冬季外窗和外墙冷辐射的热舒适限值*

王昭俊☆ 徐云艳 苏小文

0 引言

随着生活水平的提高，人们对提升人居环境的热舒适更加关注。我国严寒地区和寒冷地区冬季建筑外墙和外窗表面温度低，靠近外墙和外窗的人会有冷辐射感，引起人体局部热不舒适。因此，基于人体热舒适的建筑节能减排研究工作亟需开展。

GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》规定：外墙内表面温度与室内空气温度之差的最小值为3 ℃[1]。这个参数是否合理，需要实验验证。该标准主要参考了国外相关标准。

McNall等人实验研究了冷墙辐射对人体热舒适的影响，10名受试者参加了实验，受试者的服装热阻为0.59 clo，相当于夏季标准服装[2]。Fanger等人实验研究了冷/热墙、冷/热顶棚引起的不对称辐射对热舒适的影响，32名受试者和16名受试者分别参与了2组实验，服装热阻为0.6 clo，研究表明，在不对称辐射条件下，热墙引起的不舒适低于冷墙，冷却顶棚引起的不舒适低于热顶棚，并得出5%的受试者对环境感到不舒适的不对称辐射温度[3]。Fanger等人基于上述研究成果，提出了不对称辐射温度限值，并被引入到ISO 7730：2005标准[4]和ASHRAE 55-2017标准[5]中。

课题组前期开展了实验，探讨了具有一面冷墙和冷外窗的冷辐射环境中人体热感觉和生理参数的变化规律，实验中受试者身着冬季服装，服装热阻约为1.0 clo[6-8]。史明洋等人研究了室温为22 ℃时侧墙冷辐射对人体热舒适的影响[9]。但相关标准中规定的热工设计温度和严寒地区冬季供暖室内计算温度为18 ℃。因此，需要探讨最不利实验工况下的热工设计参数。

本文基于人工气候室实验研究结果，分析冷辐射工况下人体距离外墙和外窗1 m时的热反应，研究严寒地区冬季冷壁面温度引起的人体热不舒适的限值。研究结论可为相关标准中建筑热工设计参数的确定提供理论依据。

1 实验室简介

实验在哈尔滨工业大学建筑热能工程系1楼大厅的人工气候实验室进行，以减少室外气候变化对人工气候室热湿环境的影响。实验室包括2个相邻房间(A室和B室)。其中，A室用于模拟室内热环境，B室用于模拟室外气候。A室和B室之间的隔墙上有一个塑钢玻璃窗，在实验条件下该隔墙和窗户可以视为外窗和外墙，A室的其他围护结构可视为内围护结构。B室采用彩色钢板内夹聚苯乙烯泡沫塑料保温材料的墙体，保温层厚度为150 mm，传热系数为0.404 W/(m2·K)。

该实验室的总尺寸为6.0 m(长)×3.3 m(宽)×3.0 m(高)，A室的尺寸为3.9 m(长)×3.3 m(宽)×3.0 m(高)，窗户尺寸为1.8 m(长)×1.5 m(宽)，如图1所示。

图1 实验室测点平面布置图(单位：mm)

2 实验方法

2.1 实验工况设计

为了研究严寒地区冬季外窗和外墙冷辐射对人体热感觉的影响，将散热器布置在外窗对面的墙下面。实验设计了2个工况，分别为稍凉工况和中性工况，见表1。其中，稍凉工况为实验组，中性工况为对照组。

表1 实验工况

2.2 实验参数采集

每个工况有20名大三学生自愿报名作为受试者参加实验。受试者男女比例为1∶1，均在哈尔滨生活超过2 a，已经适应了哈尔滨冬季室外寒冷干燥的气候，受试者服装热阻约为1.02 clo。实验中受试者位于测点1，即距离A室的外墙和外窗1 m处，且背对外墙而坐，模拟办公状态。

实验采用客观测试与主观问卷的方式进行，采集室内环境客观参数、受试者的主观感受及生理参数。实验中测量的环境参数包括A室的空气温度、相对湿度、流速、黑球辐射温度、围护结构内表面温度和1楼大厅的空气温度和相对湿度。

