西安地区开放式办公建筑夏季人体热舒适调查研究*

赵胜凯 杨 柳 高斯如 翟永超

(西安建筑科技大学,西安)

0 引言

根据国际能源署对建筑行业能源使用与二氧化碳排放的统计,2018年建筑行业能耗占全球能耗的1/3以上,与能源相关的二氧化碳排放中约40%来自建筑运营过程[1]。众所周知,空调系统是办公建筑能耗的主要来源,导致了建筑运行阶段二氧化碳的大量排放。当前中国办公建筑空调系统耗电量约占总耗电量的50%[2]。在实现我国“双碳目标”的背景下,既能降低建筑能耗又能提供舒适健康的室内热环境是我们需要解决的问题,那么为夏季办公建筑制定合理的室内热环境设计参数显得尤为重要。

目前,我国GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[3]中对夏季办公空调建筑规定的舒适区间分为2个等级:Ⅰ级为24≤ta≤26 ℃,40%≤φ≤60%(其中ta、φ分别为空气温度和相对湿度);Ⅱ级为26

目前已有不少学者对办公建筑的室内热环境和人体热舒适进行了调研。大多数的研究发现夏季办公建筑室内存在过冷的现象,但过冷的室内热环境并不一定会给办公人群带来较高的满意度,这种做法不仅是一种能源浪费的表现,而且产生的不适感也会影响人员的生产力和健康[6-7]。de Dear等人发现新加坡办公楼的室内热环境普遍符合热舒适标准[8]。Rupp等人对巴西夏季办公楼的调研结果显示室内舒适温度的范围比ASHRAE 55-2020[4]建议的范围更宽[9]。中国香港夏季办公楼的中性温度为23.5 ℃[10],而中国台湾中性温度比香港高2 ℃[11]。徐诚等人对长沙地区集中空调办公建筑调研发现,夏季人们更偏好凉爽的室内热环境,且有70%的受访者会使用个性化风扇来提高自身热舒适[12]。Liu等人在夏热冬冷地区办公建筑中研究发现,夏季不同的室内设定温度对建筑能耗影响较大[13]。石嘉怡等人对寒冷气候区办公建筑进行的热舒适调查研究发现,办公建筑人群比同地区居住建筑人群有更强的室外气候适应能力[14]。Jia等人以天津市混合运行办公建筑为研究对象,进行了为期1年的实地调研,发现热适应模型对于混合运行建筑室内热环境有较好的适用性[15]。

由上述可知,目前对西安夏季空调办公建筑的热舒适研究较少。此外,不同气候区夏季办公空调建筑的中性温度差异并不像自由运行建筑那么显著,对于西安地区夏季办公建筑人体热舒适需求是否与其他气候区存在差异性,并没有明确的答案。因此,笔者以西安地区6栋典型开放式办公建筑为研究对象,通过物理环境参数测试和主观问卷调查相结合的方式进行了现场调研,分析了实际办公建筑中人员的热舒适需求,并将调研结果与现有标准及其他气候区已有研究进行对比。以期为西安地区办公建筑夏季空调系统的设计和运行提供理论参考与依据。

1 研究方法

1.1 调研对象概况

西安地区属于我国热工分区中的寒冷气候区,暖温带半湿润大陆性季风气候,四季分明,雨量适中。选取西安地区6栋典型开放式办公建筑作为调研对象,调研时间为2019年6—8月,调研办公区域的面积主要分布在500～1 000 m2之间,调研的所有办公楼均采用集中空调系统。调研期间室外空气温度在19.8～41.7 ℃之间,平均空气温度为28.9 ℃;相对湿度主要分布在17.2%～100%之间,平均相对湿度为66.0%。

1.2 受访者基本信息

受访者详细背景信息见表1。本次调研共收回1 200份有效问卷。性别比例方面,男性共640份,女性共560份;年龄构成方面,受访人员的年龄集中在24～40岁,平均年龄为28岁,平均体质量为64.6 kg。

表1 受访者基本信息

1.3 室内热环境测试

室内热环境测试参数包括室内空气温度、相对湿度、黑球温度、空气流速、CO2浓度和不对称辐射温度等。其中,空气温度、相对湿度、黑球温度和空气流速的测试高度分别为0.1、0.6、1.1 m;CO2浓度的测试高度为1.1 m;平均辐射温度通过自制的2个半黑球测试,测试高度为0.6 m。为了保证测试环境参数的可靠性,每个位置的测量时间均不短于10 min。测试仪器放在受访者附近0.5 m位置进行测试。表2显示了热环境测试仪器的型号、测试范围及精度。所有测量仪器的精度和响应时间均符合国际标准ISO 7726:1998[18]的规定和测试要求。

表2 热环境测试仪器型号、测试范围及精度

1.4 主观问卷

本次调研采用纸质问卷。调研问卷主要包含两部分内容:1) 受访者基本信息,包括身高、体质量、年龄、性别、着装和过去15 min内的活动状态;2) 主观评价,包括热感觉投票(TSV)、热可接受度投票(TAV)、温度偏好投票(TPV)和气流偏好投票等,各标尺的评价量表见表3。室内热环境参数测试和主观评价同时同地进行。

