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建筑环境热舒适性研究进展与趋势分析_张吉礼

第30卷第1期2011年2月

建筑热能通风空调

Building Energy &Environment Vol.30No.1Feb.2011.1~10

建筑环境热舒适性研究进展与趋势分析

张吉礼马良栋赵天怡

大连理工大学建设工程学部

摘要:重点从研究方法和研究内容的角度,系统地阐述了建筑环境热舒适性实验室研究和现场测试调查研究的

国内外研究进展。大量的国内外研究表明,基于热平衡和严格实验室试验的ASHRAE55和ISO7730热舒适性标准,因实验室研究方法的缺陷而使得其规定值与实际测试调研结果存在较大的差别。不同种族人体热舒适性差异、人体热感觉环境适应性、动态热环境及建筑节能的客观要求,使得基于现场测试调查研究方法的人体热舒适性研究已引起人们广泛的重视。在当前建筑节能新形势下,采用网络化的研究方法,系统深入地研究人体热舒适性、建筑热环境、建筑能耗之相关性,构建适于我国不同气候区人体热舒适性客观规律和建筑节能要求的相关理论和适用化标准,将成为建筑环境热舒适性研究的一个新方法、新方向。关键词:热舒适性实验室试验现场调查网络化建筑节能

Progress of Building Environment Thermal Comfort

ZHANG Ji-li,MA Liang-dong,ZHAO Tian-yi

School of Civil and Hydraulic Engineering,Dalian University of Technology

Abstract:The paper systematically reviews the progresses of both experimental investigation in the built environment chamber and field investigation of the building environment thermal comfort.Existing research results of the building environment thermal comfort shows that the standards of ASHRAE55and ISO7730,which are based on thermal balance principle and strict experiments happened in built environment chamber,are not consistent with the results from field investigation.The study of thermal comfort based on the field investigation has already been broadly attached importance to practices because of the thermal comfort differences of human body from various races,environmental adaptive of human body thermal sense,dynamical thermal environment and building energy saving requirements.By the network monitoring method under the new situation of building energy saving,it is a new way and a new method to carry out systematically and deeply the relativity of human body thermal comfort,building thermal environment and building energy consumption.

Keyword:thermal comfort,experiment in built environment chamber,field investigation,network monitoring,building energy saving

收稿日期:2010-8-27作者简介:张吉礼(1969~),男,博士,教授;大连理工大学建设工程学部(116024);0411-********;E-mail:zhangjili@https://www.wendangku.net/doc/195391086.html, 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50578049,No.51078053);“十一五”国家科技支撑计划资助课题(2006BAJ01A09,2008BAJ12B05)

0引言

建筑热环境不仅关系到人体的舒适和健康,而且

关系到建筑能耗和污染物排放,关系到人与城市、资源、环境的可持续和谐发展。建筑热环境研究的实质

内容是以人体热感觉和环境适应性为核心的热舒适性研究,解决满足人体热舒适要求的建筑热环境构建问题。人对热环境表示满意的意识状态即为环境的热舒适性[1],

这是建筑科学领域研究最早的课题之一。在研究内容上,热舒适性主要研究环境参数、

人体生理和文章编号:1003-0344(2011)01-001-10

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心理因素与热舒适性的相互关系,预测不同环境下人体热感觉,确定人体舒适区范围,研究人体热舒适性的环境适应能力,提出营造和改善热舒适环境的方法等等[2~6]。在研究方法上,热舒适性的研究分为实验测试和模型研究两种[2,4~6]。前者用于测定实验室环境和实际环境中人体热适应性,为理论研究提供客观依据;实验测试法又分人工气候室实验法和现场测试统计法,二者都包括对受试者热舒适性的主观感受问卷调查。模型研究法用于分析热舒适产生的过程和机理,并对各种环境下的热反应进行预测。当前,公共建筑是我国建筑节能工作的重点[7],建筑能耗分项计量网络化平台已在北京、上海、深圳、天津、南京、长沙、大连等地相继投入运行,为采用网络化的方法研究建筑环境热舒适性提供了理想的计算机网络信息平台。本文将系统地论述建筑环境热舒适性研究发展动态,分析研究趋势。

1热舒适性实验室研究国外进展

在1919年,美国采暖通风工程师学会(ASHVE)在匹森堡人工环境实验室首次对人体舒适性进行了实验,根据受试者主观感受绘出了等舒适度线。20世纪60年代,ASHRAE在堪萨斯州立大学实验室进行了大量的热舒适性实验,Fanger以此数据为基础发表了著名的热舒适性方程[8]。20世纪60、70年代,世界各地人体热舒适性实验研究进入新的研究高峰,尤其是美国、英国、丹麦、澳大利亚和中国香港等地的学者开展了大量的实验研究,取得了重要的研究成果。

