夏热冬冷地区非采暖空调建筑室内热环境行为适应性

刘红^{1, 2}，郑文茜^{1, 2}，李百战^{1, 2}，谈美兰^{1, 2}，高亚锋^{1, 2}，金振星^{1, 2}

(1. 重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045；
2. 重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆 400045)

摘要：为了研究夏热冬冷地区非采暖空调建筑室内人们的行为适应性，于2008-10—2010-08对夏热冬冷地区重庆、武汉、南京3个城市的非采暖空调住宅建筑进行热环境现场测试和热感觉问卷调查。通过分析人们对室内热环境的评价，得到3个城市80%居民可接受的夏季室内温度的上限值分别为28.9，29.0和29.6 ℃；冬季室内温度下限值分别为13.9，14.1和14.3 ℃。通过统计分析居民的行为调节方式，认为该地区人们通过有规律地增减服装的手段来适应温度的变化，而开窗和使用电风扇是该地区居民用来改善夏季高温环境的有效适应性行为方式。

关键词：夏热冬冷地区；非采暖空调建筑；热舒适；行为适应性

中图分类号：TU83          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)06-1805-08

Behavioural adaptation of indoor thermal environment in hot-summer and cold-winter zone

LIU Hong^{1, 2}, ZHENG Wen-qian^{1, 2}, LI Bai-zhan^{1, 2}, TAN Mei-lan^{1, 2}, GAO Ya-feng^{1, 2}, JIN Zhen-xing^{1, 2}

(1. Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment,

Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China;

2. Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China)

Abstract: To study the behaviour adaptation of indoor thermal environment of non-heating and air conditioning residential construction in hot-summer and cold-winter zone, a large-scale filed study was conducted in three cities,i.e., Chongqing, Wuhan and Nanjing, from October 2008 to August 2010. By analyzing residents’ evaluation on indeor thermal environment, the results show that the upper limits value of the accepted indoor air temperature by 80% residents in summer for three cities are: 28.9 ℃ in Chongqing, 29.0 ℃ in Wuhan, and 29.6 ℃ in Nanjing, respectively. The lower limits value in winter for three cities are: 13.9 ℃ in Chongqing, 14.1 ℃ in Wuhan, 14.3 ℃ in Nanjing, respectively. People in the region adapt to the change in indoor air temperature by means of changing clothing regularly, controlling such as openning windows and using fans to improve high temperature environment in summer.

Key words: hot-summer and cold-winter zone; non-heating and air conditioning environment; thermal comfort; behavioural adaptation

热适应性是指如果人体产生了热不舒适，那么人体就会主动通过某些其他方法恢复人体热舒适感^[1]。人可以适应环境，也可以通过改变环境来适应自己，即人不仅是环境热刺激的被动接受者，同时也是积极的适应者。人体的适应性包括生理、心理和行为适应性。生理适应是指在长期特定的且相对残酷的热环境下形成的生物体反应；心理适应是指人们由于自己的经历和期望而改变了对客观环境的感受和反应。行为适应是指人们通过物理调节的手段来改变热交换条件以适应环境，如改变衣着、活动量或有目的地利用外界能量以减小外环境温度对机体的生理热应激作用，从而使体温调节维持在正常范围内，如增加或减少着装；通过开窗、关窗、使用手摇扇、开电风扇或拉上窗帘等方式来改变局部环境的通风量和气流速度；在感到冷时增加活动强度提高新陈代谢率，感到热时适当休息降低新陈代谢等^[2]。我国夏热冬冷地区的气候特点是夏季闷热，冬季湿冷，由于这些地区属于非采暖地区，因此，大多数建筑属于非采暖空调建筑。这样的室内环境在很大程度上受到室外气候的影响，室内环境也基本呈夏季闷热冬季湿冷的状况。非采暖空调建筑环境与空调环境相比，人的适应性得以充分体现。Dear等^[3]测试了非采暖空调和集中空调建筑的热环境，发现非采暖空调建筑要比集中空调建筑的可接受温度范围宽，表明人体在非采暖空调环境下具有较强的适应能力。美国加州大学伯克利分校建筑环境研究中心进行了自然通风建筑实地调查，对具有不同开窗控制权的人群的中性温度进行了对比分析，结果发现容易控制窗户的人群的中性温度要比不能控制或难控制窗户的人群的中性温度高^[4]。许多研究指出^[5-8]：在非采暖空调环境下，人们通过各种行为调节方式来改变热交换条件以适应环境。在此，本文作者通过现场测试和问卷调查的方式以了解夏热冬冷地区重庆、武汉、南京3个城市的非采暖空调住宅建筑室内居民的行为适应性特点。

