摘要: 人體熱舒適存在明顯的城鄉(xiāng)差異特征。為研究夏熱冬暖北區(qū)夏季農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境和居民熱舒適，2020 年夏季對廣西賀州河西村 105 戶自然通風農(nóng)宅室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)進行現(xiàn)場實測，同時對居住其中的 280 位當?shù)鼐用裾归_熱舒適主觀問卷調(diào)查，回收有效問卷 560 份。運用統(tǒng)計學分析方法對實測數(shù)據(jù)和調(diào)查問卷進行回歸分析，研究操作溫度與熱感覺、服裝熱阻等的關(guān)系，定量分析熱主觀感覺的影響因素。結(jié)果顯示，夏季賀州農(nóng)村受試者實測中性溫度為 25.0℃，預(yù)測中性溫度為 26.2℃，期望溫度為 24.4℃，可接受溫度范圍為 19.5℃~29.6℃。老年人和成年人的中性溫度分別為 25.4℃和 24.5℃，老年人對熱的耐受力高于成年人;男性和女性的中性溫度分別為 24℃和 24.3℃，不存在統(tǒng)計學上的顯著差異。研究結(jié)果可為農(nóng)宅熱舒適研究提供參考。
關(guān)鍵詞：夏熱冬暖北區(qū);農(nóng)宅;室內(nèi)熱環(huán)境;熱舒適;現(xiàn)場實測
隨著農(nóng)村居民生活水平顯著改善以及鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推進，夏熱冬暖地區(qū)夏季農(nóng)宅的舒適性逐漸成為人們關(guān)注的熱點。近年來，有學者對我國夏熱冬暖地區(qū)建筑夏季的熱舒適開展了大量的現(xiàn)場研究，但主要集中在公共建筑[1 3]和城市住宅[4，5]，對農(nóng)宅的熱舒適研究較少[6，7]，特別是關(guān)于夏熱冬暖北區(qū)農(nóng)宅的熱舒適和熱適應(yīng)研究較少。研究表明，人體的實際熱舒適需求可以通過熱適應(yīng)模型反映，受地域氣候、建筑類型、室內(nèi)環(huán)境、生活習慣等多種因素影響，存在明顯的城鄉(xiāng)差異[8，9]。
而目前世界上影響最大的室內(nèi)熱環(huán)境評價標準 ASHRAE 55[10，11]、ISO 7730[12]與不同地區(qū)熱舒適現(xiàn)場調(diào)研的研究成果有所出入，國內(nèi)現(xiàn)有的熱環(huán)境評價標準[13]和建筑規(guī)范[14]未能針對夏熱冬暖北區(qū)農(nóng)民的熱舒適需求對農(nóng)宅熱環(huán)境改善和節(jié)能設(shè)計進行準確指導(dǎo)。
為全面了解夏熱冬暖北區(qū)農(nóng)宅熱環(huán)境和當?shù)鼐用駸崾孢m水平，本研究選取該區(qū)代表城市(廣西賀州市)典型農(nóng)村(河西村)的住宅進行現(xiàn)場調(diào)查與分析，建立賀州地區(qū)農(nóng)宅的熱適應(yīng)模型，為提高當?shù)剞r(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境與人體熱舒適提供必要的理論依據(jù)。
1 氣候條件與研究區(qū)域
農(nóng)宅特點賀州市地處我國夏熱冬暖北區(qū)建筑熱工分區(qū)，屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和，雨量充沛。2020 年賀州市全年平均氣溫 20.8℃，最冷為 12 月，月均氣溫 10.2℃，最熱為 7 月，月均氣溫 29.9℃;年均雨量1 531.6 mm，全年無霜期 328 d。