热舒适性指标的建立是分析建筑热环境的前提。1913年希尔提出头宜凉、脚宜热、辐射热与气流应有变化、湿度要适中的人体舒适度标准建议[8]。1923年,Houghton等人提出有效温度(Effective Temperature,ET)指标[9],这是早期最值得注意的一个热舒适性指标,被暖通空调工程师使用了近50年,后因ET指标固有的缺陷而逐渐被新的有效温度指标代替[9]。Bedford和Warner(1932)用黑球温度代替干球温度提出了修正有效温度(Corrected Effective Temperature,CET)指标[8],该指标被英国海军所采用。40年后,Gagge等人(1971)引入皮肤湿润度而提出了新有效温度(New Effective Temperature,NET)指标[10],并被ASHRAE55-74采用。1986年Gagge又考虑了人体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(Standard Effective Temperature,SET)指标[11],但由于SET指标中平均皮肤温度和皮肤湿润度计算的复杂性,所以SET指标未能得到广泛的应用,而操作温度(Operative Temperature,OT)却是常用的热舒适性评价指标。操作温度是综合考虑了空气温度和平均辐射温度对人体热感觉影响后的合成温度,计算简便且相关性好,便于准确表述寒地居民热感觉[12]。操作温度被广泛采用,在ASHRAE组织的4次大规模热舒适现场调查研究中,除1987年Schiller在旧金山的现场调查中使用NET外[13],其余3次全部使用操作温度作为舒适性指标[1,2,14]。1982年,Fanger以人体热舒适性方程和ASHRAE7点标度为出发点,得到了至今被广泛使用的预测平均投票数(Predicted Mean Vote,PMV)指标和预测不满意百分比(Predicted Percentage of Dissatisfied,PPD)指标[15]。PMV指标综合了人体活动程度、衣服热阻、空气温度、空气湿度、空气流速和平均辐射温度六个影响人体热舒适的因素,是迄今为止最全面的环境热舒适性评价指标;PPD指标表示人群对热环境不满意的百分数。1984年国际标准化组织颁布的室内热环境评价标准ISO7730即采用了PMV和PPD指标,并推荐取PPD为10%,相对应的PMV在-0.5~+0.5之间。至此,人体热舒适性评价已形成国际公认的两种指标,即ASHRAE55-1992标准和ISO7730标准,二者比较类似,只是ISO标准中没有规定湿度的范围。ASHRAE舒适标准的适用条件是,人员是坐姿、从事轻体力活动(新陈代谢率M≤1.2met),着装热阻夏季为0.5clo、冬季为0.9clo。ISO7730标准的适用条件是,人员是坐姿、从事轻体力活动(M≤1.2met),着装热阻夏季为0.5clo、冬季为1.0clo。

空气湿度直接或间接地影响人体舒适性和人体健康。20世纪60、70年代的实验研究发现[5],在较大的相对湿度变化范围(10%~90%)内,湿度变化对人体热舒适性的影响很小、甚至没有感觉;而Novins通过实验则发现温度提高0.3℃与湿度提高10%的舒适性影响程度是等效的[5]。针对这一问题,1999年Fountain实验研究了411人在高湿环境下人体热舒适性[16],温度范围为20~26℃、相对湿度为60%~90%,实验发现在人在静坐时,人们对相对湿度的改变感觉不明显,但稍有活动后无论相对湿度是多大,不满意率都在25%以上。可见,空气湿度对人体热舒适性的影响与人体活动强度关系很大。空气湿度对人体舒适性的影响还表现在空气品质上。空气湿度对室内甲醛(HCHO)、挥发性有机物(VOC)、氨气(NH3)、苯(C6H6)、甲苯、二甲苯、氡等污染物的浓度影响很大,许多污染物是高水溶性物质,相对湿度的高低直接影响室内空气中污染物的含量,通过呼吸直接影响人体的舒适性[17]。空气湿度

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的高低还直接影响人体健康,当空气相对湿度低于40%时,人们易患支气管炎、过敏性皮炎等疾病,人体免疫力降低。相反,空气湿度达到80%以上,使人感到胸部受压、憋闷、甚至中暑[17]。空气湿度对人体的影响已超出热舒适性的范畴,直接影响人体的健康。

