既有住宅失能老人居室空间光热环境及舒适性评价研究*

刘 滢 于珈懿 于 戈 LIU Ying, YU Jiayi, YU Ge

0 引言

近年来我国老龄化进程不断加深，慢性病发病率高是我国老龄化的一大特点，而慢性病正是导致老人失能的重要原因[1]。国家卫健委指出，我国2018年人均预期寿命是77岁，但健康预期寿命仅为68.7岁，即居民有8年多的时间是带病生存。失能老人由于行动不便，较活力老人而言在室内停留的时间愈发变长，居室空间作为失能老人带病生活的主要活动空间和生存空间，其环境品质及舒适性情况更应得到重视，故本文从失能老人居家养老的支持性需求出发，围绕居室空间的光热环境展开研究。

关于老人居住空间环境品质以及舒适性方面的研究，国外多集中于养老建筑光照条件评价[2-3]、光环境对老人身心健康的影响[4]以及不同地区老年人热舒适现场调研[5-9]等方面。国内研究主要包括人居空间健康光环境研究[10-11]、养老设施光环境分析[12-15]、不同地区老年人热舒适现场研究[16-21]等，对老人居住空间的光热环境多为分别研究，但光热环境作为互相影响的两方面较少有相关研究对其进行综合分析。

据2010年中国城乡老年人口状况追踪调查的分析数据显示，中国有84%的老人居住在2000年以前建造的住宅中。然而年久失修的老旧住宅提供的居住环境是否适合失能老人长期生活[22]？新建住宅又能否为失能老人提供较高质量的居住环境？以环境舒适提升为目的的失能老人住宅适老性环境改造应着重考虑哪些方面？本文针对以上问题，以哈尔滨为例，对不同年代既有住宅的失能老人居室空间进行调研实测，对比其建筑形态的变化对光热环境质量、舒适性情况以及环境满意度的影响，为今后失能老人住宅适老性环境改造提供有针对性的研究基础。

1 失能老人居家养老支持性需求

1.1 生理特征

失能老人受老年综合征和急慢性疾病的困扰，身体生理机能衰退。主要表现为感知能力的退化，出现视觉与听觉障碍；神经系统功能退化，反应日渐迟钝；肌肉与骨骼系统老化，灵活程度下降；适应环境的能力下降，新陈代谢减慢，对温度、湿度等的变化不敏感。老人的失能是体力与脑力的下降和外在环境综合作用的结果，不适合老人居住的环境也是引起和加重老人失能的重要原因[23]。

1.2 心理特征

失能老人由于生理机能衰退导致肢体运动功能受限，行动不便，对自己时常感到无能为力，产生自卑心理，且失能老人较正常老人更害怕与外界接触，怕不安全的环境加重失能症状，更多时间在居室停留。消极的心理状态容易导致失能老人的抗病能力下降，进而加重失能症状。

1.3 居室空间日常生活需求

失能老人多患有慢性疾病，环境因素是一些慢性疾病的重要病因，同时也是慢性疾病发生和发展的最主要可预防性病因[24]。居室空间是失能老人带病生活的主要场所，居室空间的环境因素与失能老人的身心健康息息相关，失能老人由于特殊的生理与心理状况，对居室空间有着特殊的需求。

除去失能老人由于肢体运动功能受限，对居室空间的无障碍需求，以及由于自身安全维护能力降低而对居室空间方便性和安全感的需求以外，失能老人对居室空间良好的天然光环境与热湿环境也有一定需求。室内光线不足会导致失能老人跌倒、碰撞，良好的天然光环境会给居室空间带来足够的照度，同时还能减少照明能耗。与活力老人不同，失能老人行动力下降，进行室外运动的时间减少，获得阳光主要依靠室内天然光，充足的阳光可以增强身体抵抗力，同时还影响着老人的昼夜节律、焦虑和抑郁情绪等问题。失能老人由于长期居于室内，对热湿环境的适应能力下降，长期处于不稳定的、需要身体不断调整促成适应的室内环境中，会对其健康产生不利影响。失能老人夏季不喜好利用空调等手段降温，面对高温天气，由于汗腺萎缩和循环系统功能衰退，导致其不能够很好的通过排汗来散热，增加了中暑的风险，同时连续的高温天气还容易导致情绪低落、脾气暴躁等心理问题，影响失能老人的心理健康。因此，在失能老人的居家养老环境中需要为其提供良好的天然光环境和稳定舒适的热湿环境支持，以此来保证失能老人在带病居家养老时期能够获得较高的生活品质，延缓失能发展进程。

