建筑环境热适应文献综述

《建筑环境热适应文献综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《建筑环境热适应文献综述（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、暖通空调 HV 译稿经本刊编辑校核。 ? *国家自然科学基金资助项目( 编号: 50708038, 50838003) , 华 南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室资助课题( 编号: 2008ZC18)?0? 引言什么是舒适的热环境? 这个问题看似简单,其答案却对建筑设计与运行、 建筑供热与供冷能?Gail S. Brager, 女, 博士, 教授 ? 510640 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室建筑 节能研究中心 ( 020) 87110164 E - mail: zhangyuf scut. edu. cn 收稿日期: 2010- 09- 26 修回日期: 2011- 04-

2、0836? ? ?暖通空调 HV 简单讨论传统热平衡模型, 提出一个热适应概念模型,给出大范围的建筑使用者热适应的气候室和现场证据, 并从预测模型、 建筑设计、 控制算法和标准等 方面探讨热舒适适应理论的潜在应用。1? 定义适应过程1. 1 ? 热平衡模型 在当今的热舒适研究中, 热平衡模型和适应模型之间似乎出现了不可调和的矛盾。热平衡模型,也称静态或 稳态模 型, 是 Gagge 等 人 16- 17和Fanger 18早期开创性工作的基础, 并被现行标准 采纳, 用于描述热舒适的可接受条件 7- 8。热平衡模型将人视为热刺激的被动接受者, 认为一个给定的热环境仅受人体与环境间热质交换的物理

3、过程 影响。为维持体温恒定, 人体出现与热不平衡成比例的生理反应, 通常假定热感觉( 热? 暖? 凉? 冷)与这些反应的大小( 由平均皮肤温度和潜热损失或因出汗引起的皮肤湿润度 19来衡量) 成正比。支 撑热平衡模型的决定性逻辑是: 物理?生理 ?主观不适。热平衡模型基于大量严格的实验室实验而建立, 在许多气候室中也得到了较为一致的可再现的 结果。然而, 研究者们越来越怀疑, 这些在实验室中得到的模型所包含的简单因果关系, 是否能够不加修正地用于描述真实世界中的热感觉 20- 24。作 为一个设计工具, 热平衡模型的一个已知局限是用户需要预测尚未建成建筑中使用者的平均服装热阻( clo) 和新

4、陈代谢率( met) 。然而, 即使是对关键输入参数( 新陈代谢率和服装热阻) 可现场观测的 已投入使用的建筑, 应用热平衡模型仍无法准确描述或预测使用者的热舒适 25- 40。经常会发现平均热感觉的观测值与预测值之间存在显著差别, 其潜 在原因可归类如下。1. 1. 1? 模型输入1. 1. 1. 1 ? 估计单件或整套服装的热阻Brager 等人 37证实, 常用表格和算法的来源 不同, 计算得出的整套服装热阻值的差别可达2011(7)陈慧梅, 等:建筑环境热适应文献综述37? ? ?20% 7- 8, 41。另外, 受瞬变热环境下姿势、 抽吸效应?、 不同的材料纤维、 蒸汽渗透性和纤维热

5、动力等因素影响, 使用无生命暖体假人在实验室条件下测得的服装热阻可能会与实际情况有所不同 42- 45。1. 1. 1. 2? 考虑座椅热阻 在许多现场研究中出现了 PMV 模型高估热中性的倾向, 这可能是由于忽略了座椅对使用者的热作用 33, 46。McCullough 和 Olesen 47考察了带软垫的办公家具对暖体假人总服装热阻的影响, 指 出典型办公座椅的作用相当于在单件服装热阻值简单求和基础上增加约 0. 15 clo 的热阻 7- 8。1. 1. 1. 3? 估计活动类型及相应的新陈代谢水平 已有的现场调研方法使用标准表格评定人们的活动类型, 然后将其转换为新陈代谢率, 这可能是

6、一种最落后的热舒适研究方法。可能影响新陈代谢率估算的因素包括与给定任务相关的精神压 力、 之前活动的短暂影响和从事给定活动所投入的精力 48。1. 1. 1. 4? 物理测量的不均衡性 现场研究通常只对周围热环境参数作定点观测。测点如果在空间和( 或) 时间上与受试者的位置稍有偏离, 便不能代表受试者实际感受到的室内微气候 44。这对热环境瞬变或空间分布不均的房 间尤为重要, 如被动式建筑、 自然通风建筑或人们拥有较高环境控制水平的场所。1. 1. 2? 模型的假设 ? 稳态与瞬变稳态热平衡模型是基于实验室稳态条件下的 实验而建立的, 然而, 就热环境和使用者的活动而言, 建筑状态可能更活跃(