河西村位于廣西賀州市八步區(qū)中部，是第五批全國重點文物保護單位臨賀故城河西城址的核心區(qū)域，2019 年被列入第五批中國傳統(tǒng)村落名錄[15]。這之后，河西村主要街巷的農(nóng)宅不再新增或拆除重建;既有農(nóng)宅僅能進行外立面整改修復(fù)[16]，原有室內(nèi)居住環(huán)境已難滿足居民的熱舒適需求。河西村共有農(nóng)宅 420 棟，其中 2000 年之后建造的占比 63%，均為磚混結(jié)構(gòu)。農(nóng)宅層數(shù)以 2~3 層為主，占比約 77%。外墻為 180 mm 厚普通燒結(jié)磚，部分農(nóng)宅外墻立面貼飾灰色仿古面磚并勾縫，外圍護結(jié)構(gòu)均無保溫材料。
2 研究方法
2. 1 樣本選擇
筆者研究團隊于 2020 年 7 月 29 日—8 月 3 日對河西村 105 棟農(nóng)宅的室內(nèi)熱環(huán)境和居民熱舒適進行現(xiàn)場調(diào)查實測，并于 2020 年 10 月 25 日—10 月 28 日進行補充調(diào)查。共調(diào)查居民 280 人，其中男性 123 人(44%)、女性 157 人(56%)。采用橫向加縱向的問卷調(diào)查方法，共計回收有效問卷 560 份，考慮受試者樣本性別、年齡等因素的均勻分布。在調(diào)查過程中，詳細記錄每位受試者的衣著情況和新陳代謝率。服裝熱阻為按照 ASHRAE55 2004 標準計算出的受試者所著服裝的總熱阻值，受試者大多處于站姿放松狀態(tài)或坐在輕質(zhì)木椅上，故不考慮附加熱阻。受試者為長期生活在此地的居民，在當?shù)鼐幼r長為 4~80 a，初步認為已經(jīng)可以接受當?shù)貧夂颉?
2. 2 現(xiàn)場研究
本次現(xiàn)場研究采用現(xiàn)場測試與問卷調(diào)查相結(jié)合的研究方法。室外氣象參數(shù)測點為 24 h 連續(xù)監(jiān)測;室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)實測和熱舒適主觀問卷調(diào)查同步進行，分別選取農(nóng)宅首層、標準層和頂層的主要房間(客廳或臥室)進行現(xiàn)場測試，并對房間內(nèi)的1~2 名居民進行問卷調(diào)查，室內(nèi)皆處于自然通風狀態(tài)，不開啟空調(diào)。
2.2.1 熱環(huán)境參數(shù)測試熱環(huán)境參數(shù)測試內(nèi)容包括室內(nèi)外空氣溫濕度、室內(nèi)黑球溫度和室內(nèi)風速。分別使用 AZ8829S 型自動記錄溫濕度計、JTSOFT Meter JTR04 型黑球溫度計、SENTRY ST733 風速自動監(jiān)測儀進行測試。測試儀器均滿足 ISO 7726 標準[17]要求，且測試前各儀器均按要求進行校核。各儀器記錄間隔均為 1 min。測試位置距受試者 0.3 m 以內(nèi)，高度分別取 0.1、0.6、1.1 m，對 應(yīng) 坐 姿 人 體 的 腳 踝 、腹 部 和頭部。
2.2.2 現(xiàn)場問卷調(diào)查問卷調(diào)查內(nèi)容涉及 5 個方面，一是農(nóng)宅概況，包括農(nóng)宅的建造年代、形式、圍護結(jié)構(gòu)材料、保溫隔熱設(shè)計等;二是受試者的基本情況，包括年齡、性別、身高、在此地的居住年限等;三是受試者著衣情況和活動狀態(tài);四是受試者改善室內(nèi)熱環(huán)境的適應(yīng)性措施，包括開門窗、開風扇、開空調(diào)等有關(guān)改變室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的方式和增減衣物、活動量等自身的適應(yīng)性行為;五是受試者對室內(nèi)環(huán)境的熱感覺、熱舒適、熱期望、熱可接受度等主觀投票。調(diào)研問卷內(nèi)容的設(shè)置參考 ASHRAE 55 2013，將主觀感受量化為主觀投票標尺。
3 測試結(jié)果與分析
3. 1 室內(nèi)外環(huán)境實測參數(shù)測試
期間室外空氣溫度和相對濕度，其平均值分別為 26.8℃和 72.0%。室外氣溫晝夜溫差較大，溫度日波動幅度最大為 11.3℃，最高溫度 37.5℃出現(xiàn)在 7 月 30 日中午。相對濕度日波動范圍最大為 45.5%~94%，幅度 48.5%，最高相對濕度95.4% 出現(xiàn)在 7 月 31 日凌晨。此數(shù)據(jù)可基本代表賀州地區(qū)夏季室外溫濕度的變化，符合夏熱冬暖地區(qū)夏季高濕高熱的氣候特征。
