嚴(yán)寒地區(qū)住宅與辦公建筑熱環(huán)境與熱適應(yīng)研究
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王昭俊，任靜，吉玉辰，寧浩然
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090）
[摘要]為了研究嚴(yán)寒地區(qū)人體熱適應(yīng)性以及該地區(qū)冬季適宜的供暖溫度，對哈爾濱市住宅建筑和辦公建筑室內(nèi)熱環(huán)境和人體熱舒適進(jìn)行了9個月的連續(xù)調(diào)查。結(jié)果表明：供暖期間平均室溫都接近或超過24℃，辦公建筑受試者的著裝明顯多于住宅的。熱中性溫度隨著平均室溫的升高而逐漸提高，既不利于人體健康，也增加了供暖能耗，建議冬季供暖采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的下限值，且供暖初期、供暖中期和供暖末期的室溫也依次降低，如依次采用20℃、19℃和18℃，以充分利用人體的熱適應(yīng)性，實現(xiàn)可持續(xù)的建筑環(huán)境設(shè)計。
[關(guān)鍵詞]熱舒適；熱適應(yīng)；供暖溫度；住宅；辦公建筑；嚴(yán)寒地區(qū)
O 引言
嚴(yán)寒地區(qū)冬季供暖期長，供暖能耗大。漫長的供暖季中，室外氣溫是不斷變化的，而室內(nèi)供暖溫度一般保持不變。研究結(jié)果表明：不同氣候條件下人的熱中性溫度不同。供暖前后熱中性溫度是變化的，冬季和春季熱中性溫度也不同。冬季室溫過高，人會感到更加不舒適。那么，室外氣候與室內(nèi)熱環(huán)境又是如何影響人體熱舒適與熱適應(yīng)性的？應(yīng)如何利用人體對室外氣候和建筑室內(nèi)微氣候環(huán)境的適應(yīng)性合理設(shè)置供暖溫度呢？
為了深入揭示嚴(yán)寒地區(qū)人體熱適應(yīng)機(jī)理并提出適宜的供暖溫度，本項研究在國家自然科學(xué)基金資助下，對嚴(yán)寒地區(qū)代表性城市——哈爾濱市的住宅、辦公建筑、學(xué)生宿舍和教室等多種熱環(huán)境同時開展了長期的熱舒適現(xiàn)場調(diào)查，并對在校大學(xué)生開展了實驗室研究。本文以住宅和辦公建筑為研究對象，研究在供暖期間及供暖前后的過渡季中室內(nèi)熱環(huán)境特征及人體熱舒適和熱適應(yīng)性的變化規(guī)律；對比分析2種熱環(huán)境的差異性、受試者主觀熱反應(yīng)的差異性以及行為調(diào)節(jié)的差異性等；并建立嚴(yán)寒地區(qū)人體熱適應(yīng)模型。
1 研究方法
1.1 樣本選擇
采取現(xiàn)場測試與主觀調(diào)查相結(jié)合的方法。主觀調(diào)查采用電子問卷的調(diào)查方式，考慮受試者便于在網(wǎng)上在線填寫調(diào)查表，故本次調(diào)查選擇的受試者大部分是高校教師，少數(shù)為在讀的研究生。因課題組同時對大學(xué)生受試者也進(jìn)行相關(guān)調(diào)查，為了使本課題的研究成果在年齡上具有普適性，本文調(diào)查選取的受試者年齡一般40歲以上，其中住宅受試者年齡為28—72歲，辦公建筑受試者年齡為24—58歲。2種建筑環(huán)境的受試者均身體健康，男女比例均約為1:1，且受試者在哈爾濱市居住時間都超過5年，已適應(yīng)了該地區(qū)的氣候環(huán)境。
課題組于2013年9月23日至2014年5月15日對哈爾濱市5個住宅小區(qū)9棟住宅樓的10戶住宅以及6棟辦公建筑的19個辦公室進(jìn)行連續(xù)9個月的連續(xù)跟蹤調(diào)查。其中住宅受試者20人，辦公建筑受試者24人。受試者的背景統(tǒng)計資料見表1。
1.2環(huán)境參數(shù)測量