2 调研设计

2.1 调研时间和地点

本文依据失能老人居家养老的支持性需求，聚焦以往北方地区室内光热环境研究中容易忽视的夏季，通过实地调研了解北方地区夏季失能老人居室空间真实的光热环境现状。选取调研地点为黑龙江省哈尔滨市，经前期资料调研了解到哈尔滨市夏季高温集中出现在7、8月份，室外最高温度可达38℃。通过对哈尔滨市近期实际天气状况的收集与研究，选取典型高温日作为调研时间，具体调研时间为2019年8月初。

2.2 调研对象

经过前期对哈尔滨市2000年前后建成的7个小区21户家庭的走访调研，对其建筑形态及使用者进行了总结与分析，选取当地3户户型典型具有代表性的失能老人居室空间作为调研对象。其中A、B两户家庭位于哈尔滨市南岗区，分别建成于1995年、2000年，C家庭位于哈尔滨市群力新区，建成于2009年。三户家庭共5位失能老人在调研期间参与问卷调查，其中男性3人，女性2人，平均年龄为89.4岁，调研对象基本信息见表1。

表1 调研对象基本信息Tab.1 basic information of respondents

2.3 调研方法

2.3.1客观物理环境实测

本文根据我国《建筑采光设计标准》（GB50033—2013）、《老年人照料设施建筑设计标准》（JGJ 450—2018）以及《室内空气质量标准》（GB/T18883—2002）等相关规范中光热环境评价的基础要素，针对失能老人居室空间进行客观物理环境实测，实测内容包括天然光环境（天然光照度）、热湿环境（空气温度、相对湿度、空气流速）以及其他物理环境因素（室内CO2浓度、室内PM2.5浓度、室内PM10浓度）。

调研期间对3户家庭居室空间的温度、湿度、风速、空气品质进行连续48 h的实测。将热舒适度测试仪置于距地面0.6 m处，距墙水平距离大于0.5 m且避免阳光直射。对居室空间的天然光照度实测为每天的10:00—16:00，实测根据居室空间实际情况采用网格法均匀布点，工作面高度为0.75 m。室外天然光照度实测同时进行。在实测同时记录天空状况以及居室空间基础信息，如朝向、空间尺寸、窗户尺寸等。客观物理环境实测仪器如表2。

表2 客观物理环境实测仪器Tab.2 instrument for measuring objective physical environment

2.3.2主观问卷调查

在居室空间物理环境测试时，为了同时了解客观与主观情况，研究同时对居室空间的使用者进行关于居室空间环境评价的主观问卷调查，主要内容为居室空间的天然光环境以及热湿环境的舒适度及满意度等，为进一步分析提供依据。

3 居室空间天然光热环境

3.1 天然光环境

3.1.1室内光环境特征

3.1.1.1 居室空间逐时平均照度

通过对三户家庭居室空间天然光环境的实测得出逐时平均照度值如图1。如图所示，A、C两户家庭的逐时平均照度值均有波动，B家庭逐时平均照度值呈现持续下降趋势。A家庭在11:00达到平均照度值最高点后不断下降；C家庭则有11:00与13:00两个平均照度值峰值，12:00则因窗前树木遮挡等原因平均照度值有所下降；B家庭较A、C两户家庭楼层高窗外无遮挡物，10:00平均照度值为最高点随后不断下降。根据现行《建筑采光设计标准》（GB50033—2013）与《老年人照料设施建筑设计标准》（JGJ 450—2018）中对住宅居室空间与老年人居室空间的照度值要求分别为300 lx与150 lx，由图1可见，能够达到300 lx采光标准的时间为A家庭43%，B家庭71%，C家庭86%，A家庭16:00平均照度值低于150 lx。故A家庭整体采光效果较差。

