郭 飛， 張 鶴 子

( 大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

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老年人與非老年人自然通風(fēng)住宅熱適應(yīng)模型對比研究

郭 飛*， 張 鶴 子

( 大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

ASHRAE、EN15251標(biāo)準(zhǔn)推薦熱適應(yīng)模型作為自然通風(fēng)建筑熱環(huán)境評價與設(shè)計的依據(jù)，但并沒有考慮老年人生理機(jī)能下降可能引起的差異．對寒冷地區(qū)大連119名老年人和106名非老年人自然通風(fēng)住宅熱適應(yīng)模型進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明：自然通風(fēng)條件下老年人更喜歡偏冷的熱環(huán)境，老年人的熱中性溫度為21.33 ℃，低于非老年人的22.99 ℃；80%的老年人可接受的操作溫度范圍為16.07～22.78 ℃，低于80%非老年人的18.91～24.59 ℃；這個結(jié)果可能與老年人衣著量更大有關(guān)．老年人與非老年人春秋季首選的熱適應(yīng)措施均是增減衣物，夏季則是開窗通風(fēng)；但是老年人更傾向不使用空調(diào)和采暖設(shè)備，并且對室內(nèi)熱環(huán)境和自然通風(fēng)的滿意率更低．老年人作為需要特殊關(guān)注的弱勢群體，應(yīng)用熱適應(yīng)模型進(jìn)行老年人居住熱環(huán)境設(shè)計時應(yīng)充分考慮其生理特點；增加熱環(huán)境的可調(diào)節(jié)性、加強自然通風(fēng)對提升熱環(huán)境滿意度有較大的潛力．

老年人；熱適應(yīng)模型；自然通風(fēng)住宅；大連

0 引 言

Fanger于1968年提出的PMV熱舒適模型將影響人體熱舒適的眾多參數(shù)進(jìn)行明確定量的描述，在建筑熱環(huán)境評價和設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛使用，并為國際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(ISO 7730標(biāo)準(zhǔn))和美國采暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(ASHRAE Standard 55標(biāo)準(zhǔn))所采納[1-4]．然而PMV熱舒適模型是在人工氣候室得出的，描述的是人體處于穩(wěn)定的環(huán)境參數(shù)下、空調(diào)房間內(nèi)的熱舒適狀態(tài)．實際上人常處在不穩(wěn)定的熱環(huán)境當(dāng)中，如自然通風(fēng)的房間、室外環(huán)境等，熱環(huán)境參數(shù)處在不斷的動態(tài)變化中．國內(nèi)外許多非空調(diào)環(huán)境、自然通風(fēng)建筑的調(diào)研結(jié)果均證實了PMV在動態(tài)熱環(huán)境中應(yīng)用具有較大的局限性[5-9]．

Nicol等[10]、de Dear等[11]提出的熱適應(yīng)模型更加準(zhǔn)確科學(xué)地描述了自然通風(fēng)建筑內(nèi)的人體熱舒適指標(biāo)．熱適應(yīng)模型包括物理層面(環(huán)境參數(shù))、生理層面(人體參數(shù))、心理層面(人的期望、適應(yīng))3個層面的因素，認(rèn)為居住者會積極主動地創(chuàng)造其偏愛的熱環(huán)境，當(dāng)熱環(huán)境偏離最佳熱舒適度時，人們會傾向于采取措施(增減衣物、改變活動狀態(tài)等)來恢復(fù)舒適狀態(tài)．熱適應(yīng)模型提供的舒適溫度和可接受溫度范圍較穩(wěn)態(tài)模型寬，不僅可以大大減少空調(diào)的使用時間和范圍以節(jié)約能源，還可以保持適當(dāng)自然刺激，對人的健康有利，因此ASHRAE、EN15251標(biāo)準(zhǔn)已將其采納推薦用于設(shè)計過程．

