作者：张毅
随着我国城市化进程与人民生活水平的不断提高，特别是20世纪90年代中期以来，人们对建筑居住环境的热舒适性要求不断提高，室内用于采暖或制冷的能源消耗也会大幅增加。因此，建筑节能主要是指节约建筑的运行能耗，建筑的能源消耗极大地受室内舒适条件的影响。过去几十年以来，世界各地进行了大量的有关热舒适的实验和现场研究，以Fanger为代表的实验室研究提出了用于空调房间预测人体热感觉的PMV模型，并成为ISO国际热舒适标准的基准。而以de Dear．Brager和Nicol等为代表的现场研究汇总了世界不同气候不同地域条件下的热舒适数据，分别建立了美国和欧盟自然通风建筑或自由运行建筑室内的适应性热舒适标准。现场研究结果表明，人在自然通风建筑中，通过自身的生理、心理调节以及调整服装、使用风扇等的行为调节，人们在室内可接受温度的范围可以达到17~31℃。因此，研究不同地域气候人们在真实环境中的热舒适和热适应，对于采暖空调房间的设计参数取值、被动式设计舒适区范围的确定以及有效减少不必要的能源消耗有着积极的意义。
近年来，我国学者也开始关注自然通风建筑环境热舒适的研究，在广州、浙江、上海、长沙、重庆、西安、北京和哈尔滨等地开展了相关的研究，取得了一些成果，夏一哉、茅艳、王昭俊、闫海燕等开展了寒冷地区夏季室内热环境与热适应的研究，但以上研究主要集中在我国东部或南部沿海及长江中下游等地区，对于我国西北内陆的寒冷地区关注较少。银川深居西北内陆高原，属中温带干旱气候区，气温日较差大，日照时间长，太阳辐射强。因此，笔者尝试通过对银川地区夏季自然通风住宅建筑的现场调查与分析，初步探究我国西北内陆寒冷地区自然通风建筑夏季的热环境情况，调查该类建筑中人体热舒适状况和可接受的温度范围，并与ASHRAE标准和其他相关研究成果加以比较，同时分析整理现场调查数据，用统计的办法确定该类建筑热环境与人体热反应之间的关系。
1研究方法
银川位于西北内陆高原，在我国GB 50176-1993《民用建筑热工设计规范》中被划分为寒冷地区。典型气象年（1971~2000年）年平均温度为9.5℃，年平均相对湿度54. 8%，最热月7月的平均空气温度为23.7℃，平均相对湿度为67. 0%。本次调查于2%年7月进行，在银川市随机选取72户居民，167人参加了问卷调查，共得到462套环境参数和人体热反应的数据。在此期间，室外最高空气温度为35.4℃，最低空气温度为21.8℃，一天中最低温度一般在6:00左右，最高温度在16：00左右，日温差在10~11℃之间。室外相对湿度的最高值和最低值分别为78. Oqo和24.2%。
本研究中采用的测试方案、仪器设备与基础数据处理方法与文献[21，25]中一致。调查包括室内外环境参数的测量以及对室内人员的主观问卷调查两部分，二者同时进行。室内外环境参数包括测试期间室内外温度和相对湿度，采用Test0 175-H2型温湿度电子记录仪直接测量；问卷调查记录居民的着装和活动量情况、主观热反应等以及室内的供暖方式。居民对室内热环境的主观感觉包括热感觉、热舒适、热可接受度，另外还包括对环境的温度期望和风速期望。现场调研所用的热舒适投票标尺见表1。测试时间为每天早、中、晚3次，调查样本具有不同的性别、年龄、身高、体重、文化背景，选择样本时使上述因素在样本中分布均匀。
操作温度t。考虑了空气温度t。和平均辐射温度t，对人体热感觉的综合影响而得到的合成温度，因此，本研究采用操作温度作为热舒适的评价指标。将操作温度按0.5℃的区间分组，以每组平均值为自变量，对影响热感觉的相关因素进行线性或Probit概率统计回归分析。
2 结果与分析
2.1样本概况
共有167人参加了调查，其中男性80人(占47.9%)，女性87人（占52.1%），女性比例比男性略高。调研样本的个体特征如表2所示。在银川的居住年限最短为1 a，最长的为60 a，平均为12 a。受试者身体健康，大多为长期生活在此地的居民，已经从生理和心理上适应了当地的热环境。
