冬季西安农村住宅室内热舒适研究

赵旭蒙，闫秀英*，郝官强

（1-西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院，陕西西安 710055；2-中建三局智能技术有限公司，湖北武汉 430074）

0 引言

国际热舒适标准ASHRAE55—2013[1]与ISO 7730[2]均基于稳态传热环境，且只适用于中等热环境。由于文化生活差异和气候差异，不同地区的居民有不同的热经历和热环境适应能力，这导致人们对热环境感受上的差别。

在热舒适的现场测试中，国内学者的研究方向主要集中在：1）不同类型建筑的热舒适调研，如城市住宅、办公建筑、高校建筑等[3-8]；2）不同地理区划的建筑的热舒适调研，如南海岛礁建筑、黔东南地区建筑、华北平原建筑、东北地区建筑等[9-12]。在诸多热舒适现场研究中，以东部、南部经济发达地区为主，却对地处西部的农村地区研究较少。

西部地区土地面积约占我国国土总面积的70.6%，西部地区农村人口数量约占我国农村总人口的44%，随着“新时代西部大开发”的提出与推进，改善西部地区农村人居环境成为越来越多学者关注的焦点。本文以西安市的农村住宅为研究对象，对当地冬季室内外的物理环境参数进行了现场测试，以问卷的方式调查了当地住户对室内热环境的主观评价。

1 西安地区气候与农村建筑特点

西安地处陕西关中平原中部，属于我国建筑热工分区中的寒冷地区，气候属暖温带半湿润大陆性季风气候。西安市辖区范围内年平均气温为13.9 ℃，年极端最高气温为42.9 ℃，极端最低气温为-14.7 ℃。最热月7月平均气温为27 ℃，最冷月1月平均气温为1 ℃。近年来在华北平原各省不断增长的工业污染排放、当地季节性盛行的东风以及关中盆地自身特殊的喇叭形构造的综合作用下，冬季西安地区经常出现中度至重度雾霾天气。

通过调研发现，西安农村地区大多数住宅的面积约为250~500 m2，建筑面积120~160 m2。主要为一层或两层的独院式住宅，采用条形的南北朝向形式。住宅底层层高一般为3.2~3.5 m，二层的层高在3.1~3.3 m，以砖混结构为主。屋面上铺红色或蓝色彩钢瓦。窗户多为铝合金框单层玻璃，外门为钢制非标门。建筑外墙多为240 mm黏土砖墙，东西侧外墙饰面为清水砖墙，南北侧帖有陶瓷质外墙面砖或粉刷建筑涂料，由于经济条件限制，屋顶和外墙均不采取保温措施。

2 调查内容与方法

2.1 调查对象

本次调查于2020-01-20—2020-01-23日在陕西省西安市鄠邑区进行。鄠邑区的国民生产总值（Gross Domestic Product，GDP）常年位于西安市远郊六区县（高陵区、临潼区、阎良区、鄠邑区、蓝田县和周至县）中的第3至第4名，其农村住宅现状具有较强的代表性。

本次调查建筑样本容量为32户，受试人数为112人，其中男性共63人，女性共49人，涵盖了小学、初中、高中、本科和硕士等不同受教育层次的人群。在这32户中，有30户采用电暖气进行间歇式采暖，2户无任何采暖措施。

2.2 主观问卷调查

主观问卷调查的主要内容包括居民的年龄、性别和衣着情况等客观信息，以及当时环境下的热感觉和热舒适情况，热感觉采用ASHRAE的7级标度，现场调研投票标尺如表2所示。本次调查也进行了热期望的调查。女性样本的占比为43.75%，男性样本占比为56.25%。受试者背景资料如表1所示。

表1 受试者背景资料

表2 现场调研投票标尺

2.3 环境参数测试

测试内容为房间室内外空气温度、湿度、室内风速以及室内黑球温度。主要仪器有：1）TR72UI型双通道温湿度记录仪进行室内外温湿度监测，监测步长5 min，温湿度精度为±0.3 ℃（-20~80 ℃），±5%RH（25 ℃）。室外置于通风背阴，离地约0.5 m处，室内置于测试房间中央，离地高度约1.1 m处；2）AZ8778型黑球温度计进行室内黑球温度测量，测量准确度±0.2 ℃（15~40 ℃），测量范围1~80 ℃；3）TESTO 405型热线风速仪进行室内风速测量，测量精度±（0.1 m/s+5%测量值）（0~2 m/s）。

测试时间为每日起床至就寝（7:00—21:00），本次测试前后共持续4 d。

2.4 热舒适评价指标

综合考虑人体与其所处周围空气自然对流换热与辐射换热的作用，本次调查选用操作温度to作为热舒适评价指标。to由式(1)计算得到[21]：

式中，tmr为平均辐射温度，℃；ta为室内空气温度，℃；hc为对流换热表面传热系数，W/(m2·K)，坐姿时取值4.0[21]；hr为辐射换热表面传热系数，W/(m2·K)，室温时取值4.7[2]。

平均辐射温度由下式计算[17]：

式中，tg为黑球温度，℃；v为室内风速，m/s。

3 实验结果分析

3.1 新陈代谢率及服装热阻

接受调查时受试者所处状态为坐着填写问卷或回答问题，整个过程持续约15 min。将本次调查中受试者的新陈代谢率水平选定为69.84 W/m2，这属于坐姿活动轻微者所具有的正常代谢水平。（依据ASHRAE55—2013[1]）。

农村居民与城市居民的生活习惯存在较大差异。本次调查中西安农村住宅室内座椅主要为木制方凳或圆凳，无附加坐垫，受试者接受调查时坐在座椅上。本次调查不考虑座椅对服装热阻的影响。受试者总服装热阻值由式(3)计算：

