上海地区过渡季老年人热感觉及热适应行为研究

魏琦 于航* 焦瑜 王梓 储向阳

同济大学机械与能源工程学院

0 引言

据民政部 《2016年社会服务发展统计公报》 统计，截至 2016年底，全国60岁及以上老年人口23086万人， 占总人口的 16.7%， 老龄化已成为我国 21 世纪最大的机遇和挑战之一。随着年龄增长， 老年人的生理机能会发生退行性变化。由于感觉功能和体温调节机制的衰退， 老年人对外界环境变化的敏感度降低， 适应能力减弱。世界卫生组织统计表明， 人一生当中至少有80%的时间在室内环境中度过， 而对于行动不便的老人， 甚至有可能高达 95%。因此， 如何合理地设计、评价老年人居住建筑室内热湿环境至关重要， 这直接影响工作和生活在其中的人的热舒适和健康。

本课题组在 2014 年 1 月 ～2017 年 4 月期间， 对上海地区机构养老自然通风建筑中的老年人进行了大量的现场测试与问卷调查， 冬夏季部分研究成果现已发表 [1] 。本文重点探究过渡季上海地区老年人热感觉及热适应行为， 对比不同季节老年人热适应行为差异， 分析老年人热适应行为与年龄、 性别、 室内外环境参数的关系， 构建过渡季老年人服装热阻、 开窗率与室内外温度回归模型。

1 研究方法

本次调研选择夏热冬冷气候区中国上海， 选择气象学意义上的春季和秋季，调研时间为 2016 年 10～11月和2017 年4 月， 共计调研 13 家养老机构368位老人。本次调研房间空调安装率超过 98%， 但调研过程中均未开启空调。现场调研包括环境参数测试和问卷调查两部分， 现场调研人员分为两组， 在问卷调查的同时进行环境参数测试， 正式调研开始前， 所有的调研人员都经过严格的培训。根据入住养老机构老年人的日常作息时间， 调研时间为上午 8:30～10:30， 下午13:30～17:00。

1.1 调研对象

根据Rockwood老年人虚弱等级表 [2] ， 定义虚弱等级1～4 级的为健康老人， 本次调研选取上海机构养老建筑中70岁以上健康老人为调研对象， 共获得有效样本量368份， 其中男女比例约为1:2。受试老人平均年龄为84.3岁， 在上海平均生活75.81年， 其中江浙沪籍贯比例达到91%， 认为受试老人已充分适应上海的气候状况。受试老人具体年龄和性别分布如表1所示。

表1 调研对象基本特征

1.2 环境参数与问卷调研

本次调研直接测量的室内环境参数包括空气温度， 相对湿度， 空气流速， 黑球温度， 采用的测试仪器及其精度范围如表 2 所示。根据 GB/T 50785-2012[3]和ASHARE 55-2013[4]确定测点个数及分布，计 算平均辐射温度及操作温度Top。 室 外气候条件作为热舒适研究中的重要参数，直 接影响室内环境参数，从 而影响人体热舒适及热适应行为。本次调研室外气象数据来源于中国气象局气象数据中心，并 根据式（ 1）计 算室外平滑周平均温度Tpma,out。

表2 室内环境参数测试仪

式中：te为第i天前的室外日平均空气温度；α为 0～1系数， 其大小反映室外温度连续平均改变快慢的反应速度，α越大反应速度越慢，α越小反应速度越快， 本次调研根据GB 50785-2012 [3] 中建议， 取值0.8。

问卷内容包含老年人居住建筑概况、 年龄、 性别、着装等基本信息， 以及在当前调查环境下的主观热感觉评价和热适应行为意愿投票，热感觉投票采用ASHRAE 7 点标度（-3 太冷了,-2 有点冷,-1 凉快,0 不冷不热,1暖和,2有点热,3太热了）。问卷调查前， 受试老人已在室内静坐至少 15min， 调研人员现场向老人解释问卷内容， 并以访谈形式协助不便于自主填写问卷的老人完成调研。

1.3 新陈代谢率及服装热阻

ASHRAE Standard 55-2013 给出了典型活动强度下普通成年人的能量代谢率数值表。相关研究表明，代谢率随着年龄的增长而下降 [5] 。调研过程中， 受试老人均处于坐姿放松状态， 结合实际调研过程中老人年龄、 活动强度等情况， 本次研究代谢率取值1.0met。