图1 住户居室空间逐时平均照度值Fig.1 hourly average illuminance value of living space

3.1.1.2 居室空间各轴线平均照度

根据居室空间各轴线的平均照度进一步分析三户家庭居室空间的采光效果。三户家庭实测布点及逐时平均照度值如图2所示，A家庭仅轴线A与轴线B部分时间可达到300 lx，轴线C、D在全调研时间段内均无法获得充足天然光；B家庭的轴线A在全调研时间段内均可满足300 lx的照度值要求，轴线B、C、D的平均照度值则根据进深随时间递减，13:00之前居室空间各轴线均满足300 lx照度值；C家庭的轴线A在全调研时间段内均可满足300 lx的照度值要求，15:00之前居室空间各轴线均满足300 lx照度值。

图2 住户居室空间各轴线逐时平均照度值Fig.2 hourly average illuminance value of each axis of living space

由此可见，C家庭较A、B两户家庭整体采光效果较好，白天大部分时间中大部分居室空间可获得充分采光，A家庭采光效果较差。

3.2 热湿环境

3.2.1室内外热湿环境特征

调研期间三户家庭居室空间的室内外温度变化曲线如图3所示。A家庭调研期间居室空间温度在24.5～25.6℃之间，室外温度在22～11℃之间，夜间温度较低，居室空间温度较为稳定，调研期间住户较少开窗通风；B家庭调研期间居室空间温度在27.9～24.2℃之间，室外温度在23～9℃之间，夜间温度较低，居室受室外温度影响较小，调研期间住户较少开窗通风；C家庭调研期间居室空间温度在29.1～24.6℃之间，室外温度在26～18℃之间，居室空间温度变化幅度较大，14:00左右居室温度达到峰值29.1℃，调研期间住户频繁开窗通风。

图3 住户居室空间室内外温度逐时变化曲线Fig.3 hourly change curve of indoor and outdoor temperature in living space

调研期间在进行温度实测的同时，对居室空间的湿度也进行了测量，结果如图4所示。C家庭的居室空间湿度明显高于A、B家庭，可能是由于频繁开窗通风造成室内外空气流通交换，进而导致室内湿度升高。

图4 住户居室空间湿度分布Fig.4 humidity distribution in the living space

3.3 光热环境

外窗是使居室空间光、热环境产生联系的最直接的建筑形态要素。通过外窗获得的天然光是居室空间白天室内光线的主要来源，良好的天然光环境不仅能够为老人提供一个安全的生活环境，而且有利于老人的生理节律，能够降低由于睡眠絮乱引起的各类疾病发生。照度作为衡量光环境的一大因素，许多研究表明照度水平与正面情绪具有正相关性[25-27]。因此在不影响老人视觉舒适度的情况下，白天室内天然光照度保持在较高水平对老人身心健康有利。为满足良好采光以及通风的要求增加外窗面积是最为直接有效的手段，但外窗同时是来自太阳的热辐射进入室内的主要途径之一，外窗面积的增加使得更多的热辐射进入室内导致居室空间温度的上升，增加室内过热的风险，进而可能会影响老人的热舒适。本文从建筑师的视角出发开展失能老年人居室空间光热环境研究，为快速准确地切入失能老年人的居室空间设计，以期能够为实际的适老性改造增加实用性与可操作性，故选择居室空间的窗地面积比作为本文研究重点。

三户家庭居室空间逐时照度分布如图5所示，A家庭仅南侧靠窗侧部分时间天然光照度较好，能够满足300 lx，整个居室空间的北半部分白天仅依靠自然采光无法达到300 lx，且该家庭居室杂物较多通道窄小，在照度不足的情况下对失能老人而言有一定的安全隐患；B家庭如图所示整体采光情况略优于A家庭，大部分空间能在白天较长的时间里获得充足照度，但床北侧靠窗位置中午时分照度超过2000 lx，可能产生视觉不舒适感；C家庭整体采光情况最优，15:00仍旧能保持过半居室空间照度满足300 lx，且仅11:00近窗位置照度略高于2 000 lx。