室內(nèi)環(huán)境測試參數(shù)包括：空氣溫度、相對濕度、黑球溫度、風(fēng)速及圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度等。測試儀器的測量范圍及精度如表2所示。
每2~3周現(xiàn)場入戶調(diào)查1次，測試客觀環(huán)境參數(shù)和讀取數(shù)據(jù)。入戶測試時，室內(nèi)溫濕度分別在房間中心距地面0.1 m、0.6 m、1.1 m高度處測量；黑球溫度和空氣流速僅在距地面0.6 m處測量；各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度取5點測試溫度的平均值。另外，室內(nèi)外設(shè)有溫濕度自記儀連續(xù)測試室內(nèi)外溫濕度。
1.3 主觀調(diào)查
主觀調(diào)查采用電子問卷形式，由受試者每周在線填寫1次。主觀調(diào)查內(nèi)容主要包括：
1)受試者的衣著情況。受試者根據(jù)自身著裝勾選相應(yīng)服裝選項。
2)活動量。填表前要求受試者盡量保持靜坐休息狀態(tài)，不可劇烈活動。
3)受試者的主觀熱反應(yīng)，如熱感覺、熱舒適及熱可接受度等。其中熱感覺采用ASHRAE 7級標(biāo)度（-3冷，-2涼，-1稍涼，0中性，1稍暖，2暖，3熱）。
4)受試者改善熱舒適的措施，如開關(guān)窗、增減衣服、改變活動量等。
共收到有效調(diào)查問卷1 050份，其中住宅447份，辦公建筑603份。
2 調(diào)查結(jié)果與分析
根據(jù)室外氣候變化將測試時間劃分為秋季過渡季（供暖開始前）、供暖初期、供暖中期、供暖末期、春季過渡季（供暖結(jié)束后）5個階段。
2.1 熱環(huán)境差異性分析
住宅和辦公建筑的平均室內(nèi)空氣溫度和平均相對濕度列于表3。
由表3可見，調(diào)查期間，住宅和辦公建筑熱環(huán)境參數(shù)變化趨勢基本相同。除供暖初期以外，辦公建筑各階段的平均室溫均低于住宅平均室溫。供暖開始前，室內(nèi)平均溫度最低；進(jìn)入供暖期，住宅和辦公建筑內(nèi)平均溫度逐漸上升；供暖末期，住宅和辦公建筑內(nèi)平均溫度分別達(dá)到最高；供暖結(jié)束后，室內(nèi)平均溫度較供暖末期顯著降低。
供暖期內(nèi)，住宅和辦公建筑平均溫度都接近或超過熱舒適標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值24℃。住宅的平均相對濕度一般都高于辦公建筑平均相對濕度�？赡苁怯捎谧≌用袢粘Ｗ鲲�、洗衣，以及養(yǎng)花、養(yǎng)魚等導(dǎo)致住宅室內(nèi)濕度較大。2種環(huán)境下的空氣相對濕度均在熱舒適范圍內(nèi)。住宅與辦公建筑的平均風(fēng)速范圍分別為0. 03~0.05 m/s和0.03~0.07 m/s，2種熱環(huán)境中風(fēng)速均較低，受試者無明顯的吹風(fēng)感。
住宅與辦公建筑的連續(xù)測試和間歇測試結(jié)果均表明，2種熱環(huán)境中的空氣溫度與操作溫度平均差值均在±0.5℃范圍內(nèi)，故可采用空氣溫度作為住宅和辦公建筑熱環(huán)境的評價指標(biāo)。
2.2服裝調(diào)節(jié)差異性分析
對比住宅和辦公建筑受試者逐周的服裝熱阻變化，如圖1所示�？梢�，住宅與辦公建筑的受試者服裝熱阻變化趨勢有顯著差別。
各階段內(nèi)辦公建筑受試者的服裝熱阻均明顯高于住宅受試者。調(diào)查期間，住宅受試者各階段平均服裝熱阻范圍為0. 69~0.85%，辦公建筑受試者的服裝熱阻范圍0. 98~1.34%。
供暖期間，住宅熱環(huán)境溫度逐漸升高，受試者著裝逐漸減少；供暖中期，辦公建筑平均溫度最低，受試者服裝熱阻也最大。供暖結(jié)束后，室內(nèi)平均溫度降低，住宅受試者著裝增加，而辦公建筑受試者的著裝有所降低，這可能是由于供暖結(jié)束后室外溫度回升，辦公建筑受試者的著裝較多地考慮室外氣候因素，因此著裝減少。
