健康视角下苏北办公建筑冬季室内热舒适研究

汤 莉，唐旻雨

(中南大学建筑与艺术学院，湖南 长沙 410004)

1 概述

随着经济发展、物质条件改善，人们对于建筑“健康舒适”的品质要求与日俱增，而室内健康因子由声、光、热、空气、水质五大要素组成，由此可见建筑的室内外热环境是组成高质量健康建筑的重要部分[1]。现代生活中人类超过80%的时间在室内度过，室内热环境品质的优劣直接影响到使用者的舒适度和身心健康。对于办公群体而言，办公室的停留时间仅次于生活起居，因此研究办公建筑室内热环境状况，对提高办公群体的使用舒适度和工作效率具有十分重要的现实意义。我国学者目前对于夏热冬冷地区冬季办公建筑室内热环境调查与热舒适的研究还较为欠缺，大多集中于北方及寒冷气候地区。盐城市地处黄淮平原，夏季高温多雨，冬季阴冷潮湿，属于典型的夏热冬冷地区[2]。本文选取冬季盐城市××镇政府的一栋老旧行政办公楼为研究对象，进行跟踪调研，通过室内外热环境参数、建筑设计等要素展开研究，以期为改善该地区办公建筑室内热环境以及提高热舒适提供参考依据。

2 热舒适研究方法

2.1 样本选择

盐城市位于江苏省沿海中部，境内为平原地貌，按照秦岭—淮河的供暖分界线来划分属于以南地区，冬季不提供集中供暖。本文选取市内××镇政府的一栋老旧行政办公楼为测试场地、20名办公人员为测试对象，为期约2周的热舒适研究采用现场实测与主观问卷调查相结合的方式进行。该办公建筑筹建于2005年，砖混结构，坐北朝南(南偏西7°)，无供暖系统，各办公室内均配备了立柜式或悬挂式空调进行室内温度调节，本文研究结果与结论均是在使用空调设备的情况下获取的。一层平面是各层中功能空间较为复杂、人员较为密集的，选择其中相对较大的一间办公室进行测试，测试时间为2021年1月25日～2021年2月9日(双休日除外)。

2.2 现场测量

2.2.1 客观环境调查

现场同步进行室内热环境物理参数测量和办公人员的主观问卷调查，测试前检查仪器各项设备。室内热环境物理参数测量仪器情况如下：采用Testo 175H1测量室内空气温度和相对湿度；采用JTR04Z黑球温度记录仪测量黑球温度；采用Testo 425热敏风速仪测量室内空气流速(见表1)。室外温湿度及风速数据则是从中国气象数据网发布的站点地面逐时气象参数中提取[3]。

根据办公人员日常各区间的办公活动频率，将测试选定的办公室平面分为两个区域：Ⅰ区服务接待区，Ⅱ区内部管理区。仪器测试点平面分布状况如图1所示，均布置在房间平面对角线交点处，由于办公人员在工作时段长时间保持稳定坐姿，因此测点的布置高度应取0.6 m[4]。在测试过程中，随时关注测试仪器的状态，防止对办公人员造成动线干扰，同时也避免室内现有电器设备对测试仪器的结果产生影响。

2.2.2 主观问卷调查

主观问卷调查由基础信息和主观感受调查构成：基础信息包括性别、年龄、身高、体重等生理信息，所选择的20名办公人员均为本地居民，无其他地域生活经历，已充分适应当地的地域气候环境，男女比例为1∶1，平均年龄约为39岁。由表2可看出，受试办公人员BMI(身体质量指数)大多稳定在中国标准正常范围内，少部分呈偏胖及以上情况。主观感受调查是为了量化受试办公人员对室内热环境不同方面的主观感受。为了保证结果的准确性和稳定性，每天在固定时段发放纸质问卷进行填写，并要求受试办公人员在填写之前保持相对稳定状态30 min以上，总计收回有效问卷729份[5]。

表2 受试办公人员基本情况

3 数据处理与分析

3.1 室内外温度变化

办公室内装有一台立柜式空调，工作时间段持续运作，冬季设置25 ℃为固定温度。图2表明，Ⅰ区室内外温度在1.25～2.2测试期间升降趋势大致相近，室内空气温度与黑球温度波动趋势一致。数据情况见表3：室外空气温度波动区间为3.7 ℃～13 ℃，平均温度为7 ℃；室内空气温度波动区间为13.1 ℃～18.3 ℃，平均温度为16.3 ℃；黑球温度波动区间为12 ℃～17.9 ℃，平均温度为14.5 ℃。由于Ⅰ区在办公室整体中处于偏北位置，存在着空调热辐射水平方向分布不均的问题，故而受室外温度变化影响较为明显，但幅度较小。

