基金项目:国家自然科学基金资助项目(51878536); 陕西省重点研发基金项目(2021SF-466)
第一作者:薛文静(1996—),女,硕士生,主要研究方向为健康建筑.E-mail:715049571@qq.com 通信作者:刘大龙(1976—),男,博士,副教授,主要研究方向为建筑热工与节能.E-mail:coffeevc@xauat.edu.cn
(School of Architecture, Xi'an Univ. of Arch. & Tech., Xi'an 710055, China)
thermal regulation behavior; tolerance temperature; physiological parameter; average thermal sensation
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2022.05.011
我国居住建筑节能至今经历了30%、50%、65%三个阶段,目前,越来越多的省市开始实施75%的节能标准.而保温与隔热技术受材料性能限制已遇到发展瓶颈,因此,节能技术若要继续显著提高,减少供能时间的策略将成为未来我国节能技术必然的发展方向.人行为的变化能够比节能设备和其他节能政策更快地被采用,获得减少能耗和碳排放的效果[1].因此,行为节能是典型的以减少供能时间为策略的节能技术体系.
在住宅中,若室内热环境引起人体不适,人们会通过换衣服、打开/关闭门窗、开启风扇等行为调节,以适应热环境[2],减少空调设备使用时长.当热环境变化到一定程度,完全依靠行为调节无法满足人体热感受要求时,需要通过开启空调设备调节室内热环境,空调设备开启时的室内温度即为容忍温度[3],是节能行为的临界状态,该状态决定着非空调状态下人体的热容忍性.热容忍性越强则使用空调时间越短,节能效果越显著.因此,容忍温度的确定是研究行为节能潜力的关键.
我国现行的室内空调制冷设置温度为26 ℃,其依据是健康人士在办公室环境中的热舒适评级[4],但并未考虑人体的热适应和热容忍特性.实际情况中,室内温度达到26 ℃,居住者可以通过行为调节来达到可接受状态.钱晓倩[5]为获得住户空调使用情况,进行大规模入户实测调研,结果显示,夏季住户的容忍温度为30~32 ℃,空调设置温度平均为26.7 ℃,发现考虑热容忍后的用能方式更接近实际用能.冉茂宇[6]实测住宅室温变化发现,室温低于28 ℃时,能通过自然通风实现热舒适,高于28 ℃时才启用空调.夏一哉等[7]通过对居民住宅进行现场测试和问卷调查,研究发现住宅空调的启动温度和设置温度不同,分别为29 ℃和26 ℃.因此,目前模拟住宅热环境时,容忍温度为29 ℃,空调设置温度为26 ℃[8].分析发现夏季容忍温度多处于28~32 ℃范围内.
何梅玲等[9]通过实验研究发现,在热湿环境下,使用风扇能有效提高受试者在高温环境下的舒适性,并节约空调能耗.HUANG L等[10]通过在线调查和气候室实验研究,发现电风扇产生的气流可以作为一种保持28~32 ℃舒适环境的有效冷却方法.Sefton JoEllen M[11]研究了薄雾风扇或冷却毛巾在潮湿环境中能否有效降低受试者的核心温度,通过实验研究表明,雾扇和冷却毛巾对降低核心温度均无效,甚至可能增加患热病的风险.因此,在夏季室内热环境中,尽管采取行为调节能够提高热舒适,但采用合理的调节方式同样至关重要.
杨丽红[12]通过入户调研测试,分析住户空调使用概率和能耗,通过计算得到夏季平均容忍温度为31 ℃,并指出了住户的能耗设备运行概率与气候及住户的耐受度有很大关系.朱光俊[13]采用DeST对上海某一住宅建筑进行模拟计算,研究发现,在敏感性上,容忍温度要强于空调控制温度.由此可以看出,容忍温度对空调和采暖能耗影响显著.
综上所述,热调节行为可以提高人体热容忍能力,且热容忍性与建筑能耗紧密相关.但上述研究并未在热调节方式、容忍温度、节能潜力之间建立闭环系统,更未构建其量化关系.本研究通过测量不同热环境下不同热调节行为的人体主观感受和生理参数,探讨不同行为方式与容忍温度之间逻辑量化关系,并研究不同热调节方式的节能潜力.
实验于人工气候室内进行,人工气候室温度分为28 ℃、30 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃五个工况,相对湿度在45%~65%的范围内.实验主要研究的行为模式为电风扇模式、扇扇子模式、湿毛巾擦拭模式.为进行对比分析,实验设计一个不采取行为调节的对照组,即静风静坐模式,共计四种模式.
本实验共招募身体状况良好的20名志愿者,其中男性 10 名,女性 10 名,基本信息如表1所示.将所有受试者分为4组,每5人一个小组.测试前要求受试者统一衣着(短袖、短裤和凉鞋,服装热阻约为0.3 clo),测试期间受试者保持静坐状态,允许进行阅读和交谈等轻微的体力活动,新陈代谢率(M)约为 1 met.