1  研究方法

分别在重庆、武汉、南京地区选择一些具有代表性的非采暖空调住宅建筑进行现场调查研究。现场调查研究包括住宅室内热环境参数测量和居民主观问卷调查。

1.1  环境参数

现场测试的主要热环境参数包括室内空气温度、空气相对湿度及空气流速。由于条件的限制，室内的平均辐射温度无法直接测量，因此，本文中采用平均辐射温度近似等于室内空气温度的处理办法。热环境参数的测点在被调查者腹部周围：对于静坐者，测点高度为离地面0.6 m高度处；对于站立者，测点高度为离地面1.1 m处。测试所用仪器为高精度热线风速仪和数字式温湿度计。

1.2  主观问卷调查

主观问卷调查与环境参数测量同时进行。受试者填写调查表并对室内热环境进行主观评价，内容包括：居民的背景情况，如性别、年龄、在当地居住时间等；居民的着衣量和活动水平；调查居民的热感觉(TSV)。热感觉调查采用ASHRAE 7级标度表示(-3，-2，-1，0，1，2，和3分别表示很冷、冷、有点冷、舒适、有点热、热和很热)，以及改善室内热环境通常采用的适应性措施，包括开窗、开风扇等有关改变房间物理参数的手段和人员增减衣服等自身的适应性行为。

2  调查结果及分析

2.1  问卷基本情况

2.1.1  人员背景

现场调查时间为2008-10—2010-08。调查共收集4 030份有效问卷，其中重庆1 417份，武汉1 281份，南京1 332份。样本中受试者男女比例约为1:1，且年龄分布比较均匀。3个城市均有超过85%的人近10 a来生活在被调查地区。

2.1.2  室内环境参数

对3个城市现场测试所得室内热环境参数的统计结果见表1。其中：t_in为室内空气温度；H_R为室内相对湿度；v为室内空气流速。

从表1可以看出：在调查样本中，重庆的室内温度变化范围与武汉和南京的相比要小一些，但3个城市全年室内平均温度基本接近。相对湿度的全年平均值在70%左右，湿度比较高。

表1  环境参数统计结果

Table 1  Statistical results of environmential parameters

图1所示为3个城市调查样本中室内温度逐月变化图。从图1可以看出：3个城市月平均室内温度变化规律相似，6~8月份月平均室内空气温度最高，为28~31 ℃；在12~次年2月份月平均室内空气温度最低，为12~15 ℃。本文后面的分季节讨论中以6~8月份为夏季，12~次年2月份为冬季。

图1  室内空气温度逐月变化曲线

Fig.1  Change curves of indoor air temperature with time

图2所示为3个城市调查样本中室内相对湿度逐月变化图。从图2可以看出3个城市月平均相对湿度分布有所不同：重庆和南京地区的月平均相对湿度在55%~80%之间变化；武汉地区的月平均相对湿度变化幅度较大，在45%~85%之间，而且冬季平均相对湿度明显较低。

图2  室内相对湿度逐月变化曲线

Fig.2  Change curves of indoor relative humidity with time

图3所示为3个城市调查样本中室内空气流速逐月变化图。从图3可以看出：这3个城市全年的空气流速都较低，平均风速为0~0.20 m/s，夏季的室内空气流速较高。

图3  室内空气流速逐月变化曲线

Fig.3  Change curves of indoor air speed with time

从以上3个城市调查样本的分析来看：夏热冬冷地区非采暖空调建筑室内热环境状况总体较相似，夏季温度较高，冬季温度偏冷，相对湿度较高，室内气流速度水平较低。

2.1.3  新陈代谢率及服装热阻

在测试期间，受试者主要处于坐姿状态，所以,本次调查的受试者的新陈代谢率取值为69.78 W/m²)^[9]。

服装热阻是依据ISO 7730—2005标准^[10]中的服装热阻，按照受试者填写的衣着情况计算得到的。根据文献[11]可以不考虑座椅的热阻，即受试者所坐座椅的附加热阻为0 W/m²。服装热阻统计结果见表2。