住宅與辦公建筑中受試者著裝的不斷改變，體現(xiàn)了這兩種環(huán)境中受試者適應(yīng)室內(nèi)外熱環(huán)境的主動性。
住宅與辦公建筑受試者服裝熱阻與室內(nèi)溫度的相關(guān)關(guān)系回歸分析結(jié)果見式(1)和式(2)。
可見，式(1)中方程的決定系數(shù)R2明顯高于式(2)的。此外，溫度每升高或降低l℃，住宅受試者的服裝熱阻變化約0. 05 %，而辦公建筑受試者的著裝變化約0. 02 %。說明住宅受試者著裝主要受室內(nèi)溫度的影響，因為人們便于在室內(nèi)隨意更換衣物，即服裝調(diào)節(jié)的自由度較大；而辦公建筑受試者不便于經(jīng)常更換衣物，其著裝則還需考慮室外氣候、工作環(huán)境等因素，其服裝調(diào)節(jié)范圍較小。
2.3熱中性溫度差異性分析
表4為住宅和辦公建筑各階段的平均熱感覺回歸方程和熱中性溫度。
對比住宅和辦公建筑各階段平均室溫及受試者熱中性溫度變化趨勢，如圖2所示。住宅受試者與辦公建筑受試者各階段的熱中性溫度變化呈現(xiàn)出相似但又不完全相同的趨勢。
供暖開始前，住宅受試者的熱中性溫度為24.3℃，高于其平均室溫2.1℃；辦公建筑受試者的熱中性溫度為21.4℃，高于其平均室溫0.6℃。2種熱環(huán)境的平均室溫僅相差0.6℃，住宅受試者的熱中性溫度比辦公建筑受試者高1.9℃。住宅和辦公建筑受試者的平均服裝熱阻分別為0. 83 %和0.98%。辦公建筑受試者在室內(nèi)外溫度較低的情況下，著裝更多，所以熱中性溫度也相應(yīng)較低，且更加接近平均室溫。
供暖期間，2種環(huán)境的熱中性溫度均低于平均室溫。3個供暖階段內(nèi)，住宅受試者的中性溫度分別為21.8℃、22.9℃和23.0℃，分別比平均室溫低1.8℃、1.4℃、2.0℃；辦公建筑受試者的中性溫度分別為21.3℃、21.1℃和20.1℃，分別比平均室溫低2.5℃、2.2℃、4.0℃。一方面說明受試者的中性溫度隨室內(nèi)外溫度變化而變化，另一方面也說明供暖期間2種熱環(huán)境下均存在過熱現(xiàn)象。
供暖期間，住宅平均室溫一般高于辦公建筑的，且住宅受試者的熱中性溫度均高于辦公建筑的。住宅受試者的熱中性溫度隨室內(nèi)溫度的升高逐漸上升，辦公建筑受試者的熱中性溫度隨室溫的升高而降低。表明辦公建筑受試者對室外氣候形成較強的適應(yīng)性，室溫升高時，在室內(nèi)服裝調(diào)節(jié)自由度小，故逐漸感到熱，因此其熱中性溫度逐漸降低；而住宅室溫偏高，居民對室外氣候的適應(yīng)性往往被抵消，人們逐漸適應(yīng)了室內(nèi)偏高的室溫，致使中性溫度逐漸升高。
供暖結(jié)束后，室外氣溫上升，室內(nèi)平均溫度降低，住宅平均室溫降到22.5℃，受試者的熱中性溫度為24℃，高于平均室溫1.5℃，平均服裝熱阻由0. 69 %上升至0.85 %；辦公建筑平均室溫降至21.8℃，受試者的中性溫度為24.1 aC，高于平均室溫2.3℃，平均服裝熱阻由1. 17 %下降至1.03%。比較2種熱環(huán)境的結(jié)果可以看出，供暖結(jié)束后，在無供暖的自然狀態(tài)下，住宅與辦公建筑的受試者通過服裝等行為調(diào)節(jié)，熱中性溫度近似相等。
綜上，由于2種環(huán)境下室溫不同、服裝熱阻不同，導(dǎo)致熱中性溫度的差異性。
2.4可接受溫度差異性分析
對比住宅和辦公建筑80%可接受的溫度范圍，見圖3。
供暖開始前，辦公建筑受試者可接受的溫度下限明顯比住宅受試者的可接受的溫度下限低1.3℃。此時，2種熱環(huán)境的平均室溫相近，而住宅受試者的平均服裝熱阻為0. 83 %，辦公建筑受試者的平均服裝熱阻為0. 98 %。表明通過服裝調(diào)節(jié)，就可以在較低的溫度范圍內(nèi)獲得熱舒適。
