簡(jiǎn)毅文，裴 澤，尹素菊，李 毅

(北京工業(yè)大學(xué) a.建筑工程學(xué)院；b.應(yīng)用數(shù)理學(xué)院，北京 100124)

住宅夏季非空調(diào)環(huán)境的人體熱適應(yīng)
——個(gè)體特性

簡(jiǎn)毅文a，裴 澤b，尹素菊b，李 毅a

(北京工業(yè)大學(xué) a.建筑工程學(xué)院；b.應(yīng)用數(shù)理學(xué)院，北京 100124)

為了從更細(xì)微的層面把握和認(rèn)識(shí)北京地區(qū)住宅夏季非空調(diào)環(huán)境下人體的熱適應(yīng)特性，從單個(gè)個(gè)體角度開(kāi)展相關(guān)的分析研究。通過(guò)分析建立連續(xù)變化的室內(nèi)溫濕度環(huán)境與人體對(duì)熱濕環(huán)境主觀評(píng)價(jià)的相互聯(lián)系，從人體對(duì)室內(nèi)溫度、濕度的熱適應(yīng)水平以及在熱適應(yīng)水平上室內(nèi)溫、濕度兩者的交互作用兩個(gè)方面，對(duì)住宅夏季非空調(diào)環(huán)境下單個(gè)個(gè)體熱適應(yīng)特性進(jìn)行較完整的分析和刻畫(huà)。并以北京城區(qū)某個(gè)居住者為例，闡述了上述的分析方法在研究個(gè)體對(duì)住宅夏季非空調(diào)室內(nèi)環(huán)境熱適應(yīng)特性的應(yīng)用。

非空調(diào)環(huán)境；人體熱適應(yīng)；個(gè)體特性；適應(yīng)水平；應(yīng)用

伴隨著采暖、空調(diào)系統(tǒng)普及所引發(fā)的一系列能耗、環(huán)境以及人體舒適健康的問(wèn)題，自然通風(fēng)環(huán)境下的人體熱適應(yīng)問(wèn)題近年來(lái)已受到研究者的廣泛重視，并對(duì)此開(kāi)展了大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)研究[1]。

首先，通過(guò)非采暖空調(diào)環(huán)境下人體實(shí)際熱感覺(jué)與采用國(guó)際熱舒適標(biāo)準(zhǔn)ISO7730和ASHRAE-1992預(yù)測(cè)結(jié)果存在明顯差異的分析發(fā)現(xiàn)[2-4]，早期的研究者提出了人體熱適應(yīng)的基本理論( Adaptive Model of Thermal Comfort )[5-6]，認(rèn)為人體并非是環(huán)境熱刺激的被動(dòng)接受者，而是通過(guò)生理適應(yīng)、心理適應(yīng)以及行為調(diào)節(jié)3種方式積極主動(dòng)地與熱濕環(huán)境相互作用，從而在非采暖空調(diào)的自然環(huán)境中呈現(xiàn)出與采暖空調(diào)環(huán)境下不同的熱感覺(jué)狀況。

之后，學(xué)者們針對(duì)不同氣候條件、不同功能的建筑，從多個(gè)角度對(duì)室內(nèi)人體的熱適應(yīng)做了廣泛的分析調(diào)研工作[7-20]。在熱適應(yīng)模型建立的研究上，美國(guó)學(xué)者通過(guò)大量的數(shù)據(jù)調(diào)研和數(shù)據(jù)擬合，得到了人體可接受的舒適溫度和室外空氣平均溫度的線性函數(shù)關(guān)系，建立了被ASHRAE55-2004標(biāo)準(zhǔn)所采用的熱適應(yīng)模型[11]。之后，歐洲學(xué)者利用當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，通過(guò)建立室內(nèi)舒適溫度與周內(nèi)外溫相繼平滑溫度的線性回歸方程，得到了對(duì)應(yīng)于3類建筑的設(shè)計(jì)溫度取值范圍，并做為歐洲建筑設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)EN15251[12]。中國(guó)研究者在文獻(xiàn)[11]研究的基礎(chǔ)上，對(duì)中國(guó)主要熱工分區(qū)(嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū))的居住和辦公建筑內(nèi)夏季和冬季的人體熱適應(yīng)開(kāi)展了細(xì)致和深入的研究，建立了對(duì)應(yīng)各個(gè)地區(qū)特定建筑的人體熱適應(yīng)模型[13-20]。