从表2可以看出：这 3个城市冬夏季以及全年的所对应的服装热阻没有明显差异，可以大致认为该地区人们在各季节的着装习惯比较相似。

2.2  可接受温度

3个城市全年的热感觉投票分布如图4所示。从图4所示可以看出：3个城市居民的实测热感觉投票值的分布近似服从正态分布，其中投票值为舒适时的频率最高，重庆、武汉、南京这3个城市中，人们感觉舒适的频率分别为66%，51%和47%。超过80%的居民热感觉投票值位于-1(有点冷)到+1(有点热)之间。由此可见：大部分居民认为对当前所处的热环境认为是可接受的。

表2  服装热阻统计表

Table 2  Statistical summary of clothing insulation        m²·K/W

图4  热感觉投票值分布

Fig.4  Distribution of thermal distribution rate

对室内热环境评价通常采用可接受温度来描述。可接受温度的确定方法通常采用2种方法： 一种是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和1的为可接受。计算在某一温度下投票值为可接受的人数占总投票人数的百分比，即为该温度下的可接受率。按80%可接受率分析得出相应的可接受温度^[12-14]。另一种则是通过平均热感觉投票值与对应的平均温度间的线性回归关系，利用Fanger的PMV-PPD方程^[15]中的80%满意率对应的热感觉投票值±0.85为计算结果，进而求得相应的可接受温度^[16-18]。本研究采用第2种方法进行分析。

为了获得每个城市冬季最低和夏季最高可接受温度，分别将冬、夏季热感觉投票值和对应的室内温度采用温度频率法进行处理^[19]，将温度以0.5 ℃的间隔进行划分，以每一个被划分的温度区间的中心温度作为自变量，被调查者在每一温度区间内的热感觉投票值的平均值M作为因变量。最后，通过线性回归，得到M随温度变化的关系式。图5所示分别表示这3个城市冬、夏季室内空气温度与平均热感觉投票的关系。

室内空气温度t_in与热感觉投票值的平均值M的线性关系式如下。

重庆冬季：

M=0.152t_in-2.967，R²=0.903       (1)

重庆夏季：

M=0.289t_in-7.491，R²=0.929       (2)

武汉冬季：

M=0.108t_in-2.368，R²=0.927       (3)

武汉夏季：

M=0.180t_in-4.374，R²=0.852       (4)

南京冬季：

M=0.068t_in-1.821，R²=0.870       (5)

南京夏季：

M=0.277t_in-7.357，R²=0.914       (6)

式中：M为平均热感觉投票值；t_in为平均室内空气温度，℃；R²为相关性系数。

冬季时取M为-0.85，夏季为+0.85，根据关系式(1)~(6)可以计算出80%的居民冬季最低和夏季最高可接受温度。重庆、武汉、南京这3个城市的夏季可接受温度的上限值分别为：28.9，29.0和29.6 ℃，冬季可接受温度的下限值分别为13.9，14.1和14.3 ℃。

经对比分析可知：这3个城市的冬、夏季可接受温度相近，而且冬、夏季可接受温度范围较大；夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准规定将居室温度冬季控制在16~18 ℃，夏季控制在26~28 ℃^[20]。可以看出本文所获得的可接受温度范围比标准规定的都要大，这与是否充分发挥人的行为调节能力有较大关系，如冬季可以穿更厚的服装来适应更低的温度，夏季可以尽量通过开窗、开风扇等方式来适应更高温度。

2.3  行为适应性

2.3.1  调节服装热阻

人体服装热阻直接影响人体与周围环境的热交换程度，是人们在不同的温度环境下实现热舒适的一种有效的行为调节方式^[21]。将调查过程中得到的室内空气温度按照1 ℃间隔分组，并计算各组的服装热阻。图6所示为这3个地区居民的平均服装热阻和平均室内空气温度的关系。

从图6可以看出：这3个城市居民的平均服装热阻和室内空气温度的关系类似。由于重庆地区调研得到的数据中无室内空气温度低于8 ℃的样本，因此，只分析武汉和南京地区室内空气温度低于8 ℃的情况。当室内空气温度低于8 ℃时，人们的服装热阻不再随着室内温度的降低而继续增加，维持在一个稳定水平，此时，武汉和南京地区的平均服装热阻分别为0.23和0.24 m²·K/W；当室内温度为8~28 ℃时，服装热阻和室内外空气温度具有显著的线性关系，随着温度的升高，人们通过减少着衣量来适应热环境；而当室内温度高于28 ℃时，人们的着装基本减到最少的程度无法再变，在这个温度段内，3个城市服装热阻均约为0.04 m²·K/W。Yao等^[22]针对重庆大学的教室调研得到的服装热阻与室内空气温度的关系与本文得到的结果类似。

