贛南地區(qū)地板輻射采暖系統(tǒng)的熱舒適性評價

肖 梅，呂銀嬌，王 彤，石發(fā)恩

(江西理工大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

贛南地區(qū)地板輻射采暖系統(tǒng)的熱舒適性評價

肖 梅，呂銀嬌，王 彤，石發(fā)恩

(江西理工大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

以江西省贛州市為例，進行室內(nèi)熱舒適性調(diào)查。利用熱舒適指標(PMV-PPD)，結(jié)合贛南地區(qū)氣候條件及區(qū)域特點，對地板輻射采暖系統(tǒng)和空調(diào)采暖系統(tǒng)進行評價。結(jié)果表明：低溫地板輻射采暖系統(tǒng)在舒適性、節(jié)能性方面比空調(diào)采暖系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢，能滿足選擇冬季采暖方式的健康生活標準要求。

地板輻射采暖系統(tǒng)；空調(diào)采暖系統(tǒng)；熱舒適性評價

良好而又舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，不僅能夠提高人的生活質(zhì)量、工作效率，而且在一定程度上能提高人的免疫能力[1]。按照中國建筑熱工設(shè)計分區(qū)標準，贛南屬于夏熱冬冷地區(qū)，冬季平均氣溫為7.7℃左右、相對濕度高達77%[2]。雖然空調(diào)、電暖氣、烤火等取暖方式對改善室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀帶來很大幫助，但是也引起了新的問題包括室內(nèi)熱舒適性和建筑能耗問題。近20年來，大部分學(xué)者的研究方向逐漸轉(zhuǎn)向研究實際建筑中人體的熱舒適[3]。隨著城鎮(zhèn)化水平和人們對室內(nèi)熱環(huán)境舒適度要求的普遍提高，將導(dǎo)致建筑能耗大幅度提升[4-5]。為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，舒適、節(jié)能已成為人們選擇冬季采暖方式的標準[6-7]。

M.D.F.Ling[8]研究了低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)的設(shè)計并根據(jù)系統(tǒng)特點，提出了系統(tǒng)的兩種設(shè)計指標。Perter Simmonds[9]從理論上分析了低溫輻射采暖系統(tǒng)的舒適性。Lebrun和Hannay[10]等研究了不同采暖系統(tǒng)的熱舒適性和節(jié)能性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在達到相同的熱舒適性時，低溫輻射采暖系統(tǒng)的節(jié)能效率達10%～40%。候書新[11]通過實地測試低溫?zé)崴匕遢椛洳膳c傳統(tǒng)散熱器采暖的室內(nèi)溫度分布情況得出：低溫?zé)崴匕遢椛洳膳覂?nèi)空氣溫度分布合理、均勻、熱舒適性較強。丁云[12]搭建地板輻射模型，通過實地測試低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)室內(nèi)空氣溫度分布，分析論證了室內(nèi)空氣溫度分布的合理性，最后評價低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的舒適性。低溫輻射采暖是當今較為成熟的一種采暖方式，在我國北方地區(qū)已廣泛使用，它能利用各種低品位能源而且采暖效果良好[13]。

結(jié)合贛南地區(qū)氣候和區(qū)域特點，運用數(shù)值模擬軟件分析室內(nèi)熱環(huán)境狀況，通過實驗驗證其準確性，同時與人體的主觀評價調(diào)查相結(jié)合。在對采暖室內(nèi)熱環(huán)境進行數(shù)值模擬時，采用更多的舒適性評價指標對數(shù)值模擬結(jié)果進行評定，更全面地了解采暖系統(tǒng)對室內(nèi)熱環(huán)境舒適性的影響。以江西省贛州市為例進行調(diào)查，了解該地區(qū)是否具有采暖的必要，在此基礎(chǔ)上利用熱舒適指標(PMV-PPD)對地板輻射采暖系統(tǒng)和空調(diào)采暖系統(tǒng)進行評價。

1 室內(nèi)熱環(huán)境問卷調(diào)查結(jié)果分析

目前，對人體熱舒適性評價的方法很有限，一般都是采用熱舒適主觀評價方法，即采用熱舒適問卷調(diào)查的方式來直接詢問人們在某熱環(huán)境下的熱感覺與熱舒適程度[14]。通過對贛南地區(qū)建筑的冬季室內(nèi)熱環(huán)境進行調(diào)查，初步了解到該地區(qū)冬季人們對室內(nèi)熱環(huán)境的主觀評價和采暖必要性的評價，采暖前后室內(nèi)熱環(huán)境的變化和對人體熱舒適的影響等。