布置空气温度的测点时，主要考虑所关注的空间温度分布和不妨碍受试者进出实验室。在A室内共布置了2组测点，第1组测点(简称测点1)位于受试者附近，空气温度测点布置在距地面0.1、1.1 m高处，受试者在实验中距离外窗1.0 m；第2组测点(简称测点2)位于房间中心点，空气温度测点布置在距地面0.1、0.6、1.1 m高处，分别代表坐姿受试者的脚踝、腰部和头部。空气相对湿度、空气流速和黑球辐射温度测点布置在测点1距地面0.6 m高处。

生理参数包括皮肤温度、心率和血压等，皮肤温度测试部位为额头、背部、手背、手臂和小腿5个部位。心理反应包括受试者的整体热反应及与皮肤温度测点相对应的不同部位的局部热反应。受试者热感觉投票采用ASHRAE 7点连续标度，热舒适采用间断标度。

每次实验进行90 min，其中前30 min让受试者适应室内热环境，后60 min为实验阶段。受试者在实验过程中每隔10 min填写一次主观问卷，生理参数的采集频率为皮肤温度每隔5 min一次，血压和心率每隔30 min一次。环境客观参数每隔5 min自动采集一次。

由于本文重点关注外墙和外窗冷辐射对人体热舒适的影响，而课题组前期研究发现，与中性工况相比，稍凉工况中，受试者小腿等局部热感觉和整体热感觉具有显著性差异[6]。工况1受试者已经感觉到整体偏凉，是最不利工况。因此本文将重点分析工况1的实验结果。

3 实验结果分析

3.1 皮肤温度和热感觉投票

图2显示了工况1受试者各部位皮肤温度的变化曲线[6]。表2给出了19 ℃稍凉工况下20位受试者位于距离外墙和外窗1 m处的局部热感觉和全身(整体)热感觉投票值。由图2可知：手背的皮肤温度最低，因为手背是裸露在空气中的，但是表2中手背热感觉投票平均值并不是最小的，这是因为受试者处于工作状态时手的活动最频繁，因此手背不是全身感觉最不舒适的部位；此外，小腿的皮肤温度仅高于手背，且随着实验的进行，小腿的皮肤温度不断降低，从表2可以看到，小腿的平均热感觉投票值最小，即最不舒适，这是因为受试者在工作状态下，小腿几乎不动，受冷辐射影响较明显。根据图2和表2可知：在工况1(室温为19 ℃)，热感觉投票差异明显，额头、背部、手臂及手背热感觉投票接近热中性；而小腿热感觉投票值最小，为-1.2，接近稍凉。

图2 工况1受试者各部位皮肤温度变化曲线[6]

由表2可知，小腿部位对外墙和外窗冷辐射的影响最敏感。ISO 7730：2005和ASHRAE 55-2017标准推荐：室内热环境设计时不满意率取10%，此时PMV=-0.5～0.5。我国相关标准规定不满意率为20%，对应的热感觉投票值为-0.85～0.85。表2中20名受试者全身热感觉投票值的平均值为-0.82。因此，可认为该值是20%不满意率的下限值，此时对应的工况为最不利工况。

表2 工况1热感觉投票值

3.2 评价模型

根据工况1 20名受试者局部热感觉和整体热感觉的投票结果，采用逐步回归法计算得到局部热感觉对整体热感觉的影响权重，结果见表3。

表3 逐步回归模型系数检验结果

由表3可知：在距外墙1 m位置处，小腿和背部对整体热感觉的影响最显著；背部的影响权重略大于小腿，这是因为实验时受试者是背对外墙和外窗坐姿打字或看书，由于后背的面积较大，因此受外窗冷辐射影响较明显。采用逐步回归分析，得到局部与整体热感觉之间的关系式为

TSV=0.542TSVb+0.503TSVl-0.062 (1)