空气流动直接通过对流换热、体表水分蒸发等影响人体热舒适性。20世纪50年代末,Rohles首次实验发现空气流动对热舒适性影响很大,建议工作区空气流速上限为0.8m/s[18]。Fanger实验研究了吹风风向[19]、气流紊乱频率[20]、气流紊流强度[21]等对人体热舒适性的影响,验证了空气流速对热舒适性量的影响与热舒适方程计算结果一致。1989年Scheatzle等人实验发现Rohles的风速上限在低湿场合可进一步提高,而在高湿场合则需要降低;还发现在摆动风下可接受的环境温度范围可进一步扩大[22]。1994年Tanabe等根据5种不同风速对热舒适性影响的实验结果,修正了高风速下衣服热阻和皮肤表面湿润度计算方法[23]。2000年Joseph Khedari等学者以泰国学生实验研究无通风空调场所空气流速对热舒适性的影响,发现泰国人所适应的温度、湿度和风速的上限值均高于ASHRAE的结果[24]。目前,随着人们对节能的重视,越来越多的人已接受一个新的观点,即适度提高风速可弥补因提高环境温度而引起的不舒适,进而提高环境温度的设定值达到节能的目的(住宅空调房间温度提高1℃,可节能20%以上[25])。

热舒适性人工气候室实验法具有测试精度高、测试参数种类多(如温度、湿度、风速、黑球温度、皮肤表面温度、皮肤湿润度及服装热阻等)、可模拟所需要的室内环境工况等优点;但实验室环境毕竟不是真实的工作环境,实验过程中受试者心理因素和主观因素对环境主观感受的负面影响难以消除;再加上不同国家、不同地区、不同种族的受试者对环境的适应能力不同,国外许多学者开展了室内热环境和人体舒适性实地测试和调查工作。

2热舒适性现场研究国外进展

1978年Humphrey分析了当时近50年内世界各地所完成的36个热舒适现场调查结果,提出自然状态下人体舒适中性温度和室外平均空气温度之线性关系式[26]。随后,Fishman和Pimbert(1979)对伦敦沃森办公大楼26名工作人员进行一年的热感觉跟踪研究[27],Howell(1979,1981)对办公建筑、教室和图书馆等典型建筑中有260名受试者进行现场调查[28,29],由此掀起了世界范围内热舒适性现场研究。

在过去的30年内,最具影响的热舒适性现场研究工作是ASHRAE在1995年起动RP-884项目,在全球范围内对室内热环境和热舒适性进行实测与调查[5],采集了160个建筑21000组实测数据,开发了人体热舒适的适应性模型。RP-884项目以空调办公建筑为主,自然通风建筑占有较大比例;调查对象年龄范围在16~75岁[4,8,13,27~35]。通过现场测试和调查发现,自然通风建筑的可接受温度范围比集中空调建筑约宽70%,可见,由于人对环境具有较强的适应能力而使得人体对不同温度具有广泛的适应性[36,37]。

近10年来,热舒适性现场测试工作进一步扩大,测试对象由办公建筑扩展到学校、住宅、政府机构,涉及的国家由发达国家扩展到巴西、伊朗、泰国、中国、巴基斯坦等发展中国家[38~46]。2001年Wong等对新加坡2个住宅区自然通风建筑室内热环境进行了现场测试[41]和对一中学非空调教室506名受试者的现场调查[42]。2002年Shahin Heidari对伊朗非空调住宅进行了短期现场调查,夏季工况513人、冬季工况378人,年龄12~75岁;还对办公室30名工作人员进行了长期问卷调查,收到问卷3819份[44]。2003年Yamtraipat等对泰国3个气候区13栋建筑(3个政府机构,4个住宅建筑,6个学校建筑)室内热环境进行了现场测试,分析了人的适应性对热环境评价产生的影响等问题[45]。在日本政府“Grant-in-Aid”项目的资助下,日本东北大学的吉野博教授及其中国合作者自2001年起到2008年,先后两次对中国住宅建筑能耗、室内环境进行了测试研究[46]。第一次测试从2001年到2004年,调查5个气候区的9个城市(哈尔滨、乌鲁木齐、北京、西安、上海、重庆、长沙、昆明和香港),收到问卷1922份(冬季881份、夏季1041份),在167户住宅内进行了为期5天的连续现场测试(采样周期为30min,冬季76户、夏季91户)。第二次测试从2006年到2008年在中国11个城市进行[46],除问卷调查和现场测试外,该次调查还增加了7~9月每月1次的电表和煤气表读表工作,读表共计910户,短期连续测试12户。上述测试工作为初步研究中国住宅建筑能耗、室内环境及热舒适性提供了基础性材料。

诸多研究者根据现场测试数据回归得到了测试环境的热中性温度,并分析发现,回归方程预测的热中性温度比PMV模型预测结果更准确[27~32,34,47];夏季热中性温度比冬季高,自然通风建筑的热中性温度比空调建筑的高,80%以上受试者的环境可接受温度上限值比ASHRAE范围高3~4℃[35]。对于此类问题,巴基

