南京传统民居建筑人体适应性热舒适研究

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人体适应性热舒适理论由于其具备统计经验优势、相比于传统PMV-PPD模型更加准确等优点,正受到全球热舒适领域研究的广泛应用。但由于存在其仍属于“黑箱”模型、内在机理尚未完全清晰、数据库覆盖建筑类型缺乏传统民居建筑等问题,同时传统PMV-PPD模型忽略了太阳辐射因素,限制了适应性热舒适理论的发展和应用。针对上述问题,本文通过现场调研、环境实测、数值模拟相结合的研究方法,揭示了适应性人体热舒适行为调节、心理适应、生理习服对人体热舒适的影响规律,初步对适应性热舒适模型在南京地区传统民居建筑的应用“灰箱化”或“白箱化”,充分揭示其内在机理,提出了南京传统民居适应性人体热舒适模型,并提出了冬夏季热舒适范围,并将其初步应用于南京小西湖地区传统民居室内热环境评价和部分设计参数优化,丰富和完善了人体热舒适全球数据库,并为热适应理论提供了一定的研究基础和指导意义。首先,本文在南京小西湖地区传统民居聚落展开热环境现场实测和热舒适现场调查,初步探讨了南京地区传统民居居民的热舒适现状和热适应规律。结果表明,当地居民对当地气候产生了适应性,其热中性温度(14.44℃)低于ASHRAE标准和冬季现代住宅居民的热中性温度。夏季热中性温度(27.63℃)亦高于ASHRAE标准和夏季现代住宅居民的热中性温度。传统民居居民的热敏感性低于现代住宅居民,80%可接受室内操作温度范围较宽(冬季5~23.1℃,夏季24.7~31.7℃),冬季热期望温度高于热中性温度,夏季热期望温度和热中性温度相同。传统民居居民因长期处于冬季寒冷的室内环境下,形成的生理习服使其冬季需求因子为0.7,低于夏季的0.8。其次,本文在传统PMV-PPD基于的人体热平衡方程中引入了太阳辐射修正项,并分别在冬季北京某集中供暖的办公建筑和夏季南京某办公建筑中进行了热舒适现场调研,验证了修正后PMV模型的准确性。结果表明,修正后的PMV*指数与实际热感觉(TSV)吻合并与修正后的室内操作温度具有线性关系,但当室内操作温度低于18°C、高于30°C时,修正后的PMV*指数仍然会因为忽略了人体自适应能力,从而低估冬季实际热感觉、高估夏季实际热感觉。仅对基于人体热平衡方程的PMV-PPD模型进行物理参数的修正无法准确评价恶劣环境下人体热舒适。随后,本文针对“感知控制”这一心理因素对人体热舒适性的影响,先后通过夏热冬冷地区两栋住宅冬季热舒适现场调研和人工气候实验室的实验,从“有无影响”、“影响大小”、“定量分析”的角度分析了心理适应对热舒适的影响。结果表明,夏热冬冷地区采用分体式空调供暖方式的住宅中居民热感觉通常高于集中供暖住宅中居民热感觉,从引导热舒适的角度,中国北方的集中供暖标准不宜直接应用于南方长江流域。冬季,采用分体式空调和集中供暖系统的住宅楼中居民的热中性温度分别为16.9°C和18.6°C。热偏好温度分别为15.8°C和19.7°C。应考虑给予建筑室内居民或使用者以自由调节室内温度等多种控制途径,有利于降低居民的热偏好温度和供暖能耗。当冬季室内操作温度偏离18°C、夏季室内操作温度偏离26°C时,具有感知控制受试者热感觉比无感知控制的受试者更接近热中性。感知控制的作用效果与室内操作温度成线性关系。再次,本文基于前文的生理习服、行为调节、心理适应以及太阳辐射对人体热舒适的影响,建立了基于南京传统民居建筑的适应性人体热舒适模型,并据此提出了热舒适范围,并验证了该模型的准确性。结果表明,居民热舒适需求在不同季节有所不同,传统民居居民冬、夏季需求因子和热舒适范围存在季节性差异,南京传统民居人体热舒适模型热满意度评价结果与现场调研主观评价结果接近。本模型兼具PMV-PPD模型的物理优势和热适应模型的统计经验优势,对包括夏热冬冷地区混合模式住宅的热舒适评价结果较为准确。最后,本文应用上述模型定量评价传统民居室内热湿环境的舒适性,并使用Energy Plus软件对南京传统民居代表性建筑进行了全年热环境模拟,并用适应性人体热舒适模型对其冬夏季热舒适度进行了评价和分析,随后用正交试验法对南京传统民居的外墙体保温、南向窗遮阳、窗玻璃类型、建筑朝向四个设计参数进行了优化模拟研究,结果表明:南京传统民居室内热环境夏季舒适度较高,且高于现代住宅建筑,冬季室内热环境则与现代住宅建筑一样较为恶劣。在全年自由工况下,基于人体热舒适,南京传统民居建筑围护结构最优组合方案为:外墙EPS 40 mm厚保温+南向窗0.2 m外遮阳+Low-e中空玻璃+建筑朝向为南偏西10°,各参数对全年热舒适影响大小排序为:窗玻璃类型>建筑朝向>南向窗外遮阳>外墙保温,与冬季热舒适影响因素的极差值排序相同,窗玻璃类型是影响传统民居室内人体热舒适的主要因素,提高窗玻璃保温隔热性能对提升冬季乃至全年热舒适有较高意义。
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