不少研究指出，老年人在面對同樣的熱環(huán)境或者溫度變化刺激時，與非老年人在生理反應(yīng)、熱滿意度等很多方面都有所不同：例如Ohnaka等的研究發(fā)現(xiàn)，在暴露于寒冷之后老年人的熱期望溫度明顯高于年輕人[12]；Schellen等發(fā)現(xiàn)老年人在穩(wěn)定熱環(huán)境下更喜歡高一些的溫度[13]；Taylor等則發(fā)現(xiàn)老年人需要更強的熱刺激才能引起同樣的行為反饋[14]；Hashiguchi等的研究表明，老年人在15 ℃低溫時出現(xiàn)了血壓升高的現(xiàn)象[15]．雖然這些研究著重探討的是老年人在不同熱環(huán)境下的生理機(jī)能反應(yīng)，但也說明由于新陳代謝能力的下降，老年人熱適應(yīng)模型應(yīng)當(dāng)是不同的．

還有一些研究結(jié)果表明通風(fēng)建筑中老年人與青年人的熱中性溫度和熱期望溫度并不一致：例如Natsume等在老年人和青年人的對比研究中發(fā)現(xiàn)，老年人對熱的敏感度降低，其熱期望溫度的波動幅度比青年人明顯更大[16]；Hwang等對臺灣60歲以上老年人調(diào)研的結(jié)果表明，對于80%的老年人，可接受的夏季操作溫度范圍(23.2～27.1 ℃)比青年人的溫度范圍(23.0～28.6 ℃)偏低[17-18]．

截至2014年底，中國60歲以上的老年人超過2.12億人，占總?cè)丝诘?5.5%，是世界上唯一一個老年人數(shù)過億的國家[19]．目前社會對老年人居住問題越來越重視，各類養(yǎng)老設(shè)施在不斷增加，但是老年人居住空間在質(zhì)量和數(shù)量上，與飛速發(fā)展的商品住房相比都顯得十分薄弱．van Hoof等指出，大部分的老年人都希望有一個居家型養(yǎng)老場所，適宜、舒適的住宅是適應(yīng)這種需求的最佳居所；然而經(jīng)過40年應(yīng)用，熱舒適模型應(yīng)當(dāng)能夠擴(kuò)展以考慮老年人等特殊人群的需求[20-21]．因此老年人的居住空間的熱舒適指標(biāo)需要特殊的關(guān)注，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)精心設(shè)計．

本文以寒冷地區(qū)大連為例，研究了自然通風(fēng)建筑中老年人與非老年人熱適應(yīng)模型的異同，可為老年人居住熱環(huán)境的設(shè)計提供重要依據(jù)．

1 研究方法

本研究采用的是主觀問卷調(diào)查、現(xiàn)場熱環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)查同時進(jìn)行，通過大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)回歸分析大多數(shù)人熱感覺滿意率的研究方法．研究自2012年1月至2014年5月共歷時2年4個月．為了具有廣泛的代表性，調(diào)查樣本覆蓋了大連市7個不同行政區(qū)，包括21個居住區(qū)、3個養(yǎng)老院和10個農(nóng)宅3種不同住宅類型．這些樣本盡量覆蓋各種類型的外環(huán)境、樓層、戶型、居室朝向等影響居住熱舒適的因素．樣本也對調(diào)查對象經(jīng)濟(jì)收入情況有所考慮，包括單身小公寓、經(jīng)濟(jì)適用房、中高檔住宅、農(nóng)宅、高級養(yǎng)老院和經(jīng)濟(jì)型養(yǎng)老院多種不同類型(圖1)．

養(yǎng)老院套內(nèi)面積:33m2單身公寓套內(nèi)面積:54m2經(jīng)濟(jì)適用房套內(nèi)面積:56m2高檔住宅套內(nèi)面積:140m2圖1 典型調(diào)研住宅樣本戶型圖Fig.1 Typicalexamplesofapartmentlayout

大連實行集中供暖的時間是每年11月5日至次年4月5日，因此本文現(xiàn)場調(diào)研的時間自當(dāng)年的4月6日起至11月4日．由于大連夏天氣候溫和，調(diào)研結(jié)果表明大連地區(qū)擁有空調(diào)的住宅數(shù)量比例是8.9%，且夏季啟用空調(diào)的時間大多數(shù)不超過40 h，可以認(rèn)為絕大多數(shù)的住宅樣本在此期間處于自然通風(fēng)、自由運行的狀態(tài)，調(diào)研對象收入情況對熱環(huán)境情況影響并不顯著．