由于环境舱面积小于16 m2,测点布置在房间平面对角线交点[14].在距离地面垂直高度为1.1 m、0.6 m、0.1 m处分别布置温湿度仪、风速仪,测定人体坐姿时的头部、腹部、脚踝处的温度、湿度、风速.
在实验中,采用了客观评价和主观评价相结合的方法.测量人体对热环境响应的生理指标包括核心温度、心率和血压.其中,核心温度是关于体温调节系统的生理参数,心率和血压均属于心血管系统调节的生理指标,是人体对环境刺激进行调节的重要反映参数.问卷调查是受试者对室内热环境的主观评价,评价内容包括实验过程中受试者的整体热感觉和整体环境满意度.其中,热感觉投票采用9级标尺[15],各级标度含义见图1; 满意度采用5级标尺[16],各级标度含义见图2.
实验开始前,实验操作人员提前将气候室内的环境参数调至实验所需工况,受试者提前更换实验服装.随后进入环境适宜的准备间,由实验操作人员向受试者讲解实验流程、问卷填写方法和注意事项,并指导受试者填写个人基本信息(包括受试者的年龄、身高、体重等).在此期间,受试者需保持静坐状态,使生理参数趋于稳定,以消除之前所处环境和活动状态对实验结果的影响,整个准备过程需40 min.
准备阶段完成后,受试者进入气候室,开始正式实验.每种行为模式持续40 min,受试者每10 min填写一次调查问卷并测量记录生理参数和环境参数.实验过程中,允许受试者阅读和交谈,但不能走动或讨论实验相关内容,受试者若有不适,可主动要求停止实验.
文献[17]表明,当环境温度变化小于10 ℃时,受试者的热感觉会在40 min内稳定,因此选取每 40 min 实验阶段的最后一组投票为稳态投票,考虑每个工况下不同行为模式对生理参数的影响,组内对比采用单因素方差分析.可接受水平p值均取0.05.
受试者在不同工况下各模式的稳态平均体温如图3所示.统计分析表明,整体上,受试者的稳态平均体温随空气温度升高而升高,但在测试温度区间内,整体变化幅度不大.这是由于人体具有完备的体温调节机制,可以有效控制人体散热和产热,保持机体处于动态热平衡状态,因此,除了在极端情况下,机体的热平衡一般不易受到破坏,体温一般不会有大幅度的改变.对各工况下的行为模式对体温的影响进行单因素方差分析,结果表明:室内空气温度为30 ℃和32 ℃的工况下,各行为调节模式之间无显著差异(P>0.05).
图3 不同工况下各模式的稳态平均体温
Fig.3 The steady-state mean body temperature of each mode under different working conditions
受试者在不同工况下各模式的稳态平均心率如图4所示.整体上,受试者的心率值随空气温度升高并无显著性的变化(P>0.05).对各工况下的模式对心率的影响进行单因素方差分析,结果表明:在空气温度为28 ℃、30 ℃下,各模式之间无显著差异(P>0.05).湿毛巾模式下由于水分蒸发,导致室内相对湿度比其他模式更高.有研究表明,增加室内温度和相对湿度会导致受试者心率升高,感到更热更不舒适[18].因此,湿毛巾模式下受试者平均心率最大,且心率随温度升高增加幅度最大.
图4 不同工况下各模式的稳态平均心率
Fig.4 Steady-state mean heart rate of each mode under different working conditions
受试者在不同工况下各模式的稳态平均收缩压、舒张压如图5所示.整体上,受试者的舒张压值和收缩压值随空气温度无显著性变化(P>0.05).同时,对各工况下的模式对高压的影响进行单因素方差分析,结果表明:在不同空气温度下,各模式之间无显著差异(P>0.05).以上表明,温度和风速的改变没有影响到血管壁的侧压力.
受试者在不同工况下各模式的稳态平均整体热感觉投票见图6.结果表明,受试者的热感觉投票值随空气温度升高而显著升高.通过各工况下的组内单因素方差分析,得出在各工况下的行为模式对热感觉的影响无显著性差异.在各工况下,从静风模式到电风扇模式,热感觉投票值依次降低.湿毛巾模式虽然在环境温度偏高时能够明显降低人体热感觉,但随着温度升高,湿毛巾模式影响人体的蒸发散热,对人体的热调节作用越来越弱,并且在32 ℃以上时,湿毛巾模式的热感觉投票高于静风模式,使人体热感受增加.扇扇子模式下,随着温度升高,对人体热感觉的调节作用更强,体现了人们在适应热环境时,能够自主进行行为性的调节的特点.电风扇模式下,随着风扇档位的提高,空气流速增大,能够显著增加对流散热,降低人体蓄热量,达到降温效果,且随着风速增大,降温效果更明显.