分析比較該領(lǐng)域的各項(xiàng)研究工作，可以發(fā)現(xiàn)，盡管建筑所處的地理位置及建筑功能各不相同，但各項(xiàng)研究結(jié)果所反映出的均是特定地區(qū)人群對(duì)室內(nèi)環(huán)境熱適應(yīng)的平均特征，如中性溫度；或是針對(duì)80%或90%人群可接受的室內(nèi)環(huán)境范圍及其隨室外溫度的變化。文獻(xiàn)[17]的研究表示，在外溫30 ℃的情況下，夏熱冬冷地區(qū)90%和80%人群可接受的室內(nèi)溫度范圍大致分別為22.0～28.0 ℃和23.2～27.8 ℃，這兩個(gè)溫度范圍的變化幅度分別為6.0 ℃和4.6 ℃。因此，研究結(jié)果所給出的是較寬泛的熱濕環(huán)境范圍。

從人體自身的角度分析，由于人體生理狀況、生活環(huán)境等因素的千差萬(wàn)別，單個(gè)個(gè)體對(duì)室內(nèi)環(huán)境會(huì)形成不同的熱適應(yīng)狀況[21]，文獻(xiàn)[22-23]中不同地區(qū)人體熱適應(yīng)差異的統(tǒng)計(jì)顯著性證實(shí)了上述的論點(diǎn)。因此，有關(guān)人體熱適應(yīng)平均特征或群體熱適應(yīng)范圍的分析描述會(huì)掩蓋不同個(gè)體對(duì)室內(nèi)環(huán)境熱適應(yīng)的差異，例如對(duì)應(yīng)于80%人群23.2～27.8 ℃的溫度適應(yīng)范圍，其中可能有部分人的溫度適應(yīng)范圍為23.2～25 ℃，而另有部分人的范圍為26～27.8 ℃，也即這兩類人群在對(duì)室內(nèi)環(huán)境的熱適應(yīng)上存在明顯差異。這樣，研究結(jié)果沒(méi)有細(xì)致反映出人體對(duì)室內(nèi)環(huán)境的熱適應(yīng)狀況，并可能會(huì)對(duì)人體熱適應(yīng)的群體特征導(dǎo)致不清晰的認(rèn)識(shí)。

因此，有必要從個(gè)體角度開(kāi)展人體對(duì)室內(nèi)環(huán)境熱適應(yīng)的分析和研究，以期在更細(xì)微的層面上把握和認(rèn)識(shí)人體的熱適應(yīng)特性。對(duì)此，通過(guò)分析建立連續(xù)變化的室內(nèi)溫濕度與人體對(duì)熱濕環(huán)境主觀評(píng)價(jià)的相互聯(lián)系，從人體對(duì)室內(nèi)溫度、濕度的熱適應(yīng)水平以及在人體熱適應(yīng)上室內(nèi)溫、濕度兩者的交互作用兩個(gè)方面，對(duì)住宅夏季非空調(diào)環(huán)境下單個(gè)個(gè)體的熱適應(yīng)特性進(jìn)行較完整的分析和刻畫(huà)。并以北京城區(qū)某個(gè)居住者為例，闡述上述方法在研究個(gè)體對(duì)住宅夏季非空調(diào)環(huán)境熱適應(yīng)特性方面的應(yīng)用。

1 研究對(duì)象及數(shù)據(jù)調(diào)研

1.1 研究對(duì)象

研究個(gè)體為在北京城區(qū)已生活了7a的青年女性，身材中等偏胖，喜冷。該個(gè)體周一至周五每天乘坐45 min的公交車上下班，工作地點(diǎn)有室內(nèi)集中空調(diào)。相對(duì)應(yīng)，在住宅內(nèi)的停留時(shí)間為下午6點(diǎn)至第2天早上8點(diǎn)，并且主要在裝有空調(diào)的主臥室活動(dòng)，睡眠時(shí)間主要在夜間11點(diǎn)至第2天早上6點(diǎn)半。周末一般不外出。

1.2 室內(nèi)環(huán)境測(cè)試

采用Testo175-H2型溫濕度自記儀，對(duì)住宅內(nèi)客廳和住戶的臥室進(jìn)行室內(nèi)溫、濕度的連續(xù)測(cè)試和記錄，測(cè)試時(shí)間為2012年7月1日至2012年9月1日，數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間間隔為10 min。產(chǎn)品的出廠證書(shū)標(biāo)注該儀器的溫度精度為0.3 ℃，濕度精度為2%。測(cè)試過(guò)程沒(méi)有受到太陽(yáng)輻射和室內(nèi)其他熱源、濕源的直接影響。