表3 Ⅰ区1.25～2.2室内外热环境参数

图3表明，在2.3～2.9测试期间，Ⅱ区室内外温度升降趋势相关性不大，室内空气温度与黑球温度波动趋势依旧保持一致。数据情况见表4：室外空气温度波动区间为3 ℃～15.2 ℃，平均温度为8.8 ℃；室内空气温度波动区间为13 ℃～20.7 ℃，平均温度为16.5 ℃；黑球温度波动区间为13.3 ℃～19.9 ℃，平均温度为15.7 ℃。由于Ⅱ区在办公室整体中处于中心位置，受到空调的直接热辐射，虽然南北向有大面积开窗，存在一定的冷风渗透，但整体温度还是偏高。

可以看出，室内外温度变化关联性受空调设备影响，但未出现诱发诸如心脑血管疾病的大温差现象，且无论室外气温或是测试区间的位置如何变化，两区室内平均气温基本能够达到国家冬季室内最低温度标准16 ℃。

3.2 室内外湿度变化

图2表明，在1.25～2.2测试期间，Ⅰ区室内外湿度整体升降波动趋势相近，从图中不难看出，室内外湿度基本上在上午处于较高水平，随着时间推移和气温上升，室内相对湿度随室外空气湿度的降低而降低，两者相关性较高。数据情况见表3：室外空气湿度波动区间为34%～97%，平均湿度为64.8%；室内空气湿度波动区间为37%～58.2%，平均温度为47.8%。图3中Ⅱ区的湿度数据趋势同理，数据情况见表4：室外空气湿度波动区间36%～84%，平均湿度为58.2%；室内空气湿度波动区间为31.2%～56.8%，平均温度为43.1%。

表4 Ⅱ区2.3～2.9室内外热环境参数

在我国不同地域中相对湿度对于疾病的诱发还未有定论，但结合以往结论可知：相对湿度过高或过低都会引起生理健康问题[6]。从图表可看出：虽然室外湿度数据极差较大，但室内湿度数据的离散情况与之相较呈较为集中状态，波动情况稳定，且无论Ⅰ区、Ⅱ区都符合《室内空气质量标准》中冬季相对湿度应在30%～60%区间的规定[7]。

3.3 问卷调查结果

3.3.1 新陈代谢率与服装热阻

人体新陈代谢率与活动强度成正比，测试期间办公人员的活动状态主要以静坐为主，含少部分站立放松或走动的情况。根据国内热舒适标准《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》，选择办公室坐姿活动的1.2 met作为整体新陈代谢率[8]。

在调研期间，盐城市天气情况总体良好，气温相较之前有所回升，虽然室内使用空调设备进行温度调节，但办公人员依旧保持厚装状态。问卷调查中出于个人穿衣习惯，有不同的服装组合，根据《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》中单件服装热阻定值进行计算，可得出：办公人员服装热阻范围在1.01 clo～1.52 clo，整体服装热阻平均值为1.32 clo，高于ASHRAE-2013中0.9 clo的冬季标准服装热阻值。除此之外，还应考虑到座椅的附加热阻值，但鉴于办公室内是无复杂造型、无特殊材质的座椅，其热阻增值可忽略不计[9]。

3.3.2 热中性温度及热感觉

调查样本运用bin法(又称温度频率法)将操作温度以0.5 ℃为间隔进行分组，分析办公人员实际热感觉与热环境参数之间的联系，将操作温度t0设定为自变量，MTS(Mean Thermal Sensation)设定为因变量[10]。计算公式为[11]：

t0=0.5(ta+tmr)

(1)

tmr=tg+2.44v0.5(tg-ta)

(2)

其中，t0为操作温度，是由空气温度和平均辐射温度综合得出的温度评价指标；ta为室内空气温度；tmr为平均辐射温度；tg为黑球温度。为了维持冬季室内温度、减少热损失，办公室门窗紧闭，即使考虑到人员进出会引起局部气流变化，所测得的空气流速V也始终在0.15 m/s以下，而低于0.2 m/s的空气流速对人体不会形成吹风感，因此测试期间的室内风速对受试办公人员热感觉的影响程度可以忽略不计。

MTS与t0的关系通过线性拟合得到方程式：

MTS=0.111 7t0-1.738 22,R2=0.433 83

(3)

预测平均热感觉PMV(Predicted Mean Vote)的模型值是将现场所测得的各项参数代入公式计算。PMV与t0的关系可得到如下方程式：

PMV=0.178 7t0-3.543 29,R2=0.977 23

(4)

从图4可以看出，MTS的斜率明显低于PMV。当MTS=0时，实测热中性温度为15.56 ℃；当PMV=0时，预测热中性温度为19.83 ℃，根据ISO7730的标准，PPD(Predicted Percentage Dissatisfied)数值在±0.5区间、不满意者百分比在10%即为热舒适状态，那么办公人员预测的热接受温度范围就是17.03 ℃～22.63 ℃。由以上结果可得知：办公室内实测热中性温度低于预测的热中性温度和热接受范围，说明办公人员对偏冷环境产生了一定程度的耐受性[12]。

