夏熱冬冷地區(qū)夏季居民熱舒適調(diào)查及開(kāi)窗行為模型研究

1、夏熱冬冷地區(qū)夏季居民熱舒適調(diào)查及開(kāi)窗行為模型研究廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院 陳偉煌李司秀摘要：開(kāi)窗行為是居民調(diào)節(jié)熱舒適的一種方式。了解居民開(kāi)窗行為規(guī)律對(duì)熱舒適和建筑節(jié)能具有重要意義。本文采取現(xiàn)場(chǎng)儀器監(jiān)測(cè)和問(wèn)卷調(diào)查相結(jié)合的方法，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)某高校辦公樓的三間空調(diào)辦公室和兩間自然通風(fēng)辦公室進(jìn)行為期3個(gè)月的測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空調(diào)房間和自然通風(fēng)房間室內(nèi)人員的溫度感覺(jué)和濕度感覺(jué)投票分布有明顯的不同，室內(nèi)、外溫度和居民的行為方式等因素對(duì)開(kāi)窗行為有明顯的影響。利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS對(duì)開(kāi)窗行為和室內(nèi)、外溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到采用Binary Logistic回歸模型來(lái)建立夏天居民在不同室內(nèi)外溫度條件下的開(kāi)窗行為模型。關(guān)

2、鍵字：熱舒適開(kāi)窗行為 SPSS Binary Logistic回歸模型0. 引言人類生產(chǎn)和生活越來(lái)越多地受到建筑室內(nèi)環(huán)境的影響，提供舒適的室內(nèi)環(huán)境已經(jīng)成為當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵課題。建筑用戶可以通過(guò)門、窗、窗簾、照明設(shè)備以及供熱、制冷等建筑部件和室內(nèi)設(shè)備的控制來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)的舒適度。已有研究人員通過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)用戶不同的生活習(xí)性對(duì)建筑能耗產(chǎn)生重要影響，因此弄清楚居民對(duì)不同建筑部件和室內(nèi)設(shè)備的控制規(guī)律是相當(dāng)重要的1-2。迄今為止，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展了許多關(guān)于不同氣候條件下居民對(duì)窗戶開(kāi)關(guān)控制行為的研究3-8,但是國(guó)內(nèi)這方面的研究還處于空白狀態(tài)。中國(guó)夏熱冬冷地區(qū)夏季高溫高濕冬季濕寒陰冷，居民習(xí)慣全年采用自然通風(fēng)或

3、者換氣，因此，研究居民的開(kāi)窗行為對(duì)建筑節(jié)能和提高居民熱舒適具有重要的意義。本文的研究目的是通過(guò)測(cè)試調(diào)查方法研究夏熱冬冷地區(qū)夏季居民的開(kāi)窗行為模型，了解居民的熱舒適狀況和分析室內(nèi)外溫度、居民的行為方式和一天中不同的時(shí)刻等因素對(duì)居民開(kāi)窗行為的影響程度，并推導(dǎo)出居民開(kāi)窗概率與室內(nèi)、外溫度之間的關(guān)系式。1. 調(diào)查內(nèi)容及方法1.1 測(cè)試地點(diǎn)測(cè)試地點(diǎn)是一座三層的高校辦公大樓，位于長(zhǎng)沙市，地處夏熱冬冷地區(qū)。本次調(diào)查選取了該辦公大樓的五間辦公室進(jìn)行測(cè)試，其中兩間為采用自然通風(fēng)的辦公室，三間為使用空調(diào)的辦公室，空調(diào)一般開(kāi)啟的時(shí)間為上午8點(diǎn)至下午5點(diǎn)。每間辦公室的建筑類型、朝向、窗戶的類型以及人數(shù)情況見(jiàn)表1。表1

