西安地區開放式辦公建筑夏季人體熱舒適調查研究*

趙勝凱 楊 柳 高斯如 翟永超

(西安建筑科技大學,西安)

0 引言

根據國際能源署對建筑行業能源使用與二氧化碳排放的統計,2018年建筑行業能耗占全球能耗的1/3以上,與能源相關的二氧化碳排放中約40%來自建筑運營過程[1]。眾所周知,空調系統是辦公建筑能耗的主要來源,導致了建筑運行階段二氧化碳的大量排放。當前中國辦公建筑空調系統耗電量約占總耗電量的50%[2]。在實現我國“雙碳目標”的背景下,既能降低建筑能耗又能提供舒適健康的室內熱環境是我們需要解決的問題,那么為夏季辦公建筑制定合理的室內熱環境設計參數顯得尤為重要。

目前,我國GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[3]中對夏季辦公空調建筑規定的舒適區間分為2個等級:Ⅰ級為24≤ta≤26 ℃,40%≤φ≤60%(其中ta、φ分別為空氣溫度和相對濕度);Ⅱ級為26

目前已有不少學者對辦公建筑的室內熱環境和人體熱舒適進行了調研。大多數的研究發現夏季辦公建筑室內存在過冷的現象,但過冷的室內熱環境并不一定會給辦公人群帶來較高的滿意度,這種做法不僅是一種能源浪費的表現,而且產生的不適感也會影響人員的生產力和健康[6-7]。de Dear等人發現新加坡辦公樓的室內熱環境普遍符合熱舒適標準[8]。Rupp等人對巴西夏季辦公樓的調研結果顯示室內舒適溫度的范圍比ASHRAE 55-2020[4]建議的范圍更寬[9]。中國香港夏季辦公樓的中性溫度為23.5 ℃[10],而中國臺灣中性溫度比香港高2 ℃[11]。徐誠等人對長沙地區集中空調辦公建筑調研發現,夏季人們更偏好涼爽的室內熱環境,且有70%的受訪者會使用個性化風扇來提高自身熱舒適[12]。Liu等人在夏熱冬冷地區辦公建筑中研究發現,夏季不同的室內設定溫度對建筑能耗影響較大[13]。石嘉怡等人對寒冷氣候區辦公建筑進行的熱舒適調查研究發現,辦公建筑人群比同地區居住建筑人群有更強的室外氣候適應能力[14]。Jia等人以天津市混合運行辦公建筑為研究對象,進行了為期1年的實地調研,發現熱適應模型對于混合運行建筑室內熱環境有較好的適用性[15]。

由上述可知,目前對西安夏季空調辦公建筑的熱舒適研究較少。此外,不同氣候區夏季辦公空調建筑的中性溫度差異并不像自由運行建筑那么顯著,對于西安地區夏季辦公建筑人體熱舒適需求是否與其他氣候區存在差異性,并沒有明確的答案。因此,筆者以西安地區6棟典型開放式辦公建筑為研究對象,通過物理環境參數測試和主觀問卷調查相結合的方式進行了現場調研,分析了實際辦公建筑中人員的熱舒適需求,并將調研結果與現有標準及其他氣候區已有研究進行對比。以期為西安地區辦公建筑夏季空調系統的設計和運行提供理論參考與依據。

1 研究方法

1.1 調研對象概況

西安地區屬于我國熱工分區中的寒冷氣候區,暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,四季分明,雨量適中。選取西安地區6棟典型開放式辦公建筑作為調研對象,調研時間為2019年6—8月,調研辦公區域的面積主要分布在500～1 000 m2之間,調研的所有辦公樓均采用集中空調系統。調研期間室外空氣溫度在19.8～41.7 ℃之間,平均空氣溫度為28.9 ℃;相對濕度主要分布在17.2%～100%之間,平均相對濕度為66.0%。

1.2 受訪者基本信息

受訪者詳細背景信息見表1。本次調研共收回1 200份有效問卷。性別比例方面,男性共640份,女性共560份;年齡構成方面,受訪人員的年齡集中在24～40歲,平均年齡為28歲,平均體質量為64.6 kg。

