自然通风建筑热舒适现场调查研究

自然通风建筑热舒适现场调查研究

0人体热舒适性研究目前的国际热舒适标准包括55-2004年ashrea标准和编号7730，这些标准是根据东欧国家的研究工作制定的。近年来,越来越多学者的研究表明,这些标准并不适用于所有的国家和地区,建筑形式、气候、种族等因素的差异可能造成热感觉和热舒适反应的不同[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。其中尤为突出的是,对大量自然通风建筑环境调研发现,现有标准并不适用于此类建筑,Fanger教授也于近年对PMV模型提出了修正。因此,有必要在各地开展人体热舒适性研究。近年来,我国一些学者也开始关注自然通风建筑环境热舒适的研究,在哈尔滨、北京、重庆、西安、长沙、上海和浙江等地都开展了相关的研究,取得了一定的成果[5,15,16,17,18,19,20,21]1。但是,对于我国包括广东、广西、海南、香港、澳门、台湾、福建南部和云南小部分的湿热地区的研究一直未有开展。因此,笔者尝试通过对广州地区典型自然通风建筑的现场调查与分析,初步探究我国湿热地区自然通风建筑环境的热舒适状况。1目的和方法1.1与其他相关研究的比较1)全面考察广州地区典型自然通风建筑夏季的热环境情况。2)调查该类建筑中人体热舒适状况,获取其基本特征和可接受的温湿度范围,并与ASHRAE标准和其他相关研究成果加以比较。3)分析整理跟踪调查数据,用统计的办法确定该类建筑热环境与人体热反应之间的关系。1.2测试测试1.2.1受试对象的性别和年龄为便于长期跟踪调查和横向对比,选取出生并长期生活于珠江三角洲地区(典型湿热地区)、20～23岁的30名健康在校大学生作为受试对象,其中男女比例为1∶1。他们在校时间超过3a且校园夏季生活环境均无空调。1.2.2日和夜测试因在校大学生停留时间最长的地点主要为上课教室(日)、专业教室(日)和学生宿舍(夜)(见图1),本次测试采取每周到上述3个地点测试1次的措施,其中上课教室与专业教室在白天测试,学生宿舍在夜晚测试,以便全面了解受试者日常生活中的室内热环境状况及其热反应。1.2.3测试结果和分析调查于2008年5月27日至10月31日进行,共进行了10周的现场跟踪测试(期间因暑假和其他原因有暂停),涵盖了广州地区的整个空调季时段。调查内容分为两部分:室内热环境参数的测量及对处于该环境下的受试者热反应的问卷调研。对于室内热环境测量,在受试者周围0.3m的范围内选取测点,按照国际标准ISO7726的要求,在距地面垂直高度为0.1,0.6,1.1m(分别代表坐姿受试者的脚踝、躯干和头颈部的高度)的3个测点上分别测试空气温度、相对湿度、黑球温度和空气流速。测试所用仪器的型号和参数见表1。问卷调查的内容包括着装情况、活动状态、热感觉、热可接受度、热舒适度及对环境风速和潮湿状况的主观评价。热感觉、热可接受度、热舒适度及潮湿感投票所采用的标尺及对应点取值见图2。图3给出了测试期间室内空气温度、相对湿度、空气流速及平均辐射温度与空气温度差逐周的变化情况,图中数据代表某一周白天或夜晚所有测试结果的平均值。从图中可以看出,除第9周白天外,调研建筑室内空气平均温度均在29℃以上,日间与夜间的温度差别不大;相对湿度在54%以上;室内空气平均流速均为0.4m/s左右,主要是因为测试过程中受试者所处的环境一般开窗通风并使用摇头风扇,风速波动变化较为明显,风速的测量取3min左右的平均值,故瞬时空气流速较大,而平均空气流速稍小;平均辐射温度与空气温度之差在整个测试期间平均为1.31℃,且多数情况下白天的差值高于夜晚,这是因为白天的太阳辐射比夜间强。受试者在测试期间和测试前20min内均为静坐休息状态,新陈代谢率约为1met;考虑到坐姿座椅的附加热阻,服装热阻为问卷统计热阻与座椅热阻之和,在整个夏季其平均值为0.43clo,且变化不大。综合室内热环境参数与服装热阻情况,按照ASHRAE标准,调研建筑的夏季室内热环境大多处于舒适区范围之外。2.2研究样本选取与数据来源现场调研与人工气候室实验研究的主要区别之一是现场调研的环境参数不采取主动干预,变化范围较广,工况组合较为复杂,样本的处理和单参数的影响分析难度较大。以往热舒适现场调研的样本处理多以环境的空气温度或操作温度为主要因素,以寻求人体热反应的变化规律。考虑到调研期间平均辐射温度与空气温度差值、服装热阻、空气流速和相对湿度的变化较小,本研究参照以往分组方法,对测试结果按空气温度从低到高进行分组。同时,为了确保每组数据具有统计代表性,以30人次为基本样本数(最后一组因总样本数量限制为21人次)。其详细分组情况及每组相关参数的平均值见表3,其中新有效温度ET*根据其他实测参数计算得到。2.3热感受旅游参数与空气温度ta、et#的关系按上述方式分组后,计算各组的平均热感觉投票值。对热感觉投票值随空气温度(ta)及ET*的变化进行线性回归,结果见图4,5。相关系数R分别为0.968和0.955,表明热感觉投票值与空气温度ta和新有效温度ET*之间都存在较好的线性关系。斜率分别为0.5346和0.4791,此斜率表示热感觉对空气温度和ET*的敏感程度。当TSV=0时,ta=28.1℃,ET*=29.3℃,其物理意义为所调研的自然通风建筑环境热中性状态所对应的温度和新有效温度。