室外環(huán)境熱舒適性研究

城市室外環(huán)境熱舒適性研究發(fā)展及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)李飛2011071141.熱環(huán)境熱環(huán)境指由太陽輻射、氣溫、周圍物體表面溫度、相對(duì)濕度與氣流速度等物理因素組成的作用于人，影響人的冷熱感和健康的環(huán)境。人的生活和工作大部分時(shí)間都在室內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境與人體關(guān)系密切。室內(nèi)環(huán)境的熱特性是室外氣候與內(nèi)部熱源通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱交換與熱平衡的結(jié)果，體現(xiàn)為氣溫、平均輻射溫度、相對(duì)濕度、氣流速度等四個(gè)主要物理因素?cái)?shù)值的變化。人體與環(huán)境的熱交換除環(huán)境的物理因素外還與人的衣著和人體的活動(dòng)量有關(guān)。室外環(huán)境與人體關(guān)系同樣不可忽視。室外熱環(huán)境是指作用在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的一切熱物理量的總稱。建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能之一在于抵抗或利用室外熱濕作用,以便在室內(nèi)產(chǎn)生易于控制的舒適熱環(huán)境。1.1熱環(huán)境發(fā)展史自1818年，L．Howard出版了關(guān)于倫敦城市溫度場(chǎng)的《倫敦氣候》一書后，對(duì)城市熱環(huán)境的研究已經(jīng)有190年的歷史．自此英、法、美、日、德以及中國等許多國家關(guān)于這方面的研究大致可分為城市大氣候研究和城市微熱氣候研究兩大類．1.1.1城市大氣候研究在城市熱環(huán)境研究的初期，研究工作僅僅是以特定的城市和代表性的觀測(cè)點(diǎn)為對(duì)象，且往往僅研究熱環(huán)境的某一因素，結(jié)果一般是城市溫度的逐月、逐季或逐年的平均值或累計(jì)值，此時(shí)的研究在觀測(cè)范圍上受到限制并且是靜態(tài)的觀測(cè)，沒有從建筑學(xué)的角度討論城市氣候．奧地利人施密特于1927年首創(chuàng)利用汽車裝備氣象觀測(cè)儀器進(jìn)行流動(dòng)觀測(cè)，并與幾個(gè)固定觀測(cè)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，繪制了同一時(shí)刻的氣象要素等值線圖。利用這個(gè)方法可在短時(shí)間內(nèi)收集到很多點(diǎn)的資料，開創(chuàng)了熱環(huán)境研究的第二階段。該階段城市熱環(huán)境研究的主要特點(diǎn)是觀測(cè)方法的改變，開始進(jìn)行城市溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量，但研究僅僅以單一氣候指標(biāo)和觀測(cè)數(shù)據(jù)為主，并沒有把城市規(guī)劃設(shè)計(jì)與城市熱環(huán)境結(jié)合起來綜合研究。城市熱環(huán)境研究的第三個(gè)階段始于20世紀(jì)50年代1951年A．Soundborg首先用統(tǒng)計(jì)模型對(duì)城市溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，給出了系列經(jīng)驗(yàn)公式.1969年，L．O．Myrup提出了城市熱島的數(shù)值模型。M．H．Halstead對(duì)城市氣候進(jìn)行模擬分析EM．Vukovick從理論上分析了大氣穩(wěn)定性和平均風(fēng)速對(duì)城市熱島環(huán)流的影響。K．Yoshio提出城市大氣環(huán)流的動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)模型并對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬．1971年，M．A．Atwater從理論上分析城市污染環(huán)境下太陽輻射的收支平衡關(guān)系。D．1．Leahey將城市混合邊界層高度的預(yù)測(cè)模型用于紐約市的熱島研究。1977年，M．A．Atwater利用歐拉靜力學(xué)模型研究城市化對(duì)熱氣候的影響。