受试者的典型服装热阻和活动量水平统计如表2所示。在填写问卷过程中，受试者在家中大多为坐着看电视、吃饭或从事轻体力家务劳动，按GB/T18049-2000《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》进行活动量水平的计算，经统计，居民的活动量水平最大值和最小值分别为1.8 met（炊事）和1.0 met（静坐看书或看电视），均值为1. 34 met。在分析人的热感觉与环境参数之间的关系时，为避免人体剧烈活动对热感觉的影响，将活动量水平高于1.4 met的样本剔除，其有效样本数为384套。
居民服装热阻最大值和最小值分别为0.9 clo和0.1 clo，均值为0.3 clo，标准偏差为0.1。夏季室内的典型着装，男子为内裤、T恤衫或短袖上衣、短裤或薄长裤，女子为内衣裤、薄裙或者T恤衫、短裤等。夏季居民服装热阻的分布频率如图1所示，有83. 9%调研对象的服装热阻分布在0.3~0.4 clo之间，其中频率最高的为0.3 clo，占总数的59. 3%。
在所调研的72户居民中，有68. 7%住宅的建筑面积在80—120m2之间，小于80 m2和大于120m2的各占23.8%和7.5%。住宅围护结构的外墙大多采用砖混结构，占82. 1%，其中，有86. 3%的外墙为370 mm厚，在外墙材料中，多孑L粘土砖占46. 2%，实心粘土砖占42.3 %，其它为粉煤灰和砼砖。仅有23.%的墙体做了外保温。建筑外窗以铝合金窗和塑钢窗为主，分别占到58. 5%和36.9 %，其中，单层窗为63.5%，双层窗为36. 5%。
2.2室内外热环境状况
室内外温度、相对湿度的统计结果如表3所示。由表可知，夏季室外空气温度的平均值为29.2℃，室内空气温度的平均值为28.9℃。夏季室外相对湿度的均值为50. 8%，室内相对湿度的均值为52. 0%。室内平均辐射温度的均值为28.6℃，比室内空气温度略低。
图2为调研期间室内外空气温度和相对湿度的分布频率，由图可知，银川夏季室外温度范围较广，24℃到35℃之间的样本占总数的85. 0%，且各个温度段之间分布相对较为均匀。相对于室外多变的气温，室内温度的分布较为集中，主要分布在27~30℃之间，此温度段占总数的76.1%，其中室内温度在27℃以上的样本占94. 0%，这说明在调研期间至少有94. 0%的样本在IS0 7730热舒适标准（夏季23~26℃）和ASHRAE 55热舒适标准(夏季23.5~27℃)要求的范围之外。不管室内还是室外，相对湿度大多分布在40%—70%之间。
2.3热感觉和中性温度
银川城市住宅夏季居民热感觉的分布频率见图3，夏季有41.8%居民的热感觉投票为0（适中），有22. 8%的热感觉投票为+1（微热），+2（暖）和+3（热）的比例分别为13. 0%和19. 3%。如果把热感觉投票-1、0和+1认为可接受的话，那么夏季有67. 8%的居民对室内热感觉表示可接受，这比夏季的直接可接受率（假定问卷中的“刚刚可接受”和“完全可接受”为可以接受所处热环境）79. 5%要低。
按照前述方法，在每0.5℃操作温度区间内，平均热感觉投票( Mean Thermal Sensation vote，MTS)随室内操作温度(t。)的变化进行权重线性回归（见图4）。两者相关系数R为0. 877 0，说明该地区居民平均热感觉与操作温度之间存在显著线性关系。斜率为0. 359 0，表示热感觉对操作温度变化的敏感程度。中性温度代表了受试者在热中性状态时所对应的温度，当MTS =0时，中性温度t。=25.9℃，比调研期间的室内平均温度(28.9℃)低3℃。
2.4热舒适和热可接受度
根据测试数据，在每0.5℃操作温度区间内，整理得到平均热舒适投票( Mean Thermal Comfortvote)和平均热可接受度投票(Mean ThermalAcceptability vote)，以下简称热舒适MTC、热可接受度MTA和热感觉MTS。为了比较不同气候区热感觉MTS、热舒适MTC与热可接受度MTA三者之间的关系，采用与广州相同的数据处理方法，分别得到热舒适度、热可接受度与热感觉的关系（如表4所示），从线性回归方程的相关系数可以看出，热舒适与热感觉之间，以及热可接受度与热感觉之间均存在显著的线性关系。
