寒冷地区不同气候类型自然通风环境的人体热适应研究*

2021-11-10哈尔滨工业大学寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室

暖通空调 2021年10期

关键词：温带室内空气中性

哈尔滨工业大学寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室

尹佳星☆ 王昭俊△ 苏小文杨宇鑫

西安建筑科技大学翟永超

清华大学曹彬

大连理工大学端木琳

上海交通大学连之伟

华南理工大学张宇峰

同济大学周翔

北京工业大学谢静超

0 引言

从20世纪80年代开始，我国学者在全国陆续开展了自然通风条件下的人体热舒适研究。夏一哉等人对北京市夏季自然通风住宅进行了现场研究，得到该地区80%居民可接受的热环境温度上限为30 ℃[1]；刘晶对重庆市自然通风建筑进行了为期1年的现场调研，得到该地区各季节的室内舒适温度区间[2]；Wang等人通过现场调研，得到哈尔滨市夏季自然通风住宅的热环境及热舒适基础数据，并建立了人体热适应模型[3]；白鲁建等人对西安市居住建筑过渡季室内热环境进行了现场研究，通过分析数据得到了该地区居民的热中性温度[4]；端木琳等人系统总结了不同气候区、不同类型建筑的热舒适范围及热中性温度[5-6]。

GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》将我国划分为5个热工分区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区[7]。而我国地域辽阔，同一热工分区、地理位置不同的城市气候差别较大。因此，有必要对寒冷地区不同气候类型的自然通风环境下人体热适应性展开研究，以探求相同热工分区、不同气候特点对人体热适应的影响。

本文基于“十三五”国家重点研发计划项目“建筑节能设计基础参数研究”得到的全国热舒适调研数据集，采用现场测试与主观问卷调查相结合的方法，对寒冷地区3种气候类型的典型城市自然通风环境人体热舒适与热适应的差异性进行研究。

1 代表性城市气候特点

根据气候特点不同，寒冷地区主要包括温带季风气候区、温带大陆性气候区及高原山地气候区，其中温带季风气候区又可分为温带大陆性季风气候区与温带海洋性季风气候区[8]。数据库中寒冷地区的城市有西安、北京、郑州、大连、吐鲁番等。其中，西安市为温带大陆性季风气候的代表性城市，大连市为温带海洋性季风气候的代表性城市，吐鲁番市为温带大陆性荒漠气候的代表性城市[9]。图1显示了西安市、大连市和吐鲁番市的室外月平均空气温度的变化。

图1 西安市、大连市、吐鲁番市的室外月平均温度

西安市四季分明，年气温差较大。西安市全年日照时间为1 500 h左右，全年风速较低，年最多风向为东北风。年平均气温为13.5 ℃，最热月7月的平均温度为26.7 ℃，日最高温度可达到37.9 ℃。

大连市因受海洋的影响，夏无酷暑、冬无严寒，全年日照总时间为2 500～2 800 h，4月平均风速最大，为5.5 m/s，8月平均风速最小，为3.9 m/s。年平均气温为11 ℃，最热月8月平均温度为24.6 ℃，日最高温度为30.1 ℃。

吐鲁番市纬度较高，四季气候变化明显，夏季炎热、冬季较冷，年气温差很大。极度干旱，年平均降水量不足20 mm，全年日照时间约为3 200 h。全年有100余天风力超过8级，最大风力能达到12级以上。年平均气温为15.4 ℃，最热月7月的平均温度为32.8 ℃，日最高温度可达44.6 ℃。

2 研究方法

2.1 样本选择

本研究使用的热环境参数现场测试数据及人体主观热感受数据均来自“十三五”国家重点研发计划项目“建筑节能设计基础参数研究”获得和共享的全国热舒适调研数据集。从全国热舒适数据集中筛选出寒冷地区自然通风环境(非供暖供冷季)的有效样本数据共2 505组，具体调查时期与数据量见表1。受试者的年龄为20～60岁，建筑类型主要为住宅和办公建筑，并基本覆盖各种朝向、楼层、户型等。

表1 调研数据基本信息统计

2.2 热环境参数测试

室外热环境的基本测试参数包括空气温度、湿度及风速；室内热环境的基本测试参数包括空气温度、空气湿度、空气流速、黑球温度及房间各表面平均温度。

2.3 主观问卷调查

主观问卷参照ASHRAE Standard 55-2017[10]推荐的热环境满意度问卷，内容主要包括受试者基本情况、室内热感觉和满意度、住宅的基本情况等信息。其中，受试者基本情况包括性别、年龄、身高、体重、居住时间、衣着情况、活动状态等，热感觉投票值(TSV)采用ASHRAE的七级分度指标(-3冷、-2凉、-1稍凉、0中性、1稍暖、2暖、3热)，住宅与办公建筑的基本情况主要统计楼层、朝向等信息。

