极端高温条件下的热舒适评估：炎热半干旱气候下建筑性能与使用者响应的多方法研究

《ENERGY AND BUILDINGS》：Thermal comfort assessment in extreme heat conditions: a multi-method study of building performance and occupant response in hot semi-arid climate

　　

摘要

本研究提出了一项全面的多方法调查，针对尼日利亚西北部炎热半干旱地区长期极端高温（>45 °C）条件下的热舒适度。鉴于 91.8% 的热感觉投票处于“温暖至炎热”范围，且 72.5% 的住户不满意程度为全球记录中最高水平之一，本研究记录了一种系统性的热舒适度失败，使用了一种新的框架，集成了广泛的入住后评估（n = 342）、持续的环境监测（101 天，六栋建筑）和复杂的机器学习分析。随机森林分类器达到了 84.3% 的预测准确率（AUC-ROC = 0.897），表明存在显著的阈值效应，即温度超过 32 °C 后舒适度显著下降。区域中性温度 29.6 °C（95% 置信区间，28.9–30.3 °C）超出国际标准 6–8 °C，严重削弱了全球舒适范式。多模型验证揭示了温带气候标准的灾难性失败：与 CIBSE 静态规范的合规率为 0%，而 EN 16798-1 III 类的合规率为 67.3%，ASHRAE 55 的合规率为 37.5%。不适指数表明 66.1% 的时间处于极端至强烈类别（DI > 27）。多元分析确定冷却系统类型是最显着的预测因子（η² = 0.188），而社会经济因素解释了热满意度的 58.7% 变异（R² = 0.587，p < 0.001），凸显了巨大的热不平等，因为高收入家庭尽管条件相当，但报告的满意度高出 23%。这些发现质疑了国际舒适度标准的普遍适用性，并将热舒适度定位为气候正义问题。本地推导的阈值和机器学习见解为气候响应式设计提供了循证基础，为影响预计 2050 年遇到高温的超过 20 亿人的热韧性政策提供了必要的经验证明。

引言

全球气候变化的快速进展在炎热半干旱地区引发了前所未有的热舒适危机，极端热事件经常超过人类生理适应阈值 [1]。尼日利亚西北部是这一日益严峻困境的典范，由于干季温度经常超过 45 °C，从而严重破坏了传统的人类热舒适和建筑效能概念 [2]。强烈的热暴露，加上快速城市化和 socioeconomic 限制，产生了一系列复杂的困难，需要立即的科学调查和循证解决方案 [3]。极端高温和普遍能源贫困的汇聚导致易感性显著增加。在尼日利亚西北部，大约 45% 的人口能够获得可靠的电力，而农村地区的每日供电时间少于 4 小时 [4]。这种能源不安全感严重限制了机械冷却选择，要求依赖在极端情况下可能不足的被动方法。家庭在峰值冷却期间将收入的 15–25% 用于能源费用，但仍忍受大多数入住时间内的热不适 [5]。这种“冷却贫困”构成了对人类发展的重大阻碍，影响生产力、健康结果和总体生活质量 [6]。

该地区的传统建筑方法，经过数个世纪的发展，通过庭院设计、厚泥墙和战略性通风实现被动冷却，正迅速被“现代”建筑技术所取代，讽刺的是，这些技术的热效率更低 [7]。混凝土砌块建筑、金属屋顶和降低的天花板高度的广泛使用，导致建筑库存不适合当地气候条件 [8]。这种建筑转变，受追求现代化和来自温带地区的不适合建筑法规的驱动，加剧了热不适并增加了对能源的依赖 [9]。当前的建筑标准和热舒适准则，主要适用于温带气候，完全不足以应对这些恶劣条件 [10]。全球舒适要求与当地热条件之间的差异导致了建筑结构无法提供适当的热环境，同时在机械冷却努力中消耗了过多的能量 [11]、[12]。

两种基本范式影响了热舒适研究；然而，两者都不足以应对极端高温情况。Fanger 的预测平均投票（PMV）模型，源自 1970 年代进行的气候舱研究，假设稳态热平衡和均匀的生理反应 [13]。这种机械方法虽然在受控环境中有效，但忽略了人们在长期热暴露期间利用的复杂适应机制 [14]。de Dear 和 Brager [15] 提出的适应性舒适模型，基于 21,000 次现场观察，通过认可行为、生理和心理适应性标志着范式转变。这种关联在极端高温情况下可能无效，因为其建立于室外温度很少超过 33 °C 的数据点 [16]。高温热舒适研究存在显著缺陷。首先，关于人类在 40 °C 以上温度的热适应的实际数据有限 [17]。其次，大多数舒适模型未能考虑关键阈值以上温度和湿度的协同效应 [18]。人类对强烈热量的适应时间动力学理解不足 [19]。过度高温下的热舒适的社会经济方面研究甚少，特别是关于财务限制如何限制适应能力 [20]。理解“适应能力”需要分析人类行为以及限制适应选择的系统性失衡。

