室外环境热舒适性研究

城市室外环境热舒适性研究发展及评价标准李飛2011071141.热环境热环境指由太阳辐射、气温、周围物体表面温度、相对湿度与气流速度等物理因素组成的作用于人，影响人的冷热感和健康的环境。人的生活和工作大部分时间都在室内，室内环境与人体关系密切。室内环境的热特性是室外气候与内部热源通过建筑围护结构进行热交换与热平衡的结果，体现为气温、平均辐射温度、相对湿度、气流速度等四个主要物理因素数值的变化。人体与环境的热交换除环境的物理因素外还与人的衣着和人体的活动量有关。室外环境与人体关系同样不可忽视。室外热环境是指作用在建筑外围护结构上的一切热物理量的总称。建筑外围护结构的功能之一在于抵抗或利用室外热湿作用,以便在室内产生易于控制的舒适热环境。1.1热环境发展史自1818年，L．Howard出版了关于伦敦城市温度场的《伦敦气候》一书后，对城市热环境的研究已经有190年的历史．自此英、法、美、日、德以及中国等许多国家关于这方面的研究大致可分为城市大气候研究和城市微热气候研究两大类．1.1.1城市大气候研究在城市热环境研究的初期，研究工作仅仅是以特定的城市和代表性的观测点为对象，且往往仅研究热环境的某一因素，结果一般是城市温度的逐月、逐季或逐年的平均值或累计值，此时的研究在观测范围上受到限制并且是静态的观测，没有从建筑学的角度讨论城市气候．奥地利人施密特于1927年首创利用汽车装备气象观测仪器进行流动观测，并与几个固定观测点记录数据进行对比研究，绘制了同一时刻的气象要素等值线图。利用这个方法可在短时间内收集到很多点的资料，开创了热环境研究的第二阶段。该阶段城市热环境研究的主要特点是观测方法的改变，开始进行城市温度场的动态测量，但研究仅仅以单一气候指标和观测数据为主，并没有把城市规划设计与城市热环境结合起来综合研究。城市热环境研究的第三个阶段始于20世纪50年代1951年A．Soundborg首先用统计模型对城市温度场进行分析，给出了系列经验公式.1969年，L．O．Myrup提出了城市热岛的数值模型。M．H．Halstead对城市气候进行模拟分析EM．Vukovick从理论上分析了大气稳定性和平均风速对城市热岛环流的影响。K．Yoshio提出城市大气环流的动力学统计模型并对结果进行数值模拟．1971年，M．A．Atwater从理论上分析城市污染环境下太阳辐射的收支平衡关系。D．1．Leahey将城市混合边界层高度的预测模型用于纽约市的热岛研究。1977年，M．A．Atwater利用欧拉静力学模型研究城市化对热气候的影响。建筑热环境的研究在城市热环境研究的第三阶段才真正开始了建筑热环境的研究：对热岛观测已扩大到三维；利用计算机进行数值模拟和数学建模分析；风洞试验被用于参数分析和模拟比较；对热岛与城市规模、建筑密度、人口、下垫面粗糙度、街道设计、视野开阔度因子作了相关性讨论。第三阶段是以新方法和新技术的运用为前提，最为重要的特点是将城市热环境研究与城市布局和城市设计相联1.1.2城市微热气候研究城市微热气候研究主要是针对城市内不同性质下垫面进行对比分析，研究地表和城市覆盖层内的温度、湿度、风速、辐射的分布和变化，分析其时空分布规律及其形成机制，了解其对人体热感觉的影响，从而采取措施改善城市的微热气候以利于人类的生存．研究基本上都是采用实测的研究方法，这可以对实测区域的热环境质量给出一种可靠的评价，所得结论为进一步分析研究奠定了基础；但是影响城市局部热环境的因素很复杂，除了气候因素以外，还受到建筑物以及城市规划等因素的影响；此外，人的热反应还受到个人着装、行为活动甚至心理因素等的影响。2.热舒适1733年，阿巴斯诺特指出空气流动具有降温效果；1824年,特雷德戈尔德提出关于热辐射问题：当受辐射源影响时，为保持人体舒适，则需要较低的温度；1913年，希尔提出头宜凉、脚宜热、相对湿度要适中的人体舒适度标准．这段时期，作为建筑科学领域中最早研究的课题之一的热舒适问题开始缓慢发展，而且只在于人体热舒适生理学方面的研究．1919年，美国采暖制冷及空气调节工程师协会(ASHRAE)为了制定工业发展急需的有关热舒适标准，特别是有关空气温度和湿度的相互作用对人体热舒适的影响，进行大量的试验调查研究．1923年Houghton和Yaglou确定了关于温度、湿度两个变量的裸体男子的等舒适线，由此创立了对热环境研究具有深远影响的有效温度指标ET1924．1925年Houghton、Yaglou和米勒又进一步研究了关于空气流速与衣着影响的实验。1932年Vernon和Wamer使用黑球温度代替干球温度对热辐射进行了修正，产生了修正有效温度指标CET60年代，美国堪萨斯州立大学、丹麦哥本哈根工业大学相继建立了人体热感觉专用实验室，开始研究空气温度对热舒适的影响，以及周围物体温度、相对湿度和空气流动情况等因素对人体热舒适的影响。1962年，Macpherson定义了影响热舒适感觉的六个因素：空气温度、流动速度、湿度、平均辐射温度、新陈代谢率和衣服热阻。在此基础上，Fanger通过可控环境小室和稳态热交换模型研究，建立了热舒适方程。环境与人体热舒适的研究飞速发展1984年国际标准组织ISO提出了热环境评价与测试的新标准化方法，即用PMV-PPD指标来描述和评价热环境，该指标综合考虑了人体的活动情况、衣着情况、空气温度、湿度、流速和平均热辐射温度六个因素。PMV(PredictedMeanVote)：预期平均评价指标。PPD(Predicted