供暖初期，住宅和辦公建筑受試者的可接受溫度均降低，80%可接受的溫度下限均分別低于平均室溫。表明供暖初期，受試者均不期望室內(nèi)溫度過高。
供暖中期，住宅和辦公建筑內(nèi)的可接受溫度上限均升高，住宅可接受的下限溫度基本不變，辦公建筑可接受下限降低1.4℃。表明2種環(huán)境中的受試者均逐漸適應(yīng)了室內(nèi)供暖熱環(huán)境和室外冷環(huán)境，可接受溫度范圍變寬。同時也表明，辦公建筑受試者適應(yīng)室外氣候的能力更強。
供暖末期，住宅受試者的可接受溫度上限為26.9℃，下限為19.0℃；辦公建筑受試者的可接受溫度范圍為14.4~25.7℃，較供暖中期進(jìn)一步拓寬。表明經(jīng)過一個寒冷的冬季，受試者逐漸適應(yīng)了冷環(huán)境，在室外溫度回升、室內(nèi)溫度較高的情況下，住宅和辦公建筑受試者均可接受較低的室內(nèi)溫度。
供暖結(jié)束后，兩種熱環(huán)境中受試者熱可接受溫度范圍均很寬。表明受試者經(jīng)過漫長的冬季，對冷環(huán)境的適應(yīng)性增強，相比供暖開始前，可接受溫度下限降低，可接受溫度的上限也明顯提高。
綜上，供暖期間，住宅和辦公建筑中受試者的可接受溫度范圍均逐漸拓寬，體現(xiàn)了受試者對室外氣候和室內(nèi)微氣候環(huán)境的適應(yīng)性。
3 嚴(yán)寒地區(qū)人體熱適應(yīng)模型
3.1 住宅人體熱適應(yīng)模型
將歷年來在哈爾濱市住宅中進(jìn)行的4次現(xiàn)場調(diào)查所得的人體熱中性溫度與平均室溫進(jìn)行線性回歸，繪制于圖4，得到嚴(yán)寒地區(qū)住宅人體熱適應(yīng)模型，見式(3)。
式中：y為住宅人體熱中性溫度，℃；x為住宅平均室溫，℃。
由圖4可知，近年來供暖期間住宅室內(nèi)溫度逐漸上升，住宅受試者的熱中性溫度也呈現(xiàn)上升趨勢。這體現(xiàn)了居民對逐漸變暖的室內(nèi)熱環(huán)境的適應(yīng)性。
3.2 辦公建筑人體熱適應(yīng)模型
將近年現(xiàn)場調(diào)查所得的辦公建筑人體熱中性溫度與平均室溫進(jìn)行線性回歸，繪制于圖5，得到嚴(yán)寒地區(qū)辦公建筑熱環(huán)境人體熱適應(yīng)模型，見式(4)。
式中：r，為辦公建筑人體熱中性溫度，℃；x為辦公建筑平均室溫，℃。
隨著辦公室平均室溫的升高，受試者的熱中性溫度逐漸降低。
4 供暖溫度與供暖能耗
4.1 室溫與供暖能耗
2013年住宅供暖中期平均室溫為24.3℃，2000年住宅冬季供暖期間住宅平均室溫為20.1℃。若均按照供暖設(shè)計工況計算，供暖室外計算溫度取- 24.2℃3，2013年住宅供暖能耗相比2000年提高了約9.5%。計算公式見式(5)。
式中：AN為節(jié)能率，%；t3為2013年供暖中期平均室溫，為24.3℃；t。,200。為2000年供暖中期平均室溫，為20.1℃；t。為供暖室外計算溫度，取- 24.2cC。
近年來室溫提高了，供暖能耗增加了，而供暖調(diào)節(jié)手段受限，居民只能開窗降溫。這也進(jìn)一步增加了建筑能耗。若按照冬季熱舒適溫度下限20℃計算，與本次調(diào)查相比，供暖各階段可節(jié)能比例依次約為7. 5%、8.9%、10. 2%。計算公式見式(6)。如果按照我國供暖設(shè)計規(guī)范規(guī)定的嚴(yán)寒地區(qū)供暖室內(nèi)設(shè)計溫度下限值18℃計算，則節(jié)能率可達(dá)11.7 %、13. 0%、14. 2%。
式中：AN；分別對應(yīng)2013年供暖初期、供暖中期和供暖末期可節(jié)能比例（i為2、3和4），%；t。為熱舒適溫度下限值，取20℃；t；分別對應(yīng)2013年供暖初期、供暖中期和供暖末期平均室溫，℃。