图5 住户居室空间逐时照度分布Fig.5 hourly illuminance distribution of living space

通过对三户家庭窗地面积比的比较分析外窗大小对居室光热环境的影响。A、B、C三户家庭窗地面积比分别为：0.33、0.26、0.34。采光情况最优的C家庭窗地面积比最大，而窗地面积比次之的A家庭采光情况最差，其原因可能是由于该家庭窗外有高大茂密的树木遮挡且玻璃脏污严重导致的透光率较低造成。同时考虑到居室空间热环境，三户家庭调研期间室内外逐时温度差值以及室内温度随室外温度变化的相关性分析如图6-7所示。由图可知A、B家庭室内温度较为稳定，且室内外逐时温度差值明显高于C家庭，A家庭室内外平均温度差值为9.5℃，B家庭为11.6℃，C家庭仅为4.4℃；A、B家庭室内温度随室外温度变化的相关性明显低于C家庭（A家庭R2=4.561e-4，B家庭R2=0.184，C家庭R2=0.514），C家庭室内温度与室外温度呈现较为明显的相关性。

图6 住户居室空间室内外逐时温度差Fig.6 hourly temperature difference between indoor and outdoor living space

综上所述，窗地面积比最大、采光情况最好的C家庭室内温度较不稳定，室内外平均温度差值最小且室内外温度相关性较强，可见较大的外窗面积为室内带来充足采光的同时也造成了室内温度的升高。

3.4 空气质量

调研期间同时记录了居室空间空气质量相关要素，如CO2浓度、PM2.5浓度以及PM10浓度。如图8，C家庭较于A、B家庭PM2.5浓度以及PM10浓度偏高，可能由于C家庭频繁开窗通风导致的可吸入颗粒由室外吹入室内。C家庭CO2浓度明显低于A、B家庭，也与其开窗通风的习惯有关，A、B两户则因为室内温度尚可则对于开窗通风的需求不大导致了室内CO2浓度偏高。

图7 住户居室空间室内温度与室外温度相关性分析Fig.7 correlation analysis of indoor temperature and outdoor temperature in living space

图8 住户居室空间空气质量相关要素分析Fig.8 analysis of the factors related to the air quality of the living space

4 居室空间天然光热舒适性评价

4.1 室内天然光环境舒适性

光舒适即可以使人产生舒适、愉悦和兴奋的感受的空间光环境。光舒适包含心理和生理两个层面的感受，且具有很强的主观性。本文通过客观评价指标与逐时主观满意度评价，对光舒适进行定量以及定性分析，并结合实测数据得出调研中失能老人的光舒适范围。

通过对光舒适相关文献的总结分析，国内外学者针对光舒适的量化研究主要围绕采光量、光分布、眩光、采光质量四个方面[28]。我国的《建筑采光设计标准》（GB50033—2013）与《老年人照料设施建筑设计标准》（JGJ 450—2018）从采光量（照度、采光系数）、光分布（采光均匀度）以及眩光（窗的不舒适眩光指数）方面对光环境舒适进行了具体规定。考虑到采光质量的研究主要围绕室内人工光源，以及眩光测量的复杂性与不准确性，故在本文不作考虑。本文的定量分析主要从采光量、光分布两方面入手。光舒适定量分析如表3所示，通过居室空间窗地面积比以及进深等了解光环境相关基础信息，选取平均照度值、采光系数以及采光均匀度、有效进深，研究其采光量以及光分布情况。《建筑采光设计标准》（GB50033—2013）中规定住宅建筑居室的采光不应低于采光等级Ⅳ级的采光标准值，将标准中采光等级Ⅳ级的窗地面积比乘以哈尔滨地区光气候系数1.1，故窗地面积比应不低于1/5，B家庭居室空间窗地面积比略低于标准要求；在采光量方面，三户家庭天然光平均照度值以及采光系数平均值均能满足相关标准要求，但A家庭采光系数最低值明显过低。采光量仅考虑满足人们的视功能要求，光分布则进一步分析光环境对人们安全以及舒适的影响。在采光均匀度方面，相关标准并无具体规定，但A、B家庭居室空间采光均匀度明显低于C家庭，且A家庭尤甚。根据标准中规定，采光等级为Ⅳ级时，采光有效进深应为3（b/hs），经计算此时A、B家庭实际进深尚且大于有效进深，故说明A、B两家庭部分面积无法满足采光要求。综上所述，C家庭居室空间采光效果较好，天然光环境较舒适。