1.3 問(wèn)卷調(diào)查

問(wèn)卷調(diào)查的內(nèi)容主要包括：1)建筑基本信息；2)空調(diào)使用基本信息；3)個(gè)體基本信息，如性別、年齡、生活作息、在北京生活時(shí)間等；4)個(gè)體對(duì)非空調(diào)室內(nèi)環(huán)境的接受狀況，包括滿意、可接受和不可接受；5)以ASHRAE7級(jí)標(biāo)度(-3、-2、-1、0、1、2和3)表示的個(gè)體的熱感覺(jué)信息。

個(gè)體填寫(xiě)問(wèn)卷的時(shí)間主要為睡覺(jué)前的23:00和早上8:00，對(duì)晚上休息和夜間睡眠2個(gè)時(shí)間段的室內(nèi)熱環(huán)境做出主觀評(píng)價(jià)。

2 調(diào)研結(jié)果分析

2.1 室內(nèi)熱濕環(huán)境狀況

根據(jù)室內(nèi)溫、濕度隨時(shí)間的變化，判斷出室內(nèi)空調(diào)的開(kāi)啟和關(guān)閉狀況，剔除出空調(diào)運(yùn)行以及空調(diào)關(guān)閉2 h內(nèi)的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，再依據(jù)個(gè)體所反映的生活作息，確定出個(gè)體停留室內(nèi)時(shí)的非空調(diào)環(huán)境狀況，具體如圖1所示。在此條件下，室內(nèi)溫度變化范圍為25～31 ℃，相對(duì)濕度主要在40%～80%范圍內(nèi)變化。

2.2 室內(nèi)溫濕度與個(gè)體熱感覺(jué)的關(guān)系

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式還強(qiáng)調(diào)學(xué)生課后時(shí)間的利用，所以教師還要為成人大學(xué)生布置一些作業(yè)，幫助學(xué)生進(jìn)一步鞏固課堂學(xué)到的知識(shí)，獲得全面發(fā)展。

對(duì)調(diào)查問(wèn)卷所反饋人體熱感覺(jué)的主觀信息進(jìn)行匯總分析，再結(jié)合相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，得到非空調(diào)自然環(huán)境下個(gè)體的熱感覺(jué)投票TSV與室內(nèi)熱濕環(huán)境的相互關(guān)系，具體如圖2所示。由此發(fā)現(xiàn)，人體熱感覺(jué)在趨勢(shì)上隨著室內(nèi)溫度、濕度的上升而加強(qiáng)，但兩者之間并非呈現(xiàn)明顯的數(shù)量關(guān)系，如在溫度28.3 ℃、相對(duì)濕度67%的熱濕環(huán)境下，出現(xiàn)了3種不同的人體熱感覺(jué)投票。

圖1 個(gè)體停留室內(nèi)時(shí)的非空調(diào)環(huán)境

圖2 室內(nèi)熱濕環(huán)境與人體熱感覺(jué)

于是，有必要采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，從數(shù)量統(tǒng)計(jì)特征的角度，研究分析人體熱感覺(jué)與其所處室內(nèi)熱濕環(huán)境之間的相互關(guān)系，研究中采用了方差分析中的雙因素法[24]。雙因素法不僅可反映單個(gè)控制因素(溫度或濕度)對(duì)觀測(cè)變量(人體熱感覺(jué))的影響，而且還反映出兩個(gè)控制因素(溫度、濕度)在對(duì)觀測(cè)變量(人體熱感覺(jué))影響上的交互作用。對(duì)于控制因素影響顯著性的判斷，該方法利用F檢驗(yàn)，當(dāng)對(duì)因素檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量F大于95%置信水平下的臨界值F0.05時(shí)，則認(rèn)為該因素對(duì)觀測(cè)變量具有顯著性影響。本研究中住宅夏季非空調(diào)環(huán)境下室內(nèi)溫度、濕度與人體熱感覺(jué)的雙因素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

結(jié)果表明，室內(nèi)溫度和濕度在統(tǒng)計(jì)意義上對(duì)人體熱感覺(jué)都具有顯著影響，同時(shí)，這兩個(gè)環(huán)境參數(shù)在對(duì)人體熱感覺(jué)影響上存在明顯的交互作用。

