波動氣候下高校少數(shù)民族學(xué)生熱適應(yīng)性分析

汪語哲,張津淼,馬海萍,李 輝,米 霞,高天一,史小平

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 控制與仿真中心,哈爾濱 150001； 2.大連民族大學(xué) 機電工程學(xué)院,遼寧 大連 116600;3.大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家民委重點實驗室(大連民族大學(xué)), 遼寧 大連 116600)

熱環(huán)境的舒適程度直接影響學(xué)生的學(xué)習效率, 室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)直接影響著人們的舒適性、健康及工作效率[1],因此環(huán)境的熱舒適度一直是熱舒適領(lǐng)域的研究重點[2].近幾年來，國內(nèi)外出現(xiàn)的很多熱舒適研究表明，人們對室內(nèi)熱環(huán)境的實際熱感覺與國際熱舒適標準中規(guī)定的基于穩(wěn)態(tài)PMV模型的預(yù)測結(jié)果存在顯著差異，多次證明了熱適應(yīng)性的存在[3].早在19世紀初期，不舒適的室內(nèi)熱環(huán)境已經(jīng)引起了當時人們的注意.丹麥的Fanger[4]教授提出的關(guān)于室內(nèi)熱環(huán)境的模型是這一領(lǐng)域的重要突破，并提出了綜合性的舒適性方程以及PMV-PPD指標.早在19世紀70年代法國學(xué)者Humphreys[5]通過對小學(xué)生的熱感覺和熱需求來研究人體熱舒適性.與此同時，國際標準化化組織(ISO)和美國空調(diào)學(xué)會(ASHRAE)還相繼頒布ISO7730《適中的熱環(huán)境—PMV與PPD指標的確定及熱舒適條件的確定》和ASHRAE55-2013《人類居住熱環(huán)境條件》等熱舒適標準，為熱舒適領(lǐng)域的研究提供了理論基礎(chǔ)[6].又在此基礎(chǔ)上，為提高傳統(tǒng)熱舒適模型預(yù)測的準確性，提出了熱適應(yīng)模型[7].文獻[8-10]通過環(huán)境參數(shù)測量、主觀調(diào)查等方式，將數(shù)據(jù)進行對比分析，通過擬合計算,得出了適應(yīng)性PMV模型，為該地區(qū)中小學(xué)教學(xué)建筑室內(nèi)熱環(huán)境控制與調(diào)節(jié)、供暖系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù). 李念平等[11]探究了有關(guān)老年人的熱感覺舒適性.

在波動性氣候環(huán)境的適應(yīng)性研究方面，閆海燕[12]結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域知識得出結(jié)論：氣候波動的程度和持續(xù)時間決定著人體熱適應(yīng)的水平，氣候和適應(yīng)時間是影響適應(yīng)性熱舒適的主要因素.錢建偉等[13]通過對3個基本氣候帶的氣候，探究人在長期進化過程中所體現(xiàn)出的氣候環(huán)境適應(yīng)性.結(jié)果表明, 生活在不同地區(qū)的人，逐漸演化成適應(yīng)當期氣候的生活習慣.而在現(xiàn)有相關(guān)研究中，對于人們在人口流動中，不同氣候環(huán)境適應(yīng)性的研究相對較少.本文以中國不同氣候環(huán)境下的少數(shù)民族為主體，提高少數(shù)民族學(xué)生的熱感覺適應(yīng)性.