4、測(cè)試房間的情況序號(hào) 建筑類型 窗戶朝向 窗戶類型 房間人數(shù)房間1 空調(diào) 南 推拉 2房間2 空調(diào) 南 推拉 4房間3 空調(diào) 北 推拉4房間4 自然通風(fēng) 南 推拉4房間5 自然通風(fēng) 北 推拉41.2 測(cè)試時(shí)間與天氣狀況測(cè)試調(diào)查時(shí)間為2008年6月20日至2008年9月20。此時(shí)長(zhǎng)沙處于夏季，該地區(qū)夏季氣候有兩個(gè)特點(diǎn)：一是漫長(zhǎng)酷熱，高溫高濕；二是降水不均，旱澇無(wú)定。在調(diào)查期間，室外最低溫度是19.0°C，最高溫度是42.7°C，整個(gè)測(cè)試期間的平均室外溫度是29.2°C；室外相對(duì)濕度很高，其平均值為75.7。1.3 調(diào)查方法調(diào)查分兩種方式同時(shí)進(jìn)行：一種是對(duì)室內(nèi)外物理參數(shù)

5、的測(cè)量；另一種是主觀調(diào)查，采取問(wèn)卷調(diào)查的形式。1.3.1 物理參數(shù)測(cè)量測(cè)量房間內(nèi)空氣溫度和相對(duì)濕度采用的是Testo 175-H2溫濕度自記儀，室外的溫濕度以及風(fēng)速的測(cè)量則由安裝在該測(cè)試辦公大樓屋頂?shù)谋銛y式氣象站來(lái)完成，房間內(nèi)人員的在室情況以及窗戶的開(kāi)關(guān)狀態(tài)則由安裝在每個(gè)房間的開(kāi)窗行為計(jì)時(shí)器來(lái)檢測(cè)（該計(jì)時(shí)器為自主開(kāi)發(fā)的設(shè)備，目前已獲得發(fā)明專利一項(xiàng)）。整個(gè)測(cè)試期間所有的測(cè)試儀器都是24小時(shí)日夜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。1.3.2 主觀調(diào)查在整個(gè)測(cè)試期間，采用每周一次的主觀問(wèn)卷調(diào)查，請(qǐng)受試者填寫(xiě)調(diào)查表并對(duì)房間熱環(huán)境進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，每次測(cè)試的對(duì)象為五個(gè)測(cè)試房間內(nèi)的所有人。調(diào)查問(wèn)卷的內(nèi)容包括：1）受試者背景資料，如性別

6、、年齡、在該城市居住的時(shí)間等；2）調(diào)查時(shí)受試者的著衣情況；3)受試者離窗戶的距離；4）調(diào)查時(shí)受試者的熱感覺(jué)，熱感覺(jué)投票值采用ASHRAE的7級(jí)指標(biāo)表示（+3很熱，+2熱，+1較熱，0適中，-1較冷，-2冷，-3很冷）9；5）調(diào)查時(shí)受試者對(duì)此時(shí)環(huán)境的相對(duì)濕度的評(píng)價(jià)指標(biāo)（+3很干，+2干，+1較干，0適中，-1較濕，-2濕，-3很濕）10；6）受試者一般通過(guò)何種控制方式來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱舒適。2 調(diào)查結(jié)果和討論2.1 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)對(duì)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，Tin為室內(nèi)溫度，Tout為室外溫度，in為室內(nèi)相對(duì)濕度，out為室外相對(duì)濕度，v為室外風(fēng)速。由表2可見(jiàn)，整個(gè)測(cè)試過(guò)程室外處于高溫高濕、悶

7、熱無(wú)風(fēng)的氣候條件，而空調(diào)房間內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度都小于自然通風(fēng)房間。表2室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)的概況自然通風(fēng)房間空調(diào)房間2間 (房間4, 5)3間 (房間1, 2, 3)最大值 最小值 平均值 標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值 最小值 平均值 標(biāo)準(zhǔn)偏差Tout (°C) 42.7 19.0 29.2 4.3 42.7 19.0 29.2 4.3out (%) 94.9 37.6 75.7 11.8 94.9 37.6 75.7 11.8v (m/s) 3.1 0.00 0.4 0.5 3.1 0.00 0.4 0.5Tin (°C) 34.3 25.2 29.2 1.9 32.5 20.9 27.8

