江苏盐城地区居住建筑冬季室内热舒适研究

汤 莉 唐旻雨

1 背景介绍

随着经济发展、物质条件改善，人们对于居住热环境以及热舒适问题愈发关注，居住热环境舒适与否对居民的身心健康有着直接影响，因此对居住建筑的热舒适研究具有现实意义。我国评价室内热环境舒适与否的标准《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》（GB/T18049—2000）是基于国际通用的热舒适标准ISO 7730—1994进行等同采用形成的，但目前国际通用标准均是以实验室研究数据作为理论发展的基础，并未全面考虑到服装类别、地区气候、生活习惯、适用人群等所产生的动态差异[1]。

盐城市处于黄淮平原，气候受海洋影响较大，典型的夏热冬冷地区，冬季阴冷潮湿，室内热环境问题较为严重[2]。目前，我国学者对于夏热冬冷地区居住生活环境的研究多集中于夏季高温高湿的自然通风条件下，冬季阴冷潮湿的研究相对较少。为了提高该地区居住建筑室内热舒适性、改善室内热环境，本文选择冬季盐城市某小区为研究对象，进行跟踪调研，通过室内外热环境参数、居民生活习性和建筑设计等要素展开研究，以期获得受试居民的室内热中性温度、热舒适评价及湿感觉评价。

2 热舒适研究方案

2.1 样本选择

盐城市位于江苏省中部，全境为平原地貌，地理坐标为北纬32°34′～34°28′，东经119°27′～120°54′[3]。本文所研究的是具有北亚热带气候特征的以南地区，选取城镇中某住宅小区中分布最广的六层居民楼为研究对象。该小区筹建于2009年，框架结构，坐北朝南（南偏东17°），无供暖系统。虽然住户安装空调设备等进行自采暖，但本次测试结果与结论均在住户未使用采暖设备的情况下获得。室内功能空间组织以一层平面图为例（图1），测试时间为2021年2月19日至23日。

图1 居民楼一层平面图

2.2 现场测试

现场测试采用的是纵向研究法，在调研周期内对选定受试居民进行重复问卷和实测[4]。

（1）热环境参数

需要测试的室内热环境物理参数如下：空气温度和相对湿度，使用Testo 175H1温湿度记录仪进行测量；空气流速，使用Testo 425热敏风速仪进行测量；黑球温度，使用JTR04Z黑球温度记录仪进行测量，黑球直径150mm。进行现场测量前检查设置（表1）。室外温度则从中国气象站公开发布的气象数据资料中提取。

表1 测试仪器型号及精度

根据受试居民在各功能空间的活动频率，将测试选定住宅平面分为两个区域：Ⅰ区卧室，Ⅱ区餐厅，根据 JGJ/T347—2014《建筑热环境测试方法标准》布置测点，当房间面积小于16m2时，测点放置于房间平面对角线交点处[5]。其中空气温度和空气流速的测点距离地面1.1m，空气相对湿度和黑球温度的测点距离地面0.6m，均隔10min测试一次（图2）。

图2 室内测点布置

（2）问卷调查

为了保证对于所身处热环境主观感受的稳定性，要求居民在接受问卷调查测试之前保持相对稳定状态50min以上。受试居民均为本地居民，年龄跨度较大且中老年群体居多，共112人，男女人数比约为1∶1，平均年龄为45岁，已适应当地的气候变化。每天在固定时间段分发纸质问卷进行填写，其中包括居民的身高、体重、年龄、性别和服装热阻等基础信息，以及主观热湿感觉七级投票、调节措施等，共收回有效问卷416份（图3）。

图3 各年龄段问卷数量

3 结果与分析

3.1 室内外温度变化

图4表明：室内卧室与餐厅的温度升降趋势大致相近，随着室外温度的变化而变化，但幅度较小，说明围护结构的保温隔热性能良好，蓄热系数较大。虽然南向大面积开窗对卧室造成了一定的热损失，相较处于偏北位置的餐厅而言，整体温度还是稍高。室外平均温度为9.37℃，温度变化范围在-0.2～24.5℃之间，卧室与餐厅室内平均温度为11.47℃，温度变化范围在8.8～16.3℃之间，温度过低，不能满足住户的热舒适要求。

