拉萨市建筑室内湿环境现状及人员湿舒适特征分析*

胡家乐 王莹莹 王登甲 宋 聪 刘艳峰

(1.绿色建筑全国重点实验室,西安;2.西安建筑科技大学,西安)

0 引言

西藏高原地区冬季不仅低温寒冷、低压缺氧,而且极度干燥。西藏自治区气象局数据显示,西藏冬季最冷月相对湿度平均值低于10.0%[1],大多数情况下仅为3.0%～5.0%左右,远远低于人体可承受的下限,对人体呼吸系统、心肺功能产生不可逆的损伤,严重影响在藏人群的正常生活,甚至危及其生命健康。因此,西藏高原建筑室内湿环境营造是与冬季供暖同等重要的民生问题。

解决该问题的第一步应是认识问题,即明确高原建筑室内湿环境现状及需求。此前,众多学者对西藏高原建筑室内湿环境进行了测试调研[2-5]。Yu等人发现全年约55.0%时间内西藏各类典型建筑的室内相对湿度低于40.0%,最低仅为2.0%[6];Huang等人对冬季拉萨市传统建筑的室内湿度进行了测试,最低相对湿度为15.0%[7];王登甲等人的实验数据显示,拉萨市乡村居住建筑和城市建筑的冬季室内相对湿度日平均值仅为25.6%和22.0%[8];Sun等人发现藏式传统建筑冬季室内相对湿度主要分布于30.0%以下[9]。但上述研究大多为室内相对湿度参数的基础测试,较少涉及人员主观湿需求与湿环境调控技术调研,未能实现对高原建筑室内湿环境的全面分析。Psomas等人[10]和Zhang等人[11]对室内湿环境特性与人员湿需求等给出了较为明确的研究思路。

本文选取西藏自治区拉萨市各类典型建筑为研究对象,采用现场测试和问卷调研相结合的方式,分别从室内湿环境参数变化、湿主观评价投票、湿环境调控技术等方面对高原建筑室内湿环境特性与需求进行量化分析,期望为后续高原适宜性湿环境营造设计参数的选取提供数据支撑。

1 调研方法与内容

通过现场测试和问卷调研相结合,对西藏拉萨市及其周边各类建筑湿环境现状进行调研。调研区域主要集中于拉萨市城关区、堆龙德庆区和达孜区(见图1),其中城关区调研对象主要为居住建筑与商场、酒店民宿等公共建筑,堆龙德庆区和达孜区调研对象为传统民居和村委会办公建筑。

图1 拉萨市高原建筑室内湿环境调研对象分布图

根据拉萨市典型年气象数据[12]可知,当地空气温度和相对湿度的极值出现时间基本相似,即最大值和最小值分别出现于夏季和冬季。为保证调研结果尽可能包含拉萨市极端湿度水平,分别于2020年11月10—25日、2021年8月11日至9月14日和2021年12月1—26日开展调研工作。

1.1 湿环境测试参数及仪器

对各类调研建筑室内外空气温度、相对湿度和风速等环境参数进行测试,测点分别布置于距离地面0.1、0.6、1.1 m高度处。测试周期为24 h,时间间隔设置为15 min。测量仪器为TR-72wb温湿度记录仪,温度和相对湿度的测量范围(-25.0～70.0 ℃、0～99%)和测量精度(±0.1 ℃、±1%)均满足GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》[13]相关要求。

1.2 湿环境问卷调研

问卷调研内容包括居住者的基本信息(性别、年龄、身高、体重等)、湿环境主观评价投票和湿环境调控措施。其中湿环境主观评价投票包括人员的湿感觉、湿舒适、湿期望及湿刺激明显部位(鼻子、嘴唇、眼睛、喉咙、皮肤)[14]的干燥程度。湿感觉投票采用ASHRAE的7级标度,湿舒适投票为5级标度,湿期望投票采用7级标度,各湿刺激明显部位干燥程度投票采用11级标度。湿环境调研问卷经调研人员与调研对象详细交流后,由调研对象填写。

