基于不同功能房间的宁夏乡村民居冬季室内热舒适研究

2021-09-03范小娜朱轶韵桑国臣崔晓玲

西安理工大学学报 2021年2期

范小娜，朱轶韵，桑国臣，崔晓玲

(西安理工大学土木建筑工程学院，陕西西安 710048)

据统计，人们每天大约80%的时间在室内度过，尤其是老、弱、病、残群体。因此，室内环境质量的好坏直接影响着人们的工作效率与健康幸福[1-2]。

迄今为止，国内外不少学者开展了关于热舒适的研究，但现有的室内热舒适研究理论还不完善。ISO-7730[3]和ASHRAE 55-2013[4]热舒适标准虽已广泛应用于国际，但这两个标准并没有充分考虑气候变化、适用人口和文化习惯等因素造成的差异。同时，大量研究[5-9]表明，不同国家或地区的居民对室内热环境的适应能力、行为调节能力和心理热期望等均有所差异。

中国是一个快速发展中国家，其建筑业正在经历着高速的发展与创新，但现有的室内热舒适理论不够完善，农村地区建筑节能与室内热舒适改善之间的矛盾仍然突出[10-13]。现有研究多以城市居住建筑和办公建筑为研究对象[14-19]，对农村建筑的研究也主要集中在热环境的测试和围护结构的优化等方面[20-24]，而对农村建筑室内热舒适性较少研究。另外，现有研究通常将建筑的室内空间视为一个整体[25-27]，这一假设虽然有利于简化建筑热工分析过程，但对不同功能房间的差异化热舒适需求考虑不足。鉴于此，应立足我国国情，因地制宜地开展室内热舒适研究，尤其是基于不同功能房间的乡村民居室内热舒适研究。

宁夏中卫位于宁夏回族自治区中西部，具有典型的宁夏地域特色。该地区在建筑热工分区上属于寒冷地区，其自然条件差、生态环境脆弱、生产力落后[23]。冬季日照充足，昼夜温差大[28]。当地乡村民居多为近似正方形的单层独立式住宅。房间多为南北朝向且沿东西向一字排开。近年来，随着居民经济收入的增加和生活质量的提高，大批新建住宅涌现。但由于设计与建造过程中缺乏科学的理论指导，室内热环境不理想、采暖能耗高以及居民满意度低仍是不争的事实。

本文以宁夏中卫地区代表性乡村民居为例，了解了宁夏地区乡村民居冬季室内外热环境、室内采暖用能情况和居民对不同功能房间的热舒适需求特性，提出了适宜当地乡村民居的冬季室内热舒适温度。该研究可为宁夏地区及同类地区乡村民居的设计、评价与施工提供参考。

1 研究方法

1.1 参数测试

2015年1月17日，课题组对当地代表性民居(见图1)进行了室内外热环境测试。测试民居外墙为 370 mm，内墙为 240 mm。外墙用10 mm厚白色瓷砖饰面，内墙用石灰砂浆粉刷。屋顶形式为坡屋顶，仅有卧室做了石膏板吊顶。测试的卧室南向外墙上设置了两个2.2 m × 1.8 m的单层铝合金窗，储物间南向外墙上设置了一个2.0 m × 1.8 m的单层铝合金窗。房间的外门均为单层铝合金门，冬季外饰厚布帘子。白天时段，卧室和储物间的开窗率分别为0.33和0.2，活动人数分别为2～3和0～1。晚上时段，卧室和储物间的窗户均处于关闭状态，人员数分别为3和0。房间的外门仅在居民进出室内时开启，随后立即关闭。测试期间天气晴朗，仅有卧室采用了采暖设施(煤炉)，运行时间为早上6：00—晚上10：00。

图1 代表性民居的平面图及测点分布Fig.1 Plan and distribution of measuring points of representative building

测试参数包括室外空气温度(outdoor air temperature, OAT)，太阳辐射强度(solar radiation intensity, SRI)，室内空气温度(indoor air temperature, IAT)，室内相对湿度(indoor relative humidity, IRH)，室内平均辐射温度(indoor mean radiant temperature, IMRT)，室内空气流速(indoor air velocity, IAV)。按照居民对房间的使用意愿和使用频率，房间被分为两大类：主要功能房间(例如卧室)和次要功能房间(例如储物间)。

采用JTDL-4型太阳辐射仪测量SRI,仪器的灵敏度为0.1 W/m2，测量范围为0～2 000 W/m2。测点布置在室外开阔且无遮挡处，用符号“■”表示。测点的监测周期为24 h，采集间隔为1 h。

采用TESTO175-H型温湿度自记仪测量OAT、IAT和IRH，测点用符号“▲”表示。仪器的测量精度为±0.4 ℃/ ±2%，测量范围为-20 ℃～55 ℃/ 0%～100%。室外测点位于室外背阴且距地面1.5 m处。室内测点位于房间中心且距地面1.5 m处。上述测点的监测周期为24 h，采集间隔为10 min。