与湿热气候的广州相比（图5和图6），两者热舒适与热感觉回归方程的斜率并没有显著差异(P=0. 29>0.05)，但截距具有显著差异(P=0.000 13<0.05)，这说明在相同的热感觉时，广州受试者的不舒适感觉显著高于银川。而银川受试者和广州受试者热可接受度与热感觉回归方程的斜率和截距均没有显著差异（P>0.05）。
2.5 主观期望统计
问卷还调查了居民对室内气流和温度的期望，将操作温度按照0.5℃分组，统计期望“温度降低”、“温度升高”、“保持不变”3个选项的数量，“保持不变”的投票数平分后各加入期望“温度降低”和“温度升高”的投票数内，采用Probit概率统计分析“温度降低”和“温度升高”所占比例与该区间内操作温度的平均值之间的关系，如图7a所示，得到当地居民的期望温度为21.7℃，比中性温度(25.9℃)低4.2℃，这说明在气候较为炎热的夏季，人们总是期望比热中性更为凉爽的温度。
按照同样的方法分析居民期望“风速增加”和“风速减少”的比率与相应的操作温度之间的关系，如图7b所示，结果表明，当温度在23.9℃时，居民对风速的期望是“既不增加也不减少”。
2.6可接受温度范围
ASHRAE 55标准规定80%或更多的受试者可以接受的热环境为可接受环境，热可接受度通过以下两种方法求解。通常假定为ASHRAR 7个标度的中间3个标度（-1，0，+1）为人们对所处环境可以接受，而热感觉投票值为-2、-3、+2、+3为对环境不可接受，这种方法称为热感觉可接受法，又称间接可接受法；第二种方法是对问卷中“所处热环境是否可以接受”问题的回答，称为直接可接受法。以0.5℃对操作温度进行分组，每一组内以直接法和间接法所得到的不可接受百分比与该组内操作温度平均值的回归曲线如图8所示。采用Probit回归曲线估计夏季可接受温度的上限，得到的方程如式(1)和式(2)所示，采用直接法和间接法得到的80%可接受温度上限分别为28.5℃和28.1℃。
式中：①为标准正态分布函数；t。为操作温度，℃。
2.7 热适应行为
夏季，住户所使用的降温措施如图9所示，在所调研的样本中，有60. 9%的住户采用电风扇降温，14. 1%采用空调降温，10.9 %既采用空调又使用电风扇降温，这与焦作夏季住宅建筑97. 1%的住户采用空调降温有较大差异。在所调研的数据中，填写“此时的降温措施”的有效样本共有458个，其中选择“空调”的有8个样本，选择“电风扇”的有145个样本，分别占到总调研数的1. 7%和31. 7%，其中，“自然通风”（开窗或开门通风）的比例高达66.6 %（图10所示），说明在当地夏季，住宅建筑大多采用自然通风。
在所调研的72户家庭中，有16户家庭安装有空调，但其中13户家中只有1台空调，这与焦作62. 8%的住户家中至少有2台或2台以上的空调并不相同。空调的制冷温度为18~ 27℃之间，24~ 26 0C之间较为常见。空调的使用时间大多在6~8月，使用空调的时间段通常是在11:00~13：00或者20：00~24:00。对于空调的使用情况，在13次投票中，有3户经常使用，6户选择不经常使用，4户基本不使用，说明当地人们并不经常使用空调。
在所调研的72户家庭中，使用风扇的有39户，风扇的使用时间也大多在6~8月，风扇的使用情况如图11所示。有31%的人仅在“热得无法忍受时”才使用风扇，11%的人选择“只要家里有人就开”，52%的人选择“只要感觉到热”。经过调查，上午一般很少有人使用风扇，人们大多在11:00~13：00，20:00—24:00使用。在所有使用风扇降温的样本中，分别有49. 3%和39. 6%的居民采用“低速档”和“中速档”，仅有11. 1%的居民选用“高速档”(图12)。
为研究夏季室内外环境参数对人们使用风扇或空调等行为的影响，采用Probit回归分析两者之间的关系（图13和图14），建立的回归模型如式(3)和式(4)所示：
式中：①为标准正态分布函数；ta,o。．为室外空气温度，℃；f。为操作温度，℃。