2.4热中性tsv的热舒适性图6和图7分别显示了舒适度和热可接受度与热感觉的关系,其对应的回归相关系数R分别为0.927和0.946,说明热舒适度与热感觉之间,以及热可接受度与热感觉之间均存在较好的线性关系。从热舒适度和热可接受度的线性回归公式可以得出,热中性(TSV=0)对应的热舒适度为1.69,介于“舒适”与“有点不舒适”之间,但在TSV值小于0时,也即中性偏凉的情况下,热舒适度高于热中性对应情况。由此可知,当夏季温度较高时,人们偏向于喜欢较凉的环境。同样,热中性对应的热可接受度为0.498,介于“完全可接受”和“刚刚可接受”之间,低于中性偏凉的对应值,与上述结论相符。张宇峰等人于2005年4—6月在清华大学对30人进行的人工气候室测试中得出了TSV在0～1.6范围内的热感觉投票与热可接受度之间的关系(见图7)。从图中可以看出,与上述北京地区受试者相比,湿热地区的受试者对偏热环境的接受程度较高,而对适中环境的接受程度较低。2.5湿度对热土的影响采用同样方式对测试结果按相对湿度从低到高进行分组,并对分组后的相对湿度及潮湿感取平均值后进行二项式回归,结果见图8。按照回归公式反算,当HS=0时,对应的相对湿度为67%,即当相对湿度约为67%时,湿热地区的人们既不觉得潮热,也不觉得干燥。若认为介于“有点干燥”和“有点潮湿”之间为湿热地区人们的对潮湿度的可接受范围,则可接受上限可达78%。由此可见,湿热地区自然通风建筑生活人群对潮湿度的可接受范围较宽。2.6风力流场的调查在人与环境的关系中,人除了被动适应环境(生理与心理适应)以外,还通过一些手段主动改变环境(行为适应),使自身感觉更舒适。经调查统计发现,受试者普遍采用开窗自然通风与电风扇调风来改善热环境。调查期间,99%的调研环境的窗户为开启状态(其中70%为完全开启状态,29%为部分开启状态),92%的电风扇为运行状态(其中55%为高速挡,28%为中速挡,9%为低速挡),93%的受试者表示其生活和学习环境的窗户在过去一周处于长时间开启的状态。尽管采用上述措施加强空气流动,仍然有47%的受试者表示希望增大气流速度。由此可知,处于非空调环境的人们会通过开窗、开电风扇等一些加强空气流动的适应性行为改善环境的热舒适程度,且所调研环境的自然通风与风扇调风措施还有提高和改进的潜力。3讨论3.1tsv与pmv值的比较按实测热环境各参数平均值(包括空气温度、相对湿度、黑球温度、风速、新陈代谢率及服装热阻)计算得到PMV值,并与实地调研得到的热感觉投票平均值进行比较(见图9)可知,热感觉投票值TSV普遍低于PMV值,最大偏差为0.8。通过T-test显著性分析发现,ET*=28.3,30.2,30.7,31.1,31.5,32.3℃的分组TSV值和PMV值具有显著性差异(p<0.05),而对于更高温度的工况,TSV值与PMV值不具有显著性差异。3.2热感染温度pmv和ppd根据PMV值计算出对应的预测不满意百分率PPD,与根据式(1)由实际测得的热可接受度TA转化成的不满意百分率PD相比较(见图10)可知,PD值普遍低于PPD值,最大偏差达到36.7%。PD=1001+e0.05+4.52TA(1)ΡD=1001+e0.05+4.52ΤA(1)由此可见,基于欧美国家人群实验得到的PMV和PPD均高估了我国湿热地区自然通风环境人群的热感觉和不满意百分比。我国湿热地区自然通风环境的中性温度为28.1℃(ET*=29.3℃),以80%满意率为目标的可接受温度上限为29.7℃(ET*=30.9℃)。测试期间广州月平均气温约为27.5℃,参照ASHRAE标准针对自然通风建筑环境的要求,中性温度为26.3℃,可接受温度上限为29.5℃。相比可知,我国湿热地区的热中性温度偏高,而80%可接受温度上限与现有国际标准接近。3.3热中性状态下的热中性温度分布夏一哉等人1998年对北京小区居民的热舒适调查发现,居民的热中性温度为26.7℃(ET*),可接受上限约为30℃(ET*)。纪秀玲等人于2000年、2001年夏,在上海、江苏等地自然通风环境下进行的热环境人体热感觉调查发现,可接受的热环境温度上限为30℃(ET*)。本文得到的中性温度29.3℃(ET*)和可接受温度的上限30.9℃(ET*)均略高于以上结果。关于热中性状态下对应的空气温度,国外的研究成果见表4。本文得出的广州夏季自然通风建筑中的热中性温度为28.1℃,与热带地区(泰国和新加坡)的28.5℃较为接近。以上研究成果初步表明,我国湿热地区人群对长期生活的湿热环境具有良好的适应能力,夏季热中性温度较高,且可接受的温湿度范围较大。4人体热能力测试4.1由于湿热地区夏季室外气温较高且潮湿,室内环境也偏热,平均温度为29.9℃,相对湿度为68.7%;但长期处于该地区自然通风建筑中的人因对环境已经产生适应性,对室内较高的温湿度有较强的承受能力。4.2该类建筑中的人主要采取开窗通风及开风扇的手段来改善室内的热环境,同时辅以减少着装量等手段。空气平均流速为0.4m/s,平均服装热阻为0.43clo。4.3测试结果显示,湿热地区热舒适中性温度为28.1℃(ET*=29.3℃),可接受的热环境温度的上限约为29.7℃(ET*=30.9℃),可接受的相对湿度上限为78%。4.4在预测人体热感觉时,应考虑建筑环境、生活习惯、经济条