建筑熱環(huán)境的研究在城市熱環(huán)境研究的第三階段才真正開始了建筑熱環(huán)境的研究：對(duì)熱島觀測(cè)已擴(kuò)大到三維；利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)建模分析；風(fēng)洞試驗(yàn)被用于參數(shù)分析和模擬比較；對(duì)熱島與城市規(guī)模、建筑密度、人口、下墊面粗糙度、街道設(shè)計(jì)、視野開闊度因子作了相關(guān)性討論。第三階段是以新方法和新技術(shù)的運(yùn)用為前提，最為重要的特點(diǎn)是將城市熱環(huán)境研究與城市布局和城市設(shè)計(jì)相聯(lián)1.1.2城市微熱氣候研究城市微熱氣候研究主要是針對(duì)城市內(nèi)不同性質(zhì)下墊面進(jìn)行對(duì)比分析，研究地表和城市覆蓋層內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)速、輻射的分布和變化，分析其時(shí)空分布規(guī)律及其形成機(jī)制，了解其對(duì)人體熱感覺的影響，從而采取措施改善城市的微熱氣候以利于人類的生存．研究基本上都是采用實(shí)測(cè)的研究方法，這可以對(duì)實(shí)測(cè)區(qū)域的熱環(huán)境質(zhì)量給出一種可靠的評(píng)價(jià)，所得結(jié)論為進(jìn)一步分析研究奠定了基礎(chǔ)；但是影響城市局部熱環(huán)境的因素很復(fù)雜，除了氣候因素以外，還受到建筑物以及城市規(guī)劃等因素的影響；此外，人的熱反應(yīng)還受到個(gè)人著裝、行為活動(dòng)甚至心理因素等的影響。2.熱舒適1733年，阿巴斯諾特指出空氣流動(dòng)具有降溫效果；1824年,特雷德戈?duì)柕绿岢鲫P(guān)于熱輻射問題：當(dāng)受輻射源影響時(shí)，為保持人體舒適，則需要較低的溫度；1913年，希爾提出頭宜涼、腳宜熱、相對(duì)濕度要適中的人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)．這段時(shí)期，作為建筑科學(xué)領(lǐng)域中最早研究的課題之一的熱舒適問題開始緩慢發(fā)展，而且只在于人體熱舒適生理學(xué)方面的研究．1919年，美國采暖制冷及空氣調(diào)節(jié)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)為了制定工業(yè)發(fā)展急需的有關(guān)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)，特別是有關(guān)空氣溫度和濕度的相互作用對(duì)人體熱舒適的影響，進(jìn)行大量的試驗(yàn)調(diào)查研究．1923年Houghton和Yaglou確定了關(guān)于溫度、濕度兩個(gè)變量的裸體男子的等舒適線，由此創(chuàng)立了對(duì)熱環(huán)境研究具有深遠(yuǎn)影響的有效溫度指標(biāo)ET1924．1925年Houghton、Yaglou和米勒又進(jìn)一步研究了關(guān)于空氣流速與衣著影響的實(shí)驗(yàn)。1932年Vernon和Wamer使用黑球溫度代替干球溫度對(duì)熱輻射進(jìn)行了修正，產(chǎn)生了修正有效溫度指標(biāo)CET60年代，美國堪薩斯州立大學(xué)、丹麥哥本哈根工業(yè)大學(xué)相繼建立了人體熱感覺專用實(shí)驗(yàn)室，開始研究空氣溫度對(duì)熱舒適的影響，以及周圍物體溫度、相對(duì)濕度和空氣流動(dòng)情況等因素對(duì)人體熱舒適的影響。1962年，Macpherson定義了影響熱舒適感覺的六個(gè)因素：空氣溫度、流動(dòng)速度、濕度、平均輻射溫度、新陳代謝率和衣服熱阻。在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)anger通過可控環(huán)境小室和穩(wěn)態(tài)熱交換模型研究，建立了熱舒適方程。環(huán)境與人體熱舒適的研究飛速發(fā)展1984年國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO提出了熱環(huán)境評(píng)價(jià)與測(cè)試的新標(biāo)準(zhǔn)化方法，即用PMV-PPD指標(biāo)來描述和評(píng)價(jià)熱環(huán)境，該指標(biāo)綜合考慮了人體的活動(dòng)情況、衣著情況、空氣溫度、濕度、流速和平均熱輻射溫度六個(gè)因素。PMV(PredictedMeanVote)：預(yù)期平均評(píng)價(jià)指標(biāo)。PPD(Predicted

