人與建筑氣候-基于人的思考

第一部分人·建筑·氣候——基于人的思考建筑熱環(huán)境氣候與熱環(huán)境——建筑師難以回避的問題氣候與熱環(huán)境——建筑師難以回避的問題氣候與熱環(huán)境——建筑師難以回避的問題建筑熱環(huán)境高技派建筑大師與鄉(xiāng)土派建筑大師第一章人與建筑

Humanandbuilding1.1人的熱舒適/ThermalComfort由建筑塑造的室內(nèi)熱環(huán)境不僅為人的生存提供了保障，而且使人在此基礎(chǔ)上可以獲得更高的舒適度1.1.1生存/Survival

人是一種高度復(fù)雜的恒溫動物人對環(huán)境有適應(yīng)性的生理反應(yīng)適應(yīng)性局限在一定的范圍之內(nèi)人體更適應(yīng)熱帶氣候活的人體會不斷發(fā)出熱量。如果這種熱量不能通過傳導(dǎo)，對流和輻射而散熱的話，人體就會感到不適，嚴(yán)重時至于極度難受，最終生理功能停止。人體體溫范圍

肝臟：最高，38℃

皮膚：與外界環(huán)境有關(guān)各部分溫差不會太大日夜有1℃以內(nèi)的波動代表溫度：核心溫度1.1.2熱舒適舒適就是將人從熱難受中解脫出來對舒適，不同的人有不同的反應(yīng)（主觀感覺特征）熱平衡是人感到舒適的必備條件如果緊鄰的外部環(huán)境引起過多的傳導(dǎo)、對流和輻射熱量損失，也會產(chǎn)生不舒適感。人在不同活動狀態(tài)下，所要求的舒適溫度是不同的睡覺（產(chǎn)熱量為70~80W）時需要的空氣平衡溫度為28℃坐著（產(chǎn)熱量為100~150W）時需要的空氣平衡溫度為20~25℃馬拉松運(yùn)動員產(chǎn)熱量為1000W，體溫可達(dá)40~41℃，無論環(huán)境溫度如何，都極不舒適人體的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)

下丘腦具有調(diào)節(jié)代謝、體溫和內(nèi)分泌功能，前部主要促進(jìn)散熱來降溫，后部促進(jìn)產(chǎn)熱抵御寒冷。散熱調(diào)節(jié)方式血管擴(kuò)張，增加血流，提高表皮溫度出汗御寒調(diào)節(jié)方式血管收縮，減少血流，降低表皮溫度通過冷顫增加代謝率人體的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)

下丘腦前后部是相互制約起作用的，需要同時利用核心溫度和皮膚溫度信號來決定調(diào)節(jié)方式。人的體溫設(shè)定值隨肌肉活動強(qiáng)度而改變

在體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常工作時，增加環(huán)境溫度并不能提高人體的核心溫度（直腸溫度）。只有改變代謝率才能改變?nèi)梭w核心溫度。體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理熱感覺

研究方法：心理學(xué)定義：人對周圍環(huán)境“冷”“熱”的主觀描述。特點(diǎn)：盡管人描述環(huán)境的冷熱，實際上只能感覺到自己皮膚下神經(jīng)末梢的溫度。所以“冷”“熱”與感受者的身體狀態(tài)有關(guān)，不是完全客觀的。“中性”的定義：不冷不熱，人用于體溫調(diào)節(jié)消耗的能量最小。人體的溫度感受系統(tǒng)20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)人的皮膚上存在對冷敏感的區(qū)域“冷點(diǎn)”和對熱敏感的區(qū)域“熱點(diǎn)”人體各部位的冷點(diǎn)數(shù)目明顯多于熱點(diǎn)為什么人對冷更敏感？50mV人體各部位冷點(diǎn)和熱點(diǎn)分布密度(個/cm2)參考文獻(xiàn)：H.Hensel,ThermoreceptionandTemperatureRegulation,London:AcademicPress,1981冷、熱感受器的位置

冷、熱感受器存在于：外周溫度感受器皮膚粘膜內(nèi)臟中樞性溫度敏感神經(jīng)元脊髓延髓腦干網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)冷、熱感受器的位置實驗感覺熱