本文依據(jù)人體熱舒適性理論，探討少數(shù)民族異地求學(xué)過程中對于波動氣候環(huán)境的適應(yīng)性.波動的氣候環(huán)境是指來自嚴寒地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和溫和地區(qū)的學(xué)生來到大連求學(xué).大連屬于中國寒冷地區(qū)，由于特殊的沿海地理位置，氣候適宜較為宜居.但對于異地求學(xué)的少數(shù)民族學(xué)生來說，氣候環(huán)境的波動使他們不能較快的適應(yīng)大連氣候.將少數(shù)民族作為研究主體，對加速民族團結(jié)乃至民族融合都極具重要意義.隨著社會的發(fā)展以及多民族融合的加速形成，越來越多的少數(shù)民族學(xué)生離開自己的家鄉(xiāng)外出求學(xué)，突破了地域、南北方、氣候等相關(guān)因素的界限.因此產(chǎn)生一系列的問題，例如飲食習慣不同、氣候差異大、不能適應(yīng)新環(huán)境等.因此，結(jié)合民族院校學(xué)生群體，本文研究了來自嚴寒、夏熱冬暖、夏熱冬冷地區(qū)的回族、蒙古族和土家族學(xué)生，探究了氣候波動的情況下在室內(nèi)熱環(huán)境中的適應(yīng)性，為提高少數(shù)民族生產(chǎn)工作效率奠定了基礎(chǔ).

1 實驗及驗證方法

1.1 實驗方法

本次現(xiàn)場實驗在本校展開，包括8間教室，教室內(nèi)冬季大多使用暖氣供暖，室內(nèi)平均溫度為17.2 ℃低于國家標準，供暖效果不佳.調(diào)研時間為2018年12月24日至2019年1月10日，處于一年中教室較冷的時段. 實驗對象由來自全國的回族、蒙古族和土家族學(xué)生組成.

教室內(nèi)熱環(huán)境測試參數(shù)主要包括空氣溫濕度、空氣流速、黑球溫度、二氧化碳濃度等，本次試驗采用德國BAPPU儀器對教室的熱環(huán)境參數(shù)進行測量，測點距離地面高度約1.1 m.建立熱舒適客觀評價模型的過程離不開主觀問卷調(diào)查[14]，問卷調(diào)查內(nèi)容主要包括學(xué)生的民族、家庭供暖方式、生源地、服裝熱阻以及對當教室內(nèi)環(huán)境的熱感覺(ASHRAE 7級標尺)、熱舒適、期望溫度等主觀評價.通過主觀調(diào)查和客觀環(huán)境測量的方式能全面掌握學(xué)生處在相應(yīng)環(huán)境中的不同變化.

開始上課前，開啟實驗儀器對教室內(nèi)熱環(huán)境進行持續(xù)檢測，為使數(shù)據(jù)更加準確，更精準的掌握學(xué)生熱感覺，第1次問卷調(diào)查安排在課前，此時學(xué)生進入教室時間較短，沒有熟悉教室溫度，所測得的數(shù)據(jù)為學(xué)生對教學(xué)建筑環(huán)境最初的判斷.第1次調(diào)查后，開始進行正常的教學(xué)活動，在此期間實驗者持續(xù)觀察學(xué)生行為，例如衣物增減情況、情緒、上課狀態(tài)等.課后，進行第2次主觀問卷調(diào)查，此時學(xué)生已熟悉周圍空氣環(huán)境，再綜合教室內(nèi)空氣和濕度等環(huán)境的變化，得出的綜合熱感覺投票.第2次主觀問卷調(diào)查后回收問卷，實驗結(jié)束.

本實驗采用現(xiàn)場環(huán)境測試與主觀問卷調(diào)查相結(jié)合的調(diào)查手段，在對教室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進行測試的同時，對正在上課的學(xué)生進行問卷調(diào)查，其中被試者年齡在18～22歲之間，身體健康狀況良好，無不良嗜好.教室內(nèi)熱環(huán)境測試參數(shù)主要包括空氣溫濕度、空氣流速、黑球溫度、二氧化碳濃度等.通過主觀調(diào)查和客觀環(huán)境測量的方式能全面掌握學(xué)生處在相應(yīng)環(huán)境中的不同變化.

1.2 驗證方法

本文將得出的PMV(預(yù)測熱感覺)模型、aPMV(預(yù)測熱感覺適應(yīng)性)模型和TSV(實際熱感覺)模型相對比，aPMV曲線更接近于TSV曲線表明針對于少數(shù)民族制定的波動性氣候自適應(yīng)系數(shù)的調(diào)解結(jié)果較為準確.