采用HQZY-1型黑球温度自记仪测量IMRT，测点用符号“●”表示。仪器的测量精度为±0.3 ℃，测量范围为-20 ℃～80 ℃。采用ZRQF-D30型热球风速仪测量IAV，仪器的测量精度为±(4%U ± 0.1) m/s，测量范围为0.05～30 m/s，测点用符号“◆”表示。由于担心黑球温度自记仪和热线风速仪长时间放置室内会给居民生活带来不便。因此，IMRT和IAV的测量是通过间歇性试验进行的，测点布置在房间中心且距地面1.5 m处。

上述所有测点的分布见图1。

1.2 问卷调查

此次调研，对当地170名受访者进行了问卷，男性92人(占54.1%)，女性78人(占45.9%)，获得有效问卷163份。调查内容包括：①服装热阻(clothing thermal resistance, CTR)与新陈代谢率(metabolic Rate, MR)；②热感觉(thermal sensation, TS)，TS投票值采用ASHRAE的7级标尺定义[4]，TS投票表现为冷，凉，稍凉，适中，稍暖，暖，热时，TS等级分别为-3，-2，-1，0，1，2，3；③热期望(thermal expectation, TE)、热接受率(thermal acceptance rate, TAR)及热中性温度(thermal neutral temperature, TNT)。

2 结果与分析

2.1 室内外热环境现状

2.1.1室外热环境参数

OAT和SRI的变化情况，分别见图2和图3。由图2可知，上午8:30—下午5:00，OAT呈上升趋势，下午5:00—次日8:30，OAT呈下降趋势。OAT的日平均值为-2.7 ℃，变化范围为-7.6 ℃～2.5 ℃。可知，该地区冬季寒冷，日温差较大。由图3可知，当地冬季持续日照时间约为11 h，SRI的平均值为286 W/m2，总辐射强度为544.8 W/m2，散射辐射强度为124.9 W/m2。可见，该地区日照时间较长且SRI较高，具有发展太阳能建筑的地域优势。

图2 OAT变化Fig.2 Change of OAT

图3 SRI的变化Fig.3 Change of SRI

2.1.2室内热环境参数

IAT和IRH的变化情况，见图4。

图4 IAT和IRH的变化Fig.4 Change of IAT and IRH

由图4可知，主次功能房间的室内相对湿度分别在35% ～ 52%和30% ～ 43%的范围内变化，满足人体的热舒适需求[14]。但主次功能房间的室内温度均偏低且相互间的温度差较大。主次功能房间室内温度平均值分别为9.5 ℃和4.0 ℃，两者间的温差值为5.5 ℃。可见，冬季室内相对湿度适中，但该地区民居冬季室内温度低，且不同功能房间的温度差较大。

以此同时，多次间歇性试验发现，室内平均辐射温度与室内空气温度近似相等，室内流速在0.05～0.13 m/s之间，平均值为0.1 m/s。

物理测试期间，还调查了居民对室内热舒适的满意度和室内采暖用能等情况。调查发现，当地乡村民居大多选择煤炭作为供暖的燃料，采暖期间每户的消耗量约为4.0 t。即便如此，当地68%的居民认为房间室内温度过低。此外，调查还发现，当地72%的居民认为次要功能房间的室内舒适温度可比主要功能房间低2 ℃～3 ℃，这点与文献[29-30]的研究结果一致。

综上可见，该地区乡村民居冬季室内热环境差、采暖能耗高，但具有发展太阳能建筑的优势。居民对室内热舒适的满意度低，且居民对不同功能房间的热舒适需求有所差异。为提高乡村建筑室内热舒适和降低能源消耗，本文后续详细分析了居民对不同功能房间的室内热舒适需求特性。

2.2 不同功能房间的室内热舒适特性

2.2.1居民CTR和MR

着衣量是影响人体热舒适的重要因素之一。本次调研对不同功能房间居民的服装热阻做了统计，根据ASHRAE 55-2013标准[4]，得到居民服装热阻的百分比，见图5，其中1 clo = 0.155 m2·K/W。

图5 不同功能房间居民CTR的百分率Fig.5 Percentage of residents’ CTR in different function rooms

由图5可见，在冬季，主要功能房间的居民CTR集中在1.5～1.7 clo(约占58.2%)，平均值为1.6 clo；次要功能房间的居民CTR集中在1.7～1.9 clo(约占57.8%)，平均值为1.8 clo。造成这种差异的主要原因是，该地区属寒冷地区，冬季应对室内进行采暖，但受经济条件的制约，大多民居选择仅对主要功能房间进行采暖。因此，当居民从主要功能房间进入次要功能房间或室外时，会习惯性的再加一件厚外套，以调节自身的热平衡与环境相适应。另外，与ASHRAE 55-2013标准中的0.9 clo相比，宁夏乡村居民的服装热阻明显较高。主要原因是冬季室内热环境不理想，当地居民改善热环境的的经济能力较弱。因此，居民选择穿较多的衣物，以满足人体的热舒适需求。综上可见，宁夏乡村居民的冬季CTR较大，且不同功能房间的居民CTR相差较大。