表1 受訪者基本信息

1.3 室內熱環境測試

室內熱環境測試參數包括室內空氣溫度、相對濕度、黑球溫度、空氣流速、CO2濃度和不對稱輻射溫度等。其中,空氣溫度、相對濕度、黑球溫度和空氣流速的測試高度分別為0.1、0.6、1.1 m;CO2濃度的測試高度為1.1 m;平均輻射溫度通過自制的2個半黑球測試,測試高度為0.6 m。為了保證測試環境參數的可靠性,每個位置的測量時間均不短于10 min。測試儀器放在受訪者附近0.5 m位置進行測試。表2顯示了熱環境測試儀器的型號、測試范圍及精度。所有測量儀器的精度和響應時間均符合國際標準ISO 7726:1998[18]的規定和測試要求。

表2 熱環境測試儀器型號、測試范圍及精度

1.4 主觀問卷

本次調研采用紙質問卷。調研問卷主要包含兩部分內容:1) 受訪者基本信息,包括身高、體質量、年齡、性別、著裝和過去15 min內的活動狀態;2) 主觀評價,包括熱感覺投票(TSV)、熱可接受度投票(TAV)、溫度偏好投票(TPV)和氣流偏好投票等,各標尺的評價量表見表3。室內熱環境參數測試和主觀評價同時同地進行。

表3 主觀評價標尺

1.5 數據處理

本研究中涉及到了操作溫度、不對稱輻射溫度、豎直溫差、平均輻射溫度等評價指標。操作溫度top的計算公式為:top=0.5(ta+tr),其中tr為平均輻射溫度。平均輻射溫度tr的計算公式為:tr=[(tg+273)4+2.5×108v0.6(tg-ta)]1/4-273,其中tg為黑球溫度,v為空氣流速。豎直溫差為頭部與腳踝溫度之差。服裝熱阻值和代謝率值的計算參照ASHRAE 55-2020[4]和ISO 7730:2005[19]標準進行取值,在計算服裝熱阻時加上標準辦公座椅0.1 clo。熱適應模型中室外溫度的計算參考ASHRAE 55-2020[4]標準中室外7天平滑周溫度,計算公式為

tout=(1-α)[te(d-1)+αte(d-2)+…+α7te(d-8)]

(1)

式中tout為計算日的平滑周溫度,℃;te(d-1)、te(d-2)、te(d-8)分別為計算日前1天、前2天、前8天的室外日平均溫度,℃;α為系數,反映過去溫度衰減的影響率,取值為0.8。

2 結果分析

2.1 室內熱環境參數

測試期間各項室內熱環境參數分布如圖1所示。夏季空調辦公建筑室內空氣溫度集中在22.8～28.8 ℃,平均空氣溫度為25.8 ℃;相對濕度集中在40%～80%,平均相對濕度為60.7%;與GB 50736—2012[3]的夏季空調舒適范圍(24≤ta≤28 ℃,40%≤φ≤70%)對比發現,分別有90%的室內空氣溫度和86%的相對濕度落在了標準范圍內。由于夏季辦公樓外窗和外墻受到太陽輻射和室外高溫的影響,室內不對稱輻射溫度集中在0～4 ℃,說明夏季辦公建筑輻射對室內熱環境的影響較為明顯;從豎直溫差結果來看,室內空氣溫度并沒有明顯的分層現象。室內空氣流速大部分小于0.2 m/s,CO2平均體積分數為880×10-6,低于GB/T 18883—2022《室內空氣質量標準》中的限值1 000×10-6[20],滿足室內通風要求。

