夏热冬冷地区人体热舒适的气候适应模型研究硕士学位论文

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1、- 134 -西安建筑科技大学硕士学位论文夏热冬冷地区人体热舒适的气候适应模型研究摘 要室内舒适温度的设定标准直接影响着人体的热舒适与建筑设备能耗。以实测研究为基础的适应性热舒适理论认为：人们在实际环境中的热感觉受着过去的热经历、文化背景、建筑特性、室内外气候等诸多因素的影响，室内舒适温度与室外平均温度显著相关。因此，从适应性的观点来看，传统上的空调系统设计过程中，室内设定温度为一固定点，且没有考虑人的主动控制调节能力是不恰当的。适应性热舒适理论充分考虑人们对其生活环境的主动调控能力，允许舒适温度在一定范围内随室外温度的变化而变化，迎合了人们喜欢变化的自然环境的心理。因此，确立一个与当地室外气

2、候、建筑特性、文化背景、生活习惯等因素相适应的室内舒适温度设计指标，既可以积极地改善室内的热舒适度，又能够显著地降低建筑设备能耗。我国夏热冬冷地区夏季炎热、冬季寒冷。其冬夏季节气候特征虽然没有寒冷地区及夏热冬暖地区气候恶劣，但是由于其建筑围护结构的保温隔热性能差，自然通风室内热环境状况较差。而这一地区又不在采暖区范围之内，大部分地区都没有集中采暖，随着人们生活水平的提高，对室内舒适度的要求也在不断提高，人们自行采取降温与采暖措施，缺乏科学指导，使得夏热冬冷地区空调与采暖能耗正大幅度急剧增加。为了切实改善夏热冬冷地区室内的热环境状况，降低空调与采暖能耗，本文以实测与问卷相结合的方式对夏热冬冷地区

3、室内的热环境状况、主动调节热环境的适宜性措施等做了详细调查，并以ASHRAE的7级热感觉标度记录了居民的热感觉主观反应。借助于统计学分析方法对测试与调查结果进行了统计回归分析，得出如下结论：*本项研究得到国家自然科学基金重大国际合作项目（50410083）及国家青年自然科学基金项目（50408014）的资助。1.夏热冬冷地区居民对室内热环境的适应性调节措施为：夏季主要为开窗通风、使用电风扇、空调等设备以及减少着衣量，而冬季的主要控制措施为增加衣服的数量及厚度，从而加大衣服的热阻；改变着衣量是适应温度变化的主要调节措施，夏热冬冷地区夏季居民室内着装的平均热阻为0.28clo,冬季为1.41clo

4、,着衣量的季节性特点显著。2. 在实际的生活环境条件下，夏热冬冷地区居住建筑冬季室内的热中性温度为13.6，期望温度为14.5，80%人群可接受的舒适温度区域为11.2-16.8，而夏季的中性温度为27.3，期望温度为26.7，80%可接受的舒适温度范围为24.2-29.8。期望温度总是偏向于其中性点的这一侧或那一侧，夏季的期望温度低于中性温度0.9，而冬季的期望温度又比中性温度高0.6；3.热中性温度总是与室内平均温度相接近，而室内温度又通过围护结构受着室外气候的影响，因此，舒适温度不是一个固定不变的值，而是随着室外气候（主要是温度变量）的变化而不断变化的，并且与室外平均空气温度之间存在着一

5、种相互适应的函数关系，并据此建立了夏热冬冷地区人体热舒适的适应性模型： （R=0.8295）其中，Tn-热中性温度，；to-室外平均空气温度，；确立夏热冬冷地区适应性热舒适温度设计标准是改善居住建筑室内热环境状况，降低建筑能耗，发展可持续建筑的迫切需要。利用舒适温度与室外气候的相关性分析，可以帮助建筑设计者判断利用被动式设计策略获得室内热舒适的可能性。以热舒适适应性模型为基础确立的采暖与空调室内热环境设计温度指标具有很大的节能潜力，在获得最佳舒适状态的同时又实现了建筑节能。关键词：夏热冬冷地区居住建筑人体热舒适 气候适应模型 建筑节能 An adaptive thermal comfort m

6、odel for hot summer and cold winter context Major: Architectural Technology and ScienceMaster Candidate: Junge Li Supervisor: Prof. Jiaping Liu Associate Prof. Liu YangABSTRACTThe comfort temperature setpoint directly affected indoor thermal comfort and the energy consumption. The adaptive approach

7、to modeling thermal comfort acknowledges that thermal perception in real world settings is influenced by the complexities of past thermal history, cultural context, nature of buildings and outdoor climate. And comfort temperature is more closely track patterms in outdoor climate. At the viewpoint of

8、 adaptive thermal comfort, in designing of air-conditioning systems, the conventional fixed temperature setpoint concept is not appropriates, which ignores the potential of control over indoor environment. The adaptive thermal comfort theory allows people greater control over their own indoor enviro

9、nment and indoor temperature to more closely track patterms in outdoor climate and meet the natural tendency to care for the changing nature. So the application of the adaptive approach to the thermal comfort standards can have potentially signigicant and positive impacts on both improving comfort a

10、nd reducing energy consumption. In hot summer and cold winter climatic zone, the thermal environment is poor in the free-running buildings, and people take measures to heat and cool with freedom. Due to the lack of guidance, the energy consumption in heating and cooling is largely increasing. In ord