通過對 560 人次現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的分析和整理，獲取了當?shù)刈匀煌L農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)的基本特征，室內(nèi)空氣溫度和相對濕度的平均值分別為 28.5℃和 63.1%;室內(nèi)操作溫度的平均值為 28.6℃，與空氣溫度基本持平;室內(nèi)平均風速為 0.07 m/s。
3. 2 問卷調(diào)查結(jié)果分析
當室內(nèi)相對濕度在舒適范圍內(nèi)且室內(nèi)空氣流速 較 低 時 ，一 般 采 用 操 作 溫 度 top 進 行 熱 舒 適 分析[18]，以考慮空氣溫度 ta及平均輻射溫度 tmrt對人體熱感覺的綜合影響。
4 討論
4. 1 熱感覺與操作溫度的關(guān)系
為分析熱感覺與室內(nèi)操作溫度的關(guān)系，利用調(diào)研數(shù)據(jù)和 Fanger[20]的 PMV 方程，通過伯克利熱舒適計算工具，計算得到預(yù)測平均熱感覺投票值(pre⁃dicted mean thermal sensation vote，PMV)。MTS 和 PMV 與室內(nèi)操作溫度的關(guān)系的對比分析。在 23℃~26℃的操作溫度區(qū)間內(nèi)，MTS 變化平穩(wěn)，趨近于中性，且高于 PMV;PMV 曲線斜率較大，在 26℃~28℃的操作溫度區(qū)間內(nèi)，隨著操作溫度的上升，PMV 和 MTS 趨近相同;當操作溫度高于 28℃之后，熱感覺投票的預(yù)測值大于實測值，即 PMV 模型高估了受試者對溫度變化的敏感程度。
由此可知，PMV 模型用于預(yù)測自然通風條件下居民的熱感覺時發(fā)生嚴重的偏離，而且溫度偏離中性越多，“剪刀差”現(xiàn)象越明顯，這個變化趨勢與已有研究相似[21，22]。采用溫度頻率法將 PMV 和 MTS 分別與操作溫度 top進行加權(quán)回歸分析，得到熱感覺投票預(yù)測模型以及熱感覺投票實測模型為PMV = 0.373 3top - 9.780 6, R2 = 0.975 7 (4)MTS = 0.227 3top - 5.676 1, R2 = 0.821 5 (5)
4. 2 中性溫度、期望溫度和可接受溫度范圍
中性溫度是指一定環(huán)境中人體熱感覺不冷不熱的溫度，即受試者的熱感覺投票為“中性”時所對應(yīng)的溫度。令式(3)、(4)2 個線性回歸分析式中的PMV 和 MTS 都等于 0，可以求出預(yù)測中性溫度為26.2℃、實測中性溫度為 25.0℃。同屬夏熱冬暖熱工分區(qū)但緯度更低的北海[23]、粵東[24]、海南[7]農(nóng)村的居民的中性溫度分別是 26.1℃、26.7℃和 27.3℃。
可以看出，隨著緯度的降低中性溫度呈升高趨勢，這與閆海燕等[25]的研究結(jié)論相同。期望溫度表達的是居民對當前環(huán)境的偏好溫度。通過現(xiàn)場詢問受試者對當前環(huán)境期望“變冷”、“不變”、“變熱”獲得調(diào)查數(shù)據(jù)，運用線性回歸方法加權(quán)擬合，期望變冷和期望變熱線性回歸的交點值即為期望溫度。計算得出賀州地區(qū)農(nóng)宅受試者夏季的期望溫度為 24.4℃，低于中性溫度，符合既往研究的結(jié)論[26]。
根據(jù) ASHRAE 55 標準和 ISO 7730 標準規(guī)定：80% 居民能接受的環(huán)境即為熱舒適環(huán)境，即熱不接受率 PD≤20% 的溫度為人們可接受的舒適溫度。測試過程中，對受試者進行詢問“對于此刻的熱環(huán)境，您是否可以接受?”。通過溫頻法和回歸分析，確定熱不接受率和操作溫度之間的關(guān)系，令 PD=20%，可得到該地區(qū)居民夏季可接受溫度的上限值為 29.6℃。