3.3.3 湿感受

将室内办公环境相对湿度设定为自变量，办公人员对相对湿度的湿感觉HSV(Humidity Sensation Cote)设定为因变量，关系对比如图5所示，通过线性拟合得到方程式：

HSVⅠ=-0.007 22RH+0.412 25,R2=-0.049 34

(5)

HSVⅡ=-0.028 21RH+1.435 84,R2=0.324 77

(6)

从图5中可看出，测试期间湿感觉投票值集中在±1区间内，表明办公人员对其所处热环境相对湿度为适中感受，但与室内相对湿度的线性拟合方程斜率低，相关性不强。这也从侧面印证了相关理论成果的正确性：人体仅对极端条件下的相对湿度变化有明显感觉[13]。

4 室内健康改善措施

4.1 改善室内空气质量

所测试的办公建筑南北通透，能够形成室内外空气对流，实现自然通风，引入新鲜空气。但在冬季实际使用中为稳定室内温度、保证空调制热效果，大部分时段都处于门窗紧闭状态，故而通风较差，室内存在污染物含量高、异味不易散出等问题，这也会对呼吸道敏感人群带来潜在致病风险。从使用人员的角度来看，可以在气温适宜或午休时段勤开窗通风，进行对流换气；从建筑设计的角度来看，办公室大多安装的是推拉窗，虽然使用周期与采光效果俱佳，但于通风效果而言这类窗户有效利用率稍有不足，窗扇开启面积只有一半，可以适当增加平开窗的使用数量，气密、保温性能优良的同时单位时间内能够更有效地加强自然通风效果。当室内部分空间难以实现自然通风时，应该采取一些技术手段进行空气龄智能化监测与自动化调控，例如：新风系统、“六恒”系统等。

4.2 改善室内热湿环境

此次冬季调研中，办公室内温度由立柜式空调进行调节，询问办公人员以往的使用频率和情况得知：此类设备水平方向热辐射不均匀，主要服务区域的办公人员热感觉与总体热感觉存在差异，极易出现局部区域过热的情况。对此可以调低设定温度，除了减少能耗外，室内外温差也不宜过大，进出所经受的气温骤变次数过多易引发呼吸道疾病[14]。因冬季空气干燥，再加上空调设备的制热作用，办公建筑室内测量中偶有湿度值低于40%的情况，近半数的受试人员觉得干燥。湿度低会刺激呼吸道和皮肤，诱发哮喘、气管炎等疾病，影响人体健康，可通过种植盆景、使用加湿器、饮水等行为进行调节，形成舒适稳定的室内微气候。

4.3 改善声环境

声环境的改善措施可分为室内和室外两个部分。室外空间声源繁杂，想要有效控制噪声传播，最为直接的方法就是该建筑的选址远离道路交通、人群聚集区域等噪声源头，但该行政办公楼位于道路南侧，不能保持一定的防噪距离。这种情况下可以在临近道路的一侧设置声屏障，在噪声声源与办公建筑之间种植树木，设置水池，具备观赏性的同时还能够消耗噪声传播。

室内不仅接收室外噪声，内部也有噪声产生，例如：言语交谈、设备运转、施工装修等。为了保证安静舒适的办公环境，应该从材料、设备以及设计等方面进行优化。首先是建筑材料，办公建筑本身是砖混结构，墙体可以替换为无刚性连接的双层均质密实墙；门原是模压木门，可以用复合结构的隔声门进行替换；窗所使用的是双层玻璃，具有一定的隔声效果，如果还想进一步提升，可以考虑在间隙填充吸声材料[15]。其次是建筑设备，打印机、空调等设备运作时会产生机械噪声。对于打印设备，可以用一些编制垫子，减少与桌具的震动，或者可以结合室内空间布局重新确定设备位置[16]。最后是建筑设计，由于是公共建筑，有外来人员进出办理业务，走廊或是其他科室的言语交谈也会形成噪声干扰，因此在设计阶段各功能空间应该科学分区，合理布局，将业务办理尽量集中在一层，其他向上布置，减少流线交叉，降低噪声干扰。

5 结语

1)盐城地区冬季室内外温差较大，办公人员服装热阻平均值为1.32 clo，其中男性服装热阻值略高于女性。对于室内热环境的不满意度稍高，主要以饮水、局部加湿或轻度活动等适应性行为进行调节。

2)办公人员预测热中性温度为19.83 ℃，实测热中性温度为15.56 ℃，热感觉与室内空气温度呈正相关关系。夏热冬冷地区办公人员冬季会通过服装热阻、心理期望、采暖设备，辅以周期性的心理适应和行为调节等措施提高对于偏冷室内环境的耐受性，如果通过预测热中性温度来设定办公人员冬季室内的热舒适温度，对于他们来说会有一定程度的过热。

3)调研期间办公建筑室内湿度受室外湿度影响，但波动幅度不大，存在10%～12%的差值，较为平稳。由于办公人员投票区间稳定在±1区间，对室内湿度变化不太敏感，因此不需要进行湿度修正。