調(diào)研對象共225人，本地的居住時間平均為24.6 a，已經(jīng)完全適應(yīng)了本地的氣候條件，他們的熱經(jīng)驗和熱期望基本相同(表1)．為了避免心理情況或其他不確定因素的影響，在進(jìn)行調(diào)查之前，同被調(diào)查對象做了溝通，排除了心理不穩(wěn)定的樣本．

表1 調(diào)研對象基本情況統(tǒng)計

按照世界衛(wèi)生組織的年齡劃分標(biāo)準(zhǔn)，44歲以下為青年人；45～59歲為中年人；60歲以上為老年人[22]．本研究據(jù)此將受試者按年齡分成老年和非老年兩組．老年組有119人，所有調(diào)研對象身體健康狀況良好，具有生活自理能力，能夠與調(diào)查人員正常交流；最高年齡101歲，平均年齡74.2歲．非老年組106人，最低年齡22歲，平均年齡36.6歲．

調(diào)研問卷共發(fā)出1 529份，收回有效問卷1 273 份．主觀問卷調(diào)查和熱環(huán)境測試同時進(jìn)行．為確保調(diào)研結(jié)果的準(zhǔn)確性，由調(diào)查人員協(xié)助受試者在靜坐20 min以后開始填寫對當(dāng)時熱環(huán)境的主觀問卷．主觀問卷內(nèi)容參照的是ASHRAE Standard 55推薦的熱環(huán)境滿意度問卷，內(nèi)容包括受試者基本情況，如性別、年齡、身高、體重、本地居住時間、衣著和活動狀態(tài)；適應(yīng)室內(nèi)熱環(huán)境的措施，如開窗、電風(fēng)扇使用狀況、空調(diào)擁有情況和啟閉時間等；濕度感覺和滿意度，如干燥、潮濕、尚可；室內(nèi)熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境滿意度等，熱感覺投票值(TSV)根據(jù)ASHRAE的七級分度指標(biāo)表示，對應(yīng)的PMV指標(biāo)分別為-3、-2、-1、0、1、2和3；住宅的基本情況，如地址、樓層、朝向、戶型、圍護(hù)結(jié)構(gòu)信息等．

現(xiàn)場熱環(huán)境測試采用Metrel熱舒適儀，測量的參數(shù)包括現(xiàn)場溫濕度、風(fēng)速和黑球溫度等．儀器經(jīng)過計量標(biāo)定，精度要求和反應(yīng)時間均滿足ISO 7726和ASHRAE Standard 55的標(biāo)準(zhǔn)．測點布置在房間中部，盡量靠近受試者，以準(zhǔn)確體現(xiàn)受試環(huán)境．

2 調(diào)研結(jié)果

2.1 服裝熱阻與熱環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計

非老年與老年組的測試基本同步進(jìn)行，兩組獲取的熱環(huán)境參數(shù)范圍基本一致(表2)．

表2 現(xiàn)場熱環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計分析

依據(jù)ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)對受試者的服裝熱阻進(jìn)行計算，其中非老年組平均值為0.32 clo，老年組平均值為0.41 clo(1 clo=0.155 K·m2/W)．通常春秋衣著為長袖或外套、長褲或牛仔褲及厚襪；夏季衣著為短袖或薄長袖、短褲或薄長褲、薄襪和涼鞋．座椅的附加熱阻為0.10 clo．受試者新陳代謝產(chǎn)熱率為1.2 met．

非老年組TSV為0的占到樣本總數(shù)的47.2%；在-1、0、1的占到樣本總數(shù)的82.3%，選擇對熱環(huán)境可接受的占比83.7%．該結(jié)果表明，非老年組大多數(shù)人對室內(nèi)熱環(huán)境是滿意的．

老年組TSV為0的占到樣本總數(shù)的42.9%；在-1、0、1的占到樣本總數(shù)的63.6%，選擇對熱環(huán)境可接受的占比90.2%．

上述結(jié)果表明，老年人對熱環(huán)境感到滿意的人數(shù)(TSV為-1、0、1)比非老年人低18.7%，但是他們認(rèn)為熱環(huán)境可以接受的比例反而高6.5%，表明老年人對熱環(huán)境的忍受能力比非老年人高．