2.4 数据处理方法

在现场调查中，详细记录了每位受试者当时的衣着情况及座椅形式，并根据ASHRAE Standard 55-2017标准计算出受试者的服装热阻。本文研究的样本均是在住宅和办公建筑中获得的，调查时受试者一般坐着填写调查问卷，因此新陈代谢率一般取值1.0～1.2 met。

3 测试结果与分析

3.1 室内空气温度

3种气候类型的典型城市室内空气温度实测数据的统计结果见表2。

表2 3种典型城市自然通风建筑室内空气温度统计 ℃

自然通风环境中，温带大陆性荒漠气候的代表城市——吐鲁番的室内空气温度要明显高于其他气候类型的城市，也明显超出了ASHRAE标准规定的自然通风建筑热舒适范围。此外，吐鲁番市的室内空气温度的标准偏差较大，达到6.3 ℃。大连市实测的室内空气温度的标准偏差较小，只有0.7 ℃。结合图1分析可知，该现象与各气候类型城市的室外气温变化特点有关，在自然通风条件下，室内空气温度受室外气候影响较大。

3.2 人体热感觉参数

图2显示了3个典型城市受试者的热感觉分布频率。西安市与大连市的人体热感觉分布频率近似为正态分布。由于温带大陆性荒漠气候区夏季最热月的平均气温高达32.8 ℃，测试时期吐鲁番市多数居民表示偏热。当热感觉投票值TSV为-1、0、1时，认为人体是热可接受的[11]。在自然通风环境下3个典型城市的大多数居民对室内热环境表示满意。大连市受试者对环境的满意率最高，为96.2%；西安市其次，为89.0%；吐鲁番市受试者对环境的满意率最低，只有77.6%。

图2 3个典型城市人体热感觉分布频率

3.3 自然通风环境的人体热中性温度

采用Bin法(温度频率法)对寒冷地区3种气候类型的自然通风建筑中夏季和过渡季的人体热中性温度进行分析，结果如表3所示。温带大陆性荒漠气候的人体热中性温度明显较高，这为人体对气候的适应性提供了证据。

表3 寒冷地区自然通风建筑人体热感觉评价模型

3.4 热适应模型与室内可接受温度区间

基于de Dear教授提出的热适应模型的基本形式，适用于我国寒冷地区3种气候类型自然通风建筑的人体热适应模型见图3。

图3 寒冷地区3种气候类型的人体热适应模型

其中，由于温带海洋性季风气候类型的数据测试时间过于单一，无法直接推导出人体热适应模型，因此本文引用了该气候类型已有的研究成果作为补充[12-13]。

温带大陆性季风气候、温带海洋性季风气候与温带大陆性荒漠气候热适应模型适用的室外空气温度范围分别为：13～28、5～26、23～41 ℃。

对比分析可知：温带大陆性季风气候、温带海洋性季风气候和温带大陆性荒漠气候热适应模型方程的斜率分别为0.290 4、0.160 4和0.419 0，表现为沿海到内陆的斜率依次增大，人体对环境变化越来越敏感。这可能是因为温带海洋性季风气候全年较为温和，夏无酷暑、冬无严寒，所以人体对热环境的敏感性较弱。而温带大陆性季风气候与温带大陆性荒漠气候的日温差和年温差较大。当室外温度发生变化时，人体会更积极地改变自身热中性温度，以使自己适应恶劣的室外环境。说明海洋性气候由于室外气温全年变化相对其他气候类型小，因此人们对热环境敏感性较差，这为人体对气候的适应性提供了证据。

根据ASHRAE Standard 55-2017[10]，以热中性温度为中心，90%的人可接受的舒适区宽度为5 ℃，80%的人可接受的舒适区宽度为7 ℃。不同气候类型的人体可接受温度区间见表4。夏季吐鲁番市居民的热中性温度最高可达28.0 ℃，80%的人可接受温度上限为31.5 ℃，均高于其他2种气候类型的典型城市。究其原因，可能由于夏季的温带大陆性荒漠气候具有极端高温天气，使得当地居民对高温的适应能力更强，可以承受温度的上限更高，这在一定程度上体现了人体对室外气候的适应性。