图5  热感觉投票值与空气温度的关系

Fig.5  Relationship between vote value of thermal sensation and indoor air temperatur

图6  平均服装热阻与室内空气温度的关系

Fig.6  Relationship between mean clothing insulation and indoor air temperature

从以上3个阶段的服装热阻变化可以看出：该地区人们通过有规律的服装调节来适应温度的变化，冬季低温环境下通过增加服装来适应环境的调节能力较强，而夏季高温环境下通过减少服装来适应环境的调节能力是有限的。

2.3.2  改变气流速度

空气流速对热舒适有重要的影响。在夏季，提高空气流动速度是改善人体热舒适的有效手段之一；在非空调建筑中，人们通常通过开门窗、电风扇等技术手段增强室内空气流速，以加快对流换热来改变室内热环境。

(1) 开窗户。开窗户有助于改善室内的空气流通状况，也是人们改善热环境最常用的手段之一。图7所示分别表示3个城市调查问卷中的开窗比例与室内空气温度的关系。

从图7可以看出：居民采取开门窗进行自然通风来适应环境的措施的百分比与室内空气温度之间具有显著的相关性。采用开窗通风控制措施的比例随室内温度的增加而增加。从3个城市最高可接受温度对应的开窗情况来看，重庆于28.9 ℃时开窗比例为99%，武汉于29 ℃时开窗比例为88%，南京于29.6 ℃时开窗比例为88%。这说明通过开窗来调节室内环境是夏热冬冷地区居民较普遍的手段。

(2) 开电风扇。当夏热冬冷地区夏季室外温度较高时，即使夏季窗户基本全天处于开启状态，也无法满足自身热舒适的要求，此时，人们就通过机械通风来改善室内气流状况。电风扇是进行热环境调节最常用的电器之一，它能加快房间内的局部空气流动，缓解夏季人们由于流汗而引起的不舒适。图8所示分别表示这3个城市调查问卷中开风扇比例与室内空气温度的关系。

从图8可以得出：使用电风扇比例与室内温度具有显著的相关性；随着室内温度的升高，使用电风扇的比例显著增大。从这3个城市最高可接受温度对应的使用电风扇情况来看，重庆于28.9 ℃时使用电风扇比例为15%，武汉于29 ℃时使用电风扇比例为28%，南京于29.6 ℃时使用电风扇比例为45%。这表明高温环境下除了普遍采用开窗调节方式外，这3个城市人们均不同程度地使用电风扇来调节热环境。

上述分析结果表明：在夏季，该地区居民通过开窗通风以及开电风扇来改善热环境，从而提高了对高温环境的适应能力。这3个城市居民夏季的可接受温度上限都达到29 ℃左右，应该说开窗通风以及开电风扇起了关键的作用。

图7  开窗比例与室内空气温度的关系

Fig.7  Relationship between proportion of open window and indoor air temperature

图8  开风扇比例与室内空气温度的关系

Fig.8  Relationship between proportion of using fans and indoor air temperature

3  结论

(1) 重庆、武汉、南京地区住宅建筑中80%的居民可接受的夏季室内空气温度上限值分别为28.9，29.0和29.6 ℃；冬季下限值分别为13.9 ℃，14.1 ℃和14.3 ℃。这3个城市的可接受温度范围相近。

(2) 该地区人们通过有规律地增减服装来适应温度的变化。冬季低温环境下通过增加服装来适应环境的调节能力较强，而夏季高温环境下通过减少服装来适应环境的调节能力是有限的。

(3) 开窗和使用电风扇是该地区居民用来改善夏季高温环境的有效适应性行为方式。高温环境下除了普遍采用开窗调节方式外，这3个城市人们均不同程度地使用电风扇来调节热环境。

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(编辑 陈灿华)

　收稿日期：2011-02-20；修回日期：2011-04-28

　基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(50838009)

　通信作者：刘红(1966-)，女，重庆沙坪坝人，博士，副教授，从事建筑环境与人体舒适的研究；电话：13658362006；E-mail：liuhong1865@163.com