蒙中地区农牧民住宅冬季热舒适调查
时间：2023-02-28 15:55:07 来源：千叶帆 本文已影响人
李伟 白叶飞 许国强 唐汝宁 康晓龙
1 内蒙古工业大学土木工程学院
2 内蒙古工业大学建筑学院
严寒C 类蒙中地区受经济不发达和地区的约束，居住建筑多为居民根据自身经验早期搭建，围护结构较落后，建筑无内外保温。冬季供热采用分散式供暖模式，多为火炉、火炕和土暖气供暖。农牧区所处地理位置受室外温度影响较大，长期以来农牧民的热舒适感较差。随着我国乡村振兴战略及脱贫攻坚行动支撑，了解农牧区居民的居住现状，提高农牧区居民的室内热舒适水平很有必要。
本文选取该地区冬季不同住宅进行跟踪测试，研究建筑室内外热环境对人体热舒适的影响，采用PMV(Predicted Mean Vote) 和 MTS (Mean Thermal Sensation)以及热中性温度范围等指标，分析冬季不同住宅内人体热舒适。
1.1 调研背景
调研地点选取内蒙古中部凉城县某典型农牧区，其地理坐标为东经112°02′～113°02′，北纬40°10′～40°50′之间，地处阴山南麓和黄土高原东北边缘，有“七山一水二分滩”之称[1]，为晋蒙冀交界的重要部分。
本次调研选取不同建筑材料的住宅进行热环境参数测试和人员主观问卷调查。图1 为调研的三种不同建筑材料的住宅结构，分别为土坯住宅、砖瓦住宅、惠民工程住宅。
图1 不同住宅建筑现状
1.2 实验仪器及方法
本次实验过程中对房间内部测点的选取根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》[2]布置，距离门窗和壁面0.6 m 以上的距离，室外测点为背风阴凉处，距离地面1.5 m 高度。分别利用testo 温度自记仪、JT-IAQ 热环境测试仪等进行测试。表1 为实验测试项目及相关仪器参数。
表1 实验仪器及参数
垂直测点布置时，坐姿测量高度距地面0.1 m（表征人体脚踝处）和1.1 m（表征额头处）。站姿测量高度距地面0.1 m（脚踝处）、1.1 m（腰处）和1.7m（额头处）。水平测点布置时，当房间面积S＜16 m2时选择房间的中心位置布置一个测点。当房间或区域面积为16 m2＜S＜30 m2时，选择房间对角线上两个等分点分别布置两个测点。
1.3 热舒适评价指标
多位学者结合国外规范及我国地理位置和气候条件差异，根据不同气候条件及实验环境提出多种热舒适评价指标，如热感觉，操作温度和热中性温度等。
热感觉是人体主观对外界的感受，该项研究多以调查问卷的形式进行，采用ASHRAE 7 级热感觉标度进行[3-4]，分别为冷（-3）、凉（-2）、稍凉（-1）、适中（0）、暖（+1）、稍暖（+2）、热（+3）。
操作温度是基于平均辐射温度和空气温度的合成温度，涵盖环境与人体的对流换热辐射换热两种形式[5-6]。将操作温度以0.5 ℃的间隔，分为若干个温度区间，以每一操作温度区间中心温度为自变量，以受试者在每一温度区间内填写的热感觉投票值的平均值MTS 为因变量，通过线性回归分析得到变量MTS 和操作温度t0之间的线性关系。拟合而得的线性相关度较高，说明MTS 可以很好的预测人体热感觉。当MTS=0 时，所得温度即为热中性温度。
2.1 室外温度
冬季在农牧民住宅的调研时间选在2021 年1 月11 日～1 月15 日，调研期间室外天气晴朗。室外空气温湿度分布如图1 所示，为以24 h 为一个周期的波动。该地区农牧民冬季多采用火炉、火炕等分散供暖模式，满足室内温度需求。
图2 冬季室外温湿度
该地区主要气候特点为气温年较差大，冬季寒冷漫长。调研期间室外空气温度主要集中在-16～-10 ℃，占比65%，室外空气温度较低；
室外空气相对湿度室外空气相对湿度主要集中在45%～60%，占比64%，农牧区冬季室外空气相对湿度适中。冬季受西北冷空气寒风影响剧烈，昼夜温差极大，所处地理位置使农牧区住宅气温低于周围村镇室外气温。
2.2 垂直空气温差
为计算室内环境达到热稳定状态后垂直方向上存在的空气温差，根据《室内人体热舒适环境要求与评价方法》[3]中的垂直空气温差公式,在室内热环境稳定后，计算同一条垂直线方向上，受试人体头部到脚踝的位置处检测点的温度差值。
对土坯住宅、砖瓦住宅、惠民工程住宅三种不同的当地住宅各自开展为期4 8h 的过渡季室内温度测量。测量期间利用TESTO-147 温湿度自记仪，将仪器摆放在调研房间同一垂直线上，水平方向按照0.1 m，1.1 m，1.7 m 的高度分别放置，三种住宅站姿与坐姿状态下垂直空气温差如表2 所示。