8、1.8in (%) 85.9 34.2 66.1 10.4 88.9 35.1 64.7 10.6整個(gè)測(cè)試期間每個(gè)房間的室內(nèi)溫度和室外溫度超過(guò)某一溫度的時(shí)間百分比見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，室外溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于室內(nèi)溫度的溫度作用范圍，空調(diào)房間比自然通風(fēng)房間具有較低的室內(nèi)溫度條件，而窗戶的朝向在本次調(diào)查中對(duì)相同類型的房間室內(nèi)溫度的影響不是很明顯。因此在后面的研究過(guò)程中，本文只對(duì)自然通風(fēng)房間和空調(diào)房間進(jìn)行比較分析。圖1溫度和時(shí)間百分比的關(guān)系2.2 衣服熱阻眾所周知，人們會(huì)自覺(jué)地根據(jù)天氣的變化增減服裝，以適應(yīng)不同的溫度條件。在本次測(cè)試中發(fā)現(xiàn)該地區(qū)夏季人們普遍喜歡穿短袖、短褲、短裙、涼鞋或者拖鞋等比較輕便、涼快的

9、服裝和鞋子。通過(guò)調(diào)查分析得到自然通風(fēng)房間和空調(diào)房間用戶的平均服裝熱阻分別為0.32clo和0.35clo，但并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)衣服熱阻和居民開(kāi)窗行為之間明顯的關(guān)系。我們認(rèn)為這是由于該地區(qū)夏季溫度普遍很高，居民的著裝已經(jīng)減少到我們文化道德所能接受的程度，而且人們每天的著裝類型差異并不明顯，所以夏季居民的著裝和開(kāi)窗行為之間并無(wú)規(guī)律可尋。2.3 居民的行為方式研究居民的行為方式要確定兩個(gè)因素：一是居民一天的在室情況11，二是居民一天不同時(shí)刻的開(kāi)窗狀況。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法，居民一天不同時(shí)刻的在室情況和開(kāi)窗狀況見(jiàn)圖2和圖3。結(jié)合圖2和圖3我們可以得到：室內(nèi)人員一般都是每天第一次到達(dá)辦公室時(shí)開(kāi)窗，最后一次離開(kāi)辦公室時(shí)

10、關(guān)窗，中途的離開(kāi)不會(huì)導(dǎo)致窗戶狀態(tài)的變化。在整個(gè)辦公時(shí)間段自然通風(fēng)房間的窗戶基本處于全開(kāi)狀態(tài)，而且變化不大；而空調(diào)房間在上班之后隨著時(shí)間的推移開(kāi)窗概率慢慢的減少，中午12點(diǎn)之后基本處于平穩(wěn)，而后在下午6點(diǎn)左右開(kāi)窗概率又有所增加，這主要是受到空調(diào)房間內(nèi)空調(diào)起停時(shí)間的影響。圖2居民的在室情況 圖3開(kāi)窗和時(shí)間的關(guān)系2.4 熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)開(kāi)窗行為的影響2.4.1 室內(nèi)溫度感覺(jué)當(dāng)室內(nèi)的環(huán)境溫度使居民感到不舒適時(shí)，自然通風(fēng)房間的居民往往除了開(kāi)窗之外，還采用電風(fēng)扇、手持扇等方式來(lái)降溫；而空調(diào)房間的居民則大多通過(guò)關(guān)窗和開(kāi)啟空調(diào)器的方式來(lái)滿足需求。自然通風(fēng)和空調(diào)房間居民對(duì)房間內(nèi)溫度感覺(jué)的投票結(jié)果見(jiàn)圖4。通過(guò)問(wèn)卷