11、er to improve the indoor thermal conditions and reduce the energy consumption, a large-scale field survey has been conducted in NanYang in the hot summer and cold winter zone. The indoor environmental conditions was measured and the subjective questionairs has been done, and a seven-point thermal se

12、nsation scale was used to evaluate thermal sensation. The statistical method was used to analyse the data and the conclusions are as follows:1. The population in the hot summer and cold winter region could take some measures to reduce the degree of discomfort and have a large potential of adaptation

13、 to climate. In naturally ventilated buildings, control over indoor thermal conditions can be obtained by using commonly available controls such as openable windows, fans and air-condition. Clothing is an important factor in achieving comfort at different temperatures. The mean clothing value was ob

14、served to be 0.28clo in summer and 1.41clo in winter respectively. The Clo value varies with the outdoor climate. 2. In real world settings, it is found that the neutral temperature is 13.6,the preferred temperature is 14.5 and the temperature of the 80% comfort zone is from 11.2 to 16.8 in winter,

15、and in summer the neutral temperature is 27.3,the preferred temperature is 26.7 and the temperature of the 80% comfort zone is from 24.2 to 29.8. The preferred temperature was lower 0.6 than the neutral temperature in the summer and higher 0.9 in the winter season. 3. The neutral temperature is clos

16、e to the mean indoor air temperature in the field study; the comfort temperature is not a fix value but varies with the outdoor climate (especially air temperature ) and it is correlated to the mean outdoor temperature. The adaptive thermal comfort model of residential buildings in hot summer and co

17、ld winter context is established based on the correlation between the neutral temperature and the mean outdoor air temperature: （R=0.8295）The variable temperature standard based on the adaptive model does not increase discomfort and allows significant reductions in energy consumption in buildings. I

18、t is necessary for adaptive comfort temperature to improve the indoor thermal conditions and reduce energy consumption. According to the relationship between comfort temperature and the outdoor temperature can be used to help design comfortable and sustainable building, help the designer to juge whe

19、ther passive heating and/or cooling are a possibility in the climate under consideration. Keywords: Hot summer and cold winter region; Residential buildings; Thermal comfort; Adaptive thermal comfort model; Energy saving.*This research has been funded by young scholar fund (50408014) and internation

20、al cooperation project (50410083) of National Natural Science Foundation of China.目 录1. 绪论11.1人体热舒适的国内外研究背景11.1.1人体热舒适性研究的发展历程11.1.2主要研究成果21.1.3存在的问题及研究方向41.2本课题研究的目的及意义51.3本课题的主要工作72.人体与环境的热交换92.1人体与环境的能量平衡92.1.1 稳态能量平衡模型92.1.2 二维节点瞬态能量平衡模型102.2人体与环境之间的换热计算112.2.1体内新陈代谢产热112.2.2人体散热途径122.3人体对热应力的反应

21、34172.3.1生理反应172.3.2感觉反应192.4小结203.人体热舒适性的研究基础213.1 人体热舒适性的主要影响因素及测量方法213.1.1物理因素213.1.2 个人因素223.1.3 其它因素的影响233.2室内热环境的综合评价指标243.3预测热感觉指标和热舒适性253.3.1人体舒适性方程253.3.2预测平均投票指标(PMV)和预测不满意率(PPD)263.3.3热感觉与热舒适293.3.4人体热舒适的适应性机理303.4小结344.实验测试与数据统计分析354.1夏热冬冷地区概况354.1.1 夏热冬冷地区地域范围与气候特征354.1.2 夏热冬冷地区建筑热环境与能耗

22、状况354.2 测试方案的确定及调查问卷的设计374.2.1验室研究与现场测试研究方法的对比374.2.2测试方案的确定384.2.3 调查问卷的设计394.3夏季测试调查结果统计分析394.3.1测试建筑与设备概况的数据统计分析394.3.2室内热环境的主观反应及控制调节措施调查统计分析424.3.3被测试人员背景资料及环境参数的统计归纳454.4冬季测试调查结果统计分析494.4.1冬季基本测试背景资料统计分析494.4.2室内热环境的实测分析504.5 小结525.人体热舒适适应性分析535.1夏季人体的热舒适性适应性分析535.1.1夏季居民对室内热环境的行为调节适应性分析535.1.

23、2夏季热中性温度、热期望温度及热接受能力分析575.1.3夏季实测热舒适性分析结果小结635.2冬季实测人体热舒适的适应性分析645.2.1影响人体热舒适的各实测变量间的相关性分析645.2.2冬季热中性温度、热期望温度及热接受能力分析665.2.3冬季实测热舒适分析结果小结705.3夏热冬冷地区人体热舒适气候适应性模型的建立705.3.1热舒适适应性分析方法705.3.2夏热冬冷地区适应性热舒适模型的建立725.3.3热舒适适应性标准在建筑与设备设计中的应用795.3.4 适应性热舒适模型节能潜力分析845.4小结866. 结 论87致 谢89参考文献90附录A：人体热感觉调查问卷94附录B