表1 溫度、濕度與熱感覺(jué)的雙因素分析結(jié)果

2.3 個(gè)體熱適應(yīng)水平的分析

以上在室內(nèi)溫度、濕度對(duì)人體熱感覺(jué)影響的顯著性以及兩者在對(duì)人體熱感覺(jué)的影響上存在的交互作用兩方面反映出人體對(duì)室內(nèi)環(huán)境熱適應(yīng)的基本狀況。接下來(lái)的問(wèn)題是：不同溫度或不同濕度水平下人體熱感覺(jué)的差異程度如何？也即，人體對(duì)室內(nèi)環(huán)境的熱適應(yīng)水平究竟如何？

考慮室內(nèi)溫度、濕度對(duì)人體熱感覺(jué)影響的交互作用，采用頻率分析法，對(duì)溫度和相對(duì)濕度分別以0.5 ℃和5%的間隔進(jìn)行劃分，得到室內(nèi)環(huán)境的各個(gè)微區(qū)間。對(duì)溫度和濕度分別按0.5 ℃和5%的間隔進(jìn)行劃分主要原因在于所采用溫濕度自記儀的精度，0.5 ℃和5%的間隔數(shù)值與自記儀溫度和濕度精度值的2倍基本一致。進(jìn)而在各個(gè)微區(qū)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)分析不同人體熱感覺(jué)出現(xiàn)的頻率次數(shù)，具體結(jié)果如圖3和圖4所示，圖3和圖4的數(shù)據(jù)源完全一致，不同點(diǎn)在于前者以濕度為劃分主軸，后者則以溫度為劃分主軸。

圖3 人體熱感覺(jué)隨室內(nèi)溫濕度的變化(以濕度為劃分主軸)

圖4 人體熱感覺(jué)隨室內(nèi)溫濕度的變化(以溫度為劃分主軸)

根據(jù)熱舒適研究中有關(guān)人體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境可接受的描述，本研究將只包含TSV≤1的溫濕度區(qū)間作為人體可接受的室內(nèi)熱環(huán)境范圍，而將出現(xiàn)TSV≥2的溫濕度區(qū)間作為人體不可接受熱環(huán)境范圍。

圖3和圖4的結(jié)果直觀反映出人體熱感覺(jué)及人體其對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境可接受狀況隨室內(nèi)溫、濕度的變化。

當(dāng)室內(nèi)溫度為25～27 ℃，或者相對(duì)濕度為30%～55%時(shí)，人體熱感覺(jué)為舒適或稍熱，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境始終表現(xiàn)為可接受。此時(shí)，人體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的可接受狀況由單一的溫度或濕度參數(shù)所決定，室內(nèi)溫度和濕度兩者之間不存在交互作用和制約。

而當(dāng)室內(nèi)溫度高于27 ℃、同時(shí)濕度超過(guò)55%后，人體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的接受狀況不再隨溫度或濕度呈現(xiàn)單一的變化。在對(duì)人體熱感覺(jué)的影響上，溫度和濕度兩者存在交互作用。在27～28 ℃的溫度范圍，相對(duì)濕度低于70%的熱環(huán)境讓人體感到可接受；但當(dāng)相對(duì)濕度高于70%時(shí)，人體會(huì)出現(xiàn)熱、甚至很熱的感覺(jué)，從而對(duì)室內(nèi)環(huán)境感到不可接受。也即，在27～28 ℃的溫度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度作用的分界點(diǎn)為70%。同樣分析得出在28～28.5 ℃溫度范圍內(nèi)的相對(duì)濕度分界點(diǎn)為65%。溫度進(jìn)一步升高到28.5 ℃以上后，人體始終感到熱或很熱，對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境總不可接受，此時(shí)的相對(duì)濕度分解點(diǎn)為55%。

因此，隨著室內(nèi)溫度水平的上升，人體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境從可接受到不可接受的相對(duì)濕度分界點(diǎn)也在逐漸變化。這從更細(xì)致的角度反映出室內(nèi)溫度、濕度在對(duì)人體熱感覺(jué)影響上存在的交互作用。綜合分析室內(nèi)溫度、濕度的影響狀況及兩者的交互作用，確定研究個(gè)體對(duì)室內(nèi)溫濕度環(huán)境感到不可接受的3組起點(diǎn)分別為(27 ℃，70%)、(28 ℃，65%)、(28.5 ℃，55%)，具體如圖5所示。