2.2 熱中性溫度

熱中性溫度是指熱感覺為不冷也不熱時的操作溫度，即TSV=0時的操作溫度．熱中性溫度可以通過線性回歸的方法得到：本研究以Δto=0.4 ℃為一個區(qū)間，以該區(qū)間操作溫度平均值to為自變量，以受試者在該操作溫度區(qū)間內(nèi)熱感覺投票值的平均值為因變量，通過SPSS一元線性回歸分析得到兩者之間的關(guān)系式：TSV=a+bto；令TSV=0，可計算出熱中性溫度．

非老年組熱中性溫度回歸方程為

TSV=-4.437+0.193to；R2=0.722

(1)

老年組熱中性溫度回歸方程為

TSV=-4.736+0.222to；R2=0.790

(2)

根據(jù)式(1)和(2)，非老年人熱中性溫度為22.99 ℃，比現(xiàn)場平均操作溫度26.20 ℃低3.21 ℃．老年人熱中性溫度為21.33 ℃，比現(xiàn)場平均操作溫度25.51 ℃低4.18 ℃．老年人熱中性溫度比非老年人低1.66 ℃．通過圖2可以看出，老年人的熱感覺投票值曲線斜率比非老年人大，即在同樣的操作溫度下老年人比非老年人感覺更熱一些．

圖2 操作溫度與平均熱感覺投票值的回歸曲線

2.3 可接受操作溫度范圍

根據(jù)ASHRAE確定的熱舒適原則，可接受溫度范圍是指80%的人感覺滿意的操作溫度值，即大多數(shù)人認(rèn)可的熱舒適環(huán)境．可接受溫度范圍的確定有兩種方法：一是通過主觀問卷調(diào)研直接確定；二是通過主觀問卷調(diào)研和熱環(huán)境測試結(jié)果的擬合回歸分析確定．?dāng)M合回歸分析的方法是：當(dāng)TSV為-1、0、1時，認(rèn)為此時的操作溫度是可接受的，為-3、-2、2、3時的操作溫度是不可接受的；通過分區(qū)間計算操作溫度下的可接受百分率(Psv，percentage of satisfied vote)，與該區(qū)間操作溫度平均值做回歸分析，可得到兩者之間的關(guān)系方程．根據(jù)方程可計算出80%人群的可接受操作溫度范圍．

非老年組可接受操作溫度范圍回歸方程為

R2=0.547

(3)

老年組可接受操作溫度范圍回歸方程為

R2=0.692

(4)

根據(jù)式(3)和(4)，80%非老年人可接受操作溫度范圍是18.91～24.59 ℃，最低與最高溫度之差是5.68 ℃；80%老年人可接受操作溫度范圍是16.07～22.78 ℃，最低與最高溫度之差是6.71 ℃．兩組之間關(guān)系與熱中性溫度類似：老年人的可接受操作溫度范圍整體向偏冷的方向移動，最低和最高溫度分別低2.84 ℃和1.81 ℃(圖3)．

圖3 操作溫度與可接受百分率的回歸曲線

2.4 熱適應(yīng)措施

由于大連春秋季室內(nèi)溫度波動大，在適應(yīng)性措施方面首選的是增減衣物，非老年組68%、老年組82%的人選擇其作為改善熱舒適的措施．老年組春秋季的平均服裝熱阻0.50 clo，比非老年組0.45 clo要高．老年組在春秋季普遍傾向選擇“少減多增”，即溫度升時少減衣物，溫度降時多增衣物；而非老年組更傾向于“多減少增”，即溫度升時多減衣物，溫度降時少增衣物．非老年組還更傾向于選擇使用電采暖設(shè)備，有18.0%的人將其作為首選措施，而老年組選擇使用的只有4.5%．

在夏季感覺到室內(nèi)過熱時，非老年組和老年組首選的熱適應(yīng)措施首先均是開窗通風(fēng)，非老年組和老年組選擇比例分別是54%和62%．其次是減少衣物，非老年組和老年組分別有24%和18%選擇此項措施．但是其后的熱適應(yīng)措施則有所不同，非老年組有更多的人會選擇空調(diào)等設(shè)備降溫措施，占比13%；而老年組更喜歡選擇使用扇子、臥床休息等，占比10%，選擇空調(diào)的僅占4%．這說明盡管老年人在面臨同樣的高溫時感覺更熱，但是他們耐熱能力更強，更多采取自然降溫措施，例如更好的室內(nèi)自然通風(fēng)或者改變自身衣著、行為狀態(tài)來適應(yīng)熱環(huán)境，而不是使用設(shè)備進(jìn)行物理降溫．