7、 这两种动态变化在人类生态学中分别称作生态价和生态潜力 5) 。尽管该 领域还有许多工作要做, 但初步的研究已表明, 服装可显著影响人在湿度瞬变时的感觉, 相对于等幅度的热突变, 冷突变引起的主观反应更为强烈 50。1. 1. 3? 非热因素 人在实际建筑环境中的反应可能会受到热平衡模型未考虑的一系列复杂因素的影响, 这些因素包括: 人口统计特征( 性别、 年龄、 文化程度、 经济状 况) 、 背景( 建筑设计、 建筑功能、 季节、 气候、 语义学) 、 环境交互作用( 照明、 声音、 室内空气品质) 和认知( 态度、 偏好和期望) 38, 44, 51- 53。尽管这些因素已被反复考察并证实

8、与受试者在人工气候室环 境中的舒适反应无关 54- 55, 但很多研究者和实践者仍然怀疑非热因素的作用能否如此轻易地排除。例如, 已发现的一个特别重要的影响是感知控制? ? 心理学者们业已证实, 当受试者感觉刺激可控时, 他们对不利或有害刺激的反应会减弱 56- 62。这种适应和其他形式的适应将会贯穿本文加以考 察。1. 2 ? 一个热适应概念模型环境学和行为学的研究指出, 人对某个场所的经历是一个多变现象, 是该场所改变人的目标和期望值的反映 63- 64。热舒适研究中的适应观点认为, 热感觉受人体热平衡物理过程以外的背景影响, 如气候条件、 社会状况、 经济条件和其他背景因素。适应假设认为

9、, 人对室内环境表示满意, 是因为此时此地实际热环境的主要方面与他对室内环境的热期望相匹配, 这些至关重要的期望值是人们 当时与以往的热经历和文化及技术行为的综合产物 21- 22, 65。适应模型揭示了环境与使用者? 给予与获得?的关系, 它的一个重要前提是: 人不再是给 定热环境的被动接受者( 这种决定性观点更适合于气候室实验的受试者) , 而是通过多重反馈循环与人- 环境系统交互作用并逐渐适应的主动参与者 58- 59。通用术语? 适应?, 泛指机体在反复的环境刺激下反应逐渐减弱, 它涵盖了建筑使用者为促进室内环境与个人或集体的需要相匹配所经历的所有过程。基于上述广义定义, 文献 66-

10、 67 给出了三种适应方式: 1) 行为调节( 个人的、 环境的、 技术或文化的) , 2) 生理适应( 遗传性适应或习服) , 3) 心理 适应( 习惯或期望) 。1. 2. 1? 行为反馈? ? 调节行为调节包括人有意或无意作出的所有调整,这些调整反过来影响着主导人体热平衡的热质流动 71。我们将行为调节分为三类: 1) 个人调节,改变个人参数以适应周围环境, 如调整服装、 活动量和姿势, 吃( 喝) 热( 冷) 的食物或饮料或移动到不同地方; 2) 技术或环境调节, 当条件具备时调整周围环境, 如开( 关) 窗户或遮阳设施、 打开风扇或取暖设备、 关闭空调散流器或运行其他集中空调控制 设

11、备等; 3) 文化调节, 包括调整工作和午休时间、?抽吸效应是指人体行走时皮肤与服装之间夹层的空气流动产 生的作用。? 译者注。38? ? ?暖通空调 HV 另一端可为单人房间, 在其内, 服装和活动方式是随意的, 环境控制手段覆盖了从开窗到工位- 环境空调的所有可能。任何一种适应控制的效用最终可理想地采用可用控制、 操作控 制和感知控制来加以评估 60- 61。不管是心理作用还是果真如此, 个人和环境控制对热舒适和可接受度有重要影响的观点似乎很少被质疑。1. 2. 2? 生理反馈? ? 习服 生理适应最全面的定义涵盖了因暴露于热环境而产生的、 致使暴露引起的应激反应逐渐减弱的所有生理反应变化