11、調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到：88.56的空調(diào)房間室內(nèi)人員對(duì)室內(nèi)溫度感覺(jué)的投票值集中在-1和+1之間，而自然通風(fēng)房間室內(nèi)人員在該范圍的投票比例卻只有64.99，還有32.69%的室內(nèi)人員認(rèn)為自然通風(fēng)房間的環(huán)境溫度熱或很熱。圖4溫度感覺(jué)投票分布 圖5相對(duì)濕度感覺(jué)投票分布2.4.2 室內(nèi)相對(duì)濕度感覺(jué)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)推薦的相對(duì)濕度2570，而實(shí)際調(diào)查中兩種建筑類型房間的相對(duì)濕度都基本在3489之間波動(dòng)。自然通風(fēng)和空調(diào)房間居民對(duì)房間內(nèi)相對(duì)濕度感覺(jué)的投票結(jié)果見(jiàn)圖5。如圖5所示，82.57的空調(diào)房間居民投票值在-1和+1之間，而自然通風(fēng)房間只有40.37的受試者選擇了這個(gè)范圍，有57.49的絕大多數(shù)人認(rèn)為自然通風(fēng)房間室內(nèi)的相對(duì)

12、濕度大或者很大。這說(shuō)明了夏季室外高溫高濕的氣候條件嚴(yán)重的破壞了自然通風(fēng)房間室內(nèi)居民的舒適度，而空調(diào)房間的居民可以通過(guò)關(guān)閉窗戶和開(kāi)啟空調(diào)器的方式來(lái)阻擋室外的熱濕氣流，同時(shí)降低房間內(nèi)的溫度。2.5 居民開(kāi)窗行為模型的建立本文所研究的居民開(kāi)窗行為實(shí)際上是一個(gè)二分類問(wèn)題（即1代表開(kāi)窗，0代表關(guān)窗），而Logistic回歸模型則可以成功的解決某個(gè)二分類的應(yīng)變量與有關(guān)自變量之間的關(guān)系，所以本文采用Binary Logistic回歸模型來(lái)研究居民的開(kāi)窗行為。對(duì)于開(kāi)窗數(shù)據(jù)則采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS Version 14進(jìn)行分析處理。Binary Logistic回歸分析的概率模型如下： （1）由公式（1）可以得到

13、： （2）其中p表示開(kāi)窗的概率，x表示自變量，在本文研究中它表示室內(nèi)外溫度（即Tin和Tout），b表示自變量x的回歸系數(shù)，c表示常數(shù)。表3列出了自然通風(fēng)和空調(diào)房間居民開(kāi)窗概率與室內(nèi)外溫度之間數(shù)學(xué)模型，這些模型都是基于房間內(nèi)有人辦公的情況下建立的。由表3可見(jiàn)，空調(diào)房間和自然通風(fēng)房間室內(nèi)居民的開(kāi)窗概率隨著室內(nèi)、外溫度的升高而增加，隨著室內(nèi)、外溫度的降低而減少。表3 居民的開(kāi)窗行為模型房間類型Tin(°C)p-valueTout(°C)p-value空調(diào)logit(p)=0.246Tin-6.2360.024logit(p)=0.051Tout-1.2460.000自然通風(fēng)lo

14、git(p)=0.157Tin-1.6550.001logit(p)=0.268Tout-5.4560.000 運(yùn)用以上的數(shù)學(xué)模型我們可以將統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)通過(guò)圖6表示出來(lái)。由圖6可見(jiàn)，雖然兩種類型建筑室內(nèi)人員的開(kāi)窗概率都隨著室內(nèi)外溫度的增加而增加，但是空調(diào)房間開(kāi)窗概率的變化幅度明顯大于自然通風(fēng)房間，這意味夏季空調(diào)房間室內(nèi)人員開(kāi)、關(guān)窗戶的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然通風(fēng)房間。如圖6(a)和(c)所示，在不同的室內(nèi)、外溫度下，夏季自然通風(fēng)房間室內(nèi)人員的開(kāi)窗概率都在80以上，而且隨著溫度的不斷上升基本接近1，這說(shuō)明夏季自然通風(fēng)房間在辦公時(shí)間段室內(nèi)窗戶基本處于全開(kāi)狀態(tài)；如圖6(b)和(d)所示，隨著室內(nèi)、外溫度的