图4 室内外温度变化图

3.2 室内外湿度变化

图5表明：室内卧室与餐厅的湿度变化趋势大致相近，受室外气候变化影响，室内湿度整体呈上升趋势，但相较于室外湿度的波动幅度，室内湿度整体波动情况较为稳定。其中卧室在20日14：00出现了异于变化趋势的测试数值，根据询问得知是因住户偶然行为干扰所致，可以予以忽略。卧室与餐厅的平均湿度为58.58%，湿度变化范围在53.3%～65.4%之间，极差在10%左右，差距较小。大部分时间保持在国家室内空气质量标准所要求的30%～70%，能够满足室内湿度要求[6]。室外平均湿度为42.27%，湿度变化范围在16%～81%之间。室内外热环境参数参看表2。

图5 室内外湿度变化图

表2 冬季室内外热环境参数

3.3 问卷调查结果

（1）服装热阻与新陈代谢率

调研时间为2月19日—23日，整体气温相较于一月份来说逐步回升，但不稳定，期间气象台发布过蓝色寒潮预警，并且由于室内未使用采暖设备进行温度调节，因此居民普遍保持冬季的穿衣习惯。问卷调查中显示居民的服装热阻范围在1.17～2.62，数值波动区间弹性大，平均值为1.65，分布频率如图6所示：服装热阻集中在1.5～2.5（约占81.3%）。理论研究表明：在舒适条件下女性新陈代谢率较男性稍低，汗蒸发量比男性低4g/m2×h，体表温度低约0.2℃，因此男性服装热阻平均值相比于女性而言较高[7]。但从图6中可以看出，女性服装热阻的分布频率比男性更集中于高数值阶段，这与上述理论成果相悖。究其原因，可以结合Rohles、Fanger 、Nevins、Johnson的实验研究结果来看：不同年龄阶段的人群热舒适结果并没有显著差异，对于老年群体倾向于较高室温环境现象的合理解释是老年群体身体机能下降、基础新陈代谢下降、活动量小，寒冷季节对人体所造成的热损失需要依靠增加服装热阻来平衡。而此次调研的女性受访居民中高龄群体所占整体比例稍高，所以出现了服装热阻高数值集聚现象。此外，还应该考虑到座椅本身对人体的附加热阻，但受试居民在接受调查问卷时所坐的大多是无复杂造型、无特殊材质的座椅，因此座椅的热阻增值可以忽略不计。

图6 居民服装热阻分布频率

人体的新陈代谢值与活动强度成正比，根据统计受试居民各时段的活动强度可知，大多保持着轻微活动状态，因此根据ASHRAE 55-2004的活动水平表格图7，选择1.2met作为受试居民的新陈代谢率[8]。

图7 不同活动强度下的代谢率

（2）热中性温度及热感觉

为分析居民实际热感觉和热环境参数之间的联系，将调查样本以温度频率法进行分组，将MTS（Mean Thermal Sensation）设定为因变量，操作温度t0设定为自变量[9]。操作温度根据ASHRAE Standard 55-2013中规定：当人体新陈代谢率在1.0～1.3met的数值区间，且无阳光直射、平均空气流速小于0.2m/s、平均辐射温度和平均空气温度相差小于4℃时，操作温度可以按照下列计算[10]。计算公式为：

式中：t0为操作温度；tmr为平均辐射温度；ta为室内空气温度；tg为黑球温度；由于冬季室外温度低且室内未采暖，居民为了御寒而紧闭门窗，所测得的空气流速V在0.15以下，符合ASHRAE标准的规定，但由于人体对空气流速的最低感觉阈限为0.2m/s，低于此数值不会对人体形成吹风感，故风速对人体热感觉的影响程度可以忽略不计。

MTS与t0的关系通过线性拟合得到方程式：

从图8可以看出，PW V的斜率明显低于MTS。当MTS=0时，实测热中性温度为13.6℃；当PWV=0时，预测热中性温度为14.2℃，预测比实测高0.6℃。由以上结果可得知：无论实测还是预测的热中性温度均未达到国家对于冬季室内热舒适温度所要求的16℃，主要原因是受试居民普遍通过增加服装热阻来调节，再辅之以周期性的行为调节和心理适应，对于偏冷环境形成了一定程度的低温适应性，如果室内温度升高反而会有不舒适的感受[11]。

