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1、北京市住宅环境热舒适研究 提要对北京 88 户自然通风居民住宅现场测试了夏季室内干球温度、相对湿度、风速等热环境参数，以问卷方式和 ASHRAE 的 7 级热舒适指标调查记录了居民的热感觉，考察了居室热环境改善措施。调查结果表明，自然通风条件下北京普通住宅的热环境基本处于ASHRAE 舒适区之外，80居民可接受的热环境对应的有效温度上限为 30，对温度的敏感程度与其它地区相近。关键词：住宅 热舒适 热环境 热感觉AbstractPresents a field investigation into 88 non-air conditioned residential units in Beij
2、ing, during which the indoor thermal environment conditions were measured, the thermal sense value of the occupants questioned and recorded, and the methods to improve the indoor thermal conditions examined. The results reveal that they are coincident with little of the ASHRAE comfort zone, that the
3、 upper limit of the effective temperature corresponding to the accepted thermal environment by up to 80% of the occupants is 30, and that the response of the subjects in Beijing are similar to those in some other parts of world.Keywords：residence， thermal comfort， thermal environment， thermal sensat
4、ion 1 引言热舒适是居住者对室内热环境满意程度的一项重要指标。关于人体热舒适和热环境之间关系的研究从本世纪初便开始了。目前，ASHRAE 55-19921和 ISO 77302是世界上普遍采用的评价和预测室内热环境热舒适程度的标准。ASHRAE 标准中给出了至少满足 80%居住者的舒适区。ISO 7730 阐述了丹麦工业大学 Fanger 教授提出的预测人体热感觉指标PMV。与 PMV 模型相似的还有 Gagge 教授提出的有效温度指标（ET*）和标准有效温度指标（SET）3。这类模型共同的特点是它们变为环境参数不随时间改变，而且批人体看作是外界热刺激的被动接受者。一定的热环境参数对人体的
5、作用，是通过两者之间的热湿交换来影响人体的生理参数，进而产生不同的热感觉。所以，这类模型可以被认为是稳态的和以热平衡方程为基础的。按照这一类模型制定的 ASHRAE 标准旨营造一种稳态的、至少 80%居民能够接受的热环境。可是，一系列实地测试表明，这类模型并不能准确地预测出人体的热反应47。人的适应性可以被认为是产生实验室研究和实地测试的结果差异的一个主要原因。这种适应性包括生理的、行为的和最主要是心理上的适应性。文献8就曾指出热感觉的评判在很大程度上取决于人员背景和对环境的一处种期望。所在，舒适性研究应该既有实验室的实验，又不能忽略实地的测试分析。随着人们生活水平的提高，对热舒适的要求也相应
6、提高。北京市居民安装家用空调的人数逐年增加，但随之而来的是较重的经济负担和时常听到的人们对空调环境的抱怨。究竟北京气候区应该采用什么样的空调方式和建筑模式，才能既保证居民的舒适和健康要求，又能尽可能多地节省能源？这正是需要探索的问题，为此，笔者在 1998 年夏季进行了一次北京市住宅热舒适调查。2 调查目的与方法21 本次调标题要解决的主要问题211 考察北京市普通居民住宅（基本上是没有安装空调的家庭）的热环境情况。212 调查在这类自然通风建筑内居民的热舒适状况，并将结果与 ASHRAE 标准和其它研究成果相比较。213 了解居民在改善居室热环境方面采取的措施。214 分析数据，用统计分析的
7、办法确定现有热环境条件与居民热反应之间的相互关系。22 调查方法221 住宅的选择因为本次调查主要想了解在自然通风方式下居民的热舒适情况，所以选择调查的 88 家住房基本上没有装空调，或虽然有空调，也处于极少开启的状态。在选择这些住房时，主要考虑了房间的楼层、朝向以及自然通风情况。调查了总楼层为 26 层的低层建筑及总楼层为 20 层的高层住宅；在这两类建筑中，即选择了位于整幢建筑物四个角上的房间，也选择了中部的房间。另外，还照顾到东、西、南、北四个朝向的房间在样本中分布均匀。一半的住宅位于北京市西南部的石景山区，另一半则在清华大学的校园内。住宅外部的绿化程度，也有明显的不同。调查过程中，对受
8、试者的选择尽可能做到男女比例相近。222 数据的采集调查是在 1998 年 7 月上旬进行的，此时北京进入盛夏不久，而且雨水较多，气候基本上属于温度较高，且比较潮湿的状态。调查分析两种方式同时进行，一种是对房间物理参数的测量，包括空气温度、相对湿度和空气流动速度。所用的测量仪器是干湿球温度计和热线风速仪。另一种是问卷的形式，内容包括：基本的背景情况，如年龄、性别，在北京居住的时间，办公室是否有空调等；调查时刻居民的热感觉，以及对此时环境的风速、空气清新程度和潮湿状况的主观评价。热感觉投票值采用 ASHRAE 的 7 级指标表示（-3 冷，-2 凉，-1 凉爽，0 不冷不热的中性状态，+1 有点