4. 3 熱主觀感覺的影響因素
4.3.1 年齡研究表明，人體新陳代謝和免疫力隨年齡增長而下降，老年人對熱環(huán)境的感知和對熱舒適的需求與年輕人有明顯差異[27]。本研究依據(jù)世衛(wèi)組織對老年人年齡劃分規(guī)定，將受試者分為年齡小于 60 歲的成年人群體(179 人，占比 64%)和大于等于 60 歲的老年人群體(101 人，占比 36%)。不同群體的 MTS、MTC 和熱期望投票的分布如表 6 所示。MTC 為 0、+1、+2、+3 表示舒適，由表 6 可知，夏季賀州河西村的自然通風農(nóng)宅中，分別有 95.1% 的老年人受試者和 82.6% 的成年人受試者感覺舒適;27.9% 的老年人期望溫度變涼，71.6%的老年人愿意溫度保持不變，這一比例在成年人中分別為 54% 和 46%。結(jié)果顯示，賀州地區(qū)農(nóng)村的老年人在夏季對熱的耐受力比成年人更強。
4.3.2 性別研究表明，在相同的室內(nèi)熱環(huán)境條件下，不同性別的居民熱感覺存在差異[29]。為進一步了解賀州農(nóng)村男性和女性居民在熱感覺和熱舒適方面的差異，繪制不同性別的 MTS 和 MTC 頻率分布圖。將熱舒適投票值 0~+3 視為舒適，可知，實測期間 80.2% 的男性感到舒適，這一比例在女性中達到 91.6%。由熱感覺投票頻率分布可知，女 性 對 熱 環(huán) 境 的 可 接 受 度 為 79.1%，比 男 性 高1.3%，二者比例接近。
將男性和女性的 MTS 分別與操作溫度 top進行加 權(quán) 回 歸 分 析 ，得 到 男 性 和 女 性 的 MTS 模 型 分別為MTS男性 = 0.268 0top - 6.420 2,R2 = 0.893 1(8)MTS女性 = 0.277 1top - 6.722 4,R2 = 0.928 1(9)依據(jù)式(8)、(9)計算得出男性和女性的中性溫度分別為 24℃和 24.3℃，由此可以認為夏季男性和女性的中性溫度不存在統(tǒng)計學上的顯著差異。
5 結(jié)論
1)實測期間，賀州地區(qū)農(nóng)宅室內(nèi)平均空氣溫度為 28.5℃、平均操作溫度為 28.6℃，均高于 ISO 7730標準(26℃)和 ASHRAE 55 標準(27℃)和我國民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準(28℃)規(guī)定的夏季熱舒適上限，室內(nèi)熱環(huán)境較差。
2)夏季服裝熱阻平均值為 0.4 clo，著裝情況與操作溫度存在顯著線性關(guān)系，每升高單位操作溫度，服裝熱阻減少 0.01 clo。3)74.1% 的受試者對當前環(huán)境表示可以接受，表明當?shù)剞r(nóng)村居民對夏季高溫有較強的耐受力。4)該地區(qū)夏季實測中性溫度為 25.0℃，預(yù)測中性溫度為 26.2℃，期望溫度為 24.4℃，較實測中性溫度低 0.6℃，可接受溫度范圍為 19.5℃~29.6℃。對比夏熱冬暖南區(qū)的農(nóng)村，賀州農(nóng)村居民熱中性溫度和可接受溫度上限都相對較低，這與其所處于夏熱冬暖北區(qū)有關(guān)。
5)主觀熱感覺受到年齡和性別等因素的影響。60 歲及以上的老年人群體有 95.1% 感覺舒適，而小于 60 歲的群體中感覺舒適的比例則為 82.6%;實測中性溫度前者為 25.4℃，后者為 24.5℃。這表明賀州地區(qū)農(nóng)村老年人在夏季對熱的耐受力更強。6)性別在對熱環(huán)境的可接受度方面差異不明顯，女性為 79.1%，僅比男性高 1.3%，比例接近。二者的實測中性溫度分別為 24.3℃和 24.0℃，不存在統(tǒng)計學上的顯著差異。
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作者：鞏新枝 1,2，3，陳晨 2
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