人体舒适度与室内热环境

李文菁,陈歆儒

(湖南工程学院建筑工程学院,湘潭411104)

0 前 言

目前国际上公认的评价和预测室内热环境热舒适的标准ISO 7730[1]和ASHRAE 55-1992[2]是以欧美等发达国家的大学生为研究对象,通过实验室研究建立的标准.这些标准适用于稳态、均匀的热环境,而人们所处的环境大多是动态、不均匀的.因此,上述标准是否具有普遍性、能否推广应用于真实环境中,尚需现场研究方法加以验证.迄今为止,世界各地的许多学者在空调实验环境、实际环境和自然通风条件下已进行了大量的热舒适现场研究,结果表明,上述标准并不能准确预测人体热反应,其主要原因是人对气候的生理适应性和心理期望值存在差异.为了了解人体舒适度分别在实际空调环境、实验空调环境和非空调环境(即自然通风条件下)的差异,笔者对长沙地区不同环境下的热环境以及对应环境下的人体热舒适进行了调查.

1 调查内容、方法及被测人员背景资料分析

本课题的主要测试分为三个部分,一部分测试针对实际空调环境下室内人员,主要包括长沙市有代表性的公共建筑(大型商场、超市、办公建筑和宾馆)的室内人员,这一部分对夏季187名测试对象的背景资料进行统计分析:测试对象的年龄为18到45岁之间,性别为随机选择,大体上男性为60%,女性为40%,在长沙居住时间的平均值大约为5年,这说明大多数的被测试者对长沙地区冬冷夏热的气候已经有了一定的适应性;夏季着衣量平均值为0.34 clo(调查时间为2004年7月2日到7月25日,为长沙夏季最热的时候),说明着衣量不大;而本次测试的对象包括室内办公人员、宾馆客人、超市及商场工作、购物人员,所以活动量也不大,平均值为1.2met,相当于轻活动量范围.

一部分针对自然通风条件下的室内人员,以湖南大学教学楼内大学生为主,一共收集到有效问卷220份,其中119名男性,占总人数的54.1%,101名女性,占总人数的45.9%;平均年龄 20.94岁,平均在湖南大学就读时间为2.42年,着衣量平均值为0.5 clo.调查环境为教学楼,所取采样点全部为以自然通风.

另一部分针对实验空调下的室内人员,以大学生为实验对象,收到有效问卷260份,测试对象的年龄为18到22岁之间,分为两部分;一部分为湖南大学在校学生,在长沙居住时间大约为3年,另一部分为湛江海洋大学学生,在湛江居住的时间大约也是3年,被测者性别男女比例大致为6∶4;夏季着衣量平均值为0.48 clo(调查时间为2005年9月2日到9月27日,为长沙、湛江夏末时节,因此被测者着衣量略多于盛夏时节被测者着衣量);而本次测试的对象在实验过程中一直保持静坐学习状态,所以活动量比较统一,为1 met,相当于轻活动量范围.测试时间为每次2 h左右,根据其他研究者的热舒适性实验表明时间对实验结果没有明显影响,时间多选择在上午或者下午.着衣热阻根据受试者所填写的着衣量进行计算:

注:非坐式人员不附加椅子热阻.

冷热感与按照Fanger1973年的研究分为7级;主观舒适感因此参照Fanger1973年的研究分为4级;详细情况参照表1.在统计过程中,服装热阻、冷热感、干湿感分别取各参数点的平均值;主观舒适度以较不舒适、不舒适两项人数之和占总人数的百分比视为实际不舒适率;热舒适感为主观舒适度的平均值,用以观察人们热感觉偏离舒适情况的差距.

表1 受试者感觉尺度

2 人体热感觉及热舒适性分析

2.1 温度与热感觉的关系

对自然通风环境和实际空调环境中风速 v＜0.15 m/s的样本,以及实验条件下每个温度最小风速环境为样本,将温度和人们热感觉投票值(该参数点下所有人热感觉平均值)关系进行回归分析线性拟合的结果见图1,线形回归方程式见(2)、(3)、(4):

实验空调环境下

注:方程式(2)、(3)、(4)对应图1中的拟合线(2)、(3)、(4).

