严寒地区住宅与办公建筑热环境与热适应研究

王昭俊，任静，吉玉辰，宁浩然

（哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090）

 [摘要]为了研究严寒地区人体热适应性以及该地区冬季适宜的供暖温度，对哈尔滨市住宅建筑和办公建筑室内热环境和人体热舒适进行了9个月的连续调查。结果表明：供暖期间平均室温都接近或超过24℃，办公建筑受试者的着装明显多于住宅的。热中性温度随着平均室温的升高而逐渐提高，既不利于人体健康，也增加了供暖能耗，建议冬季供暖采用标准推荐的下限值，且供暖初期、供暖中期和供暖末期的室温也依次降低，如依次采用20℃、19℃和18℃，以充分利用人体的热适应性，实现可持续的建筑环境设计。

 [关键词]热舒适；热适应；供暖温度；住宅；办公建筑；严寒地区

O  引言

 严寒地区冬季供暖期长，供暖能耗大。漫长的供暖季中，室外气温是不断变化的，而室内供暖温度一般保持不变。研究结果表明：不同气候条件下人的热中性温度不同。供暖前后热中性温度是变化的，冬季和春季热中性温度也不同。冬季室温过高，人会感到更加不舒适。那么，室外气候与室内热环境又是如何影响人体热舒适与热适应性的？应如何利用人体对室外气候和建筑室内微气候环境的适应性合理设置供暖温度呢？

 为了深入揭示严寒地区人体热适应机理并提出适宜的供暖温度，本项研究在国家自然科学基金资助下，对严寒地区代表性城市——哈尔滨市的住宅、办公建筑、学生宿舍和教室等多种热环境同时开展了长期的热舒适现场调查，并对在校大学生开展了实验室研究。本文以住宅和办公建筑为研究对象，研究在供暖期间及供暖前后的过渡季中室内热环境特征及人体热舒适和热适应性的变化规律；对比分析2种热环境的差异性、受试者主观热反应的差异性以及行为调节的差异性等；并建立严寒地区人体热适应模型。

1  研究方法

1.1  样本选择

 采取现场测试与主观调查相结合的方法。主观调查采用电子问卷的调查方式，考虑受试者便于在网上在线填写调查表，故本次调查选择的受试者大部分是高校教师，少数为在读的研究生。因课题组同时对大学生受试者也进行相关调查，为了使本课题的研究成果在年龄上具有普适性，本文调查选取的受试者年龄一般40岁以上，其中住宅受试者年龄为28—72岁，办公建筑受试者年龄为24—58岁。2种建筑环境的受试者均身体健康，男女比例均约为1:1，且受试者在哈尔滨市居住时间都超过5年，已适应了该地区的气候环境。

课题组于2013年9月23日至2014年5月15日对哈尔滨市5个住宅小区9栋住宅楼的10户住宅以及6栋办公建筑的19个办公室进行连续9个月的连续跟踪调查。其中住宅受试者20人，办公建筑受试者24人。受试者的背景统计资料见表1。

1.2环境参数测量

  室内环境测试参数包括：空气温度、相对湿度、黑球温度、风速及围护结构表面温度等。测试仪器的测量范围及精度如表2所示。

  每2~3周现场入户调查1次，测试客观环境参数和读取数据。入户测试时，室内温湿度分别在房间中心距地面0.1 m、0.6 m、1.1 m高度处测量；黑球温度和空气流速仅在距地面0.6 m处测量；各围护结构的表面温度取5点测试温度的平均值。另外，室内外设有温湿度自记仪连续测试室内外温湿度。