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斯坦的研究者调查该国办公人员在不同室外温度下的舒适度,发现人们可接受的温度范围要比ASHRAE55-1992推荐值宽[38~40]。Busch对泰国曼谷夏季自然通风建筑和空调建筑的研究指出[48],自然通风建筑中的工作人员可接受的温度上限是31℃,而空调建筑中人可接受的温度上限为28℃,二者均高于现行标准26℃。Ken Parson的研究表明[49],成年男性和女性对热舒适区的反应差别很小,除非温度很低。Roberto Lambert通过研究巴西南部空调和非空调建筑的热舒适区指出[49],人们在空调环境下感到的温度和湿度范围相对要窄,对温度变化要比对湿度变化敏感。

国外大量的实测结果表明,由于人体的环境适应能力和人体的生理和心理调节作用,实际环境中人们对热环境可接受的热舒适区范围都比现有标准规定的范围要宽。针对这一问题,1998年de Dear等提出了适应性热舒适模型(Adaptive Thermal Comfort Model,ATCM)[36]。适应性模型指出,PMV指标是基于热平衡的、严格的实验室产物,在实验过程中,人被看作人工环境中环境参数变化的被动接收者,而不是实际环境中可在较大温度范围内自适应调节的环境适应者,因此,基于热平衡的现有热舒适性标准并不能准确、真实地反映人们感受环境、进而通过自身行为和生理心理机能调节来适应环境的能力,不能真实反映人们因这些能力的客观存在而对环境舒适性的期望值,从而导致人体舒适性现场调查结果与实验室研究结果相差甚远。从这一角度讲,采用科学的方法开展现场人体舒适性的研究具有重要的意义。

3热舒适性模型研究国外进展

热舒适模型是人体热舒适性研究中最重要、最核心的部分。从建模方法上看,人体热舒适性模型有三种[50],即基于人体热平衡法(Heat Balance Approach,HBA)的热舒适性模型、基于直接统计法(Direct Statistical Approach,DSA)的热舒适性模型、基于神经网络法(Neural Network Approach,NNA)的热舒适性模型。热平衡法模型属于精确数学模型,而后两种模型则属于统计学模型(从神经网络的容错和插值特性上讲,神经网络模型也是描述人体热感觉与人体生理参数、环境参数之间的统计学规律)。另外,完整的热平衡法模型应包括[50],求解人体与环境间换热的人体换热与衣着模型(Physical Heat Exchange and Clothing Model,PheCM)、模拟人体生理调节系统的人体生理热调节模型(Physiological Thermo-regulation Model,

PTM)、预测人体对体内外环境信息反应的人体心理热感觉模型(Psychological Thermal Sensation Model,PTSM)。热平衡模型的发展经历了由稳态到瞬态、有简单到多节点和有限元描述的过程。

PMV稳态模型(PMV Steady-state Model,即Fanger模型[19])和二节点热流模型(2-node Basic Heat Flow Model,即Gagge模型[51])是两个被广泛引用的热平衡模型。其中,Fanger模型基于稳态的能量平衡来描述类办公环境的人体热舒适性,被广泛应用在HVAC 和汽车领域;但该模型不能准确地描述如变温等瞬时过程的人体热舒适性[50]。而Gagge模型则是基于瞬时能量平衡的热舒适性模型,但仅能描述人体整体热反应,无法描述如热不对称性引起的不舒适问题[50]。基于Gagge模型,Wang开发了瞬时热舒适性模型(Transient Thermal Comfort Model,即Wang模型[52]),该模型将人体分成头、躯干、臂、手、腿和脚6部分来描述人体与环境间的瞬时传热与传质过程。Berkeley多节点瞬时热舒适性模型(Berkeley Multi-node Thermal Comfort Model)[53,54]将人体分成16部分,每部分又包括核心、肌肉、脂肪和皮肤4层结构,可以计算人体对瞬时非均匀环境的生理热反应、评价人体的主观感受,基于该模型的可视化数据后处理软件可以形象地描述三维人体的温度和热流分布。Smith-Fu有限元人体热调节模型(Finite Element Thermoregulation Model)是个可以仿真瞬态非均匀环境中人体热生理系统(血管收缩控制、出汗和颤抖等)的三维有限元模型[55,56];该模型采用3000个有限元来描述人体组织、骨骼、血液循环系统和呼吸系统,可以预测三维人体温度分布、局部出汗率、人体表面的显热和潜热损失;衣着模型可以模拟衣着内温度、湿度、衣服与皮肤间的空气层参数。Smith-Fu模型是第一个成功地应用有限元实现对整个人体热调节系统进行建模的模型,该模型对人体的描述比以往的模型更完善、而且更符合人体客观现实[50]。