调研还可知，冬季白天，居民在主要功能房间的主要活动是看电视、闲聊，而次要功能房间为缝纫、烹饪。可见，冬季白天，宁夏乡村居民在不同功能房间的活动量是有所不同。参照文献[31]可知，居民在主次功能房间的MR分别为85 W/m2和95 W/m2。

综上可知，居民在主次功能房间的CTR和MR均有所不同。

2.2.2居民TS、TAR、TE和TNT

a) TS与TAR

居民TS投票值为-1、0或者1时，表明热环境是可接受，统计获得其百分率，见图6。

图6 TS投票的百分率Fig.6 Percentage of TS voting

由图6可知，对于主要功能房间，居民TS投票为-1，0，1的样本分别占16.8%，10%，3%，即居民对主要功能房间室内热环境的TAR为29.8%。对于次要功能房间，居民TS投票为-1，0，1的样本分别占20.1%，11.3%，4.7%，即居民对次要功能房间室内热环境的TAR为36.1%。可见，当地乡村居民对现有室内热环境的满意度低。另外，与主要功能房间相比，居民对次要功能房间的室内热舒适需求较低。

b) TNT与TE

将平均热感觉(mean thermal sensation, MTS)投票值与与IAT进行线性回归，拟合结果见图7。由图7可知，主要功能房间MTS-IAT的相关系数R2为0.901，次要功能房间MTS-IAT的相关系数R2为0.930，表明采用MTS可以很好地预测主次功能房间人体的热感觉。另外，与次要功能房间相比，主要功能房间的MTS-IAT拟合线斜率更为陡斜，表示对IAT变化的敏感度更高。

图7 MTS与IAT的线性拟合Fig.7 The linear fitting of MTS with IAT

进一步由图7可知，主次功能房间的IAT相等时，居民对主要功能房间的TS投票值略低于次要功能房。当MTS=0时，主次功能房间的TNT分别为11.3 ℃和10.0 ℃。可见，在冬季，居民对主要功能房间的热舒适需求要高于次要功能房间。

另外，课题组还对居民的心理热期望进行了调查，设有“希望变暖”、“保持现状”和“希望变凉”3个选项，统计结果见图8。

由图8(a)可见，在冬季，主要功能房间室内温度不高于8 ℃时，居民均希望室内变暖；而当室内温度达到10 ℃时，有超过50%的居民均希望室内保持现状。由图8(b)可见，当次要功能房间室内温度不高于6 ℃时，居民均希望室内变暖；当室内温度达到10 ℃时，有50%的居民希望室内保持现状，而当室内温度达到14 ℃时，开始有居民希望室内变凉。可见，相对于次要功能房间，居民对主要功能房间的心理热期望更高。

综上可见，在冬季，宁夏乡村居民对不同功能房间的室内热舒适需求是有所不同的。

3 主观温度计算和舒适温度区间确定

目前，国际上广泛应用的室内热环境评价指标是Fanger[31]经过多年研究提出的PMV-PPD指标，该指标已被国际标准化组织ISO颁布的ISSO-7730标准采用。但我国许多研究表明，室内热环境标准定为PMV=-0.5～+0.5，不适于我国大部分地区，且亦无必要[32]。Mcintyre[33]经过多年的研究，提出Tsub作为室内热舒适评价指标。该环境被定义为IAT = IMRT，IAV=0.1 m/s，相对湿度约为50%。该环境能够产生与实际环境相同的温度感，意味着以Tsub作为室内热舒适评价指标可以很好地指导建筑热工设计。通过以上分析，认为Tsub作为室内热环境评价指标是有效可行的。在允许的误差范围内，Tsub可以由下式得出[33]：

Tsub=33.5-3Rclo-(0.08+0.05Rclo)M

(1)

式中：M为新陈代谢率CTR(W/m2)；Rclo为服装总热阻MR。

居民在主次功能房间的CTR和MR由前文分析可知，进一步代入式(1)获得不同功能房间的Tsub。

主要功能房间：

Tsub=33.5-3Rclo-(0.08+0.05Rclo)M=

33.5-3×1.6-(0.08+0.05×1.6)×85=

15.1

(2)

次要功能房间：

Tsub=33.5-3Rclo-(0.08+0.05Rclo)M=

33.5-3×1.8-(0.08+0.05×1.8)×95=