1.3  主观调查

 主观调查采用电子问卷形式，由受试者每周在线填写1次。主观调查内容主要包括：

 1)受试者的衣着情况。受试者根据自身着装勾选相应服装选项。

 2)活动量。填表前要求受试者尽量保持静坐休息状态，不可剧烈活动。

 3)受试者的主观热反应，如热感觉、热舒适及热可接受度等。其中热感觉采用ASHRAE 7级标度（-3冷，-2凉，-1稍凉，0中性，1稍暖，2暖，3热）。

 4)受试者改善热舒适的措施，如开关窗、增减衣服、改变活动量等。

 共收到有效调查问卷1 050份，其中住宅447份，办公建筑603份。

2  调查结果与分析

 根据室外气候变化将测试时间划分为秋季过渡季（供暖开始前）、供暖初期、供暖中期、供暖末期、春季过渡季（供暖结束后）5个阶段。

2.1  热环境差异性分析

住宅和办公建筑的平均室内空气温度和平均相对湿度列于表3。

 由表3可见，调查期间，住宅和办公建筑热环境参数变化趋势基本相同。除供暖初期以外，办公建筑各阶段的平均室温均低于住宅平均室温。供暖开始前，室内平均温度最低；进入供暖期，住宅和办公建筑内平均温度逐渐上升；供暖末期，住宅和办公建筑内平均温度分别达到最高；供暖结束后，室内平均温度较供暖末期显著降低。

 供暖期内，住宅和办公建筑平均温度都接近或超过热舒适标准规定的上限值24℃。住宅的平均相对湿度一般都高于办公建筑平均相对湿度。可能是由于住宅居民日常做饭、洗衣，以及养花、养鱼等导致住宅室内湿度较大。2种环境下的空气相对湿度均在热舒适范围内。住宅与办公建筑的平均风速范围分别为0. 03~0.05 m/s和0.03~0.07 m/s，2种热环境中风速均较低，受试者无明显的吹风感。

 住宅与办公建筑的连续测试和间歇测试结果均表明，2种热环境中的空气温度与操作温度平均差值均在±0.5℃范围内，故可采用空气温度作为住宅和办公建筑热环境的评价指标。

2.2服装调节差异性分析

对比住宅和办公建筑受试者逐周的服装热阻变化，如图1所示。可见，住宅与办公建筑的受试者服装热阻变化趋势有显著差别。

 各阶段内办公建筑受试者的服装热阻均明显高于住宅受试者。调查期间，住宅受试者各阶段平均服装热阻范围为0. 69~0.85%，办公建筑受试者的服装热阻范围0. 98~1.34%。

 供暖期间，住宅热环境温度逐渐升高，受试者着装逐渐减少；供暖中期，办公建筑平均温度最低，受试者服装热阻也最大。供暖结束后，室内平均温度降低，住宅受试者着装增加，而办公建筑受试者的着装有所降低，这可能是由于供暖结束后室外温度回升，办公建筑受试者的着装较多地考虑室外气候因素，因此着装减少。

 住宅与办公建筑中受试者着装的不断改变，体现了这两种环境中受试者适应室内外热环境的主动性。

住宅与办公建筑受试者服装热阻与室内温度的相关关系回归分析结果见式(1)和式(2)。

 可见，式(1)中方程的决定系数R2明显高于式(2)的。此外，温度每升高或降低l℃，住宅受试者的服装热阻变化约0. 05 %，而办公建筑受试者的着装变化约0. 02 %。说明住宅受试者着装主要受室内温度的影响，因为人们便于在室内随意更换衣物，即服装调节的自由度较大；而办公建筑受试者不便于经常更换衣物，其着装则还需考虑室外气候、工作环境等因素，其服装调节范围较小。

2.3热中性温度差异性分析

表4为住宅和办公建筑各阶段的平均热感觉回归方程和热中性温度。

对比住宅和办公建筑各阶段平均室温及受试者热中性温度变化趋势，如图2所示。住宅受试者与办公建筑受试者各阶段的热中性温度变化呈现出相似但又不完全相同的趋势。

 供暖开始前，住宅受试者的热中性温度为24.3℃，高于其平均室温2.1℃；办公建筑受试者的热中性温度为21.4℃，高于其平均室温0.6℃。2种热环境的平均室温仅相差0.6℃，住宅受试者的热中性温度比办公建筑受试者高1.9℃。住宅和办公建筑受试者的平均服装热阻分别为0. 83 %和0.98%。办公建筑受试者在室内外温度较低的情况下，着装更多，所以热中性温度也相应较低，且更加接近平均室温。

 供暖期间，2种环境的热中性温度均低于平均室温。3个供暖阶段内，住宅受试者的中性温度分别为21.8℃、22.9℃和23.0℃，分别比平均室温低1.8℃、1.4℃、2.0℃；办公建筑受试者的中性温度分别为21.3℃、21.1℃和20.1℃，分别比平均室温低2.5℃、2.2℃、4.0℃。一方面说明受试者的中性温度随室内外温度变化而变化，另一方面也说明供暖期间2种热环境下均存在过热现象。