3 結(jié) 論

(1)大連自然通風(fēng)住宅室內(nèi)溫度在12.2～30.1 ℃．老年人對熱環(huán)境的滿意率是63.6%，低于非老年人的83.7%；老年人對熱環(huán)境認(rèn)為可接受的比例是90.2%，高于非老年人的比例83.7%．

(2)自然通風(fēng)條件下老年人比較喜歡呆在偏冷一些的環(huán)境中：老年人熱中性溫度是21.33 ℃，比非老年人熱中性溫度22.99 ℃低1.66 ℃．80%老年人可接受操作溫度范圍是16.07～22.78 ℃，低于80%非老年人可接受操作溫度范圍18.91～24.59 ℃．這個結(jié)果可能與老年人衣著量更大有一定的關(guān)聯(lián)．

(3)春秋季首選的熱適應(yīng)措施是增減衣物，老年人服裝熱阻平均值比非老年人高，老年人在溫度較低時傾向于多穿衣物．春秋低溫時，選擇使用采暖設(shè)備的非老年人比例比老年人高．

(4)夏季感到炎熱時首選的熱適應(yīng)措施是開窗自然通風(fēng)，老年人對室內(nèi)熱環(huán)境和室內(nèi)自然通風(fēng)滿意率都比非老年人低．這個結(jié)果表明改善熱環(huán)境和自然通風(fēng)對老年人夏季室內(nèi)熱舒適具有更重要的意義．

熱適應(yīng)模型能夠描述不同地區(qū)和人群的熱環(huán)境需求和熱適應(yīng)措施，反映了真實的建筑環(huán)境中大多數(shù)人的適應(yīng)能力，適用范圍比PMV模型要寬泛，自提出之后得到廣泛接受．由于老年人生理的特殊性，老年人的居住熱環(huán)境應(yīng)用熱適應(yīng)模型時應(yīng)當(dāng)充分考慮老年人的特點，盡可能具備充分的自主可控性和可調(diào)節(jié)性，才能更好地滿足他們的需求．

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Comparative research on thermal adaptive model of elderly people and non-elderly people in naturally ventilated house

GUO Fei*, ZHANG He-zi

( School of Architecture and Fine Art, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Standards ASHRAE and EN15251 recommend that thermal adaptive model can be taken as the basis for evaluating and designing the thermal environment of buildings with natural ventilation, but they do not consider the possible differences caused by the dropping physiological function of the elderly people. Comparative research on naturally ventilated house thermal adaptive model for 119 elderly people and 106 non-elderly people in Dalian (a cold area) is carried out and the results show that in natural ventilation the elderly people like the colder thermal environment than the non-elderly people for the thermal neutral temperature of the elderly people is 21.33 ℃ and the thermal neutral temperature of the non-elderly people is 22.99 ℃; the acceptable operative temperature of 80% of the elderly people ranges from 16.07 ℃ to 22.78 ℃, and that of 80% of the non-elderly people ranges from 18.91 ℃ to 24.59 ℃. This result could be related to the higher clothing insulation of elderly people. The preferred thermal adaptive measure of the elderly and the non-elderly people in springs and falls is to increase or decrease the clothes, and the thermal adaptive measure in summer is to ventilate the room. However, the elderly people prefer not to use air conditioners and heating equipment, and have lower satisfaction of indoor thermal environment and natural ventilation. As the disadvantaged group which needs special care, the thermal environmental design of the elderly people′s residences using thermal adaptive model should take their physiological characteristics into full consideration, and increasing the adjustability of the thermal environment and strengthening the natural ventilation may greatly improve the satisfaction of thermal environment.

elderly people; thermal adaptive model; naturally ventilated house; Dalian

1000-8608(2016)02-0147-06

2015-09-03；

2016-01-10．

國家自然科學(xué)基金資助項目(51278078，51308087)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DUT13RW306).

郭 飛*(1980-)，男，博士，副教授，E-mail:guofei1209@126.com.

TU111.19

A

10.7511/dllgxb201602006