式中，I为单人整套服装热阻，clo；Ii为单件服装热阻，clo。

表3所示为受试者服装热阻分布。由表3可知，受试者服装热阻主要集中在1.1~2.5 clo，频率最大值出现在1.9~2.1 clo，受试者服装热阻平均值为1.96 clo，远远高于ASHRAE55—2013[1]标准规定值。

表3 受试者服装热阻分布

西安农村地区住宅普遍未采取任何保温措施，因此在冬季通过围护结构的热量损失较大。西安农村地区大量居民采用电暖气这种局部空间加热式设备采暖，无法满足人体对室内热环境的需求，当地居民普遍增大自身着衣量以适应当地较差的室内热环境。

3.2 室外热环境参数

本次调查期间该地区室外温度变化范围为-2.4~12.7 ℃，室外平均气温为3.4 ℃；室外相对湿度变化范围为22.7%~70.1%，室外平均相对湿度约为45%。

3.3 室内热环境参数分析

本次调查期间室内空气温度变化范围为5.0~12.8 ℃，室内平均气温为7.2 ℃，室内相对湿度为40%~80%，室内平均相对湿度为64.4%。

表4 室内温湿度分布

3.4 热接受率和热舒适区间

在ASHRAE的7级标尺中，当投票值为-3、-2、2和3时表示受试者不可接受当前热环境，当投票值为-1、0和1时表示受试者可以接受当前热环境。热不可接受率即为某一热环境下投不可接受票的人数占总投票人数的百分比。通过操作温度与热不可接受率P的拟合计算，可以得到热不可接受率与室内操作温度to的拟合图像如图1所示。

图1 热接受率随操作温度的变化

回归方程为：

相关系数：

西安属于我国建筑热工分区中的寒冷地区，冬季应进行供暖。但受到西北内陆落后的经济水平制约，本次调研中发现部分农村家庭至今尚无任何采暖设施。约30%的有采暖家庭的采暖设施十分简陋。大多数有采暖家庭都是间歇式地启动采暖设施，室内热环境状况普遍较差。当地居民多采取增加衣物，关闭门窗，增加活动量等主动式方法来调节自身热平衡。因此，长期生活在当地的居民对当地热环境的行为、生理和心理适应能力较强。

对于国际通行的ASHRAE—2013和ISO7730两个标准中所规定的80%居民接受的舒适热环境，因为冬季所测数据基本为冷不满意率，故可求得冬季80%西安农村住宅室内居民可接受的温度下限为9.6 ℃（以操作温度to计）。

落入该区间（可接受温度下限以上）的样本数目仅为总样本数目的21.2%，由此见得冬季当地的室内热环境仍有较大改善空间。

3.5 热中性温度

由于新冠肺炎疫情的影响，本次调查样本容量相对有限。故综合了有采暖和无采暖的两种样本，来求解热中性温度与期望温度。平均热感觉M与室内操作温度to的线性拟合图像如图2所示。

图2 平均热感觉M随室内操作温度变化

回归方程为：

相关系数：

当M=0时，可求得当地的的室内热中性温度13.88 ℃（以操作温度to计）。而调查期间当地室内的平均操作温度为8.1 ℃，远小于热中性温度。

3.6 期望温度

以0.5 ℃为组距，分别统计该温度区间内投票值为冷感（-2和-3）和热感（+2和+3）的受试者人数占该区间投票总人数的百分比。将操作温度与测试得到的冷热期望百分比进行线性回归，如图3所示。两条拟合曲线的交点所对应的温度即为当时测试环境下的期望温度。由图3可知，冬季西安农村住宅居民的期望温度为14.0 ℃（以操作温度to计），相较于室内热中性温度（13.88 ℃）高了0.12 ℃。说明当地居民在冬季仍期望更暖的室内热环境。

图3 冬季期望温度的求解

3.7 实测平均热感觉与预测平均热感觉的比较

将现场测试得到的室内空气温度、室内黑球温度、室内相对湿度和室内空气流速等室内热环境参数以及受试人员的服装热阻、新陈代谢率等输入提前编制好的MATLAB程序，即可求出预测平均热感觉（A）的值。

预测平均热感觉与室内操作温度to的线性拟合图像如图4所示，回归方程为：

相关系数：

由图4可知，本次测试中当地居民在冬季的预测热感觉A低于实测热感觉M。当A=0时，可求得预测热中性温度为14.79 ℃，高于现场测试得到的热中性温度（13.88 ℃），表明该地区居民对冷的耐受性高于预测值。A与室内操作温度拟合曲线较M与室内操作温度拟合曲线向冷侧偏移，说明长期以来由于人体对环境的适应性，现实环境中的舒适范围较预测范围更宽。

图4 冬季A、M与室内操作温度的关系对比

4 结论

本文以西安市鄠邑区的农村住宅为例，研究了冬季室内热舒适情况，通过对实测得到的室内外环境参数数据和主观调查问卷结果进行分析，得出如下结论：

1）冬季西安农村住宅室内居民的热中性温度为13.88 ℃，期望温度为14.0 ℃，高于热中性温度；冬季当地80%居民可接受的温度下限为9.5 ℃，由于他们长期在这种室内环境中生活，耐寒能力较强，并且对室内热环境具有较低的心理期望；

2）冬季当地居民的平均服装热阻达到1.96 clo，增大着衣量是他们对当地室内热环境采取的主要适应性措施；

3）实测热感觉高于预测热感觉，表明现实条件下人们可接受的舒适温度较低，西安农村居民的耐冷性较强；西部地区无保温层的农村住宅存量大，进行围护结构的保温改造对改善当地人居环境具有很强现实意义。