蒙中地區農牧民住宅冬季熱舒適調查

李偉 白葉飛 許國強 唐汝寧 康曉龍

1 內蒙古工業大學土木工程學院

2 內蒙古工業大學建筑學院

嚴寒C 類蒙中地區受經濟不發達和地區的約束，居住建筑多為居民根據自身經驗早期搭建，圍護結構較落后，建筑無內外保溫。冬季供熱采用分散式供暖模式，多為火爐、火炕和土暖氣供暖。農牧區所處地理位置受室外溫度影響較大，長期以來農牧民的熱舒適感較差。隨著我國鄉村振興戰略及脫貧攻堅行動支撐，了解農牧區居民的居住現狀，提高農牧區居民的室內熱舒適水平很有必要。

本文選取該地區冬季不同住宅進行跟蹤測試，研究建筑室內外熱環境對人體熱舒適的影響，采用PMV(Predicted Mean Vote) 和 MTS (Mean Thermal Sensation)以及熱中性溫度范圍等指標，分析冬季不同住宅內人體熱舒適。

1 研究方案

1.1 調研背景

調研地點選取內蒙古中部涼城縣某典型農牧區，其地理坐標為東經112°02′～113°02′，北緯40°10′～40°50′之間，地處陰山南麓和黃土高原東北邊緣，有“七山一水二分灘”之稱[1]，為晉蒙冀交界的重要部分。

本次調研選取不同建筑材料的住宅進行熱環境參數測試和人員主觀問卷調查。圖1 為調研的三種不同建筑材料的住宅結構，分別為土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅。

圖1 不同住宅建筑現狀

1.2 實驗儀器及方法

本次實驗過程中對房間內部測點的選取根據《民用建筑室內熱濕環境評價標準》[2]布置，距離門窗和壁面0.6 m 以上的距離，室外測點為背風陰涼處，距離地面1.5 m 高度。分別利用testo 溫度自記儀、JT-IAQ 熱環境測試儀等進行測試。表1 為實驗測試項目及相關儀器參數。

表1 實驗儀器及參數

垂直測點布置時，坐姿測量高度距地面0.1 m（表征人體腳踝處）和1.1 m（表征額頭處）。站姿測量高度距地面0.1 m（腳踝處）、1.1 m（腰處）和1.7m（額頭處）。水平測點布置時，當房間面積S＜16 m2時選擇房間的中心位置布置一個測點。當房間或區域面積為16 m2＜S＜30 m2時，選擇房間對角線上兩個等分點分別布置兩個測點。

1.3 熱舒適評價指標

多位學者結合國外規范及我國地理位置和氣候條件差異，根據不同氣候條件及實驗環境提出多種熱舒適評價指標，如熱感覺，操作溫度和熱中性溫度等。

熱感覺是人體主觀對外界的感受，該項研究多以調查問卷的形式進行，采用ASHRAE 7 級熱感覺標度進行[3-4]，分別為冷（-3）、涼（-2）、稍涼（-1）、適中（0）、暖（+1）、稍暖（+2）、熱（+3）。

操作溫度是基于平均輻射溫度和空氣溫度的合成溫度，涵蓋環境與人體的對流換熱輻射換熱兩種形式[5-6]。將操作溫度以0.5 ℃的間隔，分為若干個溫度區間，以每一操作溫度區間中心溫度為自變量，以受試者在每一溫度區間內填寫的熱感覺投票值的平均值MTS 為因變量，通過線性回歸分析得到變量MTS 和操作溫度t0之間的線性關系。擬合而得的線性相關度較高，說明MTS 可以很好的預測人體熱感覺。當MTS=0 時，所得溫度即為熱中性溫度。

2 調查結果與分析

2.1 室外溫度

冬季在農牧民住宅的調研時間選在2021 年1 月11 日～1 月15 日，調研期間室外天氣晴朗。室外空氣溫濕度分布如圖1 所示，為以24 h 為一個周期的波動。該地區農牧民冬季多采用火爐、火炕等分散供暖模式，滿足室內溫度需求。

圖2 冬季室外溫濕度

該地區主要氣候特點為氣溫年較差大，冬季寒冷漫長。調研期間室外空氣溫度主要集中在-16～-10 ℃，占比65%，室外空氣溫度較低；室外空氣相對濕度室外空氣相對濕度主要集中在45%～60%，占比64%，農牧區冬季室外空氣相對濕度適中。冬季受西北冷空氣寒風影響劇烈，晝夜溫差極大，所處地理位置使農牧區住宅氣溫低于周圍村鎮室外氣溫。

2.2 垂直空氣溫差

為計算室內環境達到熱穩定狀態后垂直方向上存在的空氣溫差，根據《室內人體熱舒適環境要求與評價方法》[3]中的垂直空氣溫差公式,在室內熱環境穩定后，計算同一條垂直線方向上，受試人體頭部到腳踝的位置處檢測點的溫度差值。

對土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅三種不同的當地住宅各自開展為期4 8h 的過渡季室內溫度測量。測量期間利用TESTO-147 溫濕度自記儀，將儀器擺放在調研房間同一垂直線上，水平方向按照0.1 m，1.1 m，1.7 m 的高度分別放置，三種住宅站姿與坐姿狀態下垂直空氣溫差如表2 所示。