4.2適宜的供暖溫度分析
冬季供暖期間住宅平均室溫為20.1℃．12年間平均室溫提高了4.2℃。2%年冬季辦公建筑平均室溫為25.5℃，超過冬季熱舒適溫度的上限值24℃。建筑使用者只能通過減少著衣量和開窗降溫以適應(yīng)不斷增加的室溫。大量冷空氣侵入室內(nèi)，會導(dǎo)致吹風(fēng)感而影響人體熱舒適性。說明冬季室溫不宜過高，既不舒適又浪費能源。
基于熱適應(yīng)性理論，人體熱中性溫度與室內(nèi)平均溫度接近。近年來，由于住宅建筑室內(nèi)溫度不斷升高，導(dǎo)致居民的熱中性溫度也逐漸升高；而文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)果表明，如果供暖期間室溫過高，受試者會逐漸適應(yīng)偏熱的室內(nèi)環(huán)境，而對偏冷環(huán)境的適應(yīng)性會逐漸削弱。這樣既浪費能源，又不利于人體健康。宜充分利用人體的適應(yīng)性，合理設(shè)置室內(nèi)供暖溫度。
而另一方面，辦公建筑室溫低于住宅的平均室溫，但辦公人員著衣量較居民多，故辦公人員的熱中性溫度約為21℃，較接近熱舒適溫度下限�？梢�，在室外熱暴露相同而室內(nèi)熱環(huán)境不同的情況下，對于年齡相近的受試者，其服裝熱阻和室內(nèi)熱環(huán)境差異會導(dǎo)致熱中性溫度不同。這也體現(xiàn)了人們對室內(nèi)熱環(huán)境熱暴露的適應(yīng)性。應(yīng)鼓勵嚴(yán)寒地區(qū)的人們冬季適應(yīng)室外寒冷的氣候環(huán)境，建議冬季供暖采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的下限值。
由圖2可知，供暖初期、供暖中期和供暖末期，辦公建筑受試者的熱中性溫度逐漸降低。表明利用人體的熱適應(yīng)性，供暖期間各個階段的室內(nèi)溫度的設(shè)計值可依次降低。根據(jù)我國設(shè)計規(guī)范，冬季室內(nèi)溫度范圍18—22℃，而采用下限溫度更節(jié)能。綜合考慮以上因素，建議供暖初期、供暖中期和供暖末期的室溫可依次采用20℃、19℃和18℃。
綜上所述，兼顧熱舒適性和建筑節(jié)能，宜充分利用人們對寒冷氣候的適應(yīng)性，建議供暖室內(nèi)溫度采用熱舒適標(biāo)準(zhǔn)推薦的溫度下限值，且供暖期間各個階段的室內(nèi)溫度的設(shè)計值也依次降低，使建筑熱環(huán)境設(shè)計朝著舒適健康、節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)方向發(fā)展。
5結(jié)論
1)供暖期間住宅和辦公建筑平均室溫都接近或超過24℃。住宅平均室溫一般高于辦公建筑的。
2)辦公建筑受試者的著裝較多地考慮室外氣候因素，明顯多于住宅受試者的。
3)建立了嚴(yán)寒地區(qū)住宅和辦公建筑人體熱適應(yīng)模型，適用于該地區(qū)冬季供暖期間一般成年人在住宅和辦公建筑中熱舒適溫度的預(yù)測和評價。
4)近年來隨著住宅室溫的不斷上升，熱中性溫度逐漸提高。既不利于人體健康，也增加了供暖能耗。應(yīng)鼓勵嚴(yán)寒地區(qū)的人們冬季適應(yīng)室外寒冷的氣候環(huán)境，建議冬季供暖采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的下限值。
5)供暖初期、供暖中期和供暖末期，辦公建筑受試者的熱中性溫度逐漸降低。宜利用人體熱適應(yīng)性和服裝調(diào)節(jié)手段，建議供暖各階段的室溫也依次降低，如依次采用20℃、19℃和18℃，以實現(xiàn)建筑熱環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展。
6 致謝
對參加調(diào)查的全體受試者表示衷心感謝。