图8 冬季热感觉与操作温度to关系图

3.3 湿感觉

将受试居民对冬季住宅室内相对湿度的湿感觉HVS（Humidity Sensation Vote）设定为因变量，室内相对湿度设定为自变量，关系对比如图9所示，通过线性拟合分别得到Ⅰ区卧室、Ⅱ区餐厅的方程式：

图9 冬季湿感觉与室内相对湿度关系图

从图中不难看出，测试期间卧室、餐厅的受试居民湿感觉投票值与室内相对湿度的线性拟合斜率数值低，相关性不强，投票值集中在±1区间内，这表明受试居民对其所处热环境的相对湿度为适中感受[6]。这也从侧面印证了文献结论的正确性：仅极端条件下相对湿度变化会影响人体产生热感觉[12]。

4 讨论

4.1 改善室外环境

室内空间布局与居民的个人习惯、生活作息相关，难以给出统一改进措施，提升空间有限，但是能够从室外小区环境的景观、绿化、公共空间设计等层面提出具有可操作性的建议[13]。首先，可以通过改善小区风环境。目前该小区内的绿化建设基本是以草地为主，树木基本未种植，既缺少观赏性，又缺少能够抵御冬季季风的屏障。盐城地区位于江苏省中东部，冬季盛行来自亚洲大陆内部的西北风，可以在此方向上多种植常青树进行遮挡，也可以起到一定的隔声作用。

另一方面，通过改善公共空间设计来有效提高居民，特别是中老年居民的热适应能力。调研显示，社区居民里中老年人群所占比例较高，考虑到他们代谢机能下降，御寒能力衰退等原因，应该适当增加邻里交流互动空间，提供休憩娱乐的场地，有效提高他们生理、心理的适应性，例如可以将楼栋之间的闲置空间充分利用，设计为这样的交流空间。

4.2 窗户改进措施

调研对象的窗墙比偏高，应选用气密性好的厚12mm的中空双层玻璃和传热系数小的窗框，减少冬季大面积开窗所造成的冷风渗透和冷辐射，增强保温性能，维持室内舒适温度[14]。调研中发现由于冬季寒冷的室外气温，居民大多时间紧闭门窗，长此以往室内空气流动性低，污染物浓度升高，空气品质降低，对于老年人、儿童以及患有心肺疾病的敏感人群存在潜在风险，所以在气温适宜的情况下需要勤开窗通风。另受试居民使用的大多为推拉窗，有效利用率低，开启面积只有一半，可以在活动频率高的房间安装平开窗，增加开启面积、加强通风效果的同时还能够缩短通风时间。

4.3 采暖设备设置

此次冬季调研中，受试居民未采用悬挂式空调进行技术调节，询问以往的使用频率和情况得知：这类设备服务区域有限，每户需要安装多个才能够保证不同空间温度的适宜性，水平方向温度分布不均，极易出现局部区域过热，能源浪费的情况。除了调低设定温度减少能耗、均匀温度的传统方法之外，还可以采用热舒适指标控制空调的方式进行温度调节[15]。

结语

①冬季调研期间盐城市室外天气状况复杂、室内外温差较大，室内未采取自采暖措施，且受试居民因年龄增长新陈代谢率有所下降，使得居民平均服装热阻保持在1.65clo，高于ASHRAE-2013中0.9clo的冬季标准服装热阻值。

②受试居民对于冬季室内热环境的不满意率较高，室内热中性温度低于国家冬季规定的16℃，但通过服装热阻、心理期望等调节措施，居民对于偏冷的室内环境具备一定的耐受性。

③受试居民预测热中性温度为14.2℃，实测热中性温度为13.6℃，如果通过PMV模型来预测居民冬季室内的热舒适温度，会出现一定程度的偏离；且居民对实测中存在的10%～12%的湿度差别不敏感，因此不需要进行湿度修正。

资料来源：

文中图表均为作者自绘。