北京市住宅环境热舒适研究

    Thermal comfort in naturally ventilated houses in Beijing
   

    1 引言
    热舒适是居住者对室内热环境满意程度的一项重要指标。关于人体热舒适和热环境之间关系的研究从本世纪初便开始了。目前，ASHRAE 55-1992[1]和ISO 7730[2]是世界上普遍采用的评价和预测室内热环境热舒适程度的标准。ASHRAE标准中给出了至少满足80%居住者的舒适区。ISO 7730阐述了丹麦工业大学Fanger教授提出的预测人体热感觉指标PMV。与PMV模型相似的还有Gagge教授提出的有效温度指标（ET*）和标准有效温度指标（SET）[3]。这类模型共同的特点是它们变为环境参数不随时间改变，而且批人体看作是外界热刺激的被动接受者。一定的热环境参数对人体的作用，是通过两者之间的热湿交换来影响人体的生理参数，进而产生不同的热感觉。所以，这类模型可以被认为是稳态的和以热平衡方程为基础的。按照这一类模型制定的ASHRAE标准旨营造一种稳态的、至少80%居民能够接受的热环境。（参考《建筑中文网》）
    可是，一系列实地测试表明，这类模型并不能准确地预测出人体的热反应[4～7]。人的适应性可以被认为是产生实验室研究和实地测试的结果差异的一个主要原因。这种适应性包括生理的、行为的和最主要是心理上的适应性。文献[8]就曾指出热感觉的评判在很大程度上取决于人员背景和对环境的一处种期望。所在，舒适性研究应该既有实验室的实验，又不能忽略实地的测试分析。
    随着人们生活水平的提高，对热舒适的要求也相应提高。北京市居民安装家用空调的人数逐年增加，但随之而来的是较重的经济负担和时常听到的人们对空调环境的抱怨。究竟北京气候区应该采用什么样的空调方式和建筑模式，才能既保证居民的舒适和健康要求，又能尽可能多地节省能源？这正是需要探索的问题，为此，笔者在1998年夏季进行了一次北京市住宅热舒适调查。
   
    2 调查目的与方法
    2.1 本次调标题要解决的主要问题
    2.1.1 考察北京市普通居民住宅（基本上是没有安装空调的家庭）的热环境情况。
    2.1.2 调查在这类自然通风建筑内居民的热舒适状况，并将结果与ASHRAE标准和其它研究成果相比较。
    2.1.3 了解居民在改善居室热环境方面采取的措施。
    2.1.4 分析数据，用统计分析的办法确定现有热环境条件与居民热反应之间的相互关系。
   
    2.2 调查方法
    2.2.1 住宅的选择
    因为本次调查主要想了解在自然通风方式下居民的热舒适情况，所以选择调查的88家住房基本上没有装空调，或虽然有空调，也处于极少开启的状态。在选择这些住房时，主要考虑了房间的楼层、朝向以及自然通风情况。调查了总楼层为2～6层的低层建筑及总楼层为20层的高层住宅；在这两类建筑中，即选择了位于整幢建筑物四个角上的房间，也选择了中部的房间。另外，还照顾到东、西、南、北四个朝向的房间在样本中分布均匀。一半的住宅位于北京市西南部的石景山区，另一半则在清华大学的校园内。住宅外部的绿化程度，也有明显的不同。调查过程中，对受试者的选择尽可能做到男女比例相近。
   
    2.2.2 数据的采集
    调查是在1998年7月上旬进行的，此时北京进入盛夏不久，而且雨水较多，气候基本上属于温度较高，且比较潮湿的状态。
    调查分析两种方式同时进行，一种是对房间物理参数的测量，包括空气温度、相对湿度和空气流动速度。所用的测量仪器是干湿球温度计和热线风速仪。另一种是问卷的形式，内容包括：①基本的背景情况，如年龄、性别，在北京居住的时间，办公室是否有空调等；②调查时刻居民的热感觉，以及对此时环境的风速、空气清新程度和潮湿状况的主观评价。热感觉投票值采用ASHRAE的7级指标表示（-3冷，-2凉，-1凉爽，0不冷不热的中性状态， 1有点热， 2热， 3很热）；③通常采用的改善室内热环境的适应性措施，包括遮阳、风扇等有关改变房间物理参数的手段和人员增减衣服、喝饮料等自身的适应性行为。
   
    2.2.3 调查的步骤
    一个调查小组通常由3人组成。在征得住房主人同间的情况下，进行20～30min的调查。其中一个人负责测量环境参数，另一个人负责对整个居室的建筑特性进行测绘，最后一个人则进行问卷的询问和填写的工作。
   
    2.2.4 舒适性指标的计算
    在调查过程中，详细记录了受试者当时的衣着情况，以及坐椅的形式（是硬椅还是沙发，是否铺有凉席等）。按照ASHRAE55-1992标准，计算出受试者所穿服装的热阻值，以单位clo①表示（1clo=0.155℃·m2/W）。目前在热舒适研究领域，有文章讨论椅子对坐姿受试者的服装热阻的作用[9]，本文参考它们的研究结果，考虑不同坐椅对服装热阻的影响，对热阻值进行了修正。
    新陈代谢率无法直接测量出来。因为整个调查过程历时至少20min，在这段时间内，受试者通常是坐着仔细看介绍材料和回答问题，所以把新陈代谢定为1.2met②,这是坐姿轻微活动者所具有的新陈代谢水平。
    采用Gagge的人体二节点模型[3]，编写程序，以现场测量的物理量、服装热阻和新陈代谢率为输入量，计算有效温度ET*和PMV指标。
    二节点模型反人体分成两个同心的圆柱体，分别代表人体的核心层和皮肤层，它们的热平衡方程式分别为：
    (1)
    (2)
    式中Mcr，Msk为单位体表面的核心层质量和皮肤层质量；ccr，csk为核心层及皮肤层平均比热容；Tcr，Tsk为为核心层及皮肤层温度；t为时间；M为单位体表面新陈代谢率；Msh为单位体表面积寒战调节产热量；W为单位体表面积对外所做的机械功；Qre为单位体表面积呼吸热损失；Qdr为单位体表面积与环境间的显热换热量；Qev为单位体表面积与环境间的潜热换热量；K为核心层与皮肤间的导热系数；mbl为核心层与皮肤层间的血流量；cp,bl为血液比热容。
    有效温度ET*是一个等效的干球温度量，如果在环境温度ET*，平均辐射温度与环境温度相同，相对湿度50%的等温假想热环境中，人体的皮肤湿度和通过皮肤的换热量与真实环境下的值相同，那么就可以用ET*来表示这一真实环境的温度。换句话说，ET*值把真实环境下的空气温度、相对湿度和平均辐射温度规整为一个温度参数，使具有不同空气温度、相对湿度和平均辐射温度的环境能用一个ET*值相互比较。PMV指标是Fanger提出的预测平均热感觉投票值。
   

    平均值

    标准偏差

    最大值

    最小值

    空气温度/℃

    28.6

    1.16

    31

    26

    相对湿度/%

    77.4

    6.7

    88

    53

    空气流速/m/s

    0.18

    0.25

    1.5

    0.02

    ET*/℃

    30.3

    1.49

    32.8

    26.6

    服装热阻/clo

    0.31

    0.08

    0.5

    0.15