表3 主观评价标尺

1.5 数据处理

本研究中涉及到了操作温度、不对称辐射温度、竖直温差、平均辐射温度等评价指标。操作温度top的计算公式为:top=0.5(ta+tr),其中tr为平均辐射温度。平均辐射温度tr的计算公式为:tr=[(tg+273)4+2.5×108v0.6(tg-ta)]1/4-273,其中tg为黑球温度,v为空气流速。竖直温差为头部与脚踝温度之差。服装热阻值和代谢率值的计算参照ASHRAE 55-2020[4]和ISO 7730:2005[19]标准进行取值,在计算服装热阻时加上标准办公座椅0.1 clo。热适应模型中室外温度的计算参考ASHRAE 55-2020[4]标准中室外7天平滑周温度,计算公式为

tout=(1-α)[te(d-1)+αte(d-2)+…+α7te(d-8)]

(1)

式中tout为计算日的平滑周温度,℃;te(d-1)、te(d-2)、te(d-8)分别为计算日前1天、前2天、前8天的室外日平均温度,℃;α为系数,反映过去温度衰减的影响率,取值为0.8。

2 结果分析

2.1 室内热环境参数

测试期间各项室内热环境参数分布如图1所示。夏季空调办公建筑室内空气温度集中在22.8～28.8 ℃,平均空气温度为25.8 ℃;相对湿度集中在40%～80%,平均相对湿度为60.7%;与GB 50736—2012[3]的夏季空调舒适范围(24≤ta≤28 ℃,40%≤φ≤70%)对比发现,分别有90%的室内空气温度和86%的相对湿度落在了标准范围内。由于夏季办公楼外窗和外墙受到太阳辐射和室外高温的影响,室内不对称辐射温度集中在0～4 ℃,说明夏季办公建筑辐射对室内热环境的影响较为明显;从竖直温差结果来看,室内空气温度并没有明显的分层现象。室内空气流速大部分小于0.2 m/s,CO2平均体积分数为880×10-6,低于GB/T 18883—2022《室内空气质量标准》中的限值1 000×10-6[20],满足室内通风要求。

图1 室内热环境参数分布

2.2 主观问卷结果与分析

2.2.1热感觉投票分析

受访者的热感觉投票分布如图2所示。从图2可以看出:受访者热感觉投票主要集中在[-1,1]之间,其中有42%受访者的热感觉投票为中性,说明大部分受访者在当前办公建筑室内热环境下处于热中性状态,夏季受访者偏凉的热感觉比偏暖的比例稍高;另外,分别有5%和13%的受访者热感觉投票在冷侧端和热侧端。将实测的空气温度、相对湿度、平均辐射温度、空气流速及受访者的服装热阻和代谢率代入Fanger的PMV方程中计算得到PMV。图3显示了受访者的热感觉投票、PMV与操作温度的线性拟合关系式。采用Bin法,将操作温度按0.5 ℃进行分组,平均值作为每组的变量。随着操作温度的升高,热感觉平均值明显升高。令TSV、PMV等于0,求得夏季办公人员的实测和预测中性温度分别为25.4 ℃和25.3 ℃。对2条拟合线进行协方差分析,结果显示直线的斜率和截距均不存在显著性差异。

图2 热感觉投票总体分布

图3 TSV、PMV与操作温度的关系

2.2.2热可接受度投票分析

图4显示了办公建筑中受访者的热可接受度投票分布情况。由图4可以看出:90%的受访者认为当前的室内热环境可接受。本研究的主要目的之一是确定舒适温度范围,ASHRAE 55-2012[4]标准中将受访者80%可接受的温度区间定义为舒适温度范围。因此同样采用Bin法,将每0.5 ℃操作温度区间受访者热不可接受度投票与此温度下全部投票的百分比视为不可接受百分比,然后将操作温度与不可接受百分比进行二次多项式拟合得到可接受温度范围,见图5。求得该地区夏季空调办公建筑80%人员可接受温度上限为28.2 ℃,与预计不满意者的百分数PPD预测结果相比,本研究得到的舒适范围更宽,夏季可接受温度上限更高。

图4 热可接受度投票分布

图5 可接受温度范围

2.2.3偏好投票分析

图6显示了受访者的温度偏好和气流偏好投票结果百分比。从温度偏好的投票结果来看,分别有29%和15%的受访者希望室内“凉一些”和“暖一些”。从气流偏好的投票结果来看,分别有13%和36%的受访者希望气流“小一些”和“大一些”。说明夏季空调办公建筑中人群偏好凉、气流偏大的室内热环境。为了确定办公人群的偏好温度,以0.5 ℃为1个操作温度区间,使用Probit回归分别得到办公人群在不同操作温度区间下希望“暖一些”和“凉一些”的回归曲线,如图7所示。其中,2条概率回归曲线的交点可认为是受访者的偏好温度,为25.2 ℃,比受访者中性温度低0.2 ℃,再次证实了夏季办公人群偏好中性偏凉的室内热环境。此时仍各有约10%的受访者希望室内温度“暖一些”和“凉一些”。