Percentage

of

Dissatisfied)：表示对热环境不满意的百分数。3.评价指标人体热舒适性受多种因素的多方面影响，因此研究多个因素的综合作用具有非常重要的意义．综合环境指标通常是把两个或更多的参数合成一个变量，从而将多种影响因素的作用效果汇总为单一因素作用，从而简化分析过程，如将空气温度Ta、平均辐射温度Tr、相对湿度RH和空气流速V、皮肤温度Tsk、新陈代谢量M等若干变量综合成统一的PMV指标，将人体的生理、心理、行为等不确定因素综合成量化形式上的TSV投票等．指标的建立作用在于形成统一的规范来引导人们对热舒适性的判断，同时根据指标规定出的范围帮助人们营造出一个更为舒适的建筑环境．3.1宏观评价(1)气候舒适度：作为对人体生理的舒适度表征，气候舒适度在气象预报上运用广泛。它主要考虑了三个影响人体舒适度的气象因素，即：温度，湿度、风速．(2)城镇热舒适度：根据多年的气象资料以及城市发展资料，选取大气因子、非大气因子、人类活动因子共二十项，得出城镇热舒适度预报方程，选择平均气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数、雾日等作为评估热环境舒适度的因素，这种方法是把整个城市与人类活动以及城市宏观气候作为一个统一整体，对整个城市进行热舒适性预报；3.2微观评价(1)有效温度和标准有效温度：有效温度ET(EffectiveTemperature)定义是：“干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感影响的综合数值，该数值等效于产生相同感觉的静止饱和空气的温度．”综合考虑了不同的活动水平和服装热阻的影响，提出了众所周知的标准有效温度指标SET(StandardEffectiveTemperature)：身着标准热阻服装的人，在相对湿度为50％，空气静止不动，空气温度等于平均辐射温度的等温环境下，若与他在实际环境和实际服装热阻条件下的平均皮肤温度和皮肤湿润度相同，则必将具有相同的热损失，则该温度就是上述实际环境的标准有效温度SET．(2)湿黑球温度指标WBGTWBGT(Wet．Bulb-GlobeTemperature)适用于室外炎热环境，考虑了室外炎热条件下太阳辐射的影响．WBGT是一个与影响人体环境热应力的所有因素都有关的函数，因为黑球温度与空气温度、平均辐射温度及空气运动有关，而自然湿球温度则与空气湿度、空气运动、辐射温度和空气温度有关。目前在评价户外作业热环境时应用广泛。其标准定义式为：(3)热舒适方程1982年提出了描述人体在稳态条件下能量平衡的热舒适方程，它的前提条件是，第一，人体必须处于热平衡状态；第二，皮肤平均温度应具有与舒适相适应的水平；第三，为了舒适，人体应具有最佳的排汗率。热舒适感的满足通常是建立在人体能量平衡的基础上的，而空气湿度，相对湿度、风速、平均辐射温度、服装热阻及活动量六个因素正是通过影响热体的热平衡过程来影响人体的热感觉，但是要得到一个始终的热平衡环境，并非各因素都需要固定在一个值上，而是可以通过不同参数的组合得到效果相同的热平衡方程，从而达到人体热舒适平衡。(4)预测平均投票数和预测不满意百分数预测平均投票数PMV(Predicted

MeanVote)就是引入反映人体热平衡的偏离程度的人体热负荷而得出的，其理论依据是当人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷大，人体偏离热舒适的状态就越远．即人体热负荷正值越大，人就觉得越热，负值越大，人就觉得越冷1984年国际标准化组织提出了室内热环境评价与测量的新标准化方法IS07730．IS07730标准中就采用PMV—PPD指标来描述和评价热环境图1．1是PMV与PPD之间的关系曲线．由图可见，当PMV=0时，PPD为5％．即意味着在室内热环境处于最佳热舒适状态时，仍然有5％的人感到不满意．因此IS07730对PMV—PPD指标的推荐值在0．5～+o．5之间，相当于人群中允许有10％的人感觉不满意．(5)不舒适指标DISC在大多数实际环境条件下，即使对某一个人来说也并非尽善尽美，对于实际衣着及活动条件，该环境可能属于某种程度的过热或过冷．如果涉及的人数众多，则由于舒适感因人而异，任何条件也难以同时满足每一个此项指标的优点在于：第一、适用的条件范围很广泛而不仅适用于一般的“室内”条件；第二、DISC指标可表述对于不舒服程度的评价，因而可在冷条件与热条件间找到与一般反应相当的值。DISC指标中，在．0．5一+o．5之间的区域表示80％的人能感到满意；在-1．0一+1．0之间，为70％的人可接受的舒适条件范围。4.总结城市热环境的研究可概括为：城市大气候研究和城市微热气候研究两大类。其中城市大气候研究经过热环境静态观测、动态测量和城市热环境研究三个发展阶段，城市微热气候研究又分为实测研究和数值模拟。目前国际上公认的评价和预测热舒适的标准是IS07730和ASHRAE55．1992。人体热舒适性的评价指标又可分为宏观评价(气候舒适度、城镇热舒适度)和微观评价(有效温度和标准有效温度、湿黑球温度指标WBGT、热舒适方程、PMV—PPD指标、不舒适指标DISC)，但是这些指标在评价外部空间舒适性方面还是存在一定的缺陷．以前的舒适性研究多是针对室内开展建立在稳态分析的基础上，而关于户外非稳态环境下的人体热舒适性研究则相对较少．但是实际生活中，人们所处的是一个非稳态环境，各参数对人体舒适性的影响是动态变化的，由此可见研究非稳态环境下的人体舒适性问题