24、: 硕士研究生学习阶段发表的主要论文和参与的研究项目134- 134 -1. 绪论1.1人体热舒适的国内外研究背景1.1.1人体热舒适性研究的发展历程热舒适问题是建筑科学领域中最早研究的课题之一。早在1733年，阿巴斯诺特便指出空气的流动具有驱散身体周围热湿空气的降温效应。关于辐射效应问题，特雷德戈尔德在1824年提出：当人置身于辐射源中时，为使人体的舒适程度保持不变，则需要较低的空气温度。19世纪初，人们认识到空气过于干燥或过度潮湿都是不可取的。1913年，希尔提出头宜凉、脚宜热、辐射热与气流应有变化、相对湿度要适中的人体舒适标准的建议1。因空调工业的迅速发展急需有关舒适标准的资料，特别是空

25、气温度和湿度的相互作用对热感觉影响的资料，1919年，美国采暖通风工程师学会（ASHVE）的匹森堡实验室以室内气候对人体舒适的影响研究作为开端，经过一系列广泛的调查研究，得到了人们所熟知的有效温度标度。同时在英国，贝德福德继续了由工业疲劳研究会所开创的研究工作，他通过对工厂的热环境所做的广泛调查得出了当量温度标度。在第二次世界大战期间，研究工作大部分集中于军队中得热病防止方面，战后一段时期所阐述系统的大部分热应力指标至今仍被普遍采用，在这期间也引进了心理学的研究方法。六十年代中期，对舒适研究的兴趣在美国得到了发展。美国暖通空调工程师学会在堪萨斯州立大学环境试验室曾进行了大量的研究和实验工作，提

26、供了有关舒适度条件的数据，这些数据成为丹麦工业大学Fanger教授的舒适方程的基础。Fanger教授将得到的数据资料与人体产、散热的物理方程相结合，提出了一个综合性的舒适方程，这一方程将环境的物理变量与人体新陈代谢及服装隔热等个人变量联系在一起，提出了PMV（Predicted Mean Vote-预测平均评价）、PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied-预测不满意率）等标准尺度，并经测试验证了其准确性，对以后的研究工作提供了坚实的理论依据2。七十年代初，研究者对于环境变量对人体的散热和人体总的温暖感的作用有了更进一步的理解和认识。从此，旨在认识人体舒适

27、的研究工作的规模便日益扩大，研究的领域也从环境的热感觉问题扩展到涉及整个的热刺激领域。已有有关文献3指出，人们的姿势和活动量也象热参数一样，会对人体的热舒适感产生影响。在世界各地都开展了人体热舒适要求的实验研究工作，尤其是在美国、英国、丹麦、澳大利亚和中国香港等地许多研究者对此进行了大量的实验研究。经过各种实验研究，研究人员已在该领域得出了一些重要的结论，并制定了一系列的有关人体热舒适性的标准和指标，如ASHRAE Standard 55-1992,ISO7730等。1.1.2主要研究成果研究热舒适最重要的理由是为满足人们感到舒适的愿望，同时也是为满足人们在其它方面的愿望。热的或冷的不舒适可以

28、降低人们的行为活动能力。而当人们处于热舒适环境中时，一般来说，人们的智力、体力（手工）或感觉方面的表现，都是处于高水平状态。在ASHRAE Standard 55-1992中热舒适被定义为“人们对热环境表示满意的意识状态”。 Fanger教授指出影响热舒适性的最重要的几个参数是：人体的活动量、衣服热阻、空气温度、平均辐射温度、室内空气相对湿度和空气流速4。人体舒适度受到多种热的或非热因素的影响，这个问题延续到现在，已从大量的测试与实验中取得了许多很有价值的结果以作为进一步研究的参照点。有关室内热环境（空气温、湿度及气流速度等）对人体舒适度的影响已有一些重要的结论：空气温度直接影响人体与外界的热

29、交换和人体自身的热平衡，是影响热舒适的一项主要指标。空气湿度可以直接或间接地从多个方面影响人体舒适感，例如影响人体与外界的热交换、人体热感觉、皮肤湿度、衣服的质地感以及空气品质和人体健康等。冬季呼吸道感染疾病的发病率随湿度的降低而升高5。实验结果表明当人体处于非静止状态时，湿度将从一定程度上影响人体热感觉和皮肤湿润度。而脏空气会进一步恶化低湿度条件下的皮肤干燥程度6。干空气会刺激眼睛的粘膜并使之干燥，而处于低露点温度（2）的环境中的时间越长，这种影响越大7。Nevins推荐夏季相对湿度应小于60%，主要是考虑相对湿度太大，霉菌滋生快会恶化空气品质而降低人体的舒适程度8。另外，由于存在不对称的辐

30、射区(比如寒冷的窗户、加热器)、局部的对流冷却、与较冷或较热的地板接触或人体头和脚之间存在垂直温度差等因素引起的局部性的人体不舒适区会对人体的热舒适度造成很大的影响9。有关非热因素的结论有：性别的不同、年龄的不同、地区气候的差异以及季节时间的变化也有可能使人们对于相同的热环境有不同的热感觉。但对于这些非热因素的影响作用，虽有许多学者做过大量深入的研究，结论却不尽相同。Fanger所作的测试表明年龄性别差异对舒适度没有影响，女性的皮肤温度和蒸发散热量要比男性低，而她们的活动量也往往比男性要小；年老的人所满意的热环境和年轻人满意的热环境也并没有很大的差别，但年轻人和年老人所满意的热环境相同并不是说