2 調(diào)研測試結(jié)果分析

2.1 室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)分析

教室內(nèi)的空氣溫度(Ta)、黑球溫度(Tp)、空氣速度(v)和濕度(ρ)見表1，教室內(nèi)平均空氣溫度為17.2 ℃，低于供暖標準，最小值為13.6 ℃與舒適區(qū)間相差較大.可見在氣候分區(qū)為寒冷地區(qū)的大連，學(xué)生一直處于較冷的環(huán)境下學(xué)習.

表1 室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)

經(jīng)計算，如圖1所示，16 ℃～17 ℃占60%，16 ℃以下占40%，室內(nèi)平均溫度16 ℃，遠低于ASHRAE-55《人類居住熱環(huán)境條件》中規(guī)定20.0 ℃～23.5 ℃的冬季舒適區(qū)溫度范圍. 如圖2所示，室內(nèi)平均濕度為33%，在20%～45%的范圍內(nèi)較多，相對濕度在ASHRAE 55—2004《熱環(huán)境條件下的人群入住》規(guī)定的20%～60%范圍內(nèi).如圖3所示，0.05 ～0.10 m/s占70%，空氣平均速度為0.08 m/s,整體風速都較低，學(xué)生感覺較舒適.

圖1 教室內(nèi)溫度分布頻率

圖2 教室內(nèi)相對濕度百分比

圖3 教室內(nèi)風速分布頻率

2.2 熱舒適性分析

由室內(nèi)空氣溫度、氣流速度、相對濕度、平均輻射溫度、服裝熱阻和新陳代謝率計算得到的預(yù)計平均熱感覺指數(shù)PMV，是預(yù)測反映被試者熱感覺的重要指標.而少數(shù)民族與漢族在相同環(huán)境下的熱感覺上，存在著很大的差異.由圖4所示，落在ASHRAE 7級標準中-0.5～0.5的舒適區(qū)之間的散點較少，總體上少數(shù)民族和漢族在教室內(nèi)的舒適性不高，根據(jù)下文中PMV-PPD預(yù)測以及熱感覺投票，學(xué)生普遍感覺較冷.

圖4 少數(shù)民族、漢族PMV與服裝熱阻回歸模型

根據(jù)表2，在PMV與服裝熱阻回歸模型中，當學(xué)生處于熱中性狀態(tài)(即PMV=0)時，少數(shù)民族學(xué)生衣服熱阻為1.98 clo；漢族學(xué)生衣服熱阻為2.18 clo,二者都遠高于被測學(xué)生的平均衣服熱阻1.53 clo.因此，預(yù)測學(xué)生在教室內(nèi)的舒適程度較低.且由上述模型可知，漢族PMV與服裝熱阻的相關(guān)性較強，對于漢族學(xué)生來說，衣服的增減對他們熱舒適的影響更顯著，因此少數(shù)民族與漢族的熱舒適性存在差異，少數(shù)民族學(xué)生對衣物改變適應(yīng)性的依賴較小.

表2 PMV與服裝熱阻回歸方程

本文在將數(shù)據(jù)統(tǒng)計預(yù)測的同時，還將少數(shù)民族學(xué)生和漢族學(xué)生的熱感覺投票和熱不滿意率進行了對比.由圖5和表3回歸方程所示，取滿意度為80%，冬季教室內(nèi)可接受溫度，漢族與少數(shù)民族分別為18.0 ℃和18.5 ℃；取滿意度為90%，冬季教室內(nèi)可接受溫度，漢族與少數(shù)民族分別為18.7 ℃和19.4 ℃.由此得知，漢族滿意的舒適溫度區(qū)間為18.0 ℃～18.7 ℃，少數(shù)民族滿意的舒適度區(qū)間為18.5 ℃～19.4 ℃.對本次調(diào)研樣本的統(tǒng)計得到，教室內(nèi)落到舒適區(qū)間的樣本較少，室內(nèi)環(huán)境需得到改善.