根据模型的预测，当室外空气温度和室内操作温度为25℃时，降温措施使用的比例分别为16. 2%和15.2%；当室外空气温度和室内操作温度为31℃时，降温措施使用的比例分别为35. 0%和50.0 %。而张宇峰等在广州的研究表明，使用风扇比例开始发生变化的初始温度约为25 0C（新有效温度），31℃时已接近100%。以上适应行为表明，夏季，使用风扇或空调的初始温度较为接近，但在高温（31℃左右）时的使用比例仅为广州使用比例的一半。
3讨论
3.1 与严寒或寒冷地区夏季热舒适的对比
将本文研究结果与其它严寒或寒冷地区城镇住宅热舒适的研究成果作比较，结果见表5，虽然各地室内外温度相差较大，但人们的着装量较为接近，热阻值平均为0. 34 clo。北京、天津、包头、焦作和银川夏季室内温度较为接近，因此，热中性温度以及热感觉对温度变化的敏感性均也较为接近，但拉萨和哈尔滨因夏季室外温度相对较低，除中性温度低于其它寒冷地区居民的中性温度外，其热感觉对温度变化的敏感性也较低。夏季室外温度较为炎热，人们期望比热中性温度更低的温度，因此，期望温度均低于中性温度。除包头外（包头采用Probit回归模型求解的可接受温度上限为26.9℃），人们可接受温度的上限均在28℃以上，说明在自然通风建筑中，人们通过开窗、使用风扇等适应行为，可以较好地适应所处的环境。
3.2与现有热适应标准的对比
式中：t。，Ⅱ，。为可接受温度上限，℃；t。，II，。为可接受温度下限，℃；t，。为室外平滑周平均温度，℃。
以银川典型气象年夏季6、7、8月的日平均温度为基础，按标准推荐的公式计算出每一天的室外平滑周平均温度，在夏季的92 d中，有84 d的室外平滑周平均温度均超过了20.2℃，这意味着仅有8d的室外平滑周平均温度可以按式(5)和式(6)来计算，如图15所示，图中实线为按我国适应性热舒适标准计算出来的可接受温度上限，虚线为可接受温度下限。而本次实测结果当地居民可以接受的操作温度上限为28.5℃，比标准低1.5℃。
取银川调研期间的室外平滑周平均温度的均值25.9℃为基础，分别代入ASHRAE 55，EN15251适应性热舒适标准给出的热适应模型，得到相应的中性温度和80 %可接受温度上限，如表6所示，ASHRAE标准的中性温度与实测中性温度最为接近，但两个标准所得到的80%可接受温度上限值均要高于本次调研实测结果。出现以上差异的原因可能是银川地处寒冷气候，高温天气较少，且日温差较大，因而对高温的接受能力不如湿热气候。因此，现有适应性热舒适标准均过高估计了银川人们对高温的接受能力。
4结论
4.1银川夏季室内平均温度为28.9℃，相对湿度为52. 0%，其中室内温度在27℃以上的样本占94.0 %，均在IS07730热舒适标准（夏季23~ 26℃）和ASHRAE 55热舒适标准（夏季23.5~27℃）要求的范围之外，但居民的直接可接受率达到79. 5%。
4,2在相同的热感觉时，广州受试者的不舒适感觉显著高于银川。测试结果显示，银川地区热中性温度为25.9℃，期望温度为21.7℃，两者相差4.2℃。直接和间接的可接受温度上限分别为28.5℃和28.1℃。
4.3夏季，银川居民的主要降温措施为自然通风，使用风扇或空调的初始温度与湿热气候的广州较为接近，但温度较高时(31℃)的使用比例明显小于广州。处于寒冷气候的银川居民对高温的适应能力较弱，夏季可接受温度上限低于现行国际适应性热舒适标准。
5[摘要]为了研究寒冷地区居民夏季的热舒适状况，对银川市72户住宅进行了现场调查，在进行现场测试的同时对167位居民的热感觉以ASHRAE的7级标尺进行问卷调查。实测结果表明，当地居民夏季的热中性温度为25.9℃，比期望温度( 21.7℃)高出4.2℃，采用直接法和间接法得到的80%可接受温度上限分别为28.5℃和28.1 aC。处于寒冷地区的银川居民对高温的适应能力较弱，中性温度及可接受温度上限低于我国现行非人工冷热源室内热舒适标准。
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