感覺冷人體熱平衡與熱舒適人體作為室內(nèi)的一部分參與到室內(nèi)的熱交換人體與室內(nèi)的熱交換主要以對流和輻射方式進(jìn)行室內(nèi)氣候?qū)θ梭w熱舒適的影響主要表現(xiàn)為冷熱感冷熱感取決于人體新陳代謝產(chǎn)生的熱量和人體向周圍環(huán)境散熱量之間的平衡關(guān)系人體熱平衡方程熱舒適的條件Δq=0Δq>0時，體溫上升Δq<0時，體溫下降人體按正常比例散熱對流換熱占25～30％輻射散熱占45～50％呼吸和無感覺蒸發(fā)散熱占25～30％人體正常熱平衡人體負(fù)荷熱平衡1.2人體熱平衡的影響因素人體新陳代謝產(chǎn)熱量qm：主要取決于人體的新陳代謝率及對外作機(jī)械功的效率，單位為W/m2，亦常用met表示，1met=58.2W/m2對流換熱量qc

：人體平均皮膚溫度高于空氣溫度時，qc為負(fù)值，反之為正。此外，氣流速度對人體的對流換熱影響很大，服裝也有影響人體外層溫度皮膚溫度 狀態(tài)

45

℃以上 皮膚組織迅速損傷 43~41

℃ 被燙傷的疼痛感 41~39

℃ 疼感域 39~37

℃ 熱的感覺 37~35

℃ 開始有熱的感覺 34~33

℃ 休息時處于熱中性狀態(tài),熱舒適 33~32

℃ 2-4met的(中等)運(yùn)動量時感覺舒適32~30

℃ 3-6met的(較大)運(yùn)動量時感覺舒適31~29℃ 坐著時有不愉快的冷感 25℃

(局部) 皮膚喪失感覺 20

℃(手) 非常不快的冷感覺 15

℃(手) 極端不快的冷感覺 5

℃(手) 伴隨疼感的冷感覺輻射換熱量qr

：著衣體表面與周圍環(huán)境表面間進(jìn)行，當(dāng)人體溫度高于周圍表面溫度時，人體失熱，qr為負(fù)值，反之為正蒸發(fā)散熱量qw：由無感蒸發(fā)散熱量（肺部呼吸和皮膚的隱汗蒸發(fā)）與有感顯汗蒸發(fā)散熱量組成人體與外界的熱交換

人體與外界的熱交換顯熱交換對流散熱輻射散熱潛熱交換皮膚散濕出汗蒸發(fā)皮膚濕擴(kuò)散呼吸散濕影響人體熱感覺的因素四項環(huán)境因素的影響空氣溫度濕度空氣運(yùn)動平均輻射溫度兩項主觀因素的影響新陳代謝率服裝熱阻

服裝的熱阻Icl

一般指顯熱熱阻單位m2K/W和clo，其中1clo=0.155m2K/W

已知單件服裝熱阻：Icl=0.161+0.835

Iclu,i

服裝的熱阻Icl

人運(yùn)動時由于人體與空氣之間存在相對流速，會降低服裝的熱阻。

Icl=0.504Icl+0.00281Vwalk–0.24

椅子給人增加0.15clo以下熱阻

Icl=7.48

10–5CSAC–0.1步速3.7km/h1clo0.48clo舒適服裝熱阻與環(huán)境溫度、相對風(fēng)速、活動強(qiáng)度的關(guān)系還要注意不同人對舒適感的差異瞬感現(xiàn)象衣著狀況個體狀況適應(yīng)性種族差異年齡差異恒定與變化人與建筑——人的舒適性室內(nèi)熱環(huán)境大致可分為：舒適的可以忍受的不能忍受的通常能接受的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是低耗能率、不出汗、不冷顫。熱舒適可以與一定范圍的環(huán)境因素連系起來，在這個范圍內(nèi)借助調(diào)節(jié)衣著或者身體的活動程度或者兩者同時調(diào)節(jié)來達(dá)到良好的熱舒適。人與建筑——人的舒適性建筑的主要功能是提供舒適的室內(nèi)環(huán)境建筑物應(yīng)該提供可控環(huán)境。