31、他们对冷热环境的敏感程度也相同10。1987年Tanabe在日本作的一项测试结果为：在冷环境中，女性比男性对环境的变化更敏感，女性的中性温度比男性高111；在1993年Moderate的测试证明，在高活动量时，女性的最佳皮肤温度比男性低1.2，而在低活动量时，二者相同12。内文斯1975年测试结果为女性对温度的敏感性强，热反应与温度之间的线性回归的斜率要陡一些，斜率为0.37标度单位/K，而男性的斜率为0.3标度单位/K。女性的中性温度为25.5，男性的中性温度为26.11。有关地区差别对人体舒适度的影响的问题也有不少论述。Shin-ichi在1994年做的测试得出以下结论：在热带生活的人，在

32、小于某一温度值的条件下，其皮肤湿润度小于在相对寒冷地区生活的人，而当超过这一温度值时，他们的皮肤湿润度远远大于那些在相对寒冷地区生活的人13。人体对温度上升和下降的生理反应的变化斜率也是不同的，麦金太尔（1978）测得低温回归线的斜率为0.34标度单位/K，而在热区域内为0.29标度单位/K。关于工作效率与人体舒适度的关系，即行为与舒适的关系，许多学者在实验室以及在现场对人体热舒适性对效率的影响做了很多研究，研究结果也并不完全一致。但这些研究表明当人们处于不舒适的环境中时，他们的工作效率会受到影响。被普遍接受的观点是：工作效率区与人体舒适区并不完全重合。1994年在Harold做的测试结果证明

33、：在高温和低温环境下，工作事故发生率急剧上升。在感觉舒适时的工作效率并不高，而在工作效率高时，大部分人感觉微冷；在这次测试中还发现，当引入空调系统时，不管是在工厂内还是在办公室内的工作效率都提高了，这些现象目前只能用生理学角度进行解释。而这些结论只用于进行短期工作的人14。McNal在1968年通过对冬、夏季实验结果分析表明:冬、夏季的舒适性条件没有区别15。而Giovanna Donnini 等人认为夏季和冬季人们的中性温度相差0.51.516。有关中性温度与期望温度之间的区别和联系也有许多著作论述过。1988年G.E.Sciller所做的一项测试的结果为：冬季中性温度为22，夏季中性温度为

34、22.6，而冬夏季期望温度比中性温度平均低0.417；1995年在香港的测试结果为：夏季中性温度为23.5，期望温度为22.5，冬季中性温度为21.5，期望温度为20.818。而中国大陆在人体热舒适性领域的研究起步较晚，所做的工作也不是很多。1998年清华大学赵荣义等人在北京88户自然通风居民住宅现场测试了夏季室内干球温度、相对湿度、风速等热环境参数，以问卷调查方式调查记录了居民的热感觉，考察了居室热环境改善措施。调查结果表明，自然通风条件下北京普通住宅的热环境基本上处于ASHRAE的舒适区之外，80%居民可接受的热环境对应的有效温度上限为30，对温度的敏感程度与其他地区相近19。清华大学贾庆

35、贤调查了106人在不同环境下对吹风的不同主观感受，发现现实生活中人们对随机及不确定的自然风的感受与对单调的机械风的感受有较大的不同20。1999年，天津大学吕芳等人用现场实验，问卷调查的方法对人体热舒适性进行研究。研究结果表明：与ASHRAE Standard 55-1992中的人体热舒适区相比，天津人的不满意率比较低。这些表明天津人对热环境的要求相对于其它地方低一些，对热环境更容易满足21。哈尔滨工业大学的王昭俊通过对哈尔滨住宅环境的热舒适做了实测调查发现哈尔滨人对温度变化的敏感性同北京天津地区，且PPD的最小值比国外的研究结果低22，西安建筑科技大学的杨柳博士首次给出了我国室外平均温度与中

36、性温度的线性关系，并计算出了我国主要城市的热舒适温度，作为建立我国建筑气候分析的舒适性评价基准【50】。大量的实验说明人与人之间的差别是存在的，即使人们穿着相同的服装，活动量也相同，能使所有的人都满意的环境是不存在的。Fanger教授提出了预测不满意率PPD与预测热感觉投票值PMV之间的关系：在PMV=0处，PPD为5%。这意味着即使室内环境为最佳热舒适状态还有5%的人感到不满意。1.1.3存在的问题及研究方向虽然人体热舒适问题的研究是建筑科学领域最早的研究课题之一，无论在理论上还是在实际应用上都已经相对比较成熟，但是在该研究领域中目前还是存在着不少的问题。回顾过去几十年的的研究工作，用以研究

37、人对热环境响应的主要方法可以归纳为三种，它们分别是物理学方法、生理学方法、心理学方法。物理学方法是将人体视为热发动机，在其内部产生热量，同时以同样的速率散热以维持热平衡，利用传热机理可建立数学模型和相应的计算方程，其中最为成熟的是Fanger的舒适方程。纯物理方法并不考虑人体本身对热或冷的反应，且不论及不舒适的感觉。生理学方法是研究人体对热和冷的反应机理，其目的在于认识包括血管收缩和出汗这一类人体反应。生理学家对人体的功能感兴趣,人体是一个极为复杂的系统，它有许多戎余和相互影响的控制系统。心理学家关心的是人的感觉，他期望对人体的不舒适程度和冷热感觉进行定量描述，但感觉是不能直接测量的，而必须通