2 室内湿环境测试结果

为便于对比,分别选取调研期间冬季和夏季典型30 d内建筑室内湿环境测试数据进行分析。

2.1 湿环境评价参数选取

对于地处高原地区的拉萨市而言,当地大气压力降低、空气密度减小,相对湿度为湿空气中所含水蒸气的质量与同压等温饱和水蒸气质量的比值,仅能反映湿空气接近同压等温饱和湿空气的程度,不同压力条件下相对湿度不具有可比性。含湿量为含有1 kg干空气的湿空气中所含水蒸气的质量,常用于等压条件下湿空气处理过程计算,但相同质量空气的体积会随压力变化,以空气质量为单位不能直观反映不同压力条件下室内湿环境水平差异。

一般情况下可认为建筑室内的空气体积为定量,若采用绝对湿度即单位体积的湿空气中所含水蒸气的质量,对比拉萨市与其他气压条件下城市的室内空气湿度水平,更能直接反映建筑室内单位体积空气的湿度水平。

当对比气压基本相同的拉萨市各类建筑室内空气湿度水平时,依旧可采用相对湿度和含湿量,而对比拉萨市与其他不同气压条件城市的建筑室内空气湿度时可采用上述的绝对湿度。由于拉萨市低气压条件下同温饱和湿空气的含湿量大,但空气密度小,当相对湿度相同时,拉萨市空气含湿量相比常压地区更大;而含湿量相同时,拉萨市空气的绝对湿度更小。

但即使拉萨市与其他北方城市的室内单位体积空气所含水蒸气质量相等,高原低气压条件下人体皮肤表面、呼吸道和眼部黏膜等部位的水分蒸发扩散速率加快,同时高原缺氧条件会直接影响人体外周血循环,加剧唇部等部位干裂,干燥环境对人体的生理刺激更为强烈。因此,考虑气压变化,对GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[15]中规定的上述湿度参数舒适范围进行简单换算,进而确定拉萨市建筑室内适宜的湿环境设计参数是不合适的。因为该参数的准确确定还与高原世居及外来人群对当地湿环境的湿舒适及适应机理有关,应结合高原低压极干条件下室内人员的湿环境反应机制进行深入研究,方可确定。

综上所述,本文暂且依旧采用GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[15]规定的温度和相对湿度限值对拉萨市室内湿环境进行分析,主要是为了得到室内湿环境水平现状。

2.2 冬季湿环境测试结果

拉萨市冬季建筑室内空气相对湿度随时间变化如图2所示。冬季室内日平均相对湿度变化范围为7.9%～27.9%,最低相对湿度仅为5.5%,调研期间97.1%时间点的相对湿度低于30.0%,其中36.7%、23.0%和21.1%的数据分别位于20.0%～25.0%、15.0%～20.0%和10.0%～15.0%的湿度区间(见图3)。

图2 冬季室内空气相对湿度变化特征

图3 冬季室内空气相对湿度区间分布

对比分析拉萨市与西安市[16]、北京市[17]等严寒和寒冷地区冬季供暖住宅室内绝对湿度(见图4),北京市冬季室内87.6%时间的绝对湿度位于4.0～6.0 g/m3区间,西安市81.5%时间的绝对湿度位于2.0～6.0 g/m3区间。拉萨市约80.0%时间的冬季住宅室内绝对湿度位于2.0～4.0 g/m3区间,且低于2.0 g/m3的绝对湿度占比超过10.0%。

图4 冬季室内空气绝对湿度各区间分布

因此,拉萨市冬季供暖住宅室内湿度水平明显低于其他北方城市,室内空气极端干燥。

冬季调研期间,室内平均温度变化范围为12.0～23.9 ℃(见图5),其中较高温度多出现在人员热需求高、供暖强度大的公共建筑,而较低温度基本出现在采用火炉取暖的传统民居。冬季室内空气温度各区间分布如图6所示,可以看出,约89.7%时间点的温度处于16.0～24.0 ℃,其中49.7%时间点的温度处于18.0～24.0 ℃。