式中TSVb为背部热感觉；TSVl为小腿热感觉。

文献[6]综合了稍凉工况1和中性工况2的数据，采用主成分分析法得到冷辐射环境中的热感觉评价模型，其中额头、背部、手背、手臂和小腿的系数分别为0.18、0.28、0.33、0.33和0.33。额头的系数最小，对整体热感觉的影响也最小，而四肢包括手背、手臂和小腿的影响较大。尽管2个评价模型用的方法不同，但是均显现出小腿的热感觉对整体的影响较大。

对局部热感觉与全身热感觉投票进行线性拟合和差异性分析，结果如表4所示。由表4可知：小腿和背部的局部热感觉与整体热感觉的拟合关系相关性系数较大，这与两者的影响权重较大的结论是一致的；额头和手背的相关性系数较小，表明其对整体热感觉的影响不大；从显著性系数可见，局部热感觉与整体热感觉之间不存在明显的差异性。

表4 局部热感觉与全身热感觉投票线性拟合结果及显著性分析

4 冬季外墙和外窗内表面温度与室温之差限值分析

4.1 冷外墙和外窗内表面温度计算

通过前面分析可知，19 ℃稍凉工况下距离外墙和外窗1 m时，平均热感觉投票为-0.82，约20%的受试者已对热环境感到不满意，该工况为冬季最不利实验工况。为了定量分析该工况下外壁面温度对人体冷辐射的影响，采用面积加权法计算外墙和外窗构成的整个外壁面的温度。

根据实验室外墙与外窗的尺寸，采用面积加权法，可以计算得到实验室外墙和外窗的壁面加权平均温度，计算式如下：

ts=0.273twi+0.727twa

(2)

式中ts为外壁面平均温度，℃；twi、twa分别为外窗和外墙的内表面温度，℃。

实验过程中，外墙和外窗内表面布置多个温度测点，如图3所示。其中，在外墙左右两边对称的中心位置布置了2个测点，在外窗上均匀布置了6个测点。统计各测点的温度，并计算平均值，结果见表5。由表5可知，外窗6个测点在10次实验中的平均值为11.15 ℃，外墙2个测点的平均值为18.24 ℃，代入式(2)，计算得到稍凉工况下外壁面平均温度为16.3 ℃。

1～8.测点。图3 外墙和外窗冷壁面测点布置图[6](单位：mm)

表5 工况1外窗和外墙内表面温度 ℃

4.2 冷外墙和外窗内表面温度与室温之差

统计工况1室内空气温度(见表6)，以得到外墙和外窗内表面温度与室温之差。由表6可知，测点1和测点2处室内空气温度的平均值差别不大，即在距外墙1 m和距外墙2 m处的室内空气温度没有明显差别。

表6 工况1的室内空气温度结果统计 ℃

计算得到冷外墙和外窗内表面温度与受试者周围的平均室内空气温度之差为2.5 ℃，而在中间位置的室内空气温度与外壁面温度之差为2.6 ℃。由此得到，当室内人员处于靠近外墙的位置时，外壁面温度与室内空气温度之差不应大于2.6 ℃，否则室内人员会感觉不舒适。由于实验房间较小，实际应用时可以取二者之差为3 ℃。因此，规范中规定的外墙内表面温度与室内空气温度的差值小于3 ℃是合理的。

5 结论

1) 在距外墙和外窗1 m位置处，小腿的平均热感觉投票值最小，说明小腿对外墙和外窗冷辐射的影响最敏感。建立了最不利工况下人体全身热感觉和局部热感觉的相关性模型。

2) 室内空气温度为19 ℃的冷工况下，受试者距离外墙和外窗1 m时，平均热感觉投票为-0.82，满足小于20%不满意率的下限值。

3) 采用面积加权法计算得到了冬季冷外墙和外窗内壁面温度，该值与距离冷壁面1 m和2 m位置处的室温之差分别为2.5 ℃和2.6 ℃，验证了相关规范中规定的外墙内表面温度与室内空气温度的差值小于3 ℃是合理的。