1.3熱環(huán)境的量化參數(shù)及測量單一指標(biāo)任何一項單項因素都不足說明人體對熱環(huán)境的反應(yīng)。綜合指標(biāo)科學(xué)家們長期以來就一直渴望用一個單一的參數(shù)來描述這種反應(yīng)，這個參數(shù)叫做熱舒適指數(shù)（ThermalComfortIndices），它綜合了同時起作用的全部因素的效果。單一指標(biāo)空氣溫度室內(nèi)最適宜的溫度是20~24℃，在人工空調(diào)環(huán)境下，冬季溫度控制在16~22℃，夏季控制在24~28℃，并以此作為室內(nèi)計算溫度室內(nèi)溫度低于16℃，人的手指溫度將低于25℃，無法正常工作和寫字高于30℃，人體的活動也將受不良影響溫度場的水平和垂直分布對人的舒適性也產(chǎn)生影響室內(nèi)實際溫度則由房間內(nèi)得熱和失熱、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度及通風(fēng)等因素構(gòu)成的熱平衡所決定，設(shè)計者的任務(wù)就在于使實際溫度達(dá)到室內(nèi)計算溫度垂直溫差

盡管受試者處于熱中性狀態(tài)，頭足溫差仍然使人感到不舒適。20℃28℃垂直溫差

游泳池地面應(yīng)該保持的溫度是多少？垂直溫差

ASHRAEHandbook：地板溫度和不滿意度的關(guān)系空氣濕度直接影響人的呼吸器官和皮膚出汗，影響人體的蒸發(fā)散熱在舒適區(qū)內(nèi)（干球溫度為16~25℃時），相對濕度在30~70%范圍內(nèi)變化對熱感覺影響不大干球溫度大于29℃，人體需要出汗來散熱時，空氣濕度影響較大一般認(rèn)為最適宜的濕度是50~60%，如濕度過低（低于30％）則人會感到干燥、呼吸器官不適；濕度過高則影響正常排汗，尤其在夏季高溫時，如濕度過高（高于70％）則汗液不易蒸發(fā)，最令人不舒適?？諝饬鲃邮覂?nèi)風(fēng)速大于1.5m/s時，風(fēng)速太大不舒適熱區(qū)室內(nèi)風(fēng)速在0.3~1m/s內(nèi)，多數(shù)人感到愉快冷區(qū)氣流速度小于0.3m/s，較舒適夏季利用自然通風(fēng)的房間,由于室溫較高，舒適的氣流速度也應(yīng)較大。氣流與

吹風(fēng)感draught

定義：人體所不希望的局部降溫但在“中性－熱”環(huán)境下吹風(fēng)往往是愉快的其它不舒適的原因

局部壓力干擾冷顫出現(xiàn)氣流與

吹風(fēng)感draught

人頭頂上的自然對流速度是0.2m/s，所以是人體對風(fēng)速可以覺察到的閾值，往往用來確定室內(nèi)風(fēng)速的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)空氣流速≤0.5m/s，麥金太爾(1979)等研究者的實驗表明，只要把空氣溫度調(diào)整得合適（提高空氣溫度），就可以使空氣的流動幾乎覺察不到。平均輻射溫度室內(nèi)熱輻射的強(qiáng)弱通常用“平均輻射溫度”（Tmrt）代表。平均輻射溫度即室內(nèi)對人體輻射熱交換有影響的各表面溫度的平均值。一個假想的等溫圍合面的表面溫度，它與人體間的輻射熱交換量等于人體周圍實際的非等溫圍合面與人體間的輻射熱交換量。=人體體內(nèi)溫度36.5℃人體裸露皮膚溫度32~33℃建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均溫度為27.5℃如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度上升到33.5℃以上，人體不但不能向外輻射散熱，反而接受圍護(hù)結(jié)構(gòu)的長波輻射熱，人體就會感到很熱冬季，室外空氣平均溫度為14℃，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均溫度為17℃人體裸露皮膚溫度32~33℃人體體內(nèi)溫度36.5℃溫度梯度溫度梯度大，散熱快濕熱——空氣相對濕度達(dá)90%以上，即使空氣溫度達(dá)27.5℃，人體也感覺很悶熱濕冷——冬天，相對濕度大于80%的濕冷日子較長，即使空氣溫度達(dá)13℃，如果相對濕度大于95%，人體就感覺寒冷物質(zhì)水干空氣水蒸氣導(dǎo)熱系數(shù)0.5970.02610.0245“濕冷”的原因是水蒸氣對長波輻射熱有很強(qiáng)的吸收能力輻射不均勻性