图1 温度与人体热感觉

显然在自然通风条件下人体热感觉随着温度变化是最小的,仅为0.0949(TSV)/℃,而在实际空调环境下,热感觉与温度关系最大,变化率为0.3245(TSV)/℃.在Fergus Nico[3]的研究中在自然通风条件下其变化率为 0.058(TSV)/℃;Shin-ichi Tanabe[4]的对日本人夏季实际空调环境下变化率为0.339(TSV)/℃,其结果与本次测试相近.

因此在自然通风条件下一定温度范围内,温度不是影响热舒适感觉的主要因素.而在实际空调环境中,测试数据表明相对湿度为60.4%～78%之间变化不大,空气流速均在0.1 m/s以内,而环境辐射温度随着空气温度变化而变化,因此影响人体热感觉的因素比较单一即空气温度.至于实验条件下则由于风速存在较大变化,而其他因素变化较小,因此变化率处于两者之间.

令TSV=0,可分别求出其热中性温度:自然通风环境下热中性温度为22.8℃;实际空调环境下为25.2℃;实验空调环境下为26.2℃.由于只有在实验空调环境下调查了热期望温度,通过回归计算,得出其热期望温度为26.4℃,略高于热中性温度,两者相差0.2℃,这与文献[5]、文献[6]结论相同.

2.2 热接受率与实际不舒适率

按调查表中居民填写的热感觉投票值进行统计分析得出,投票值为-1,0,1的为可接受,投票值为一3、-2,2,3的为不能接受.为了对应实测不满意率,计算在某一操作温度下投票值为不可接受的人数占总投票人数的百分数,即为该温度下的不可接受率,表2中统计了三种不同环境下各测试点热不可接受率和实测不满意率之间的关系.

表2 热不满意率与实测不舒适率

可以看出在实际空调环境下,热不可接受率都在5%以下,但是实际不舒适率却集中在20%～40%之间;在自然通风条件下,热不可接受率也很低,但是不满意率却比较高,尤其是在温度超过28℃时(表2所示自然通风条件下最后三组数据),热接受率在25%以下,但是不满意率却达到了65%以上,这说明,实际生活环境,影响人们舒适感的因素是复杂的,温度虽然达到人体热舒适要求,但是并不是温度适合人们就会觉得舒适.

图2 热不满意率与实测不舒适率

将实验空调环境下,热不可接受率、实测不舒适率与pmv-ppd进行比较,见右图2,其中拟合线(1)、(2)、(3)分别代表pmv-ppd、热不可接受率和实测不舒适率(用四次曲线拟合).发现热不可接受率拟合线在pmv-ppd拟合线之下与其有很好的吻合度,而实测不舒适率没有明显规律.这说明Fanger提出的pmv-ppd指标过多的考虑了热环境中,热感觉对人体舒适度的影响,而忽视了其他心理因素,人们本身对舒适这一感觉的把握.这说明认为热舒适和热感觉是相同的,即热感觉处于中性就是热舒适,这种看法是片面的.热舒适是人们对空气温度、空气流速、平均辐射温度和相对湿度的主观综合反应,并与人们的心理因素有着密切关系,故热舒适不同于热感觉.

2.3 相对湿度对人体热舒适度的影响

目前 ,湿度对人体热舒适的影响机理尚未完全清楚,前期关于湿度与舒适的研究尚无定论.Fanger和McIntyre认为,在舒适的温度范围内,湿度对人体温暖感的影响很小.当相对湿度为20%～70%时,人体几乎感觉不出湿度的变化[7].但另一些学者认为[8]:在高温高湿环境下,由于皮肤湿润度的增加使汗液蒸发受到限制,且服装对汗液蒸发的阻碍作用,人体的不舒适率将明显增加.

本次测试中由于实验空调环境和实际空调环境下相对湿度变化不大因此仅对自然通风环境下(风速0.15 m/s以下的样本)相对湿度对热舒适的影响进行分析,见表3.