圖1 室內熱環境參數分布

2.2 主觀問卷結果與分析

2.2.1熱感覺投票分析

受訪者的熱感覺投票分布如圖2所示。從圖2可以看出:受訪者熱感覺投票主要集中在[-1,1]之間,其中有42%受訪者的熱感覺投票為中性,說明大部分受訪者在當前辦公建筑室內熱環境下處于熱中性狀態,夏季受訪者偏涼的熱感覺比偏暖的比例稍高;另外,分別有5%和13%的受訪者熱感覺投票在冷側端和熱側端。將實測的空氣溫度、相對濕度、平均輻射溫度、空氣流速及受訪者的服裝熱阻和代謝率代入Fanger的PMV方程中計算得到PMV。圖3顯示了受訪者的熱感覺投票、PMV與操作溫度的線性擬合關系式。采用Bin法,將操作溫度按0.5 ℃進行分組,平均值作為每組的變量。隨著操作溫度的升高,熱感覺平均值明顯升高。令TSV、PMV等于0,求得夏季辦公人員的實測和預測中性溫度分別為25.4 ℃和25.3 ℃。對2條擬合線進行協方差分析,結果顯示直線的斜率和截距均不存在顯著性差異。

圖2 熱感覺投票總體分布

圖3 TSV、PMV與操作溫度的關系

2.2.2熱可接受度投票分析

圖4顯示了辦公建筑中受訪者的熱可接受度投票分布情況。由圖4可以看出:90%的受訪者認為當前的室內熱環境可接受。本研究的主要目的之一是確定舒適溫度范圍,ASHRAE 55-2012[4]標準中將受訪者80%可接受的溫度區間定義為舒適溫度范圍。因此同樣采用Bin法,將每0.5 ℃操作溫度區間受訪者熱不可接受度投票與此溫度下全部投票的百分比視為不可接受百分比,然后將操作溫度與不可接受百分比進行二次多項式擬合得到可接受溫度范圍,見圖5。求得該地區夏季空調辦公建筑80%人員可接受溫度上限為28.2 ℃,與預計不滿意者的百分數PPD預測結果相比,本研究得到的舒適范圍更寬,夏季可接受溫度上限更高。

圖4 熱可接受度投票分布

圖5 可接受溫度范圍

2.2.3偏好投票分析

圖6顯示了受訪者的溫度偏好和氣流偏好投票結果百分比。從溫度偏好的投票結果來看,分別有29%和15%的受訪者希望室內“涼一些”和“暖一些”。從氣流偏好的投票結果來看,分別有13%和36%的受訪者希望氣流“小一些”和“大一些”。說明夏季空調辦公建筑中人群偏好涼、氣流偏大的室內熱環境。為了確定辦公人群的偏好溫度,以0.5 ℃為1個操作溫度區間,使用Probit回歸分別得到辦公人群在不同操作溫度區間下希望“暖一些”和“涼一些”的回歸曲線,如圖7所示。其中,2條概率回歸曲線的交點可認為是受訪者的偏好溫度,為25.2 ℃,比受訪者中性溫度低0.2 ℃,再次證實了夏季辦公人群偏好中性偏涼的室內熱環境。此時仍各有約10%的受訪者希望室內溫度“暖一些”和“涼一些”。

圖6 溫度偏好和氣流偏好投票百分比

圖7 夏季辦公人群的偏好溫度

2.3 服裝熱阻和行為調節

圖8a顯示了夏季辦公人員的服裝熱阻分布?？梢钥闯?主要分布在0.4～0.8 clo之間,平均值為0.58 clo,比ASHRAE 55-2020[4]標準規定的夏季服裝熱阻(0.5 clo)稍高一些。圖8b顯示了測試期間受訪者的服裝熱阻隨室內操作溫度變化的線性回歸關系?？梢钥闯?夏季服裝熱阻與室內操作溫度呈負相關變化。由于夏季集中空調辦公建筑中人員的服裝有所要求,受訪者服裝熱阻隨溫度變化的行為調節機會相對較少,所以服裝熱阻值隨室內操作溫度下降趨勢較為平緩。