从数学的角度看,人体热舒适性和建筑热湿环境之关系实质上是一人体主观意识与客观参数间的模糊关系模型,既具有典型的模糊性,又具有分布参数和统计意义上的客观性。人体生理、心理和非稳态环境因素的加入,又进一步增加了该模糊模型的研究难度。因此,如何采用科学的研究方法、准确地预测人体在不同环境下的热反应、热舒适性和环境适应性,就成为人体热舒适领域未来重要的研究方向。当基于精确数学的人体热生理反应模型的建模遇到极大困难时,基于实验数据的人体热舒适性统计学建模不适为一种有

效的途径。

与热平衡模型不同,热舒适性统计模型是构建人体热感觉、生理参数和环境参数两者或三者之间的统计相关性,如Taniguchi等人采用线性多项式回归模型定量描述了乘客热感觉与面部温度之间关系[57]。De Dear和Brager通过分析大量的人体热感觉统计数据和建筑热舒适性期望温度(来自世界不同气候区160栋建筑约22346组数据),建立了能够描述人体热感觉与热环境之相关性的适应性热舒适模型[58~60]。大量的统计结果表明,室内热中性温度的变化趋势随着室外气候变化,特别是自然通风类建筑;热带地区室内热中性温度明显高于寒冷地区。自然通风类建筑,室外月平均温度每增加3℃,室内期望的温度约增加1℃左右。适应性热舒适模型已被ASHRAE55标准采用。

由于人工神经网络具有自学习和容错能力,便于描述多输入输出问题之间的相关性,因此,起源于人体大脑和神经系统工作原理的神经网络技术被有些研究者用于实验数据的后处理和人体瞬时热感觉的建模[61,62]。如Furuse和Komoriya采用神经网络热舒适性模型描述了乘客皮肤温度及其变化率和热舒适性之间的关系[61]。另外,神经网络算法还可以嵌入实时控制系统,便于与HVAC控制系统的集成。Ueda等[62,63]和Matsunaga等[64]采用3层神经网络模型预测人体热感觉,并应用于HVAC控制系统中。

4热舒适性实验室研究国内进展

目前我国的热舒适标准也是基于国际通用的ASHRAE55-1992标准和ISO7730标准,诸多研究者对其在我国的适用性也提出了质疑,并从20世纪80年代起展开了人体热舒适性实验室研究和现场测试调查研究工作。

我国人体热舒适性的研究起源于20世纪80年代初78-1号暖体假人的研制[65]。随后,魏润柏等从人体工效学的角度率先在我国展开了人、环境和服装之关系及热舒适性的探索研究[66]。20世纪90年代后的十几年来,魏润柏等以暖体假人为受试对象、系统地进行了热舒适性人工气候室实验研究工作[67~71]。首先提出了人体与环境热交换计算方法[67];然后,以暖体假人为实验对象研究了热舒适条件下环境风速和温度最佳组合[68],建立环境风速和温度的热舒适组合理论模型[69];2004年以后,魏润柏和叶海又基于热平衡提出了PMV简易计算方法[70],研究热环境评价指标[71]。

20世纪90年代中期,赵荣义等率先开展了动态热环境人体舒适性的研究[72],提出了稳态和动态热环境人体热感觉模糊综合评判方法[73,74],试验研究了气流动态特征对人体热舒适性的影响[75]。1999年张旭等利用散热器热工性能实验台,对三种类型的散热器、6名大学生进行了106次人体热舒适性实验[76,77],研究了实感温度与空气温度之关系,利用模糊数学理论对热舒适性实验结果进行了分析,得出了冬季供暖条件下80%的人感到舒适的温度范围是17.0~19.2℃的结论。2003年许文全等以大学生为受试对象,对热湿环境下人体热感觉、空气湿度感觉、吹风感觉及热舒适性进行了实验研究[78],分析了空气相对湿度对热舒适的影响,研究了高温高湿条件下人体热反应的规律。实验发现:①当环境温度不低于28℃、相对湿度不低于70%时,相对湿度对热感觉和热舒适都有明显的影响,相对湿度为90%时的影响更加显著。②空气的温湿度越高,气流对人体换热的正面增强作用越明显;反之,温湿度越低,气流引起的负面吹风感越明显。③当环境温湿度在28~32℃、70%~90%时,受试者感到满意的风速范围是1.0~1.2m/s;采用动态送风,基本能满足人体热舒适需求,从而扩大室内温度控制范围,实现空调节能。