图5 冬季室内空气温度变化特征

图6 冬季室内空气温度区间分布

冬季室内空气温湿度组合分布如图7所示。可以看出:冬季测试期间同时满足室内相对湿度不低于30.0%和温度处于18.0～24.0 ℃范围的时间点仅占比约2.0%;大部分温度高于15.0 ℃,而仅2.9%时间点的相对湿度高于30.0%。因此,不同于我国北方冬季供暖期室内环境营造仅考虑温度单一参数,拉萨市等高原地区冬季室内环境应进行温度和湿度组合调控,且相比进一步提高室内温度,提升湿度水平更能显著改善当地居民舒适性。

图7 冬季室内空气温湿度组合分布

2.3 夏季湿环境测试结果

拉萨市夏季温凉多雨,日平均相对湿度处于35.6%～68.6%范围内(见图8)。夏季测试数据中87.7%时间点的相对湿度处于40.0%～70.0%范围内(见图9),仅有0.7%时间点的相对湿度低于30.0%。

图8 夏季室内空气相对湿度变化特征

图9 夏季室内空气相对湿度各区间分布

夏季调研期间,室内日平均温度变化范围为20.1～26.5 ℃(见图10),略低于夏季舒适温度范围(24.0～28.0 ℃)。夏季室内空气温度各区间分布如图11所示,可以看出,86.1%时间点的温度处于22.0～28.0 ℃范围内,其中分别有58.1%和22.7%时间点的温度处于22.0～24.0 ℃和24.0～26.0 ℃范围内。因此,拉萨市夏季室内热环境较为凉爽舒适。

图10 夏季室内空气温度变化特征

夏季室内空气温湿度组合分布如图12所示,可以看出,超过70.0%的时间点大致处于夏季空气温度(24.0～28.0 ℃)和相对湿度(40.0%～70.0%)的组合舒适范围内,因此高原建筑夏季室内湿环境水平明显优于冬季。

图12 夏季室内空气温湿度组合分布

综上所述,拉萨市夏季室内空气相对湿度基本处于40.0%～70.0%范围,但冬季室内空气极端干燥,湿环境水平差,应考虑进行温度与湿度组合调控。在冬季,室内空气温度基本处于舒适范围的条件下,提高空气湿度更能有效提升室内人员舒适性。

3 室内人员湿主观投票

为显著反映人员对拉萨市室内湿环境的主观湿感受,选取室内湿环境水平更为恶劣的冬季,对拉萨市各类建筑室内人员开展湿主观问卷调研。

湿主观投票共得到来自698名受试者的有效样本,受试者的主要年龄区间为16～35岁,其中约35.0%的受试者来源地为拉萨市等西藏高原地区,其余受试者主要来自于四川、陕西、河南、甘肃、山东、云南和湖南等省份。调研受试者基本信息统计如图13所示,可以看出,受试者中女性和男性占比分别为44.4%和55.6%,且体质指数(BMI)处于正常范围的人数占比为64.8%。

图13 调研受试者基本信息统计

考虑不同来源地人群对拉萨市当地气候的适应性不同,将受试者按照近5年常居地分为高原长期居住人群和短期居住人群进行对比分析。

3.1 湿感觉投票

室内人员湿感觉投票如图14所示。可以看出:超过95.0%受试者的湿感觉投票处于中性(0)和很干燥(-3)之间;53.5%的长期居住人群感觉拉萨市冬季室内环境有点干燥、干燥、很干燥,短期居住人群的冬季中性(0)湿感觉投票占比低于长期居住人群约24.1%,但有点干燥、干燥和很干燥投票占比分别增加6.9%、18.3%和0.7%。因此,短期居住人群对于拉萨市冬季室内极端干燥环境的湿感觉更为敏感。

图14 室内人员湿感觉投票

3.2 湿舒适投票

湿舒适是人体对所处湿环境表示满意的意识形态,更能反映人体生理和心理上的满意、高兴和愉快[18]。室内人员湿舒适投票如图15所示。可以看出:近70.0%的长期居住人群认为拉萨市冬季室内湿环境舒适,但仍有20.4%的湿舒适投票为稍不舒适(1);短期居住人群中67.6%的湿舒适投票处于不舒适范围,其中稍不舒适、不舒适、很不舒适和不可忍受投票占比分别高于长期居住人群21.7%、8.5%、0.5%和6.0%。