调研过程中通过现场观察和问询方式记录受试老人当下衣着状况和椅子类型，并结合 GB/T 50785-2012和 ASHRAE Standard 55-2013标准，查表确定单件服装和椅子热阻值。表3列出了老年人穿着的服装和所坐椅子名称及其对应热阻值。按单件服装热阻求和的方式定义全套服装热阻， 只是服装衣着热阻基础热阻， 而不是实际的衣着隔热效果 [6] 。因此， 在对单件服装热阻 （包括椅子热阻） 求和的基础上， 利用McCullough等 [7] 提出式 （2） 对服装热阻值进行修正。

表3 受试老人服装描述及服装热阻

式中：Icl为全套服装热阻，clo；Iclu为单件服装热阻，clo。

2 结果分析

2.1 室内外环境

本次调研室内外环境参数概况如表4所示。生理学研究表明， 人体对冷环境适应的下临界温度为10℃ [8] ， 调研中有0.3%的室内空气温度和0.3%的操作温度低于该温度。夏热冬冷地区过渡季为多雨季节，有51.5%的室内相对湿度在舒适性调节空气室内计算参数30%～60%之间 [9] 。室内风速最大值为0.34m/s， 有98.6%的室内风速Va≤0.2m/s， 其中89.6%的室内风速Va≤0.05m/s， 满足供热工况下老年人居住建筑舒适性室内设计风速要求 [10] 。

表4 室内外环境参数

2.2 热感觉投票和中性温度

热感觉投票分布频率如图1所示，有 85.2%的老年人热感觉投票为不冷不热。如果将热感觉投票为[-1,1]的区间定义为热舒适区间，本 次调研中有 89.3%的老年人热感觉投票在热舒适区间，有87.7%的老年人对当前环境感到满意，71.2%的受试老人不希望对当前冷热环境有所改变。对热感觉、热 满意、热 期望做交叉分析，如图 2 所示，当热感觉投票为不冷不热（TSV=0）时 ，有 2.9%的老年人热满意投票为 0（ 不满意），16 .1%的老年人热期望投票为1（ 期望热些），2.2%为-1（期望冷些）。在热舒适区间偏冷情况（ TSV=-1）时，热 不满意率达到 63.6%，同 时有 81.8%的受试老人热期望投票为1（ 期望热些）。而在热舒适区间偏热情况（ TSV=1）时 ，热 满意率达到了 100%，热 期望投票为1（ 期望热些）和 -1（ 期望冷些）的 比例相同，均 为 25%。这说明在本研究中，老 年人热感觉，热 满意与热期望出现了分离现象，老年人偏爱中性偏暖的环境。课题组对冬季和夏季老年人热感觉的研究结果表明，冬 季老年人的热感觉，热 满意和热期望出现了近似同步的现象，夏 季老年人的热感觉、热 满意和热期望出现了完全同步的现象[1]。 对过渡季的研究与冬季、夏 季研究结论存在差异的原因可能是：过 渡季、夏 季、冬 季存在气候差异，而 热感觉、热 满意、热 期望的分离现象更常出现在热舒适区间上下限附近。

图1 热感觉投票分布频率

图2 热感觉、热期望、热满意关系图

对操作温度做步长为1 ℃的bin 处理，对每个温度区间内的老年人实际热感觉投票TSV， 预测热感觉投票PMV及预计适应性热感觉aPMV做平均， 绘制散点图如图3所示， 线性回归方程如表5所示， 所有回归方程都通过了显著性检验，P＜0.001。 如图， 线性回归线呈剪刀型，当T op＜25 ℃时，PMV和aPMV均低估了实际热感觉值 TSV， 而当T op＞25 ℃时,PMV 和 aPMV 均高估了实际热感觉值TSV， 且随着操作温度越远离25℃， 差值越大。这与Yang [11] ，de Dear[12]和Humphreys[13]等之前的研究结论相符， 在偏冷环境下， 预测热感觉PMV 低估了实际热感觉投票mTSV， 在偏热环境下则反之。相比于 PMV，aPMV与实际热感觉投票TSV更为接近。回归方程的回归系数表征了受试老人对室内所处环境的敏感程度即热敏感度，对比mTSV，PMV和aPMV 回归方程回归系数， 说明本次调研过程中老年人的实际热敏感度较低， 老年人对温度变化感知较为迟钝， 这可能是因为老年人生理机能下降。同时， Ye等[14]研究发现， 热适应行为加 / 减衣服会导致回归方程热敏感度降低。如表5所示，相比于课题组之前对于冬夏季的研究， 过渡季老年人热敏感度低于冬季和夏季， 这可能是因为过渡季调研过程中的温度基本处于老年人的舒适区间内，这与之前重庆大学刘红等[15]对于成年人的研究结论相符。将mTSV=0代入回归方程， 求得过渡季中性温度为26.1 ℃。