近几年人体局部热舒适性也随工位空调的研究而在国内兴起。2002年李俊等研究了个体送风的热舒适性[79],指出人体不同部位对全身热感觉影响的权重大小,且该权重与房间背景温度无关、仅与局部刺激的强度相关。2007年赵荣义等进行了可变汽车座椅的实验研究[80],发现在舒适区内与座椅接触部位的局部热感觉与接触面的局部热流呈线性关系,与环境温度和衣着量无关。2007年端木琳等对桌面工位空调系统的局部热舒适性进行了人工气候室实验研究[81],发现局部热感觉随局部送风参数而变化,与全身热感觉相关性较大。同时,端木琳等为研究人体周围环境参数的差异对人体热感觉的影响,在人工环境实验室研究了改变工位空调送风温度与送风速度对人体热感觉的影响[82],采用热感觉投票(Thermal Sense Vote,TSV)标准,研究了人体前后的热感觉及其与人体整体热感觉之关系。

由于受实验条件的限制,我国除航天、军工、医学和交通等领域以暖体假人为受试对象的人体工效学和热舒适性研究外,在建筑环境和暖通空调领域人体舒适性的实验研究工作相对较少,动态热环境热舒适性、人体局部热感觉与热舒适性的实验研究是我国目前实验室研究的热点。但随着人体热舒适性现场测试调查研究在国际上的兴起,以及我国多样性的气候类

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型、各地居民千差万别的生活习惯和环境适应能力,我国许多研究人员在20世纪90年代也开始了人体热舒适性现场测试调查研究。

5热舒适性现场研究国内进展

20世纪90年代初,谭福君对哈尔滨某办公建筑冬季室内热环境和舒适性进行了现场测试和调查[83],这是我国较早的热舒适性现场调查工作。在此以后的近20年内,我国进行了大量的、以住宅建筑为主的建筑热湿环境现场测试和人体热舒适性主观问卷调查工作,涉及哈尔滨、沈阳、大连、北京、天津、西安、上海、长沙、重庆、广州、南阳等近20个城市,涵盖全国严寒、寒冷、夏热冬冷和夏热冬暖4个气候区,大大推动了我国建筑室内环境热舒适性研究的发展进程,为提出适合我国不同地区、不同建筑类型的人体热舒适性标准奠定了基础。

20世纪90年代末到21世纪初,我国迎来了住宅室内热环境舒适性现场测试研究高峰。1998年赵荣义等人在北京对88户自然通风住宅现场测试了夏季室内干球温度、相对湿度、风速等参数,问卷调查了居民热感觉[84]。结果显示居民可接受的热环境有效温度上限为30℃,即北京自然通风普通住宅热环境有效温度处于AHSRAE舒适区之外。吕芳等现场实验和问卷调查了天津人的热舒适性,结果表明天津人的热舒适区比ASHRAE标准规定值宽,不满意率比世界其它地方低[85]。李百战等对重庆住宅夏季室内热环境状况进行了调查与实测,提出了重庆住宅热舒适指标[86]。付祥钊通过调查研究了长江流域住宅建筑热环境标准,指出夏季室内干球温度不超过28℃、冬季不低于18℃即可保证热舒适度[87]。纪秀灵等对江浙地区1814名居民夏季非空调环境人体热感觉进行了调查[88],结果表明,被调查的热环境基本处于ASHRAE55-1992标准舒适区之外,实测热感觉低于预测值PMV,80%的人可接受热环境有效温度上限为30℃,远高于ASHRAE推荐上限值26℃。王昭俊等在2000年冬季对哈尔滨市66户住宅冬季室内热环境与热舒适进行了调查[89],收集了120名居民主观调查表,研究表明,80%的居民可接受操作温度是18.0~25.5℃,当湿度为20%~30%时,80%以上的人感觉空气干燥,当湿度为30%~55%时,仍有40%的人认为空气干燥。唐鸣放对重庆夏季典型气候条件下居住建筑热环境进行了测试分析,提出了空调期和除湿期改善居住热环境的节能措施[90]。陈滨等在2001年冬季对大连市550户住宅的采暖设备和