图6 温度偏好和气流偏好投票百分比

图7 夏季办公人群的偏好温度

2.3 服装热阻和行为调节

图8a显示了夏季办公人员的服装热阻分布。可以看出,主要分布在0.4～0.8 clo之间,平均值为0.58 clo,比ASHRAE 55-2020[4]标准规定的夏季服装热阻(0.5 clo)稍高一些。图8b显示了测试期间受访者的服装热阻随室内操作温度变化的线性回归关系。可以看出,夏季服装热阻与室内操作温度呈负相关变化。由于夏季集中空调办公建筑中人员的服装有所要求,受访者服装热阻随温度变化的行为调节机会相对较少,所以服装热阻值随室内操作温度下降趋势较为平缓。

图8 服装热阻分布及服装热阻随操作温度的变化

3 讨论

3.1 室内热环境评价模型的适用性

图9显示了PMV模型和热适应模型的适应性对比。与ASHRAE 55-2020标准中PMV-PPD模型对比发现,仅有24%的点落在了舒适范围内,说明PMV-PPD模型并不适用于评价西安地区夏季办公建筑室内热环境;有超过90%的点落在了GB/T 50785—2012标准的舒适区范围内,说明目前该地区夏季室内热环境的设定符合GB/T 50785—2012标准的要求。从图9b热适应模型结果来看,分别有99%和83%的室内温湿度落在了ASHRAE 55-2020和GB/T 50785—2012标准中热适应模型的舒适范围内,这与图4的热可接受度投票结果非常吻合,其中有90%的受访者对室内热环境表示可接受。结果表明,热适应模型比PMV模型更适用于评价夏季空调办公建筑的室内热环境。此外,也证实了室内环境控制在较窄的温度范围内并不代表受访者对热环境的高满意度[21]。

图9 PMV模型和热适应模型的适应性对比

3.2 与其他气候区现场研究对比

前文已经提及,本研究得到的中性温度为25.4 ℃,可接受温度上限为28.2 ℃。将本研究结果与ISO 7730:2005[19]和GB 50736—2012[3]标准中的舒适温度进行比较。ISO 7730:2005标准中-0.7

表4显示了本研究所得到的结果与我国其他气候区现场研究结果的对比。可以发现,夏季办公建筑不同气候区的中性温度和可接受温度上限也存在差异。本文得到的中性温度与可接受温度上限均显著低于广州地区(湿热气候),西安地区属于干热气候区,证明了不同气候会影响人的适应能力。与文献[12]在长沙地区得到的中性温度一致,但低于文献[24]在长沙的分体空调得到的中性温度,由此可见,夏季不同的供冷方式也会影响人的热舒适需求。夏季不同气候区办公建筑中人员的服装热阻值无显著差异性。

表4 本研究与其他研究结果对比

3.3 性别差异分析

已有研究发现,办公建筑中不同性别对于室内温度的需求不同,因此有必要探究西安地区夏季办公建筑中热舒适方面的性别差异。通过对投票结果进行分析,得到办公建筑热舒适的性别差异,见表5。研究发现:男性平均热感觉投票高于女性,平均热可接受度投票TAV低于女性,说明相同温度下男性比女性感觉偏热,女性对较高温度的室内环境的接受度较高;夏季男性和女性的平均服装热阻无差异,均为夏季办公建筑的标准服装热阻;男性中性温度和偏好温度均低于女性,再次证实了夏季男性比女性更偏好偏凉的室内热环境,这与以往办公建筑研究结果一致[25]。Yang等人的实验研究发现,静坐状态下男性代谢率高于女性[26],可以解释本研究中发现的男性偏好偏凉热环境这一现象。从研究结果来看,男性与女性的热舒适差异并不显著。

表5 办公建筑热舒适的性别差异

4 结论

1) 西安地区夏季办公楼室内平均空气温度为25.8 ℃,平均相对湿度为60%,分别有94%的空气温度和86%的相对湿度落在GB 50736—2012标准的舒适区范围内。

2) 通过对受访者的主观问卷进行分析,发现90%的受访者的热感觉投票集中在[-1,1]之间,90%的受访者对室内热环境表示可接受,但仍有部分受访者希望室内温度“凉一些”和气流“大一些”。

3) 西安地区办公建筑人群夏季的中性温度为25.4 ℃,偏好温度为25.2 ℃,80%可接受温度的上限为28.2 ℃。参照GB 50736—2012标准规定的室内设计参数,可以将上限提高至28.2 ℃。

4) 与ASHRAE 55-2020标准中的PMV模型相比,热适应模型更适用于西安地区夏季办公建筑的室内热环境评价。