1.1 采暖效果及必要性分析

統(tǒng)計室內(nèi)采暖前后的空氣質(zhì)量、工作效率、皮膚凍瘡、皮膚干燥對健康的影響程度以及采暖的必要性結(jié)果見表1、表2。

(1)采暖效果分析

表1 采暖效果統(tǒng)計

統(tǒng)計項目無采暖采暖后空氣質(zhì)量評價優(yōu)19(2%)優(yōu)57(6%)良381(40%)良448(47%)中457(48%)中409(43%)差95(10%)差38(4%)工作效率偏低571(60%)偏低67(7%)正常295(31%)正常333(35%)偏高86(9%)偏高552(58%)皮膚凍瘡有362(38%)有133(14%)無590(62%)無819(86%)皮膚干燥有124(13%)有171(18%)無828(87%)無781(82%)空氣質(zhì)量對健康的影響很大516(54%)一般240(25%)輕微164(17%)無影響32(4%)沒有必要126(13%)

注：樣本總數(shù)952個。

由表1可知：采暖后被調(diào)查者對室內(nèi)空氣質(zhì)量的評價、工作效率明顯改善；皮膚凍瘡的情況明顯減少；由于采暖后室內(nèi)相對濕度會降低所以部分被調(diào)查者會感覺皮膚干燥，但總體而言采暖后室內(nèi)熱環(huán)境對人體更有益。

(2)采暖必要性分析

由表2可知：被調(diào)查者中認為該地區(qū)冬季有采暖必要性的占59 %，保持無所謂態(tài)度的占28 %，認為沒必要的僅占13 %。

表2 采暖必要性統(tǒng)計

樣本總數(shù)952是否有采暖必要有必要562(59%)無所謂264(28%)沒有必要126(13%)

1.2 服裝熱阻分析

問卷調(diào)查共發(fā)放問卷1 000份，經(jīng)過整理得到了952份有效問卷。現(xiàn)場問卷中，已根據(jù)季節(jié)的特點列出了多種與之相符的著裝搭配，被調(diào)查者可以直接勾選出與自身相符的選項。同時，考慮到被調(diào)查者的著裝與所提供的著裝不相符的特殊情況，還留有空白位置可供被調(diào)查者詳細描述。表3為本次被調(diào)查者的整體服裝熱阻統(tǒng)計結(jié)果。圖1、圖2為不同采暖室內(nèi)服裝熱阻分布。

表3 服裝熱阻統(tǒng)計

類別最小值最大值平均值標準偏差服裝熱阻/clo0．551．631．130．25

圖1 空調(diào)采暖室內(nèi)服裝熱阻分布 圖2 地板輻射采暖室內(nèi)服裝熱阻分布

受到室內(nèi)空氣溫度分布的影響，不同室內(nèi)采暖系統(tǒng)的熱阻值分布有很大的差異。其中：空調(diào)采暖室內(nèi)服裝熱阻主要分布在1.2～1.45 clo，占總量的38%，其次是0.95～1.2 clo，占總量的30%；地板輻射采暖室內(nèi)服裝熱阻主要分布在0.75～0.95 clo，占總量的45%，其次是0.55～0.75 clo，占總量的24%。換言之，被調(diào)查者在地板輻射采暖的室內(nèi)環(huán)境中只需穿著相對較薄的衣服，而在空調(diào)采暖的室內(nèi)環(huán)境中需穿著較厚的衣服。

在問卷調(diào)查過程中被調(diào)查者主要處于靜坐，輕度活動狀態(tài)，由ASHRAE55標準可知，其新陳代謝率取值為1.2 met，室內(nèi)冬季服裝熱阻應(yīng)小于1.0 clo[15]。由此可知，空調(diào)采暖系統(tǒng)室內(nèi)被調(diào)查的服裝熱阻偏高，不符合標準要求。

2 熱舒適性模擬計算理論

通過調(diào)查了解到贛南地區(qū)冬季有采暖的必要，但是被調(diào)查者對不同采暖方式下室內(nèi)熱舒適的滿意度不同。在ASHRAE標準中將熱舒適定義為人體對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)[16]。熱舒適度可以認為是人體主觀評價熱環(huán)境的滿意度，同時也是衡量室內(nèi)熱環(huán)境的重要指標。它由許多因素綜合作用，包括：環(huán)境因素、個人因素、其他因素等。面臨采暖方式的多樣化，舒適、節(jié)能已成為人們選擇冬季采暖方式的健康生活標準。為進一步分析采暖系統(tǒng)的熱舒適性，利用熱舒適性指標(PMV-PPD)對地板輻射采暖系統(tǒng)和空調(diào)采暖系統(tǒng)進行評價。