 供暖期间，住宅平均室温一般高于办公建筑的，且住宅受试者的热中性温度均高于办公建筑的。住宅受试者的热中性温度随室内温度的升高逐渐上升，办公建筑受试者的热中性温度随室温的升高而降低。表明办公建筑受试者对室外气候形成较强的适应性，室温升高时，在室内服装调节自由度小，故逐渐感到热，因此其热中性温度逐渐降低；而住宅室温偏高，居民对室外气候的适应性往往被抵消，人们逐渐适应了室内偏高的室温，致使中性温度逐渐升高。

 供暖结束后，室外气温上升，室内平均温度降低，住宅平均室温降到22.5℃，受试者的热中性温度为24℃，高于平均室温1.5℃，平均服装热阻由0. 69 %上升至0.85 %；办公建筑平均室温降至21.8℃，受试者的中性温度为24.1 aC，高于平均室温2.3℃，平均服装热阻由1. 17 %下降至1.03%。比较2种热环境的结果可以看出，供暖结束后，在无供暖的自然状态下，住宅与办公建筑的受试者通过服装等行为调节，热中性温度近似相等。

综上，由于2种环境下室温不同、服装热阻不同，导致热中性温度的差异性。

2.4可接受温度差异性分析

对比住宅和办公建筑80%可接受的温度范围，见图3。

 供暖开始前，办公建筑受试者可接受的温度下限明显比住宅受试者的可接受的温度下限低1.3℃。此时，2种热环境的平均室温相近，而住宅受试者的平均服装热阻为0. 83 %，办公建筑受试者的平均服装热阻为0. 98  %。表明通过服装调节，就可以在较低的温度范围内获得热舒适。

 供暖初期，住宅和办公建筑受试者的可接受温度均降低，80%可接受的温度下限均分别低于平均室温。表明供暖初期，受试者均不期望室内温度过高。

 供暖中期，住宅和办公建筑内的可接受温度上限均升高，住宅可接受的下限温度基本不变，办公建筑可接受下限降低1.4℃。表明2种环境中的受试者均逐渐适应了室内供暖热环境和室外冷环境，可接受温度范围变宽。同时也表明，办公建筑受试者适应室外气候的能力更强。

 供暖末期，住宅受试者的可接受温度上限为26.9℃，下限为19.0℃；办公建筑受试者的可接受温度范围为14.4~25.7℃，较供暖中期进一步拓宽。表明经过一个寒冷的冬季，受试者逐渐适应了冷环境，在室外温度回升、室内温度较高的情况下，住宅和办公建筑受试者均可接受较低的室内温度。

 供暖结束后，两种热环境中受试者热可接受温度范围均很宽。表明受试者经过漫长的冬季，对冷环境的适应性增强，相比供暖开始前，可接受温度下限降低，可接受温度的上限也明显提高。

 综上，供暖期间，住宅和办公建筑中受试者的可接受温度范围均逐渐拓宽，体现了受试者对室外气候和室内微气候环境的适应性。

3  严寒地区人体热适应模型

3.1  住宅人体热适应模型

将历年来在哈尔滨市住宅中进行的4次现场调查所得的人体热中性温度与平均室温进行线性回归，绘制于图4，得到严寒地区住宅人体热适应模型，见式(3)。

式中：y为住宅人体热中性温度，℃；x为住宅平均室温，℃。

由图4可知，近年来供暖期间住宅室内温度逐渐上升，住宅受试者的热中性温度也呈现上升趋势。这体现了居民对逐渐变暖的室内热环境的适应性。

3.2  办公建筑人体热适应模型

将近年现场调查所得的办公建筑人体热中性温度与平均室温进行线性回归，绘制于图5，得到严寒地区办公建筑热环境人体热适应模型，见式(4)。

式中：r，为办公建筑人体热中性温度，℃；x为办公建筑平均室温，℃。

随着办公室平均室温的升高，受试者的热中性温度逐渐降低。

4  供暖温度与供暖能耗

4.1  室温与供暖能耗

2013年住宅供暖中期平均室温为24.3℃，2000年住宅冬季供暖期间住宅平均室温为20.1℃。若均按照供暖设计工况计算，供暖室外计算温度取- 24.2℃3，2013年住宅供暖能耗相比2000年提高了约9.5%。计算公式见式(5)。