图6 不同工况下各模式的稳态平均整体热感觉投票值
Fig.6 The steady-state average overall thermal sensation voting value of each mode under different working conditions
使用线性回归分析方法计算,将各调节方式的平均热感觉投票值进行线性回归分析,得到了各调节方式下的线性回归预测模型,当TSV=1时,对应的温度是可接受温度上限,即为该行为调节方式下的容忍温度(见表2).
表2 不同工况下各模式的回归模型和容忍温度
Tab.2 Regression model and tolerance temperature of each mode under different working conditions
图7 各工况下的稳态平均满意度投票
Fig.7 The voting mean of steady-state satisfaction of each mode under different working conditions
通过图7可以看出,整体上,受试者的满意度投票值随空气温度的升高而降低.在各工况下,静风模式,除了28 ℃时满意度能达到基本满意,其余各工况下都无法达到基本满意.在34 ℃和36 ℃工况下,所有行为模式都无法使受试者达到基本满意.
在28 ℃时,基本上所有的行为模式和静风模式,人体满意度投票都能达到基本满意.在30 ℃时,电风扇模式和扇扇子模式能够使人体满意度投票都能达到基本满意.在34 ℃时,在此工况下,仅电风扇模式下的满意度投票值达到了2(基本满意).在36 ℃时,各模式之间不存在显著性的差异(P>0.05),但在此工况下,湿毛巾模式的满意度投票值远低于其他行为模式.
为研究热调节行为所产生的节能效益,以居住建筑为例,利用建筑能耗模拟软件 EnergyPlus 对典型生活模式下不同行为方式下空调使用时间、空调能耗等进行能耗模拟分析.为充分反映热调节行为对空调能耗的影响程度,以行为调节更为有效的夏季降温方式为研究对象.选取夏热冬暖地区广州市夏至日进行空调能耗分析.模拟建筑为5层居住建筑,正南朝向,建筑面积为1 575 m2,围护结构构造方式见表3[19].
当室内温度达到行为调节方式容忍温度时开启空调,反之则关闭空调,空调设置温度为26 ℃.室内外温度变化及各行为方式下空调开启时段如图8所示.此处行为调节方式是一种对热环境的应激状态,表明在相应的热环境下能够通过其相应的行为调节方式实现人体热适应.
图8 室内外空气温度变化及空调启停时段
Fig.8 Change of indoor and outdoor air temperature and start and stop time of air conditioning
为分析容忍温度对空调能耗的影响,影响程度使用节能量表示,计算方法如式(1)所示.
i=1-Ea/Es (1)
式中,i为节能率,%; Ea为采取行为调节工况的空调能耗,kW·h; Es为未采取行为调节工况的空调能耗,kW·h.
静风静坐工况下,全天的室内温度均大于该工况下的容忍温度,因此需要全天开空调.将静风静坐作为对照工况,分析其他调节方式工况下容忍温度与节能率之间的关系,计算得到的空调节约时长、空调节能率与夏季容忍温度关系如图9所示.
将容忍温度与空调节约时长、节能率进行拟合,拟合优度均为0.99.分析结果表明,夏季容忍温度越高,空调的使用频率越低,使用时长越短,空调能耗降低,节能率增大.与静风静坐工况相比,电风扇高档的容忍温度最高,能够大幅缩短开空调的时间,节能率最大; 其次是吹风扇中档; 而湿毛巾擦拭和吹风扇低档对人体的容忍温度影响最小,空调节能效果较差.
在人工气候室,通过实验测试了28 ℃、30 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃五个工况,静风静坐、电风扇、扇扇子、湿毛巾擦拭四种热调节行为方式下人体的生理和心理参数,提出了四种热调节行为的容忍温度.通过动态能耗模拟计算了四种热调节行为的节能潜力,得到如下结论:
(1)随着室温的增高,人体的体温随空气温度升高而升高,但升高幅度不大.心率和血压值个体差异较大,随空气温度升高无显著性变化;
(2)人体可以通过热调节行为适应热环境的的动态变化.热应力越大,自主调节能力越强;
(3)热调节行为的容忍温度依次为:电风扇高档(31.13 ℃)>电风扇中档(30.93 ℃)>扇扇子(30.34 ℃)>湿毛巾擦拭(29.86 ℃)>电风扇低档(29.84 ℃)>静风静坐(29.16 ℃).
(4)夏季,热调节方式的容忍温度越高,空调使用时长越短,节能率越大.各调节行为的节能率分别为:电风扇高档(57.17%)>电风扇中档(44.98%)>扇扇子(14.11%)>湿毛巾擦拭(5.08%)>电风扇低档(4.59%)>静风静坐(0%).
本研究为行为节能奠定了热舒适基础,分析了行为节能的节能潜力,丰富了建筑节能的方法体系.