38、过观察有关的反应加以推论，某些热舒适研究体系采用等级指标，要求被测试者将自己的感觉用热分度加以评定，著名的贝德福德分度就是最早的感觉分度之一。然而令人遗憾的是，人们普遍认为三者之间是难于关联的，如果能综合运用现有研究成果和相关学科的知识，使几种主要研究方法相互映照，将推进有关人体舒适的研究和发展。对于室内气候因素引起的生理反应和感觉反映的热环境舒适性指标，前人已做过不少研究，自从空调节能受到重视以来，热舒适评价指标的研究及其应用力图与空调节能相联系。目前，ASHRAE55-1992和ISO7730是世界上普遍采用的评价和预测室内热环境舒适度的标准。ASHRAE55-1992标定的舒适区为至少满

39、足80%人群的舒适区，而ISO7730阐述了Fanger教授提出的预测人体热感觉指标PMV。另外，还有Gagge教授提出的新有效温度指标（ET）和标准有效温度（SET），这类模型共同的特点是：他们认为环境参数不随时间改变，而且把人体看作是外界热刺激的被动接受者。这类模型可以被认为是稳态的和以热平衡方程为基础的。但不少实测表明，这类模型并不能准确地预测出在实际生活环境中人体的热反应，且与实测结果有较大的差异。人体的适应性可以被认为是试验室研究和实地测试结果产生差异的主要原因。人体适应性包括行为调节、生理调节、心理调节。行为调节可划分为个人调节（如增减着衣量）、技术调节（如打开或关掉空调）和文化习

40、惯（如在热天午睡以降低新陈代谢率）；生理适应是由于生理反应使在热环境下的暴露因素逐渐适应的所有生理改变，生理适应可划分为遗传适应（两代之间的）和环境适应（在个人的生命期内）；心理适应是根据过去的经验或期望而导致感官反应的改变，从而导致个人舒适最佳值和相应的温度调节装置设定值大不相同。其中行为调节对于维持个体的舒适起着主动作用，而心理适应主要是在解释个体舒适值差别中有重要的意义。1998年夏季，清华大学对北京市居民进行了调查测试，测试结果表明：实测热感觉值ASH普遍低于Fanger的预期评价指标PMV值。这说明所调查的人群特别是中国北方居民对热的承受能力比预测值要高一些。以往测试结果证明：在自然

41、通风系统中，ET与人体实测舒适度ASH之间的关系是呈直线关系，其斜率在泰国曼谷0.234/，Schiller在洛杉机的测试结果为0.318/，北京地区测试结果为：0.298/19。文献23中指出，为了保证环境的舒适，那么有必要制定一个变温度标准来补充或修改现在的ANSI/ASHRAE55-1992。这种室内变温度标准在特定情况下允许建筑物内的居住者对室内气候具有一定的控制权力。人体舒适度是一个边界不清楚的模糊集合，要对某一适当的热环境和人对某一环境的忍耐力作出准确评价，不但应该了解处于该热环境中的人的年龄、性别、衣着、饮食、及休息习惯、行为方式、与服饰爱好有关的文化背景与社会背景，还应了解人们

42、在室内及室外所习惯了的热体验。但这些参数的资料往往不够准确，建筑物或其中任意空间的用途可能以完全不能预知的方式改变，人们在生理及个人的适应力变化辐度也很大；此外，如象能源价格这样一些经济因素，不但影响人们对热感觉的评价，也影响人们的行为习惯。从这些问题的不确定性以及讨论范围的广泛性来看，还需要对热反应生理学和心理学有一定的了解。1.2本课题研究的目的及意义给人们提供舒适节能的室内环境这是世界各地人体热舒适性研究人员的共同目标所在。如今在世界各地所沿用的热舒适性标准也都是根据在西方国家所做的研究工作而建立起来的，而各地对于这些标准例如ASHRAEStandard 55-1992的使用并没有考虑不

43、同地区建筑形式的不同、气候的不同、种族的不同等等因素。现在已有一些研究人员对热舒适性标准的普遍适用性提出了质疑。他们认为建筑形式、气候、种族等等因素的差异可能造成世界各地人们在相同的热环境中的感觉不同，对热舒适性的要求也不同，因此有必要在各地开展人体热舒适性研究。迄今为止，许多实验室研究和现场研究都表明不同人群之间的热感觉差异是存在的，这种差异在很大程度上是由于各地的气候、人们的生活习惯以及文化背景等的不同造成人们不同的饮食和穿衣生活习惯而引起的。一、穿衣习惯的不同比较在世界不同地区所做的热舒适性现场研究结果可以发现在不同地方由于气候条件不同，人们的穿衣习惯有明显的差别24。衣服热阻是热舒适性

44、方程的重要参数，因此在应用热舒适性方程时必须考虑由于在特定的地方穿衣习惯不同而引起衣服热阻的差别。在冬天中国大部分人都比美国或欧洲大部分人穿得多。一般中国人在室内穿的服装样式上没有很大的差别，但是衣服的厚度差别却很大，从薄和棉布到由多种成分组成的带填充纤维的织物，而且中国人在冬天往往喜欢同时穿好几件衣服和好几条裤子来保暖。我国夏热冬冷地区缺少供暖系统导致了该地区的人们在冬天都普遍穿多层衣服。从衣服的热阻上来看中国和西方国家有着很大的不同。X.S.Zhu曾对中国服装的热阻做过研究25，研究结果表明ASHRAE所提供的计算服装热阻的公式对于中国的服装并不是很适用，计算得到的热阻和测得的热阻相差0.

