溫度主要集中在-16～-10 ℃，占比65%，室外空氣溫度較低；室外空氣相對濕度室外空氣相對濕度主要集中在45%～60%，占比64%，農(nóng)牧區(qū)冬季室外空氣相對濕度適中。冬季受西北冷空氣寒風影響劇烈，晝夜溫差極大，所處地理位置使農(nóng)牧區(qū)住宅氣溫低于周圍村鎮(zhèn)室外氣溫。

2.2 垂直空氣溫差

為計算室內(nèi)環(huán)境達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后垂直方向上存在的空氣溫差，根據(jù)《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評價方法》[3]中的垂直空氣溫差公式,在室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定后，計算同一條垂直線方向上，受試人體頭部到腳踝的位置處檢測點的溫度差值。

對土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅三種不同的當?shù)刈≌髯蚤_展為期4 8h 的過渡季室內(nèi)溫度測量。測量期間利用TESTO-147 溫濕度自記儀，將儀器擺放在調(diào)研房間同一垂直線上，水平方向按照0.1 m，1.1 m，1.7 m 的高度分別放置，三種住宅站姿與坐姿狀態(tài)下垂直空氣溫差如表2 所示。

表2 三種住宅不同狀態(tài)下垂直空氣溫差

由表2 所得，土坯住宅、磚瓦住宅和惠民工程住宅在冬季垂直空氣溫差均為站姿大于坐姿狀態(tài)，說明保持站姿狀態(tài)的人體熱舒適比坐姿狀態(tài)的熱舒適感覺差。坐姿狀態(tài)中垂直空氣溫差順序為：磚瓦住宅＞惠民工程住宅＞土坯住宅，即坐姿狀態(tài)時土坯住宅室內(nèi)人員熱舒適感最好，其土坯材料的保溫性能使室內(nèi)不同梯度溫度差距較小，雖然建造年代遠大于惠民工程住宅，但居民熱舒適感仍較好。

2.3 熱感覺投票值

對調(diào)研地點農(nóng)牧區(qū)土坯住宅、磚瓦住宅和惠民工程住宅的熱感覺投票值進行統(tǒng)計，按照Fanger 七級熱指標“冷（-3）、涼（-2）、稍涼（-1）、適中（0）、稍暖（+1）、暖（+2）、熱（+3）”統(tǒng)計室內(nèi)居民熱感覺，如圖3 住宅熱感覺投票值所示。

圖3 冬季三種住宅熱感覺投票值

由圖3 可知，冬季居民熱感覺投票更傾向“涼”到“適中”，“適中”投票值占主要比例，說明室內(nèi)人員的當前熱感覺較滿意，但仍有一部分投票值趨于偏冷環(huán)境。同時，由于農(nóng)牧區(qū)采暖方式有限，均為分散式供暖，室內(nèi)環(huán)境溫度不如城鎮(zhèn)集中供暖溫度均衡，農(nóng)牧區(qū)居民熱感覺投票值各不一致。在偏冷傾向下的投票值，即從“冷”到“稍涼”區(qū)間占比順序為：磚瓦住宅＞土坯住宅＞惠民工程住宅，磚瓦住宅人體熱感覺投票偏冷狀態(tài)占比最大，磚瓦住宅圍護結(jié)構(gòu)與土坯住宅相比蓄熱能力差且無內(nèi)外保溫，居民熱感覺偏冷占比最大。

3 結(jié)果與分析

對三種不同住宅的調(diào)研數(shù)據(jù)分析，實測平均熱感覺MTS 和預(yù)測平均熱感覺投票值PMV 分別與操作溫度t0進行線性回歸，擬合曲線變化趨勢如圖4 到圖6 所示，圖擬合結(jié)果如下表3 所示。

表3 冬季三種住宅PMV/MTS 與操作溫度關(guān)系

圖4 冬季土坯住宅室內(nèi)操作溫度與PMV/MTS 關(guān)系

圖6 冬季惠民工程民居室內(nèi)操作溫度與PMV/MTS 關(guān)系

圖5 冬季磚瓦住宅室內(nèi)操作溫度與PMV/MTS 關(guān)系

從表3 可知，操作溫度每改變1 ℃，土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅的預(yù)測平均熱感覺PMV 分別改變0.36、0.13 和0.17 個標度，實測平均熱感覺MTS分別改變0.31、0.11 和0.14 個標度，MTS 標度改變小于PMV 標度，人體實測平均熱感覺更容易適應(yīng)偏冷環(huán)境。

隨著操作溫度逐漸升高，實測平均熱感覺MTS與預(yù)測平均熱感覺PMV 差距逐漸減小。由于在冬季該地農(nóng)牧區(qū)居民采用火爐、火炕等采暖方式進行室內(nèi)供暖，溫度升高，實測與預(yù)測熱感覺越接近。長期生活在當?shù)氐木用瘢睦砩细鼉A向于偏冷環(huán)境，對居住環(huán)境形成一定的適應(yīng)能力。農(nóng)牧區(qū)居民實測平均熱感覺MTS 始終高于預(yù)測平均熱感覺PMV。

冬季三種住宅MTS=0、PMV=0 時，土坯住宅內(nèi)得到的實測熱中性溫度和預(yù)測熱中性溫度分別15.2 ℃和16.8 ℃，預(yù)測比實測高1.6 ℃。磚瓦住宅內(nèi)得到的實測和預(yù)測分別為14.8 ℃和16.2 ℃，預(yù)測比實測高1.4 ℃。惠民工程住宅內(nèi)得到的實測和預(yù)測分別為17.8 ℃和18.8 ℃，預(yù)測比實測高1 ℃。實測與預(yù)測熱中性溫度差距最小的是惠民工程住宅，磚瓦住宅次之，差距最大的土坯住宅。惠民工程住宅的實測與預(yù)測溫度均高于其余兩種住宅，且差距最小。惠民工程住宅室內(nèi)人員熱感覺更好，室內(nèi)熱舒適度最高。

我國《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》[2]中規(guī)定將人群中90%感覺滿意的熱環(huán)境評價為I 級熱舒適，即MTS=±0.5 時的中性溫度范圍。令MTS=±0.5，可以得到冬季內(nèi)蒙古南部農(nóng)牧區(qū)的土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅90%可接受溫度區(qū)間分別為13.64～16.87 ℃、10.36～19.45 ℃、14.21～21.35 ℃。

4 結(jié)論

1)三種住宅的冬季垂直空氣溫差均為站姿大于坐姿狀態(tài)，坐姿狀態(tài)時土坯住宅室內(nèi)人員熱舒適感最好，其土坯材料的保溫性能使室內(nèi)不同梯度溫度差距較小，雖然室內(nèi)溫度低于惠民工程住宅，但居民熱舒適感較好。

2)蒙中地區(qū)土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅的預(yù)測熱中性溫度和實測熱中性溫度溫度差值分別為1.6 ℃、1.4 ℃和1 ℃。惠民工程住宅差距最小，說明其室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)于磚瓦住宅和土坯住宅，室內(nèi)人員熱舒適度最高。

3)土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅90%可接受溫度區(qū)間分別為13.64～16.87 ℃、10.36～19.45 ℃、14.21～21.35 ℃。