12、。生理适应至少可分为两类: 1) 遗传性适应? ? 在超过一个人一生的时间尺度上形成, 已成为个人或人群部分遗传特征的变化; 2)顺应或习服( 此处可互换) ? 暴露于单一或组合的热环境应激源, 在几天或几周内发生的生理体温 调节系统的变化。生理习服受自律神经系统支配, 并直接影响生理体温调节的设定点。热平衡模型不承认这种适应, 而假定设定点保持不变。在体温调节方面对习 服作详尽文献综述已超出本文的范畴, 这里仅指出对冷应激的习服主要与维持较暖的皮肤温度和增加产热量有关, 尽管在未发生战栗时新陈代谢率会 增加多少还不清楚 75。其他方面的冷适应主要是行为性的 70。对于热暴露, 特别是高温环境

13、和( 或) 进行热作业的对象, 文献 68- 69, 76- 79 提供了更为详尽的生理习服证据。在干热气候区, 热 作业引发的热应激所产生的生理反应主要表现为由新陈代谢或环境引起的给定热负荷下出汗量的增加。与体温调节导致出汗相关的其他变化包括 触发出汗的体温阀值的下降和汗液在皮肤上更好的分布。心血管反应的变化, 如降低心率和增加血容量及外周血流量, 也在热习服者与未习服对照者的对比中得到了证实 79- 82。热湿气候下的情形却 大不相同 83- 84, 特别是提高出汗能力对湿度似乎2011(7)陈慧梅, 等:建筑环境热适应文献综述39? ? ?不那么重要。尽管触发湿热习服者出汗的体核温度比未

14、习服者低, 但在潮湿环境下人体散热的不足 似乎可由增加外周血流量和提高皮肤温度所导致的显热散热增加来弥补。对日常热作业和过热着装的实验表明, 如果热 暴露的强度大到可提升体核温度, 则热习服从暴露的第一天就开始发生, 在第三或第四天迅速达到完全发展 78, 80。对于冷习服, 或每天以坐姿活动被动经历的热暴露, 习服则需要更长的时间 76。例 如, Wundham 报道说在南非, 对季节的正常变化过程的被动暴露产生了明确的至少是部分习服的信号, 据此, 对于办公人员, 习服的时间尺度可能在 周到月的数量级上 82。1. 2. 3? 心理反馈? ? 习惯与期望心理适应包含认知和文化变量的作用,

15、它用来刻画习惯与期望对人的感觉信息和反应的影响程 度, 有时也称为感知适应 20, 在心理物理学中被描述为重复的或长期的环境应激暴露造成的感觉强度的减弱 75, 85。静态热平衡模型无法考虑这种作 用, 而是假设生理应激、 热感觉和相应的不适感之间存在固定的关系。反之, 适应模型承认反馈循环的潜在作用, 即一个人以往和当前的室内外环境的热经历直接影响到他的热反应和可接受度评价。 习惯与期望的概念在适应水平理论中得到了最为清晰的阐述。该理论引入了最佳刺激水平或适应水平的概念。最佳适应水平建立在以往暴露的基础上, 是环境评价的基准或准则 71, 86- 88。当 然, 详尽综述知觉的普遍本质及其与

16、环境刺激、 记忆、 认知和背景因素关系的研究远超出本文的范畴, 但大量的环境心理学文献仍提供了真实建筑中 的热感受信息 56, 62- 65, 89- 90。McIntyre 在其早期工作中提到了期望在热舒适研究中的作用, 他说, ? 人对非最佳温度的反应在很大程度上取决于他的期望、 个性和当时他在做什 么? 91。心理适应是三种适应机制中研究得最少的, 但实际上, 它可能在解释热感觉和可接受度实测值与预测值的差别时起到最为重要的作用, 特别 是针对不同的环境背景, 如实验室、 住宅和办公室作对比, 或将空调建筑与自然通风建筑中的反应作对比 27, 31, 34- 35, 39- 40。遗憾的是, 本文未能找到研究心理适应反应时 间尺度的文献, 简单的原因可能是没有研究者试图将心理适应从其他热适应过程中分离出来。仅有趣闻说, 建筑使用者需要几周到几个月的时间来适应建筑中的主要热水平, 这些尺度可转换为在室外