图3 老年人TSV,PMV,aPMV与Top 的关系

表4 TSV,PMV,aPMV线性回归方程

2.3 适应性行为意愿

结合冬、 夏季调研结果， 绘制不同季节热适应行为分布雷达图如图4所示。由图可知， 无论是冬季、 夏季还是过渡季，加 /减衣服和开/关门窗都是老年人最常用的热适应调节手段， 老年人更倾向于原始且不消耗能源的方式来调节热舒适。在本次调研过程中，有 98.3%的老人选择加 / 减衣服作为热适应调节手段， 过渡季老年人服装热阻在[0.4,1.85]clo 区间内， 平均服装热阻为 1.04 clo，具体分布如图 5 所示。有89.6%的老人选择开/关门窗作为热适应调节手段， 结合现场调查统计， 调研房间开窗:关窗≈2:1。

图4 老年人热适应行为

图5 服装热阻Icl 分布频率

3 讨论

3.1 服装热阻影响因素及有效性分析

服装热阻作为老年人最重要的调节手段， 探究老年人服装热阻的影响因素及其作为热适应调节手段的有效性。计算不同性别、年龄段老人服装热阻平均值及标准偏差如表5所示， 对不同性别、 年龄段老人的服装热阻做假设检验， 检验结果表明不同性别、 年龄段老人在服装热阻上无显著差异。做服装热阻与室内外环境参数Pearson相关性分析， 结果如表6所示。老年人过渡季服装热阻与室内操作温度， 空气温度， 平均辐射温度， 黑球温度， 相对湿度以及室外空气温度， 室外平滑周温度都存在强烈负相关关系，显著性水平P＜0.001， 即随着室内外温度升高， 室内相对湿度增大， 老年人服装热阻值降低。进一步研究服装热阻与室内外温度的定量关系， 做服装热阻与操作温度、 室外平滑周温度线性回归与散点图如图6所示，所有回归方程均通过显著性检验， 显著性水平P＜0.001。对比冬夏季老年人服装热阻与室内外温度回归方程， 如表7所示， 过渡季服装热阻对操作温度敏感性高于冬、 夏季， 而对于室外平滑周温度敏感性则低于冬、夏季。三个季节回归方程的系数都较小， 这说明老年人服装热阻值虽然会随着室内外温度升高而降低， 整体调节效用有限。

表5 服装热阻与性别，年龄假设检验结果

表6 服装热阻与室内外环境参数Pearson相关性分析

图6 老年人服装热阻与环境温度回归曲线

表7 老年人服装热阻与环境温度回归方程

表8分析了不同热感觉、 热满意、 热期望下老年人服装热阻差异性。尽管用单因素方差分析不同热感觉下老年人服装热阻差异性时，其初步显著性水平P＜0.05， 但是在整个调研样本中选择 -3 （太冷了） 和 +3（太热了） 的老人人数均仅为 1， 不具备统计学意义， 因此在热感觉投票[-2,+2]范围内再次进行单因素方差分析检验， 显著性水平P为0.109， 结合非参数检验， 说明不同热感觉下老年人服装热阻无显著差异。由表可知， 不同热满意水平下老年人服装热阻无显著差异， 不同热期望水平下老年人服装热阻有显著差异， 随着热期望水平升高，服装热阻值显著增大。这可能是因为调研过程中一部分环境温度处于老年人热舒适区间的上下限附近，尽管已经通过增/减衣物等热适应调节手段改善了对于当前环境的热感觉及热满意程度，但对于热期望而言，当前温度仍不是老人的最适温度， 如果条件允许， 老人仍希望当前温度能够适当升高/降低。这和现场调研过程中的实际状况相符， 上文的热感觉、 热满意、 热期望分离现象也佐证了这一点。因此， 可以认为在过渡季， 增 /减衣物对于老人是一种有效的热适应调节手段。