式中：AN为节能率，%；t3为2013年供暖中期平均室温，为24.3℃；t。,200。为2000年供暖中期平均室温，为20.1℃；t。为供暖室外计算温度，取- 24.2cC。

近年来室温提高了，供暖能耗增加了，而供暖调节手段受限，居民只能开窗降温。这也进一步增加了建筑能耗。若按照冬季热舒适温度下限20℃计算，与本次调查相比，供暖各阶段可节能比例依次约为7. 5%、8.9%、10. 2%。计算公式见式(6)。如果按照我国供暖设计规范规定的严寒地区供暖室内设计温度下限值18℃计算，则节能率可达11.7 %、13. 0%、14. 2%。

式中：AN；分别对应2013年供暖初期、供暖中期和供暖末期可节能比例（i为2、3和4），%；t。为热舒适温度下限值，取20℃；t；分别对应2013年供暖初期、供暖中期和供暖末期平均室温，℃。

4.2适宜的供暖温度分析

冬季供暖期间住宅平均室温为20.1℃．12年间平均室温提高了4.2℃。2%年冬季办公建筑平均室温为25.5℃，超过冬季热舒适温度的上限值24℃。建筑使用者只能通过减少着衣量和开窗降温以适应不断增加的室温。大量冷空气侵入室内，会导致吹风感而影响人体热舒适性。说明冬季室温不宜过高，既不舒适又浪费能源。

 基于热适应性理论，人体热中性温度与室内平均温度接近。近年来，由于住宅建筑室内温度不断升高，导致居民的热中性温度也逐渐升高；而文献[9]的研究结果表明，如果供暖期间室温过高，受试者会逐渐适应偏热的室内环境，而对偏冷环境的适应性会逐渐削弱。这样既浪费能源，又不利于人体健康。宜充分利用人体的适应性，合理设置室内供暖温度。

 而另一方面，办公建筑室温低于住宅的平均室温，但办公人员着衣量较居民多，故办公人员的热中性温度约为21℃，较接近热舒适温度下限。可见，在室外热暴露相同而室内热环境不同的情况下，对于年龄相近的受试者，其服装热阻和室内热环境差异会导致热中性温度不同。这也体现了人们对室内热环境热暴露的适应性。应鼓励严寒地区的人们冬季适应室外寒冷的气候环境，建议冬季供暖采用标准推荐的下限值。

 由图2可知，供暖初期、供暖中期和供暖末期，办公建筑受试者的热中性温度逐渐降低。表明利用人体的热适应性，供暖期间各个阶段的室内温度的设计值可依次降低。根据我国设计规范，冬季室内温度范围18—22℃，而采用下限温度更节能。综合考虑以上因素，建议供暖初期、供暖中期和供暖末期的室温可依次采用20℃、19℃和18℃。

 综上所述，兼顾热舒适性和建筑节能，宜充分利用人们对寒冷气候的适应性，建议供暖室内温度采用热舒适标准推荐的温度下限值，且供暖期间各个阶段的室内温度的设计值也依次降低，使建筑热环境设计朝着舒适健康、节能环保的可持续方向发展。

5结论

 1)供暖期间住宅和办公建筑平均室温都接近或超过24℃。住宅平均室温一般高于办公建筑的。

 2)办公建筑受试者的着装较多地考虑室外气候因素，明显多于住宅受试者的。

 3)建立了严寒地区住宅和办公建筑人体热适应模型，适用于该地区冬季供暖期间一般成年人在住宅和办公建筑中热舒适温度的预测和评价。

 4)近年来随着住宅室温的不断上升，热中性温度逐渐提高。既不利于人体健康，也增加了供暖能耗。应鼓励严寒地区的人们冬季适应室外寒冷的气候环境，建议冬季供暖采用标准推荐的下限值。

 5)供暖初期、供暖中期和供暖末期，办公建筑受试者的热中性温度逐渐降低。宜利用人体热适应性和服装调节手段，建议供暖各阶段的室温也依次降低，如依次采用20℃、19℃和18℃，以实现建筑热环境的可持续性发展。

6  致谢

 对参加调查的全体受试者表示衷心感谢。