表2 三種住宅不同狀態下垂直空氣溫差

由表2 所得，土坯住宅、磚瓦住宅和惠民工程住宅在冬季垂直空氣溫差均為站姿大于坐姿狀態，說明保持站姿狀態的人體熱舒適比坐姿狀態的熱舒適感覺差。坐姿狀態中垂直空氣溫差順序為：磚瓦住宅＞惠民工程住宅＞土坯住宅，即坐姿狀態時土坯住宅室內人員熱舒適感最好，其土坯材料的保溫性能使室內不同梯度溫度差距較小，雖然建造年代遠大于惠民工程住宅，但居民熱舒適感仍較好。

2.3 熱感覺投票值

對調研地點農牧區土坯住宅、磚瓦住宅和惠民工程住宅的熱感覺投票值進行統計，按照Fanger 七級熱指標“冷（-3）、涼（-2）、稍涼（-1）、適中（0）、稍暖（+1）、暖（+2）、熱（+3）”統計室內居民熱感覺，如圖3 住宅熱感覺投票值所示。

圖3 冬季三種住宅熱感覺投票值

由圖3 可知，冬季居民熱感覺投票更傾向“涼”到“適中”，“適中”投票值占主要比例，說明室內人員的當前熱感覺較滿意，但仍有一部分投票值趨于偏冷環境。同時，由于農牧區采暖方式有限，均為分散式供暖，室內環境溫度不如城鎮集中供暖溫度均衡，農牧區居民熱感覺投票值各不一致。在偏冷傾向下的投票值，即從“冷”到“稍涼”區間占比順序為：磚瓦住宅＞土坯住宅＞惠民工程住宅，磚瓦住宅人體熱感覺投票偏冷狀態占比最大，磚瓦住宅圍護結構與土坯住宅相比蓄熱能力差且無內外保溫，居民熱感覺偏冷占比最大。

3 結果與分析

對三種不同住宅的調研數據分析，實測平均熱感覺MTS 和預測平均熱感覺投票值PMV 分別與操作溫度t0進行線性回歸，擬合曲線變化趨勢如圖4 到圖6 所示，圖擬合結果如下表3 所示。

表3 冬季三種住宅PMV/MTS 與操作溫度關系

圖4 冬季土坯住宅室內操作溫度與PMV/MTS 關系

圖6 冬季惠民工程民居室內操作溫度與PMV/MTS 關系

圖5 冬季磚瓦住宅室內操作溫度與PMV/MTS 關系

從表3 可知，操作溫度每改變1 ℃，土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅的預測平均熱感覺PMV 分別改變0.36、0.13 和0.17 個標度，實測平均熱感覺MTS分別改變0.31、0.11 和0.14 個標度，MTS 標度改變小于PMV 標度，人體實測平均熱感覺更容易適應偏冷環境。

隨著操作溫度逐漸升高，實測平均熱感覺MTS與預測平均熱感覺PMV 差距逐漸減小。由于在冬季該地農牧區居民采用火爐、火炕等采暖方式進行室內供暖，溫度升高，實測與預測熱感覺越接近。長期生活在當地的居民，心理上更傾向于偏冷環境，對居住環境形成一定的適應能力。農牧區居民實測平均熱感覺MTS 始終高于預測平均熱感覺PMV。

冬季三種住宅MTS=0、PMV=0 時，土坯住宅內得到的實測熱中性溫度和預測熱中性溫度分別15.2 ℃和16.8 ℃，預測比實測高1.6 ℃。磚瓦住宅內得到的實測和預測分別為14.8 ℃和16.2 ℃，預測比實測高1.4 ℃?；菝窆こ套≌瑑鹊玫降膶崪y和預測分別為17.8 ℃和18.8 ℃，預測比實測高1 ℃。實測與預測熱中性溫度差距最小的是惠民工程住宅，磚瓦住宅次之，差距最大的土坯住宅?；菝窆こ套≌膶崪y與預測溫度均高于其余兩種住宅，且差距最小?；菝窆こ套≌覂热藛T熱感覺更好，室內熱舒適度最高。

我國《民用建筑室內熱濕環境評價標準》[2]中規定將人群中90%感覺滿意的熱環境評價為I 級熱舒適，即MTS=±0.5 時的中性溫度范圍。令MTS=±0.5，可以得到冬季內蒙古南部農牧區的土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅90%可接受溫度區間分別為13.64～16.87 ℃、10.36～19.45 ℃、14.21～21.35 ℃。

4 結論

1)三種住宅的冬季垂直空氣溫差均為站姿大于坐姿狀態，坐姿狀態時土坯住宅室內人員熱舒適感最好，其土坯材料的保溫性能使室內不同梯度溫度差距較小，雖然室內溫度低于惠民工程住宅，但居民熱舒適感較好。

2)蒙中地區土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅的預測熱中性溫度和實測熱中性溫度溫度差值分別為1.6 ℃、1.4 ℃和1 ℃?；菝窆こ套≌罹嘧钚?，說明其室內熱環境優于磚瓦住宅和土坯住宅，室內人員熱舒適度最高。

3)土坯住宅、磚瓦住宅、惠民工程住宅90%可接受溫度區間分別為13.64～16.87 ℃、10.36～19.45 ℃、14.21～21.35 ℃。