圖5 人體可接受與不可接受的室內(nèi)熱濕環(huán)境

進(jìn)一步，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)檢驗(yàn)的t檢驗(yàn)方法[24]，以人體熱感覺(jué)為被檢驗(yàn)參數(shù)，分析驗(yàn)證上述有關(guān)人體對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境熱適應(yīng)水平的結(jié)論。t檢驗(yàn)通過(guò)差異發(fā)生的概率來(lái)分析判斷兩個(gè)總體的均值是否存在顯著差異。當(dāng)被檢參數(shù)統(tǒng)計(jì)量的雙尾概率P小于所對(duì)應(yīng)的顯著性水平α?xí)r，則認(rèn)為兩總體的均值有顯著性差異，否則沒(méi)有顯著性差異?；蛘邫z驗(yàn)兩總體均值差的95%置信區(qū)間是否跨零,若不跨零，則認(rèn)為差異性顯著；若跨零，則認(rèn)為差異性不顯著。

在對(duì)應(yīng)于室溫27～28 ℃的室內(nèi)熱濕環(huán)境區(qū)間內(nèi)，以相對(duì)濕度70%為分界，將該區(qū)域內(nèi)的熱濕環(huán)境狀態(tài)及相應(yīng)的人體熱感覺(jué)投票TSV劃分為兩組，對(duì)此進(jìn)行參數(shù)檢驗(yàn)。同樣，在室溫28～28.5 ℃以及28.5～31 ℃所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)室內(nèi)熱濕環(huán)境區(qū)間內(nèi)，分別以相對(duì)濕度65%和55%為分界，對(duì)各個(gè)區(qū)間內(nèi)的室內(nèi)熱濕環(huán)境狀態(tài)及相應(yīng)的人體熱感覺(jué)投票TSV進(jìn)行分組，進(jìn)行參數(shù)的分析驗(yàn)證。具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同室內(nèi)環(huán)境區(qū)間內(nèi)濕度分界點(diǎn)的t檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述3個(gè)室內(nèi)熱濕環(huán)境區(qū)間，被檢參數(shù)統(tǒng)計(jì)量的雙尾概率P值均為0.00，小于顯著性水平0.05；此外，各個(gè)環(huán)境區(qū)間內(nèi)兩組環(huán)境下TSV均值差的95%置信區(qū)間都不跨零。因此，計(jì)算結(jié)果從統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證的角度說(shuō)明了70%的相對(duì)濕度是該個(gè)體在27～28 ℃溫度水平下對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境從可接受到不可接受的分界點(diǎn)，同樣，65%和55%分別是對(duì)應(yīng)著28～28.5 ℃以及28.5～31 ℃溫度水平的相對(duì)濕度分界點(diǎn)。

3 結(jié) 論

通過(guò)分析建立連續(xù)變化的室內(nèi)溫濕度環(huán)境與人體對(duì)熱濕環(huán)境主觀評(píng)價(jià)的相互聯(lián)系，可以從人體對(duì)室內(nèi)溫度、濕度的熱適應(yīng)水平以及在熱適應(yīng)水平上室內(nèi)溫、濕度兩者的交互作用兩個(gè)方面，對(duì)住宅夏季非空調(diào)環(huán)境下單個(gè)個(gè)體的熱適應(yīng)特性進(jìn)行較完整的分析和刻畫(huà)。

針對(duì)單個(gè)個(gè)體的研究可以在更細(xì)微的層面上把握人體對(duì)住宅夏季非空調(diào)環(huán)境的熱適應(yīng)特性，從而為在更廣層面上研究和認(rèn)識(shí)人體對(duì)室內(nèi)環(huán)境熱適應(yīng)的群體特征提供基礎(chǔ)。

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(編輯 胡 玲)

ThermalAdaptationtoFree-EunningEnvironmentofApartmentsinBeijingIndividualLevel

JanYiwenga,PeiZea,YinSujub,LiYia

(a. College of Architecture and Civil Engineering;b. College of Applied Sciences, Beijing University of Technology,Beijing 100124,P.R.China)

Occupant’s thermal adaptation to free-running environment of apartments in summer was studied at an individual level.The relationship between indoor environmental parameters and occupant’s thermal sensation to indoor environment has been developed. Moreover, the effects of indoor temperature and relative humidity, as well as the interaction effects of the two parameters on occupant’s thermal sensation have been analyzed. On this basis, the characteristics of occupant’s adaptation to indoor temperature and relative humidity have be identified simultaneously. One particular individual dweller in Beijing has been selected to study the thermal adaptation by applying the method to practice.

free-running environment; thermal adaptation; individual level; adaptation level; application

10.11835/j.issn.1674-4764.2014.05.008

2014-03-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278004)；北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(8142004)

簡(jiǎn)毅文(1967-),博士,副教授，主要從事暖通研究，(E-mail)jianyiwen@bjut.edu.cn。

Tu831

A

1674-4764(2014)05-0050-05