表8 服装热阻与主观感觉假设检验结果

3.2 开关窗影响因素及有效性分析

开关窗户有助于改善室内的空气流动状况， 从而改变室内的热环境， 也是老年人经常采用的热适应调节手段。 Hwang等 [17] 的研究发现， 无论是老年人还是非老年人，开窗户都是最常使用的热适应调节方式， 更受老年人的喜爱。探究老年人开/关窗行为影响因素及其作为热适应调节手段的有效性。做开/关窗与性别、 年龄的交叉表分析， 结果如表 9所示， 卡方检验结果表明不同性别、年龄段老人在开/关窗行为上无显著差异。做开 /关窗与室内外环境参数点二列相关性分析， 结果如表10所示。室内各类温度及相对湿度与开/关窗状态没有显著的相关关系， 而室外温度， 相对湿度、 室内外风速等与开关窗状态在 0.01 的水平上显著相关。独立样本T检验结果也表明开窗房间与未开窗房间室内空气温度、 相对湿度无显著差异。

表9 开/关窗与性别，年龄段交叉表分析

表10 开/关窗与室内外环境参数点二列相关性分析

Logistic 回归为概率型非线性回归模型，可用于研究分类观察结果 （y） 与一些影响因素 （x） 之间的关系， 本文将其用于预测居住者在室内的行为。Haldi [18] 、Nicol[19]、 刘红[15]等学者在研究热适应行为与室内外温度的关系时， 都采用了 Logistic回归分析方法。做操作温度、 室外空气温度做步长为1 ℃的bin 处理， 分别统计每个温度区间内的开窗数量占总数的百分数即开窗率， 建立二元 Logistic回归模型。操作温度与开窗率的回归模型未通过显著性检验，图7为开窗率与室外空气温度的拟合曲线及散点图， 回归方程见式 （3）， 其中R2=0.297。 可以看出， 开窗率随着室外空气温度升高而升高， 当室外空气温度达到 33.2 ℃时， 开窗率达到90%以上。

图7 开窗率与室外空气温度Logistic回归

做开/关窗与热感觉、 热满意、 热期望的交叉表分析如表11所示， 检验结果表明开窗房间与未开窗房间内老人热感觉、 热满意、 热期望投票无显著差异。结合上文分析表明开/关门窗这一调节手段主要受室外空气温度等环境参数影响， 可有效调节室内空气流动状态， 但对改善室内温湿度及老年人热感觉、 热满意、 热期望均没有明显的效果。

表11 开/关窗与热感觉，热满意，热期望交叉表分析

4 结论

1）调 研期间上海地区机构养老建筑过渡季室内平均操作温度为20.49℃，平 均相对湿度为57.68%，平 均室外空气温度为 15.61 ℃，平均室外相对湿度为75.82%。

2）85.2%的老年人热感觉投票为不冷不热，区别于冬夏季，过 渡季老年人热感觉、热 满意、热 期望存在分离现象，老年人偏爱中性偏暖的温度。老年人热敏感度较低，过渡季老年人热感觉中性温度为26.1 ℃，略高于PMV、aPMV预测值。

3） 在过渡季、 冬季及夏季， 加 /减衣服和开/ 关门窗都老年人最常用的热适应调节手段，过渡季 98.3%的老年人选择加 / 减衣服，89.6%选择开 / 关门窗， 过渡季老年人平均服装热阻为1.04clo。

4） 过渡季不同性别、 年龄段老年人服装热阻无显著差异， 老年人过渡季服装热阻与室内外温度、 室内相对湿度均存在强烈负相关关系，过渡季增 /减衣物对于老人是一种有效的热适应调节手段。

5） 过渡季老年人开关窗行为与性别、 年龄无关，主要受室外环境参数影响， 与室内温湿度无关， 开窗与未开窗房间内老人热感觉无显著差异。

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