表3 室内天然光环境评价相关指标Tab.3 related indexes of indoor natural light environment evaluation

光舒适定性分析根据在入户调研时对居室空间的使用者进行的逐时主观问卷调查以及访谈得出。问卷情况如图9所示。A家庭女性老人存在低视力情况，对12:00以后天然采光效果不太满意，且认为对日常生活有一定影响但尚可接受，可能是因为已适应该光环境状况；男性老人因脑卒中行动不便平时需借助轮椅移动，较长时间保持躺在床上的状态，故对居室空间天然光环境基本满意，认为对日常生活无影响。B家庭男性老人视力基本正常，对居室空间天然采光效果基本满意，认为居室空间天然光环境基本能够满足日常生活需求。C家庭女性老人存在低视力情况，认为居室空间天然采光效果一般，14:00以后天然光环境不太理想，由于有家人照料故认为无服药、阅读等特殊情况不需要人工光辅助；男性老人视力基本正常，对居室空间天然光环境满意度较高。结合光舒适逐时主观满意度问卷与天然光环境逐时实测数据可以发现，当室内平均照度低于600 lx时，失能老人开始普遍认为光环境舒适性降低，此时失能老人在进行服药等行为时需要人工照明或者家人辅助。

图9 住户居室空间天然光环境逐时主观问卷Fig.9 hourly subjective questionnaire of natural light environment in living space

4.2 室内热湿环境舒适性

热舒适的定义在国际通用的室内热舒适标准ASHRAE Standard 55中被定义为“人对热环境感到满意的心理状态”。这种心理状态受环境因素与个人自身因素等多种因素影响，如室内的空气温度、相对湿度、平均辐射温度和风速以及人们的着装、活动强度等。ASHRAE标准中将热环境中的环境因素对温度的影响转换为相应的冷热感受，是一项综合的评价标准。标准的应用条件为受试者为坐姿状态，夏季服装热阻0.5 clo，新陈代谢率≤1.2 met，ASHRAE标准的室内舒适区间为夏季操作温度23℃～26℃，平均风速不大于0.25 m/s。本文以操作温度作为热舒适指标，与ASHRAE Standard 55标准[29]中对于热舒适的要求进行比较。调研期间三户家庭均为自然状态，均不使用制冷设备。如图10所示，在调研期间，A、B两户家庭居室空间室内热湿环境情况全部处于ASHRAE舒适区中；C家庭居室空间室内热湿情况大部分处于ASHRAE舒适区，约29%的时间处于不舒适区，不舒适时间段基本出现在中午。

图10 住户居室空间室内热湿环境情况与ASHRAE舒适区Fig.10 indoor thermal and humid environment of living space and ASHRAE comfort zone

ASHRAE标准中所规定的室内舒适区间主要依据范格（Fanger）教授提出的PMV热舒适模型[30]得出。由于标准主要通过实验研究的方法得出，忽略了受试者的适应性，故本文对三户家庭失能老人的PMV（predicted mean vote）预测平均评价以及TSV（thermal sensation vote）实际热感觉投票进行了对比。如图11所示，三户家庭的TSV均低于PMV，A户家庭PMV预测偏暖时，TSV实际热感觉投票为中性偏凉，B、C两户家庭PMV预测偏暖，TSV实际热感觉投票接近中性，说明三户家庭的失能老人对于调研期间的热环境接受良好，且更倾向于偏暖的热环境。本文进一步将主观的TSV与客观实测数据进行拟合，得到了夏季实际热舒适区间为23.6～27.1℃，在本次调研中失能老人的实际热舒适区间相较于标准中规定的舒适区间范围宽，这说明失能老人已经适应夏季偏暖的热环境。

图11 受访家庭失能老人的PMV与TSVFig.11 PMV and TSV of the disabled elderly in the interviewed families