圖5 少數(shù)民族、漢族PPD與溫度回歸模型

表3 PPD與室內(nèi)溫度回歸方程

本文根據(jù)ASHRAE 7級標準，將本次測試的學(xué)生的預(yù)測熱感覺(PMV)與熱感覺投票(TSV)比例分配如圖6、7所示. (PMV 與TSV為熱感覺衡量等級指數(shù)，一般從-3～+3劃分，從小到大分別對應(yīng)冷、涼、微涼、適中、微暖、暖和熱)學(xué)生的預(yù)測熱感覺大部分都在熱中性(標尺為0)以下.圖7中在-1～1這3個可接受舒適度標尺中，少數(shù)民族學(xué)生占86.96%，漢族學(xué)生占81.03%，少數(shù)民族學(xué)生有較高的適應(yīng)性.因此漢族對大連地區(qū)的新環(huán)境有較低的滿意率，是因為本校少數(shù)民族生源多來自嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)以及夏熱冬冷地區(qū)，而漢族多來自夏熱冬暖、溫和地區(qū)，因生活環(huán)境相差較大導(dǎo)致滿意率不近相同.

圖6 預(yù)測熱感覺(PMV)比例分配

圖7 熱感覺投票(TSV)比例分配

由室內(nèi)空氣與預(yù)計平均熱感覺指數(shù)PMV擬合的模型，也是預(yù)測反映被試者熱感覺的重要指標.少數(shù)民族學(xué)生在氣候波動條件下，對環(huán)境的感知也存在著很大的差異.如圖8～10所示，PMV與TSV的回歸曲線之間相差較大，這說明由于學(xué)生自身的適應(yīng)性，PMV已經(jīng)不能準確預(yù)測學(xué)生熱感覺.

圖8 回族PMV、TSV與溫度回歸模型

當TSV=0,PMV=0時,回族、蒙古族和土家族實際和預(yù)測熱中性溫度見表4～6,學(xué)生的實際熱感覺因自身對于長期生活環(huán)境的適應(yīng)性，投票值TSV明顯與PMV相差較大，其中土家族實際熱中性溫度最低，原因是生長在中國南方地區(qū)的少數(shù)民族由于長期沒有供暖，身體產(chǎn)生了相應(yīng)的適應(yīng)性；回族實際熱中性溫度最高，原因是長期使用輔助溫度調(diào)節(jié)設(shè)施，人們冬季對抗自然溫度的能力較低，需要更高的室內(nèi)溫度來保持熱舒適.

表4 PMV、TSV與溫度擬合數(shù)據(jù)(回族)

圖9 蒙古族PMV、TSV與溫度回歸模型

表5 PMV、TSV與溫度擬合模型(蒙古族)

圖10 土家族PMV、TSV與溫度回歸模型

表6 PMV、TSV與溫度擬合模型(土家族)

2.3 熱感覺適應(yīng)性模型

PMV在-1～0之間占41%，-2～-1之間占45%，與TSV分析結(jié)果相悖，這樣的結(jié)果說明PMV與TSV之間存在差異.PMV模型并不能準確預(yù)測少數(shù)民族學(xué)生教室內(nèi)的平均熱感覺，其中人們自身產(chǎn)生的對環(huán)境的適應(yīng)性是重要的原因.預(yù)測平均熱感覺aPMV模型，給出了自適應(yīng)系數(shù)λ(λ反映了人體采取的自適應(yīng)調(diào)節(jié)水平,λ絕對值越大自適應(yīng)水平越高)將PMV與aPMV聯(lián)系在一起[15]，如下式所示：

(1)

根據(jù)數(shù)據(jù)對比，本?；刈濉⒚晒抛搴屯良易鍖W(xué)生適應(yīng)性存在明顯差異，對于問卷調(diào)查數(shù)據(jù)，利用最小二乘法[9]求得自適應(yīng)系數(shù)見表7.