表3 相对湿度、温度对实测不舒适率的影响

可以看出在相对湿度高于80%的时候实测不舒适率比较高,尤其是在温度高于28℃的时候,这种规律更加明显.图3与图4分别表示焓值、相对湿度对实测不舒适率的影响,从图中可以看出,在高温高湿环境下,焓值的影响比相对湿度更显著.

2.4 风速对人体舒适度的影响

在本次测试中由于冬、夏季自然通风环境和实际空调环境下的风速均在0.1 m/s以下,冬季实验空调环境下风速变化也在0.05～0.15 m/s之间,所以仅以夏季实验空调环境下样本(见表4)作为对象,研究风速对人体热舒适及热感觉的影响.在本次实验中,除了最后三组即温度为27.5℃中的空气流速由风扇引起外其他均为可风机盘管送风引起,所测风速为距地1.1 m处风速.

风速感是这样描述的:风速让你觉得:①较冷;②舒适;③较热.在统计时我们用-1来表示较冷,0表示舒适,1表示较热,因此愈接近0就表示风速带来的感觉约舒适,接近-1就表示风让人觉得冷.从表中可以明显看出在有风的情况下,风速感均为负值,说明在我们实验的温湿度区域内,风速会带给人们凉爽的感觉.统计所有风速感小于-0.5的参数点,可发现其温度均在26.2℃以下,尤其当温度低于24℃时,即使风速很小也会带来较强的风速感即温度在24℃以下风速会给人冷的感觉,而实测不满意率也跟着上升了,即在24℃以下时风速会给人带来不舒适的冷风速感.且在对温度期望这一选项中期望值均为大于0,即希望温度更高一点,温度期望值随着温度的下降而增大.

图3 实测不舒适率与焓值的关系

图4 实测不舒适率与相对湿度

表4 实验空调环境下吹风感小于-0.5的参数点

3 结 论

对现场调查研究方法、结果进行了详细的分析和总结,得到了以下几点结论:

(1)通过对自然通风环境、实际空调环境和实验空调环境的实测,发现在自然通风条件下人体热感觉随着温度变化是最小的,仅为0.0949(TSV)/℃,而在实际空调环境下,热感觉与温度关系最大,变化率为0.3245(TSV)/℃.说明在自然通风条件下,影响人体热感觉的其他因素比实际空调环境和实验空调环境复杂,具体情况有待进一步研究;

(2)对三种环境下热不可接受率与实测不舒适度进行比较,发现实测不舒适度远高于热不可接受率,说明热感觉与热舒适有明显差异;

(3)在将实验空调环境下,热不可接受率、实测不舒适度与pmv-ppd进行比较的过程中发现热不可接受率拟合线在pmv-ppd拟合线之下与其有很好的吻合度,说明Fanger提出的pmv-ppd指标过多的考虑了热环境中,热感觉对人体舒适度的影响;

(4)在高温高湿(28℃,80%以上)条件下,焓值对实测不舒适度的影响比温度、相对湿度更明显,24℃以下时风速会给人带来不舒适的冷风速感.

[1]ISO 7730.Moderate Thermal Environment-Determination of the PM V and PPD In dices and Specification of the Conditions for Thermal Comfort[S].Geneva:In-ternational Standard organization.1984.

[2]ASHRAE5 5-1992.Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy[S].Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air ConditioningEngineers,In c.1992.

[3]Fergus Nicol.Adaptive thermal comfort standards in thehot-humid tropics[J].Energy and Buildings.2004:628-637.

[4]Nakano,Junta.Differences in perception of indoor environment between Japanese and non-Japanese workers[J].Energy and Buildings.2002:615-621.

[5]王昭俊.严寒地区居室热环境与热舒适性研究[D].哈尔滨建筑大学博士学位论文.2002:42-44.

[6]R.J.Dedear,G.S.Brager.Developing an Adaptive Model of Thermal Comfort and Preference[J].ASHRAE Trans.1998,104(1):145167.

[7]E.A.McCullough,B.W.Olesen,S.Hong.Thermal Insulation Provided by Chairs.ASHRAE Trans.1994,100(1):795-802.

[8]赵荣义.关于“热舒适”的讨论[J].暖通空调,2000,30(3):2526.