表2 三种住宅不同状态下垂直空气温差
由表2 所得，土坯住宅、砖瓦住宅和惠民工程住宅在冬季垂直空气温差均为站姿大于坐姿状态，说明保持站姿状态的人体热舒适比坐姿状态的热舒适感觉差。坐姿状态中垂直空气温差顺序为：砖瓦住宅＞惠民工程住宅＞土坯住宅，即坐姿状态时土坯住宅室内人员热舒适感最好，其土坯材料的保温性能使室内不同梯度温度差距较小，虽然建造年代远大于惠民工程住宅，但居民热舒适感仍较好。
2.3 热感觉投票值
对调研地点农牧区土坯住宅、砖瓦住宅和惠民工程住宅的热感觉投票值进行统计，按照Fanger 七级热指标“冷（-3）、凉（-2）、稍凉（-1）、适中（0）、稍暖（+1）、暖（+2）、热（+3）”统计室内居民热感觉，如图3 住宅热感觉投票值所示。
图3 冬季三种住宅热感觉投票值
由图3 可知，冬季居民热感觉投票更倾向“凉”到“适中”，“适中”投票值占主要比例，说明室内人员的当前热感觉较满意，但仍有一部分投票值趋于偏冷环境。同时，由于农牧区采暖方式有限，均为分散式供暖，室内环境温度不如城镇集中供暖温度均衡，农牧区居民热感觉投票值各不一致。在偏冷倾向下的投票值，即从“冷”到“稍凉”区间占比顺序为：砖瓦住宅＞土坯住宅＞惠民工程住宅，砖瓦住宅人体热感觉投票偏冷状态占比最大，砖瓦住宅围护结构与土坯住宅相比蓄热能力差且无内外保温，居民热感觉偏冷占比最大。
对三种不同住宅的调研数据分析，实测平均热感觉MTS 和预测平均热感觉投票值PMV 分别与操作温度t0进行线性回归，拟合曲线变化趋势如图4 到图6 所示，图拟合结果如下表3 所示。
表3 冬季三种住宅PMV/MTS 与操作温度关系
图4 冬季土坯住宅室内操作温度与PMV/MTS 关系
图6 冬季惠民工程民居室内操作温度与PMV/MTS 关系
图5 冬季砖瓦住宅室内操作温度与PMV/MTS 关系
从表3 可知，操作温度每改变1 ℃，土坯住宅、砖瓦住宅、惠民工程住宅的预测平均热感觉PMV 分别改变0.36、0.13 和0.17 个标度，实测平均热感觉MTS分别改变0.31、0.11 和0.14 个标度，MTS 标度改变小于PMV 标度，人体实测平均热感觉更容易适应偏冷环境。
随着操作温度逐渐升高，实测平均热感觉MTS与预测平均热感觉PMV 差距逐渐减小。由于在冬季该地农牧区居民采用火炉、火炕等采暖方式进行室内供暖，温度升高，实测与预测热感觉越接近。长期生活在当地的居民，心理上更倾向于偏冷环境，对居住环境形成一定的适应能力。农牧区居民实测平均热感觉MTS 始终高于预测平均热感觉PMV。
冬季三种住宅MTS=0、PMV=0 时，土坯住宅内得到的实测热中性温度和预测热中性温度分别15.2 ℃和16.8 ℃，预测比实测高1.6 ℃。砖瓦住宅内得到的实测和预测分别为14.8 ℃和16.2 ℃，预测比实测高1.4 ℃。惠民工程住宅内得到的实测和预测分别为17.8 ℃和18.8 ℃，预测比实测高1 ℃。实测与预测热中性温度差距最小的是惠民工程住宅，砖瓦住宅次之，差距最大的土坯住宅。惠民工程住宅的实测与预测温度均高于其余两种住宅，且差距最小。惠民工程住宅室内人员热感觉更好，室内热舒适度最高。
我国《民用建筑室内热湿环境评价标准》[2]中规定将人群中90%感觉满意的热环境评价为I 级热舒适，即MTS=±0.5 时的中性温度范围。令MTS=±0.5，可以得到冬季内蒙古南部农牧区的土坯住宅、砖瓦住宅、惠民工程住宅90%可接受温度区间分别为13.64～16.87 ℃、10.36～19.45 ℃、14.21～21.35 ℃。
1)三种住宅的冬季垂直空气温差均为站姿大于坐姿状态，坐姿状态时土坯住宅室内人员热舒适感最好，其土坯材料的保温性能使室内不同梯度温度差距较小，虽然室内温度低于惠民工程住宅，但居民热舒适感较好。
2)蒙中地区土坯住宅、砖瓦住宅、惠民工程住宅的预测热中性温度和实测热中性温度温度差值分别为1.6 ℃、1.4 ℃和1 ℃。惠民工程住宅差距最小，说明其室内热环境优于砖瓦住宅和土坯住宅，室内人员热舒适度最高。
3)土坯住宅、砖瓦住宅、惠民工程住宅90%可接受温度区间分别为13.64～16.87 ℃、10.36～19.45 ℃、14.21～21.35 ℃。
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