Percentage

of

Dissatisfied)：表示對(duì)熱環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù)。3.評(píng)價(jià)指標(biāo)人體熱舒適性受多種因素的多方面影響，因此研究多個(gè)因素的綜合作用具有非常重要的意義．綜合環(huán)境指標(biāo)通常是把兩個(gè)或更多的參數(shù)合成一個(gè)變量，從而將多種影響因素的作用效果匯總為單一因素作用，從而簡化分析過程，如將空氣溫度Ta、平均輻射溫度Tr、相對(duì)濕度RH和空氣流速V、皮膚溫度Tsk、新陳代謝量M等若干變量綜合成統(tǒng)一的PMV指標(biāo)，將人體的生理、心理、行為等不確定因素綜合成量化形式上的TSV投票等．指標(biāo)的建立作用在于形成統(tǒng)一的規(guī)范來引導(dǎo)人們對(duì)熱舒適性的判斷，同時(shí)根據(jù)指標(biāo)規(guī)定出的范圍幫助人們營造出一個(gè)更為舒適的建筑環(huán)境．3.1宏觀評(píng)價(jià)(1)氣候舒適度：作為對(duì)人體生理的舒適度表征，氣候舒適度在氣象預(yù)報(bào)上運(yùn)用廣泛。它主要考慮了三個(gè)影響人體舒適度的氣象因素，即：溫度，濕度、風(fēng)速．(2)城鎮(zhèn)熱舒適度：根據(jù)多年的氣象資料以及城市發(fā)展資料，選取大氣因子、非大氣因子、人類活動(dòng)因子共二十項(xiàng)，得出城鎮(zhèn)熱舒適度預(yù)報(bào)方程，選擇平均氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、霧日等作為評(píng)估熱環(huán)境舒適度的因素，這種方法是把整個(gè)城市與人類活動(dòng)以及城市宏觀氣候作為一個(gè)統(tǒng)一整體，對(duì)整個(gè)城市進(jìn)行熱舒適性預(yù)報(bào)；3.2微觀評(píng)價(jià)(1)有效溫度和標(biāo)準(zhǔn)有效溫度：有效溫度ET(EffectiveTemperature)定義是：“干球溫度、濕度、空氣流速對(duì)人體溫暖感或冷感影響的綜合數(shù)值，該數(shù)值等效于產(chǎn)生相同感覺的靜止飽和空氣的溫度．”綜合考慮了不同的活動(dòng)水平和服裝熱阻的影響，提出了眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度指標(biāo)SET(StandardEffectiveTemperature)：身著標(biāo)準(zhǔn)熱阻服裝的人，在相對(duì)濕度為50％，空氣靜止不動(dòng)，空氣溫度等于平均輻射溫度的等溫環(huán)境下，若與他在實(shí)際環(huán)境和實(shí)際服裝熱阻條件下的平均皮膚溫度和皮膚濕潤度相同，則必將具有相同的熱損失，則該溫度就是上述實(shí)際環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET．(2)濕黑球溫度指標(biāo)WBGTWBGT(Wet．Bulb-GlobeTemperature)適用于室外炎熱環(huán)境，考慮了室外炎熱條件下太陽輻射的影響．WBGT是一個(gè)與影響人體環(huán)境熱應(yīng)力的所有因素都有關(guān)的函數(shù)，因?yàn)楹谇驕囟扰c空氣溫度、平均輻射溫度及空氣運(yùn)動(dòng)有關(guān)，而自然濕球溫度則與空氣濕度、空氣運(yùn)動(dòng)、輻射溫度和空氣溫度有關(guān)。目前在評(píng)價(jià)戶外作業(yè)熱環(huán)境時(shí)應(yīng)用廣泛。其標(biāo)準(zhǔn)定義式為：(3)熱舒適方程1982年提出了描述人體在穩(wěn)態(tài)條件下能量平衡的熱舒適方程，它的前提條件是，第一，人體必須處于熱平衡狀態(tài)；第二，皮膚平均溫度應(yīng)具有與舒適相適應(yīng)的水平；第三，為了舒適，人體應(yīng)具有最佳的排汗率。熱舒適感的滿足通常是建立在人體能量平衡的基礎(chǔ)上的，而空氣濕度，相對(duì)濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度、服裝熱阻及活動(dòng)量六個(gè)因素正是通過影響熱體的熱平衡過程來影響人體的熱感覺，但是要得到一個(gè)始終的熱平衡環(huán)境，并非各因素都需要固定在一個(gè)值上，而是可以通過不同參數(shù)的組合得到效果相同的熱平衡方程，從而達(dá)到人體熱舒適平衡。(4)預(yù)測(cè)平均投票數(shù)和預(yù)測(cè)不滿意百分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)平均投票數(shù)PMV(Predicted