45、35clo。ASHRAEStandard 55-198126提出一般冬天衣服的热阻为0.9clo，但是这个研究发现大多数多层衣服的热阻要大于0.9clo。最暖和的服装（包括四层衬衣或短上衣和四层裤子）的衣服热阻高达2.45clo。这么大的衣服热阻会导致人们处于12的环境中时他们也会觉得舒服。于是，ASHRAE标准中规定的冬季舒适区的最低温度对于很多中国人来说是一个很高的温度。二、饮食习惯的不同身体内部不断地产生热量，这些热量最终都是来自于食物。从长时间来看，被摄入食物的发热量应该等于总的新陈代谢能量；从短时间来看，食物的摄入能引起身体内部发热量的增加。在摄入一顿营养平衡的食物以后，身体内部的能

46、量代谢会比原来增加15%。实际上身体内部发热量的增加是由于食物中物质的活性运动（SDA），而SDA在蛋白质中最高，在碳水化合物中较低，在脂肪中最低。研究已经表明，当人们在吃完一顿蛋白质含量很高的食物之后，人们感到最舒适的环境温度将会下降127。我们都知道中西方的饮食习惯是很不相同的。在美国和欧洲国家，人们的食物以蛋、肉（尤其是牛肉）为主，在这些食物中蛋白质的含量都很高；而中国人的食物中则含较多的碳水化合物。这样由于食物的不同引起人体内部发热量在一定程度上的差别，由此而导致中西方人对同一热环境的热感觉会有所不同。三、人的心理适应性许多学者认为在热环境中人体并不是外界热刺激的被动接收者，人们各自的

47、生活环境和经历都会影响他们各自的热期望。当实际热环境状态和人们对热环境所期望的状态相符时，人们就会对该环境感到满意。因此生活在不同环境中的人们，他们的期望温度也会有所不同，很多人体热舒适性的现场实验研究都证实了这一点。在英国冬天在办公室或家里人们认为的舒适温度可以低达17.528，而在伊拉克的办公室里，人们所认为的舒适温度可以高达32。在南极的舒适温度可以为629，而在印度北部的工厂里人们在室温31.5时也感到舒适。由以上的例子我们可以认为人们各自不同的生活环境会使人们认为满意的热环境有很大的差别。以上的论述表明，由于地域气候条件、人种、生活习惯、社会背景等条件的不同，人们对热舒适的要求也是不

48、同的。大量的实测研究也表明：人们的舒适温度总是与其过去的热经历相适应，而且实测舒适温度的区域比现在国际标准上建议的范围要广。有研究结果表明，不同气候区、不同季节，人们感觉舒适的温度也是不同的，舒适温度与室外温度关系显著。而我国地域辽阔，各地气候条件、经济发展水平、文化、生活习惯等差异显著，因此传统上全国各地通用一个固定的室内设计温度指标是不利于舒适和节能的，有必要结合各地不同的气候特征及文化、生活习惯分析其相应的热舒适要求，据此来制定相应的室内舒适温度标准。我国夏热冬冷地区夏季炎热，冬季比较寒冷，其冬夏季节气候特征虽然没有寒冷地区及夏热冬暖地区气候恶劣，但是由于其建筑围护结构的保温隔热性能差，

49、自然通风室内热环境状况较差。而这一地区又不在采暖区范围之内，大部分地区都没有集中采暖，随着人们生活水平的提高，对室内舒适度的要求也在不断提高，人们自行采取降温与采暖措施，缺乏科学指导，使得夏热冬冷地区空调与采暖能耗正大幅度急剧增加。在同等的热舒适情况下，其单位建筑面积的建筑运行能耗甚至要比寒冷地区更高。为了切实改善夏热冬冷地区室内的热环境状况，降低空调与采暖能耗，迫切需要建立一个适应于夏热冬冷地区的热舒适环境控制标准，从而指导建筑室内热环境设计，创造理想的舒适节能的生态建筑。这也正是本课题研究的目的所在。1.3本课题的主要工作使建筑环境更好地满足人们的要求，给人们创造一个舒适的、使人精神愉悦的

50、室内环境，这不仅有利于人们的身心健康，而且还可以提高工作效率。因此，维持舒适的室内环境既具有技术上的意义，而且还具有社会意义和经济意义。由于我国在人体热舒适性研究领域的起步较晚，为了创建有关人体热舒适性的一系列标准和指标，我们必须从基础工作做起。本课题的主要内容是通过对夏热冬冷地区居住房间冬、夏两季室内热物理参数进行现场测试，以问卷方式及ASHRAE的7级热感觉标度调查了居民的热感觉。根据调查测试的结果运用统计学工具进行以下各方面的理论分析：（1）统计分析了夏热冬冷地区人们适应热环境所采取的各种适宜性控制调节措施以及服装热阻随室内、外温度的变化规律；（2）统计分析了热感觉投票与与室内、外温度的