图15 室内人员湿舒适投票

3.3 湿期望投票

拉萨市冬季建筑室内人员湿期望投票如图16所示。可以看出:长期居住人群和短期居住人群中分别有50.9%和79.4%的受试者期望拉萨市冬季室内湿环境水平有所提升;相比长期居住人群而言,短期居住人群的稍湿一点(1)、湿一点(2)、更湿一点(3)投票占比分别增加约10.9%、11.4%、6.2%。因此,大多数人员对拉萨市建筑室内湿度水平提升有较大期望,短期居住人群对于冬季室内湿环境改善的期望度更高。

图16 拉萨市冬季建筑室内人员湿期望投票

3.4 湿刺激明显部位干燥程度投票

研究表明,干燥的室内环境会破坏人体呼吸道黏膜的渗透性、眼睛泪液膜和皮肤表皮的水分平衡,进而导致相应部位出现不同程度的生理不适[19]。图17给出了拉萨市当地居民已出现的明显湿刺激生理表征。

图17 高原居民湿刺激干燥部位表征

室内人员各部位干燥程度投票如图18所示。可以看出,超过50.0%的拉萨市室内人员各部位均感受到干燥刺激,易受干燥刺激的身体部位依次为:嘴唇、鼻子、皮肤、喉咙/眼睛,其中长期和短期居住人群分别有17.6%和34.0%受试者的嘴唇干燥程度投票在5级以上。相比长期居住人群而言,短期居住人群中认为各身体部位干燥的投票占比均有略微增加,其中认为嘴唇干燥的受试者增加了8.0%。

注:干燥刺激等级1～10,数值越大,人员各身体部位所受的干燥刺激越强烈。

4 室内湿环境调控技术

4.1 湿环境调控技术现状

高原建筑室内湿环境调控措施如图19所示。可以看出,仅有1/5的拉萨市高原建筑配有加湿器和具有调湿功能的集中空调等传统加湿设备,少数居民采用摆放家庭绿植、盛水容器和挂湿毛巾/衣物等调湿手段。

图19 高原建筑室内湿环境调控措施

虽然当地居民采用多种措施努力提高室内空气湿度,但在高原低压极干的特殊气候条件下,现有自然蒸发式、蒸汽式和水雾式[20]加湿设备所产生湿组分的蒸发率显著增加,运动速度衰减过快,无法送至人员活动区,难以有效提升建筑室内湿环境水平。

4.2 高原适宜性湿环境营造技术展望

综合分析拉萨市高原建筑室内湿环境参数变化、室内人员湿主观投票与湿环境调控技术现状,以高原人群特殊的湿舒适特征为导向,需开展高原低气压等特殊环境的湿营造机理攻关、重点突破高原适宜的湿环境营造末端技术、开发低成本的高效湿环境营造设备产品,在突破冬季供暖问题之后,进一步改善高原建筑湿环境,全面提升西藏高原建筑综合宜居水平。

5 结论

1) 拉萨市夏季室内空气相对湿度基本处于40.0%～70.0%范围,冬季室内空气极端干燥,90.0%以上时间的空气相对湿度低于30.0%,湿环境水平极差。当考虑温度与湿度组合调控时,加湿相比提高室内温度更能有效降低人员不舒适度。

2) 高原短期居住人群中近80.0%的受试者认为拉萨市冬季室内干燥并期望所处湿环境水平提升,且湿不舒适投票占比为67.6%,而高原长期居住人群的上述占比均降低约30.0%。当地居民易受干燥环境刺激的身体部位依次为:嘴唇、鼻子、皮肤、喉咙/眼睛。

3) 低于1/5的拉萨市建筑配有传统加湿器,但在高原低压极干的条件下,其产生湿组分的蒸发率高且运动速度衰减快,难以有效提升室内湿环境水平,高原适宜性室内湿环境营造技术体系亟待提出。