2.1 熱舒適方程

人體為了維持與周圍環(huán)境之間進行熱交換時體溫穩(wěn)定，必須保持機體產(chǎn)熱和散熱平衡。由文獻[17]可知，令人體蓄熱率S=0，將人體外表面與周圍環(huán)境之間的對流散熱量、輻射散熱量及總蒸發(fā)散熱量公式進行簡化，可得出：

(1)

2.2 熱舒適評價指標PMV-PPD

Fanger教授在20世紀70年代提出的預(yù)測平均投票值PMV(Predicted Mean Vote)和預(yù)測不滿意百分比PPD(Predicted Percent Dissatisfied)指標，該指標都是經(jīng)過大量人員測試得出的結(jié)果，它綜合考慮了多種因素的影響，如：空氣濕度、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流動速度、人的新陳代謝率和衣服熱阻，同時還結(jié)合人體心理、生理上的熱感覺，所以用PMV-PPD評價指標具有真實可靠性。

PMV指人體對熱平衡的偏離程度與人體熱負荷TL之間的關(guān)系，其關(guān)系式為[18]：

(2)

(3)

式中：dt=tr-22，℃。

PMV指標的投票值是由ASHRAE熱感覺7分級法來確定的。表4為不同等級的值以及相對應(yīng)的客觀生理反應(yīng)。

表4 PMV等級及相應(yīng)的客觀反應(yīng)

熱感覺熱暖稍暖適中稍涼涼冷PMV3210-1-2-3生理反應(yīng)見汗滴身體局部見汗皮膚發(fā)黏感覺舒適感覺到?jīng)鼍植扛杏X不適打寒顫

PPD指不同熱感覺投票數(shù)所占的百分率。它與PMV之間的關(guān)系如式(4)所示[18]：

PPD=100-95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]

(4)

ISO7730給出的指標推薦值為：-0.5≤PMV≤+0.5，相應(yīng)的PPD≤10 %。

3 熱舒適性評價

3.1 熱舒適指標法

運用熱舒適指標法，計算地板輻射采暖系統(tǒng)與空調(diào)采暖系統(tǒng)在相同室內(nèi)設(shè)計參數(shù)不同服裝熱阻情況下衣服表面溫度tcl及此時的PMV-PPD值。依據(jù)相關(guān)標準該地區(qū)冬季室內(nèi)設(shè)計溫度為16 ℃～20 ℃，為了更好地客觀評價，取室內(nèi)設(shè)計溫度為16 ℃，空氣相對濕度為70 %[19]。由于在問卷調(diào)查過程中被調(diào)查者主要處于靜坐、輕度活動狀態(tài)，取W=0，M=70 W/m2?？照{(diào)采暖系統(tǒng)主要是依靠強制循環(huán)熱風(fēng)換熱其中輻射換熱的作用很小，故取其平均輻射溫度為10 ℃；地板輻射采暖系統(tǒng)室內(nèi)其地面的溫度高，在人員活動區(qū)域內(nèi)，熱量直接輻射到人身體上，故取平均輻射溫度18 ℃[20]。服裝熱阻值依據(jù)調(diào)查結(jié)果，其他參數(shù)取值如表5所示。

表5 熱舒適分析各參數(shù)值

人體能量代謝率/(W·m-2)人體所做的機械功/(W·m-2)相對濕度/%室內(nèi)設(shè)計溫度/℃室內(nèi)風(fēng)速/(m·s-1)平均輻射溫度/℃低溫地板輻射空調(diào)低溫地板輻射空調(diào)低溫地板輻射空調(diào)低溫地板輻射空調(diào)70070160．10．21810

依據(jù)以上已知條件，可以得出地板輻射采暖系統(tǒng)和空調(diào)采暖系統(tǒng)室內(nèi)不同服裝熱阻時PMV-PPD的分布情況，如圖3、圖4所示。