51、变化关系及该地区人体的热接受能力，得出了夏热冬冷地区人体的实测热中性温度、热期望温度及热舒适区域；（3）将实测热感觉投票值（TSV）和不满意率（PPDs）变化曲线与Fanger的预测热感觉投票值（PMV）和预测不满意率（PPD）的变化曲线进行了对比分析；（4）分析了室内舒适温度随室内、外温度的变化规律，建立了夏热冬冷地区人体热舒适气候适应性模型；（5）分析了热舒适气候适应性模型室内热环境设计中的应用；（6）分析了适应性舒适温度设计标准相对于传统室内温度设计标准的节能潜力；总结理论分析结果得出夏热冬冷地区人体的舒适温度与室外温度的相互依赖关系，以节能为原则，分析了热适应性模型在建筑设计中的应用及

52、其对建筑能耗的影响，为该地区室内热环境设计提供了一个最佳的室内设计温度的参考依据。2.人体与环境的热交换2.1人体与环境的能量平衡人体通过摄取食物，从食物中吸取能量，同时通过不同的方式产生热量。为使人体维持舒适的感觉以及生理上的需要，人体需要与周围环境进行热湿交换。从宏观角度上看，当人体内部产生热量及人体与周围环境的热湿交换等过程达到平衡，并且使平衡处于健康状况，这时人体的感受是舒适的。不过要实现人体热舒适，仅仅追求人体周围环境的热平衡是不够的。例如当人体表面的汗液不能及时蒸发时，虽然人体与周围环境达到热平衡，人体也不会感到舒适。因此，要想更深层次地研究人体热舒适环境的要求，应该从人体与周围环

53、境的热湿交换过程开始，结合人体生理调节过程，研究人体热舒适环境的要求。在这里重点介绍两个模型，在这两个模型中都假定皮肤表面的温度和皮肤表面的传热是一致的、均匀的。事实上，人体并不是均匀地产生热量，也不是均匀地向外界散发热量。但是在大多数的工程研究领域，我们通常把人体看成是一个圆柱体，均匀地、稳定地向外界散发热量。2.1.1 稳态能量平衡模型Fanger教授建立了著名的稳态传热模型，这个模型假定人体处于一个热平衡状态，净得热量为零。这里把人体的中心和人体的皮肤看成是一个整体，不考虑人体发颤、血管收缩和扩张等人体自身的调节机制。在稳态状态下，人体的得热量等于失热量，能量平衡关系式30为： (2-1

54、)其中，M人体能量代谢产热量，W/m； W人体所做的外部机械功，W/m； 人体呼吸总散热量，W/m； 人体皮肤的总散热量，W/m； 人体呼吸的对流散热量，W/m； 人体呼吸的蒸发散热量，W/m； 人体皮肤总的蒸发散热量，W/m。 人体皮肤的显热散热量，W/m； 其中h综合换热系数，W/m，h=hr+hc；-着衣体表面积与裸体体表面积之比值。-衣服表面平均温度，；Rcl-衣服热阻， m/W；-皮肤表面温度，。-作用温度，.2.1.2 二维节点瞬态能量平衡模型二节点模型是在皮尔斯基础实验室中建立起来的人体温度调节的数学模型。这一模型由盖奇等提出。在该模型中用两个同心圆柱体来代表人体。内层圆柱体代表

55、人体的核心层，外层圆柱体代表人体的皮肤层。这一模型是以以下假设为基础的：人体皮肤层的热传导忽略不计；人体各部分的温度都是均匀一致的（内层为tcr，外层为tsk）；人体新陈代谢热是在中心层产生的。新陈代谢产生的热量一部分由呼吸直接散失在环境中，其余的热量交换则是通过人体核心与皮肤之间的直接热传导和人体血管中血液的流动来进行的。瞬态能量平衡是指人体的蓄热量等于得热量减去失热量。这个模型可以用两个方程31来表示，每个方程各代表人体的一部分。 (2-2) (2-3)其中，-人体核心的蓄热率，即人体内部能量的增加量，W/m；-人体皮肤的蓄热率，W/m；-人体核心与皮肤之间的换热量（包括身体组织通过热传导

56、的换热量和通过血液流动热对流的换热量），W/m。2.2人体与环境之间的换热计算人体内所产生的热量必须以与产热相同的平均速率散热，才能维持人体热平衡。在正常条件下，人体表面要比周围环境温暖一些，其热量的散失主要通过三种途径:与周围空气之间的对流换热、与周围表面的辐射换热及水分的蒸发.借助于人体自身的调节机制，血管的舒张和收缩、汗腺分泌和发颤等，人体有能力在相当大的环境变动范围内维持热平衡，而在这个较大的范围内仅有一个小的区域可以认为是舒适的。鉴于人是一个有生命的体系，使得对人体进行量测就成为一件很复杂的事情，因为人对环境的任何一点变化都会产生有意识或无意识的反应，这就很难把测量结果归纳为一个标准