15、增加空調(diào)房間室內(nèi)人員的開(kāi)窗概率不斷的增加，而且空調(diào)房間室內(nèi)居民開(kāi)窗概率隨溫度上升的幅度比自然通風(fēng)房間明顯。圖6 室內(nèi)、外溫度和開(kāi)窗概率的關(guān)系2.6 居民開(kāi)窗行為模型的檢驗(yàn)為了檢驗(yàn)采用Binary Logistic回歸模型建立的開(kāi)窗行為模型的可靠性，圖7對(duì)模型計(jì)算得到的開(kāi)窗概率預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，圖7中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示在相同的室內(nèi)、外溫度下開(kāi)窗概率的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值。由圖7可得：所有擬合直線的相關(guān)系數(shù)都介于0.840.91之間，這說(shuō)明運(yùn)用Binary Logistic回歸模型研究室內(nèi)人員的開(kāi)窗概率是較為準(zhǔn)確的，同時(shí)居民的開(kāi)窗行為與室內(nèi)外溫度緊密相關(guān)。圖7 開(kāi)窗概率預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的關(guān)系3 結(jié)論3.

16、1 夏熱冬冷地區(qū)夏季室外溫度遠(yuǎn)大于室內(nèi)溫度的溫度作用范圍，空調(diào)房間比自然通風(fēng)房間具有較低的室內(nèi)溫度條件，而窗戶的朝向在本次調(diào)查中對(duì)相同類型的房間室內(nèi)溫度的影響不是很明顯。3.2 室內(nèi)人員一般都是每天第一次到達(dá)辦公室時(shí)開(kāi)窗，最后一次離開(kāi)辦公室時(shí)關(guān)窗，中途的離開(kāi)不會(huì)導(dǎo)致窗戶狀態(tài)的變化。在辦公時(shí)間段，自然通風(fēng)房間的窗戶一般處于全開(kāi)狀態(tài)，而空調(diào)房間的窗戶則隨著空調(diào)的起停而變化。3.3 室內(nèi)溫度感覺(jué)調(diào)查中，88.56的空調(diào)房間室內(nèi)人員對(duì)室內(nèi)溫度感覺(jué)的投票值集中在-1和+1之間，而自然通風(fēng)房間室內(nèi)人員在該范圍的投票比例卻只有64.99，還有32.69%的室內(nèi)人員認(rèn)為自然通風(fēng)房間的環(huán)境溫度熱或很熱。3.4

17、室內(nèi)相對(duì)濕度感覺(jué)調(diào)查中，82.57的空調(diào)房間室內(nèi)人員投票值在-1和+1之間，而自然通風(fēng)房間只有40.37的受試者選擇了這個(gè)范圍，有57.49的大多數(shù)人認(rèn)為自然通風(fēng)房間室內(nèi)的相對(duì)濕度大或者很大。3.5 采用Binary Logistic回歸模型研究居民的開(kāi)窗行為得到：夏季居民的開(kāi)窗行為與室內(nèi)、外溫度緊密相關(guān)，室內(nèi)人員的開(kāi)窗概率隨著室內(nèi)、外溫度的升高呈上升狀態(tài)，而且空調(diào)房間室內(nèi)居民開(kāi)窗概率隨溫度上升的幅度比自然通風(fēng)房間明顯。參考文獻(xiàn)1 Fracastaro GV and Lyberg MD. Guiding principles concerning design of experiments,

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