9、热，+2 热，+3 很热） ；通常采用的改善室内热环境的适应性措施，包括遮阳、风扇等有关改变房间物理参数的手段和人员增减衣服、喝饮料等自身的适应性行为。223 调查的步骤一个调查小组通常由 3 人组成。在征得住房主人同间的情况下，进行 2030min 的调查。其中一个人负责测量环境参数，另一个人负责对整个居室的建筑特性进行测绘，最后一个人则进行问卷的询问和填写的工作。224 舒适性指标的计算在调查过程中，详细记录了受试者当时的衣着情况，以及坐椅的形式（是硬椅还是沙发，是否铺有凉席等） 。按照 ASHRAE55-1992 标准，计算出受试者所穿服装的热阻值，以单位 clo表示（1clo=0.15
10、5m2/W） 。目前在热舒适研究领域，有文章讨论椅子对坐姿受试者的服装热阻的作用9，本文参考它们的研究结果，考虑不同坐椅对服装热阻的影响，对热阻值进行了修正。新陈代谢率无法直接测量出来。因为整个调查过程历时至少 20min，在这段时间内，受试者通常是坐着仔细看介绍材料和回答问题，所以把新陈代谢定为 1.2met,这是坐姿轻微活动者所具有的新陈代谢水平。采用 Gagge 的人体二节点模型3，编写程序，以现场测量的物理量、服装热阻和新陈代谢率为输入量，计算有效温度 ET*和 PMV 指标。二节点模型反人体分成两个同心的圆柱体，分别代表人体的核心层和皮肤层，它们的热平衡方程式分别为：(1)(2)式中
11、 Mcr，Msk 为单位体表面的核心层质量和皮肤层质量；ccr，csk 为核心层及皮肤层平均比热容；Tcr，Tsk 为为核心层及皮肤层温度；t 为时间；M 为单位体表面新陈代谢率；Msh 为单位体表面积寒战调节产热量；W 为单位体表面积对外所做的机械功；Qre 为单位体表面积呼吸热损失；Qdr 为单位体表面积与环境间的显热换热量；Qev 为单位体表面积与环境间的潜热换热量；K 为核心层与皮肤间的导热系数；mbl 为核心层与皮肤层间的血流量；cp,bl 为血液比热容。有效温度 ET*是一个等效的干球温度量，如果在环境温度 ET*，平均辐射温度与环境温度相同，相对湿度 50%的等温假想热环境中，人
12、体的皮肤湿度和通过皮肤的换热量与真实环境下的值相同，那么就可以用 ET*来表示这一真实环境的温度。换句话说，ET*值把真实环境下的空气温度、相对湿度和平均辐射温度规整为一个温度参数，使具有不同空气温度、相对湿度和平均辐射温度的环境能用一个 ET*值相互比较。PMV 指标是 Fanger 提出的预测平均热感觉投票值。3 调查结果调查结果31 人员背景表 1 表示了此次被调查人员的基本情况，平均年龄为 49.2 岁，在北京平均居住时间为 36.5年，说明大多数被调查者已经完全适应了北京的气候。77%的被调查者办公室没有空调，基本上不生活在空调环境中。表 1 被调查人员背景的统计归纳 样本数目 88
13、性别 男 57%女 43%年龄/岁 平均值 492标准偏差 169最大值 82最小值 16在北京居住的时间/年 平均值 365标准偏差 19最大值 76最小值 1办公室有空调的人数的比例 23%办公室无空调的人数的比例 77%32 室内气候及服装热阻对测量得到的室内气候参数和服装热阻值进行统计分析的结果见表 2。可以看出 ET*值位于26.6到 32.8之间，相对湿度在 53%到 88%之间。对照 ASHRAE 55-92 中舒适区要求，ET*值应在 23到 26之间，相对湿度小于 60%，可以看出夏季北京自然通风形式下的普通住宅的热环境基本上都在 ASHRAE 舒适区之外。表 2 室内物理参
14、数及服装热阻的统计归纳平均值标准偏差最大值最小值空气温度/28.61.163126相对湿度/77.46.78853空气流速/m/s0.180.251.50.02ET*/30.31.4932.826.6服装热阻/clo0.310.080.50.15图 1 表示了实测得到的室内空气温度、风速、服装热阻和计算得到 ET*值的分布频率。温度测量中，29室温出现的频率最高，占样本总数的 23.5%。由于空气的平均相对湿度大于 50%，所以计算得到 ET*值比测量的空气温度要大，而且它的分布也较测量值均匀。ET*为 31.5时的情况最多，占样本数的 16.5%。在风速的分布情况中，0.1m/s 的风速为最
15、多，占 48.2%；样本总数的 91%风速小于 0.5m/s。服装热阻的平均值为 0.31clo,频率最大值出现在 0.4 clo，为28.2%，可以看出，夏季北京市居民在家中的普遍着衣量不大。图 1 实测空气温度、风速、服装热阻和计算有效温度33 热感觉选取风速小于 0.2m/s 的工况（占总样本的 75%），分别回归出实测的热感觉值 TSV 随空气温度 Ta和 ET* 变化的曲线，曲线方程分别为：TSV= -7.950+0.298ET* (R=0.925) (3)TSV= -8.068+0.319 Ta (R=0.963) (4)R 为相关系数。从这两个回归方程中，我们就可以得到当 TSV
16、=0 时，ET*和 Ta分别为 26.7和 25.3，其物理意义是热中性状态所对应的温度。关于热环境的可接受率，通常的研究方法有两种。一种是直接法，即在热舒适问卷中让受试者明确判断对此环境是否可以接受。另一种则是间接法，即按照惯例，当受试者的投票值在-1到+1 之间时，认为他们对此时的热环境能够接受。ASHRAE 标准就是要寻求至少 80%的居民可接受的热环境。这里的可接受率和 Fanger 提出的 PPD（预测不满意率）有些许差别。图 2 表示了本次调查中得到的随 ET*的增加，可接受率的变化规律。以 80%界定，可以得以北京市自然通风建筑中居民可接受的热环境温度上限大约在 30（以 ET*表示）。图 2 可接受率随有效温度(ET*)的变化34 风速的主观评价调查中，测得平均风速值为 0.18m/s。问卷中受试者对空气流动速度的评价，47%认为知中，43%认为小，其余 10%认为太小，没有人认为风速偏大。曾经试图寻找空气清新程度和潮湿程度与风速的关系，但没