4.3 室内光热环境舒适性

获得室内光热环境的舒适除改变建筑形态要素以达到室内天然光环境的舒适性与室内热湿环境的舒适性之外，还可根据失能老人的特点针对空间中具体的使用功能布局来进行综合考虑。通过改变失能老人必需功能部品的位置来获得最佳的物理环境感受，如对于失能老人而言居室空间中床的位置十分重要。三户家庭中床的摆放均选择靠近外窗，由于自然光线照度不固定，随时间季节而变化，近窗可获得质量较高的光照水平，但过高的照度水平同样可能引起视觉不舒适，同时由于太阳辐射的热量导致近窗位置温度较高，夏季可能导致热不舒适，故床与外窗之间的距离应根据不同时期的室内光热环境情况进行调整，用灵活的布局适应既有住宅的光热环境，寻得最佳舒适状态。

4.4 空气质量评价

失能老人长期在室内停留，室内空气质量与其身心健康密切相关，由于较少开窗换气而导致长期处于密闭空间的老人容易出现疲倦、头痛、恶心以及情绪起伏波动等情况。将调研期间获得的居室空间空气质量相关要素与《室内空气质量标准》（GB/T18883—2002）以及《环境空气质量标准》（GB3095—2012）中的相关标准进行比较。结果如表4所示，其中三户家庭居室空间的CO2浓度均能满足相关标准要求，C家庭因为良好的频繁通风换气习惯使得CO2浓度较低；三户家庭居室空间的PM2.5以及PM10浓度也均能满足相关标准要求，但C家庭浓度值较高，与测量期间室外PM2.5、PM10浓度较高有关，但仍在相关标准要求范围内。整体而言C家庭居室空间空气质量较好，故在室外空气条件较好的情况下提倡多开窗通风。

表4 室内空气质量评价相关指标Tab.4 relevant indexes of indoor air quality assessment

5 结语

通过对哈尔滨既有住宅失能老人居室空间光热环境的实测与舒适性研究，得出以下结论以及适老性改造建议。

首先，调研中2000年后住宅居室窗地面积比有所增加，居室空间采光效果较好，白天大部分时间中大部分面积的居室空间可获得充足天然光照度，能够达到相关标准要求；调研中2000年前住宅居室空间采光效果较差，采光强度不足，白天中有近一半空间始终无法达到相关标准要求，采光均匀度较低。故2000 年前住宅居室的天然光环境亟待改善。其次，调研中发现当室内平均照度低于600 lx时，失能老人开始普遍认为光环境舒适性降低。故在今后的适老性环境改造中，满足失能老人舒适需求的天然光照度应考虑在600 lx以上，当实际情况受限无法满足时可根据使用者的具体需求在具体位置适当补充人工照明，以达到创造安全舒适光环境的目的。

其次，调研期间，2000年前住宅居室室内外平均温度差值高于2000年后住宅居室，且室内温度与室外温度相关性低，室内温度较为稳定，湿度较低，室内热湿环境情况均落在ASHRAE舒适区中。2000年后住宅居室则有部分时间热湿环境情况落在ASHERA舒适区外。三户家庭受访失能老人的TSV均低于PMV，热感觉均处于中性范围内，得到的夏季实际热舒适区间为23.6～27.1℃，较ASHRAE标准中要求范围宽，说明失能老人已经较好的适应了夏季偏暖的热环境。故在今后的适老性环境改造中，2000年后住宅居室应在保持热湿环境舒适的前提下考虑增加可调节的遮阳设备，以进一步获得更加稳定的热湿环境。

最后，居室空间的光热环境有一定关联性且受外窗影响。调研中2000年后住宅居室的窗地面积比较2000年前住宅居室有所增加，其天然光环境得到提升的同时热湿环境舒适略有下降。故在今后的适老性环境改造中，对外窗形态的改造需考虑光热环境平衡的问题。在改造受限时也可通过室内光热环境舒适的分布分析，采用调整功能布局的方式适应既有住宅的光热环境，如根据季节变化积极调整卧具与窗之间的距离，以寻得最佳舒适状态。

图表来源：

图1-11: 作者绘制

表1-4: 作者绘制