本研究的全面多方法途径解决了极端高温条件下的热舒适问题，并解决了基本的舒适研究局限性。该工作使用大规模入住后评估、持续的环境监测、建筑现场观察、建筑材料和先进的机器学习算法，在资源受限的情况下保持科学严谨性 [21]。理论超越了增量发展，质疑普遍的舒适标准。为变暖环境重写舒适理论需要经验证实 45 °C 以上的舒适模型 [22]。发现 35 °C 以上的非线性舒适反应、社会经济对热满意度的修正以及本地验证的舒适阈值，大大提高了对人类热适应极限的理解 [23]。本研究解决了舒适研究中的“外推问题”，即在没有经验证实的情况下将温和气候模型用于极端情况 [24]。建筑科学和公共政策受益于这项研究。研究结果为建筑师和工程师提供了针对极端高温条件的循证设计建议，超越了被动冷却，针对 40 °C 以上的聚焦干预措施 [25]。量化的热舒适差异和健康影响提出了修改建筑法规和支持脆弱社区的建议 [26]。机器学习技术能够启用实时舒适预测和建筑性能优化，采用最小传感器网络进行可扩展的建筑分析 [27]。该研究的文化适应性调查工具和社区参与方法可以重复用于在全球类似情况下进行稳健的建筑性能研究，填补了全球南方舒适研究的方法论空白 [28]。

本研究发现提出了四项主要的热舒适增强。第一项是在尼日利亚炎热半干旱气候 45 °C 以上温度下对热舒适模型的首次经验验证，扩展了人类舒适研究。第二项，包括 342 户家庭调查，建筑现场观察，建筑材料和横跨六栋建筑的持续环境监测。第三项，它开发了机器学习应用程序，用于预测极端高温热舒适，使用新颖变量，如热浪持续时间、电力可用性模式和文化特定的行为反应。最后，它展示了严格的科学方法如何在停电、技术基础设施不足和低参与者识字率的情况下维持数据质量。

章节片段

极端高温条件下的热舒适

随着气候变化提高全球热暴露，极端高温热舒适研究至关重要。Fanger 的热舒适理论 [13] 和 de Dear 和 Brager 的适应性模型 [15] 仍然基础。然而，环境温度超过 35 °C 达到“极端高温领域”，其中人类热适应假设失败。极端温度非线性地改变出汗效率、心血管压力和体温调节能力，需要调整舒适理论 [29]。人类热

研究设计与理论框架

本收敛混合方法研究使用三种互补方法来分析高温下的热舒适。大规模入住后评估（POE）捕捉跨越社会经济层的主观热体验，连续高分辨率环境监测客观表征极端高温条件，先进的机器学习算法预测复杂、非线性的环境变量 - 舒适响应关系。系统理论支持这种多方法

参与人口统计特征与建筑特征

社会经济和建筑因素在长达 342 户家庭的入住后评估中有所不同。参与者均匀分布在 Rimi（17.0%）、Katsina（20.8%）、Kusada（15.2%）、Batagarawa（19.6%）、Daura（13.2%）和 Dutsin Ma（14.3%）的城市 - 农村梯度上。图 4 对这些人口统计因素提供了详细分析，强调了显著影响研究地点热舒适体验和适应能力系统性差异。参与者年龄

系统性热不适的证据

多方法研究结果汇聚于尼日利亚西北部住宅建筑中普遍的热舒适危机。主观评估记录了 72.5% 的不满意，这是同行评审热舒适文献中报告的最高水平之一，超过了印度（40–45%）和东南亚（45–50%）的类似研究 [31]、[45]。客观监测确认 66.1% 的时间处于严重至极端不适类别（DI > 27），机器学习预测达到了

结论

这项全面的多方法研究揭示了尼日利亚西北部住宅建筑中重大的热舒适危机，其影响超出了区域限制。我们记录了影响 72.5% 住户的系统性温度不适，其中 45.3% 的受访者将条件评为“非常不舒服”，代表了全球观察到的最高不满水平之一。主观评估与表明 66.1% 时间处于

CRediT 作者贡献声明

Hisham Sharif Bala：撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，形式化分析，数据管理，构思。Chenqiu Du：撰写 – 审阅与编辑，监督。Baizhan Li：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理。Danjuma Abdu Yusuf：项目管理，调查。Shafi'’u Adamu：验证，项目管理。Musa Aminu Ibrahim：验证，调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金支持 [拨款编号 52578110]。

Hisham Sharif Bala|Chenqiu Du|Baizhan Li|Danjuma Abdu Yusuf|Shafi'’u Adamu|Musa Aminu Ibrahim