MeanVote)就是引入反映人體熱平衡的偏離程度的人體熱負(fù)荷而得出的，其理論依據(jù)是當(dāng)人體處于穩(wěn)態(tài)的熱環(huán)境下，人體的熱負(fù)荷大，人體偏離熱舒適的狀態(tài)就越遠(yuǎn)．即人體熱負(fù)荷正值越大，人就覺得越熱，負(fù)值越大，人就覺得越冷1984年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)與測(cè)量的新標(biāo)準(zhǔn)化方法IS07730．IS07730標(biāo)準(zhǔn)中就采用PMV—PPD指標(biāo)來描述和評(píng)價(jià)熱環(huán)境圖1．1是PMV與PPD之間的關(guān)系曲線．由圖可見，當(dāng)PMV=0時(shí)，PPD為5％．即意味著在室內(nèi)熱環(huán)境處于最佳熱舒適狀態(tài)時(shí)，仍然有5％的人感到不滿意．因此IS07730對(duì)PMV—PPD指標(biāo)的推薦值在0．5～+o．5之間，相當(dāng)于人群中允許有10％的人感覺不滿意．(5)不舒適指標(biāo)DISC在大多數(shù)實(shí)際環(huán)境條件下，即使對(duì)某一個(gè)人來說也并非盡善盡美，對(duì)于實(shí)際衣著及活動(dòng)條件，該環(huán)境可能屬于某種程度的過熱或過冷．如果涉及的人數(shù)眾多，則由于舒適感因人而異，任何條件也難以同時(shí)滿足每一個(gè)此項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)在于：第一、適用的條件范圍很廣泛而不僅適用于一般的“室內(nèi)”條件；第二、DISC指標(biāo)可表述對(duì)于不舒服程度的評(píng)價(jià)，因而可在冷條件與熱條件間找到與一般反應(yīng)相當(dāng)?shù)闹?。DISC指標(biāo)中，在．0．5一+o．5之間的區(qū)域表示80％的人能感到滿意；在-1．0一+1．0之間，為70％的人可接受的舒適條件范圍。4.總結(jié)城市熱環(huán)境的研究可概括為：城市大氣候研究和城市微熱氣候研究兩大類。其中城市大氣候研究經(jīng)過熱環(huán)境靜態(tài)觀測(cè)、動(dòng)態(tài)測(cè)量和城市熱環(huán)境研究三個(gè)發(fā)展階段，城市微熱氣候研究又分為實(shí)測(cè)研究和數(shù)值模擬。目前國際上公認(rèn)的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)熱舒適的標(biāo)準(zhǔn)是IS07730和ASHRAE55．1992。人體熱舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)又可分為宏觀評(píng)價(jià)(氣候舒適度、城鎮(zhèn)熱舒適度)和微觀評(píng)價(jià)(有效溫度和標(biāo)準(zhǔn)有效溫度、濕黑球溫度指標(biāo)WBGT、熱舒適方程、PMV—PPD指標(biāo)、不舒適指標(biāo)DISC)，但是這些指標(biāo)在評(píng)價(jià)外部空間舒適性方面還是存在一定的缺陷．以前的舒適性研究多是針對(duì)室內(nèi)開展建立在穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，而關(guān)于戶外非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的人體熱舒適性研究則相對(duì)較少．但是實(shí)際生活中，人們所處的是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)環(huán)境，各參數(shù)對(duì)人體舒適性的影響是動(dòng)態(tài)變化的，由此可見研究非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的人體舒適性問題