表7 各少數(shù)民族λ值參考值

3個少數(shù)民族λ絕對值總體比較，土家族>蒙古族>回族，土家族的人們對波動的熱環(huán)境適應(yīng)能力最強，回族最弱.土家族居住在中國夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)屬于中國南方地帶，普遍冬季沒有供暖，夏季悶熱、冬季濕冷的氣候環(huán)境使得居住在那里的人們有較高的適應(yīng)能力.而居住在中國最北方地區(qū)以及中原地帶的回族因為日常有較高的服裝熱阻來抵御寒冷，在氣候波動時表現(xiàn)出較弱的適應(yīng)性.

將各氣候分區(qū)的少數(shù)民族λ值帶入到式(1)中并將aPMV與溫度進行擬合.

回族：

(2)

蒙古族：

(3)

土家族：

(4)

如式(2)～(4)所示，根據(jù)現(xiàn)場問卷調(diào)查及測試所得出的aPMV相對于PMV更接近少數(shù)民族學(xué)生的實際熱感覺，能夠更準確預(yù)測少數(shù)民族學(xué)生的熱感覺，幫助各地區(qū)少數(shù)民族學(xué)生更快適應(yīng)大連沿海地區(qū)冬季環(huán)境，準確調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度.對于教室內(nèi)溫度較低、教室內(nèi)空氣流速較低的情況，建議學(xué)校采取有效的供暖設(shè)備，屋內(nèi)采取新風系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生情況來控制空氣流速，提高學(xué)習效率.

2.4 熱感覺適應(yīng)性模型驗證

根據(jù)圖11～13，相比于PMV模型，aPMV模型的曲線更接近于熱感覺投票值TSV，這表明針對于少數(shù)民族制定的波動性氣候自適應(yīng)系數(shù)的調(diào)解結(jié)果較為準確.但還需進一步加強實驗方案設(shè)計以及擴大調(diào)查范圍，使結(jié)果更為準確.

圖11 回族PMV、aPMV、TSV對比

圖12 蒙古族PMV、aPMV、TSV對比

圖13 土家族PMV、aPMV、TSV對比

3 結(jié) 論

1)漢族PMV與服裝熱阻的相關(guān)性較強，對于漢族學(xué)生來說，衣服的增減對他們熱舒適的影響更顯著.冬季教室內(nèi)可接受溫度，漢族與少數(shù)民族分別為18.0 ℃和18.5 ℃；取滿意度為90%，冬季教室內(nèi)可接受溫度，漢族與少數(shù)民族分別為18.7 ℃和19.4 ℃.由此得知，漢族滿意的舒適溫度區(qū)間為18.0 ℃～18.7 ℃，少數(shù)民族滿意的舒適度區(qū)間為18.5 ℃～19.4 ℃.對本次調(diào)研樣本的統(tǒng)計得到，教室內(nèi)落到舒適區(qū)間的樣本較少，室內(nèi)環(huán)境需得到改善.

2)PMV模型并不能準確預(yù)測少數(shù)民族學(xué)生教室內(nèi)的平均熱感覺，其中適應(yīng)性是產(chǎn)生差異的主要原因.因此本文為少數(shù)民族學(xué)生提出了預(yù)計適應(yīng)性平均熱感覺aPMV模型，模型中給出回族、蒙古族和土家族λ參考值，分別為-0.79、-0.90、 0.97，并闡明了產(chǎn)生差異的原因.本文提出的各氣候分區(qū)少數(shù)民族適應(yīng)性模型能準確預(yù)測學(xué)生的熱舒適度.

3)民族院校中，少數(shù)民族占全校學(xué)生總數(shù)的半數(shù)以上，為使少數(shù)民族加快適應(yīng)波動的氣候環(huán)境，以實際熱中性溫度為標準，通過安裝新風系統(tǒng)、改善室內(nèi)取暖設(shè)備等措施，個性化的建立實驗室熱工改造方案.