圖3 服裝熱阻與PMV的關(guān)系 圖4 服裝熱阻與PPD的分布

由圖3、圖4可知：地板輻射采暖系統(tǒng)和空調(diào)采暖系統(tǒng)室內(nèi)PMV值與服裝熱阻變化趨勢相同，隨著服裝熱阻增大而增大；兩種采暖系統(tǒng)室內(nèi)PPD值與服裝熱阻變化趨勢相反，約在0.90 clo時相等。相同的PMV值對應(yīng)的服裝熱阻值在地板輻射采暖系統(tǒng)室內(nèi)更小，即在相同的室內(nèi)設(shè)計溫度時，空調(diào)采暖系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境中需穿著較厚的衣服抵御寒冷，地板輻射采暖系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境中只需穿著較薄衣服且感覺舒適。

3.2 數(shù)值模擬法

結(jié)合贛南地區(qū)氣候條件及區(qū)域特點，運用Airpak數(shù)值模擬軟件分析室內(nèi)PMV-PPD的分布，PMV和PPD評價指標的計算按照人員靜坐情況，不計人體對外做功，新陳代謝率取1.0 met，服裝為冬季著裝其熱阻值取1.0 clo，輻射溫度、空氣溫度及相對濕度根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果取值。

圖5、圖6為采暖室內(nèi)不同高度PMV-PPD分布，選取人體對舒適度感覺敏感的高度分別為Y=0.1 m(腳踝)、0.6 m(膝蓋)、1.5 m(頸部)。由圖5可知，空調(diào)采暖系統(tǒng)室內(nèi)高度在0.1～1.5 m人員活動區(qū)域內(nèi)PMV值約在-1.74～-1.25，PMV的平均值約-1.37，PPD的平均值約44.06%，人員感覺偏涼。由圖6可知，低溫地板輻射采暖系統(tǒng)室內(nèi)高度在0.1～1.5 m內(nèi)PMV值約-1.1～-0.31，PMV的平均值約-0.53，PPD平均值約16.15%，人員感覺微涼偏適中。溫度、濕度是影響舒適性的重要因素，低溫地板輻射采暖能夠滿足我國熱舒適性推薦值-1≤PMV≤+1，PPD≤27 %[21]，比空調(diào)采暖室內(nèi)的PMV明顯提高，PPD明顯減小。

(a)PMV分布 (b)PPD分布圖5 空調(diào)采暖室內(nèi)不同高度PMV-PPD分布

(a)PMV分布 (b)PPD分布圖6 地板輻射采暖室內(nèi)不同高度PMV-PPD分布

4 結(jié)論

對贛南地區(qū)冬季室內(nèi)熱環(huán)境進行問卷調(diào)查，結(jié)合熱舒適指標(PMV-PPD)對地板輻射采暖系統(tǒng)和空調(diào)采暖系統(tǒng)進行評價，得到如下結(jié)論：

(1)通過對調(diào)查結(jié)果的分析，采暖后室內(nèi)熱環(huán)境對人體更有益。綜合考慮冬季室內(nèi)熱環(huán)境狀況以及采暖前后對人體健康的影響，有59 %的被調(diào)查者認為本地區(qū)有采暖必要。

(2)PMV值相同時，對應(yīng)的服裝熱阻值在地板輻射采暖系統(tǒng)室內(nèi)更小。在人員活動區(qū)域范圍內(nèi)低溫地板輻射采暖系統(tǒng)室內(nèi)PMV的平均值約為-0.53，不滿意度在16.15 %左右，能夠滿足人體舒適性要求，比空調(diào)采暖室內(nèi)的PMV明顯提高，PPD明顯減小。

(3)結(jié)合贛南地區(qū)氣候條件及區(qū)域特點，發(fā)現(xiàn)低溫地板輻射采暖系統(tǒng)在舒適性、節(jié)能性方面比空調(diào)采暖系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢，滿足現(xiàn)代人選擇冬季采暖方式的健康生活標準，說明在該地區(qū)低溫地板輻射采暖具有一定的推廣價值。

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Thermal comfort evaluation of floor radiant heating system in south of Jiangxi region

(SchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China)

Taking Ganzhou city of Jiangxi Province as an example, the indoor thermal comfort investigation is made. By using thermal comfort index (PMV-PPD), combined with local climate conditions and regional characteristics, the radiant floor heating system and air conditioning and heating system is evaluated. The results show that the low temperature floor radiant heating system has obvious advantages in comfort and energy saving than the air conditioning heating system, which can meet the healthy living standard of the choice of winter heating method.

floor radiant heating system; air conditioning heating system; thermal comfort evaluation

2016-06-01

江西省教育廳基金項目(2014GJJ14463)

肖 梅(1991—)，女，四川安岳人，碩士研究生。

1674-7046(2016)06-0072-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.06.014

TU111.1

A