室内环境进行了问卷调查[91,92],并对30户有代表性住宅进行了实测调查;分析研究了不同的采暖方式对室内热湿环境、人体热湿感觉及生活行为的影响。同年夏季陈滨等又对大连市和沈阳市的8套不同类型住宅进行实测调查[93],分析了室外气候条件、住宅形式、人员活动及空调设备使用情况对室内热湿环境的影响。潘尤贵分别在2002年夏冬季节对长沙地区居住建筑冬夏季室内外热湿环境进行了实测调查,比较了不同地域、不同楼层高度、不同消费观念、不同生活习惯住宅室内外热环境的差别,并提出了一些改善室内热环境的措施[94]。连之伟等分别在2003年和2004年对上海(554人)和长沙(98人)自然通风建筑夏季热舒适性进行了调查[95],回归得到了上海热中性温度(以新有效温度计,下同)为26.5℃、长沙为27.5℃,并连同北京(26.7℃)[84]、天津(26.4℃)[96]与ASHRAE55-1992的热中性温度进行了对比分析,发现上述四城市热中性温度均高于ASHRAE标准。2003年夏季刘京等对哈尔滨100户住宅分别从住宅特性、家庭情况、生活方式、舒适性、能源消耗等多个方面进行调查[97],并重点实测调查了10户不同类型住宅的热环境;结果表明,室内热湿环境基本满足舒适性要求。2005年5月杨晚生等对广州某住宅自然通风状态下的热环境参数及其热舒适性进行了测试调查分析[98]。上述研究表明,我国不同地区的住宅室内环境在冬夏季节的热舒适区与ASHRAE55-1992标准和ISO7730标准差距较大,由此不仅带来我国现有标准不符合各地居民人体热舒适性客观要求,而且还增大了建筑能耗。

我国地域广阔,各地居民生活习惯相去甚远,对气候、环境的适应能力和热湿环境舒适性要求也有很大区别,为系统地研究我国不同地区人体的热舒适性和环境适应性,刘加平和茅艳在2005年7月和2006年3月夏冬两季的最热和最冷季节,首次对我国四个气候区的12个城市(每个气候区选3个城市)住宅室内热环境进行了实地测试和热舒适性主观调查,首次研究了我国人体热舒适的适应性行为及其限制影响因素,首次建立了我国不同气候区的人体热舒适气候适应性模型,基于该模型,提出了不同气候区各典型城市的被动式气候设计策略[4]。热环境测试每日三个时段记录空气温度、相对湿度、空气流动速度和黑球温度等;主观问卷调查包括人员基本背景、住宅概况、居民热感觉、以及对空气品质、通风和潮湿状况的主观评价;热感觉投票值采用ASHRAE的7级指标表示。通过研究,作者首先提出了不同气候区下热舒适指标的选取办法[4],即:采用操作温度作为热舒适性指标来评

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价严寒寒冷地区室内热环境;采用新有效温度来评价夏热冬冷和夏热冬暖地区的室内热环境;建议采用Bin法对现场测试数据进行回归分析,以提高回归方程的线性相关性。其次,作者结合我国的气候特征,确定了热舒适与气候环境的之间关系;得出了不同气候区12个典型城市的室内物理环境参数、主观热感觉、热舒适计算指标等[4]。第三,作者给出了我国不同气候区下人体热舒适适应性行为状况,即:不同气候区人们对气候的适应性不同;人体新陈代谢率与操作温度没有明显的线性关系,空气流速与操作温度有一定的线性相关性;各气候区居民80%满意率时舒适区温度范围比ASHRAE55-1992和ISO7730标准的舒适区宽很多;冬季实测的热中性温度比PMV预测的热中性温度低,夏季实测的热中性温度比PMV预测的热中性温度高,说明人对热环境的心理适应性;人体热中性温度与室内温度有一定的相关性,说明人对热环境的生理适应性。最后,作者提出了不同气候区下各典型城市的被动式建筑气候设计策略[4],分析表明,基于该设计策略的夏季空调冷负荷比基于现有标准的冷负荷低5%~10%甚至更多,即人体热舒适性和环境适应性的研究不仅具有能够满足人体生理热舒适性要求,而且具有重要的节能意义。同时,刘加平等又于2005年冬季和2006年夏季对南阳市住宅室内热环境进行了大样本测试和统计,测试了121户住家,受试人数为241人,得到1596组有效测试数据[99]。分析发现,该地区夏季居民实测热中性温度为27.3℃,冬季热中性温度为13.6℃,居民热舒适区范围较宽;夏季满足80%的人可接受的室内额外年度为24.2~29.8℃;冬季为11.2~16.8℃[99]。另外,文献[100~102]分别对上海、西安住宅建筑夏季和过渡季节室内热环境和空调能耗进行了测试调查。