向量輻射溫度：室內(nèi)兩部分的平均壁面溫度差向量輻射溫度超過10℃，人就感到不舒適輻射不均勻性

輻射吹風(fēng)感：房間內(nèi)局部低溫輻射導(dǎo)致人體所不希望的局部降溫面對冷表面的平均輻射溫度比其它部分部分的平均輻射溫度低8K以上，將使人感到不舒適8K熱環(huán)境各個因素是互不相同的物理量，但對人們的熱感覺來說，它們相互之間又有著密切的關(guān)系；改變其中一個因素往往可以補(bǔ)償其他因素的不足，如室內(nèi)空氣溫度低而平均輻射溫度高，和室內(nèi)空氣溫度高而平均輻射溫度低的房間就可以有同樣的熱感覺。綜合指標(biāo)作用溫度有效溫度熱應(yīng)力指標(biāo)預(yù)測平均熱感覺指標(biāo)作用溫度綜合了室內(nèi)氣溫和平均輻射溫度對人體的影響，作用溫度可用公式表示為

作用溫度有效溫度ET為室內(nèi)氣溫，空氣濕度和室內(nèi)風(fēng)速在一定組合下的綜合指標(biāo)。綜合熱輻射的影響，用黑球溫度代替空氣溫度，得到修正的有效溫度（CorrectedEffectiveTemperature）ET對熱環(huán)境研究具有深遠(yuǎn)影響，但是在低溫區(qū)過高的估計了濕度對熱感覺的影響SET包含四個物理變量和兩個個人變量，適用的熱環(huán)境范圍廣泛，計算復(fù)雜PMV包含四個物理變量和兩個個人變量，離熱舒適較近的范圍精確度高WBGT僅包含客觀物理量的指標(biāo)，不受個人變量的影響，容易操作和推廣熱應(yīng)力指標(biāo)（heatstressindex）

根據(jù)人體熱平衡的條件，先求出在一定熱環(huán)境中人體所需的蒸發(fā)散熱量，然后再計算在該環(huán)境中最大可能的蒸發(fā)散熱量，以這二者的百分比作為熱應(yīng)力指標(biāo)，它提供了一種按照人體活動產(chǎn)熱、衣著及周圍熱環(huán)境對人的生理機(jī)能綜合影響的分析方法。預(yù)測平均熱感覺指標(biāo)PMV（predictmeanvote）在不同熱環(huán)境下的熱感覺試驗結(jié)果，并以人體熱平衡方程為基礎(chǔ)，認(rèn)為人的熱感覺是熱負(fù)荷（產(chǎn)熱率與散熱率之差）的函數(shù)，而且人在舒適狀態(tài)下應(yīng)有的皮膚溫度和排汗散熱率分別與產(chǎn)熱率之間存在相對應(yīng)關(guān)系，它們之間的數(shù)值關(guān)系為：

預(yù)測不滿意百分比（PPD-PredictedPercentDissatisfied）最有用的方法是將舒適區(qū)在空氣濕度圖上具體化顯示出來。所顯示的舒適區(qū)應(yīng)允許在該范圍內(nèi)有相當(dāng)?shù)牟町?。人與建筑——人的舒適性舒適區(qū)可以因通風(fēng)和蒸發(fā)冷卻向上延伸至所示范圍

ABCDE貝氏溫標(biāo)ASHRAEPMV過分暖和7熱7熱+3太暖和6暖6暖+2舒適的暖和5稍暖5稍暖+1舒適4正常4熱舒適0舒適的涼快3稍