57、状态。由于产热和散热的速率是因人而异的，因此通常采用单位面积的产失热量来减少这种差异。人体总表面积可用“杜波伊斯面积”表示，如下式32： m2 （2-4）其中，ADu为人体杜波伊斯面积(m2), A为体重(kg), B为身高(m)2.2.1体内新陈代谢产热人体由于自身氧化作用而释放的能量为新陈代谢能量M，其一部分转化为热能H，另一部分转化为功W。人体的新陈代谢率M通常以耗氧量来度量: （2-5）32其中，M-人体的新陈代谢率，W/m2； -人体的新陈代谢率系数，即呼出二氧化碳量与吸入氧气量之比值，休息状态时为0.83，重体力时为1； -在标准状态下，每小时所消耗氧气的立升数，L/h; 5.8-

58、当时，1立升标准状态氧气的动力学常数，wh/L； -人体杜波伊斯面积，m2。由 M=H+W,设外部的机械效率为，则H=M(1-)。各种活动状态的估算M值见表(2.1)。坐着休息时人体的新陈代谢能量为M=58W/m2，将这一活动量定为1met，任何新陈代谢率为Xw/m2的活动量为X/58 (met)，下表为ISO-7730标准中的新陈代谢产热量和met值。在本次测试中，被测试者没有对外作功，所以=0,H=M。表2.1 人体单位皮肤表面积上新陈代谢产热率（ISO-7730）活动强度新陈代谢产热率（W/m2）Met躺着460.8坐着休息581.0站着休息701.2坐着活动（在办公室、住房、学校、实验

59、室等）701.2站着活动（买东西、试验室内轻劳动）931.6站着活动（商店营业员、家务劳动、轻机械加工）1162.0中等活动（重机械加工、修理汽车）1852.82.2.2人体散热途径人体散热的主要途径有三种:与周围空气的对流换热、对周围表面的辐射及通过水分的蒸发散热，除此以外，人体还通过呼吸、热传导等方式进行散热。Fanger等人根据对前人试验数据的分析，提出了人体与环境之间的换热量的定量计算公式。(1)对流换热空气以一定的流速经过人体，可带走一部分热量。与人的皮肤和服装接触的空气层是比较暖和的，这一暖空气可能被气流吹走，这种方式为受迫对流；在无气流情况下，暖空气的自然浮力会使它上升，然后被冷

60、气流取而代之，这种方式为自然对流。在这两种情况下，被带走的热量为: （2-6）30其中，C-从着衣外表经对流的热损失量，W; -衣服表面平均温度，;-空气温度，;-着衣体表面积与裸体体表面积之比值。为对流换热系数，在任何一种情况下，人体换热必须为强制对流和自由对流之间的一种，对于自然对流换热，是温差的函数，对于强制对流换热，为相对风速v的函数。其单位是，w/(m2 )，计算公式为: （2-7）30(2)辐射换热任何物体都发出热辐射，发射的物体也吸收外界辐射，所有物体都处于与周围环境进行的辐射能量交换中，在大多数情况下，人所活动的房间内表面是处于相当均匀的温度之下的，所以辐射环境可以用平均辐射温

61、度加以描述。 (2-8) 30其中，R从着装身体外表面散失的辐射换热量，kcal/h；衣服表面的辐射率，一般取值0.97；史蒂芬-波兹曼常数=4.9610-8(kcal/m2hk4)；fcl着衣体表面积与裸体体表面积之比值；feff有效辐射区域系数，即着装体有效辐射区域与着装体体表面积之比值，一般取值0.71。tcl人体衣服表面的平均温度，；tmrt平均辐射温度，；ADu杜波伊斯表面积（裸体体表面积），m2。(3)皮肤的蒸发热损失皮肤的蒸发热损失Esk 取决于皮肤表面水蒸气压力与室内的水蒸气压力之间的压力差以及皮肤表面的含湿量。 (2-9) 31其中，Pa室内空气的水蒸气压力，Pa； Psk,

62、s皮肤表面的水蒸气压力，通常认为等于在温度为tsk时的饱和水蒸气压力，Pa； Re,cl衣服的蒸发散热热阻，（mPa）/w； he蒸发换热系数（类似于hc）,w/( mPa)； w 皮肤湿润度。皮肤湿润度w是指皮肤的实际蒸发热损失与在相同的环境中皮肤能够达到的最大蒸发热损失Emax(当w=1时)之比，即人体皮肤被水分覆盖面积的相应百分率。皮肤湿润度是决定蒸发热损失的重要参数。通过皮肤蒸发散热的热损失包括两部分：排汗蒸发热损失Ersw与皮肤通过水分扩散的蒸发热损失Edif。即： (2-10)31通过排汗的蒸发散热与排汗的量成正比： (2-11) 31其中，hfg 水份蒸发所需的热量，在30时为2.43106J/kg；mrsw排汗率，kg/(sm).汗的产生和蒸发是人体最有效的温度控制机能。水分的蒸发提供了这样一种控制体温的有效方法:即使当空气温度高于血液温度时也能使身体散发热量。当汗液在皮肤表面蒸发时，所必须的汽化潜热是从人体得到的，因此会对人体产生冷却效应，人体被冷却不是因为汗的产生，而是因为汗的蒸发。浸入服装然后蒸发的汗液从服装中吸取热量从而产生了这种冷却效应，在劳动强度变大、环境变暖、相对湿度减小时，这种效应显著增强