我国公共建筑室内热湿环境舒适性的现场研究相对较少。代表性的有杨昌智等[8]和张国强等[103]在长沙、刘加平等[104]在川南进行的公共建筑热湿环境测试工作。2004年1月杨昌智等对长沙4栋公共建筑热环境进行了现场测试,调查了187名工作人员的热感觉;2004年7月又对长沙11栋公共建筑进行的现场测试,调查了357名工作人员的热感觉;2005年9月,对湖南大学的某教室热环境和实验室热环境进行了现场测试,调查了260名大学生的热感觉[8]。作者分析了实际空调环境、自然通风环境和实验室空调环境下空气温度、湿度、空气流速、辐射温度等参数对人体热感觉和人体热舒适的影响,研究发现:夏季被测房间空调温度有50%低于实际空调环境下中性温度25.4℃,冬季有56%高于实际空调环境的中性温度22.2℃[8]。2005年春季张国强等对湖南大学20间教室和5间学生宿舍进行环境热舒适性现场测试和调查研究[103],收集问卷1273份,发现:温度、风速、衣着热阻等参数对热舒适有明显的影响,但相对湿度对热舒适影响不大;学生可接受的作用温度范围比ASHRAE标准规定的舒适区温度范围要宽得多,PMV指标与实际情况存在较大差别[103]。2007年7月刘加平等对川南某县中学逸夫楼教室温湿度、墙体内表面温度以及室外温湿度等进行了测试[104],问卷调查了学生的主观反映,利用热应力指数和新有效温度对室内热舒适进行了评价。另外,吕静等对上海市区某办公建筑的3个房间冬季室内热环境进行了连续测试[105],2006年6~7月王晓霞等对采用区域供冷的广州大学城某学校14个教室的室内热湿环境进行了测试分析,研究了空气状态参数受外界因素影响的变化规律[106]。

6结语

1)热舒适性研究进展表明,以人体热感觉、人体热舒适环境适应性为核心的热舒适性研究是建筑热环境研究领域永恒的主题;但大量的研究也表明,实验室条件下产生的ASHRAE55-1992和ISO7730等有关标准,与现场环境下人对热舒适性的主观感受和期望值存在的较大差别已是公认的事实,而基于热平衡理论和严谨的实验室实验的研究方法也不可能解决这一问题。因此,采用科学的方法,研究现场环境下人体热感觉、人体热舒适环境适应性等基础问题,就成为建筑环境领域急需解决的关键科学问题。

2)建筑气候设计理论强调建筑与气候相适应[2],适应环境是人类的本能。但当今社会中忽视人体的环境适应能力,忽视建筑自身的环境调节作用,单纯地依靠暖通空调技术创造一个所谓的“稳态舒适环境”的做法,不仅浪费了能源、污染了环境,而且不利于人体健康,这正是目前各类非生态建筑所存在的问题[2~4]。动态热环境是符合人体热感觉的客观规律、重视人体热湿舒适性的环境适应性、贴近自然“天人合一”的建筑物理环境[4~9],营造健康、舒适、低消耗、低排放的动态建筑室内热环境是建筑物理学科发展的必然趋势。

3)尽管现有的热舒适性现场测试可以弥补实验室实验的某些不足,但目前现有方法也存在难以实现客观参数和主观感受的长期连续测试与调查、已调查的建筑总量也远不能满足统计学规定的样本数量要求等重要问题。当今时代,计算机网络信息技术的普及

张吉礼等:建筑环境热舒适性研究进展与趋势分析

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为研究人体热感觉、建筑环境、建筑能耗及其之关系提供了便捷的技术平台,不仅可以通过对动态热环境的网络化监测、对人体热舒适性主观感受的网络化调查来研究人与动态热环境之关系,而且可实现对热环境营造系统的全年网络化监测和优化控制。因此,动态热环境网络化研究是建筑技术科学发展的新方向,也是热湿环境舒适性研究方法上的一个重要创新,目前该问题的研究和探索在国际上仍处于空白状态。

4)我国公共建筑已占城镇建筑总量的43.7%,是我国当前建筑节能工作的重点[7];随着中央空调在公共建筑中的普及,单纯地依靠空调技术一味地追求“舒适环境”的做法在公共建筑上将更加突出;我国公共建筑热舒适性的现场测试调查远不及住宅建筑,公共建筑环境中的人体热感觉、人体热舒适环境适应性、室内外环境参数相关性等关键基础问题急需得到解决;面向公共建筑运行能耗监测管理的建筑能耗分项计量网络化平台已在北京、上海、深圳、天津、南京、长沙、大连等地相继投入运行,为开发面向公共建筑动态热湿环境网络化研究的计算机网络信息平台奠定了基础。因此,以具有中央空调系统的公共建筑热环境作为研究对象,比其它类型的建筑环境更具现实意义和社会发展价值。

综上,采用网络化技术,通过对建筑环境参数、能耗参数、人体生理参数和热感觉主观感受信息的网络化监测、调查与评价,研究建筑动态热环境下人体热感觉和人体热舒适环境适应性、及其与建筑室内外热环境、建筑能耗的相关性等关键基础性问题,对探索舒适、健康、低能耗、低排放建筑热环境营造方法,对改善和提高建筑环境质量、降低建筑能耗和污染物排放具有迫切的现实意义和长远的社会发展意义。

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