圖8 服裝熱阻分布及服裝熱阻隨操作溫度的變化

3 討論

3.1 室內熱環境評價模型的適用性

圖9顯示了PMV模型和熱適應模型的適應性對比。與ASHRAE 55-2020標準中PMV-PPD模型對比發現,僅有24%的點落在了舒適范圍內,說明PMV-PPD模型并不適用于評價西安地區夏季辦公建筑室內熱環境;有超過90%的點落在了GB/T 50785—2012標準的舒適區范圍內,說明目前該地區夏季室內熱環境的設定符合GB/T 50785—2012標準的要求。從圖9b熱適應模型結果來看,分別有99%和83%的室內溫濕度落在了ASHRAE 55-2020和GB/T 50785—2012標準中熱適應模型的舒適范圍內,這與圖4的熱可接受度投票結果非常吻合,其中有90%的受訪者對室內熱環境表示可接受。結果表明,熱適應模型比PMV模型更適用于評價夏季空調辦公建筑的室內熱環境。此外,也證實了室內環境控制在較窄的溫度范圍內并不代表受訪者對熱環境的高滿意度[21]。

圖9 PMV模型和熱適應模型的適應性對比

3.2 與其他氣候區現場研究對比

前文已經提及,本研究得到的中性溫度為25.4 ℃,可接受溫度上限為28.2 ℃。將本研究結果與ISO 7730:2005[19]和GB 50736—2012[3]標準中的舒適溫度進行比較。ISO 7730:2005標準中-0.7

表4顯示了本研究所得到的結果與我國其他氣候區現場研究結果的對比?？梢园l現,夏季辦公建筑不同氣候區的中性溫度和可接受溫度上限也存在差異。本文得到的中性溫度與可接受溫度上限均顯著低于廣州地區(濕熱氣候),西安地區屬于干熱氣候區,證明了不同氣候會影響人的適應能力。與文獻[12]在長沙地區得到的中性溫度一致,但低于文獻[24]在長沙的分體空調得到的中性溫度,由此可見,夏季不同的供冷方式也會影響人的熱舒適需求。夏季不同氣候區辦公建筑中人員的服裝熱阻值無顯著差異性。

表4 本研究與其他研究結果對比

3.3 性別差異分析

已有研究發現,辦公建筑中不同性別對于室內溫度的需求不同,因此有必要探究西安地區夏季辦公建筑中熱舒適方面的性別差異。通過對投票結果進行分析,得到辦公建筑熱舒適的性別差異,見表5。研究發現:男性平均熱感覺投票高于女性,平均熱可接受度投票TAV低于女性,說明相同溫度下男性比女性感覺偏熱,女性對較高溫度的室內環境的接受度較高;夏季男性和女性的平均服裝熱阻無差異,均為夏季辦公建筑的標準服裝熱阻;男性中性溫度和偏好溫度均低于女性,再次證實了夏季男性比女性更偏好偏涼的室內熱環境,這與以往辦公建筑研究結果一致[25]。Yang等人的實驗研究發現,靜坐狀態下男性代謝率高于女性[26],可以解釋本研究中發現的男性偏好偏涼熱環境這一現象。從研究結果來看,男性與女性的熱舒適差異并不顯著。

表5 辦公建筑熱舒適的性別差異

4 結論

1) 西安地區夏季辦公樓室內平均空氣溫度為25.8 ℃,平均相對濕度為60%,分別有94%的空氣溫度和86%的相對濕度落在GB 50736—2012標準的舒適區范圍內。

2) 通過對受訪者的主觀問卷進行分析,發現90%的受訪者的熱感覺投票集中在[-1,1]之間,90%的受訪者對室內熱環境表示可接受,但仍有部分受訪者希望室內溫度“涼一些”和氣流“大一些”。

3) 西安地區辦公建筑人群夏季的中性溫度為25.4 ℃,偏好溫度為25.2 ℃,80%可接受溫度的上限為28.2 ℃。參照GB 50736—2012標準規定的室內設計參數,可以將上限提高至28.2 ℃。

4) 與ASHRAE 55-2020標準中的PMV模型相比,熱適應模型更適用于西安地區夏季辦公建筑的室內熱環境評價。