智慧供熱的目標(biāo)：滿足人的熱舒適需求

王昭俊

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150006； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150006)

1 概述

近幾年，隨著智慧城市的建設(shè)，基于現(xiàn)代通信技術(shù)、控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧供熱已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。智慧供熱是指：基于供熱物理網(wǎng)、供熱物聯(lián)網(wǎng)、智能決策支持系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)的智能管理的供熱方式[1]。智慧供熱系統(tǒng)的信息可以進(jìn)行高度的集成及共享，熱源、供熱管網(wǎng)及熱用戶的主要信息能夠順利獲取，并根據(jù)用戶反饋的信息，及時(shí)調(diào)節(jié)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行模式，給出最佳的運(yùn)行決策方案，在滿足熱舒適的前提下，節(jié)能降耗。即智慧供熱的目標(biāo)是滿足人的熱舒適需求，按需供熱，降低供熱系統(tǒng)運(yùn)行能耗。因此，智慧供熱的核心任務(wù)是根據(jù)熱用戶的熱舒適需求，控制室溫。即基于室溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)智慧供熱的目標(biāo)。

2 智慧供熱面臨的熱舒適溫度問(wèn)題

智慧供熱是基于海量數(shù)據(jù)的挖據(jù)、分析，從而進(jìn)行智能決策、精準(zhǔn)運(yùn)行調(diào)度的一種新的供熱模式。我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)冬季漫長(zhǎng)，供暖期間室外氣溫變化很大。多年來(lái)，我國(guó)一直采用集中供暖室溫恒定的做法，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也都給出了供暖期間應(yīng)達(dá)到的室溫要求。

近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，英國(guó)、美國(guó)、日本和中國(guó)冬季室內(nèi)溫度都有增加的趨勢(shì)。隨著人們生活水平的提高，“舒適區(qū)”逐漸縮小，到2010年冬季住宅熱中性溫度(即人體感覺(jué)不冷也不熱的溫度)集中在21 ℃[2]。人們將這種室溫的變化趨勢(shì)稱為“建筑環(huán)境的均勻化”和“舒適膠囊”。

按照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)北方集中供暖地區(qū)冬季的室溫應(yīng)為18 ℃。近年來(lái)，隨著生活水平的提高，北方冬季室溫18 ℃，已經(jīng)不能滿足人們的熱舒適需求。部分建筑沿用傳統(tǒng)的上供下回式單管供暖系統(tǒng)，不能進(jìn)行熱量調(diào)節(jié)，導(dǎo)致頂層或上部房間室溫過(guò)高，甚至超過(guò)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)的上限值24 ℃[3]。冬季室溫高會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量增加，即建筑能耗增加。如此高的室溫是否滿足人們熱舒適、健康的需求需要進(jìn)一步研究。

這些問(wèn)題都是智慧供熱必須面對(duì)的技術(shù)問(wèn)題，也是智慧供熱必須解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。本文從時(shí)間維度和空間維度，探討北方冬季供暖期間應(yīng)如何設(shè)定舒適與健康的室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)智慧供熱的目標(biāo)。

3 建立熱舒適溫度的自適應(yīng)模型

智能決策網(wǎng)是智慧供熱的核心，而智能決策網(wǎng)的核心是數(shù)據(jù)和模型[4]。為了滿足不同人群、不同建筑、不同供暖階段的熱舒適需求，需要建立熱舒適溫度的自適應(yīng)模型。采用現(xiàn)場(chǎng)研究方法，建立熱適應(yīng)模型，可得到熱中性溫度和可接受的溫度范圍。

利用信息物聯(lián)網(wǎng)記錄的室溫運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，不斷訓(xùn)練數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中進(jìn)行自動(dòng)學(xué)習(xí)，建立熱舒適溫度的自適應(yīng)模型，作為智能決策系統(tǒng)中的核心模型，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度精細(xì)化，滿足人的熱舒適需求。

① 不同供暖階段自適應(yīng)的熱舒適溫度

根據(jù)室外氣候變化，將嚴(yán)寒地區(qū)供暖階段分為供暖初期、供暖中期和供暖末期3個(gè)階段[5]。各調(diào)查階段的熱中性溫度隨各階段室內(nèi)平均空氣溫度(簡(jiǎn)稱平均室溫)的變化見(jiàn)圖1。

圖1 各調(diào)查階段的熱中性溫度隨各階段室內(nèi)平均空氣溫度的變化

由圖1可以看出，供暖階段熱中性溫度均低于實(shí)際平均室溫，說(shuō)明人們已經(jīng)逐漸適應(yīng)室外寒冷的氣候，對(duì)室內(nèi)較高的供暖溫度表現(xiàn)出一定的排斥。而在供暖開(kāi)始前及結(jié)束后，熱中性溫度高于兩階段的平均室溫，這主要因?yàn)楣┡_(kāi)始前及結(jié)束后，室內(nèi)熱環(huán)境發(fā)生較大變化，室內(nèi)熱經(jīng)歷(即人們過(guò)去曾經(jīng)暴露的室內(nèi)熱環(huán)境)的變化改變了人們對(duì)于原室內(nèi)熱環(huán)境的適應(yīng)性導(dǎo)致的。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間暴露在較高供暖溫度中的人們來(lái)說(shuō)，其對(duì)室溫的降低較為敏感，而更加適應(yīng)較高的室溫[6]。因此，供暖溫度不應(yīng)過(guò)高，一旦人們適應(yīng)了過(guò)高的溫度，室溫降低，人們就會(huì)抱怨。

人體對(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境變化的敏感程度，從另一側(cè)面說(shuō)明室內(nèi)熱經(jīng)歷對(duì)人體熱適應(yīng)的影響；較高的供暖溫度促使人們形成了較高的熱舒適區(qū)。因此，冬季供暖溫度不宜過(guò)高，以減少由于室溫波動(dòng)而對(duì)熱舒適造成的影響。

綜上，不同供暖階段建筑環(huán)境熱舒適溫度有別，即冬季供暖室溫不應(yīng)該是恒定的，智慧供熱應(yīng)根據(jù)室外氣候條件和人的熱適應(yīng)性合理設(shè)置控制的室溫目標(biāo)，建立不同供暖階段自適應(yīng)的熱舒適溫度模型。

② 不同功能建筑自適應(yīng)的熱舒適溫度

筆者領(lǐng)導(dǎo)的課題組于2013—2014年冬季對(duì)不同類型建筑室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了連續(xù)測(cè)試[7]，得出不同功能建筑平均室溫與熱中性溫度變化，見(jiàn)圖2。

圖2 不同功能建筑平均室溫與熱中性溫度變化

由圖2可以看出，4種類型建筑環(huán)境供暖期間的平均室溫分別為：住宅24.1 ℃、辦公建筑23.8 ℃、宿舍22.9 ℃、教室24.3 ℃，室溫都接近ASHRAE55-2013[8]規(guī)定的冬季熱舒適溫度上限值。4種建筑環(huán)境的熱中性溫度分別為：住宅22.1 ℃、辦公建筑21.1 ℃、宿舍21.5 ℃、教室19.1 ℃。熱中性溫度接近ASHRAE 55中冬季室內(nèi)熱舒適溫度的下限值。

辦公建筑和教室中的熱中性溫度低于住宅和宿舍的，辦公建筑和教室中的人們更偏好稍涼環(huán)境。住宅和宿舍中人們可以采用更靈活的適應(yīng)性調(diào)節(jié)而獲得更大的熱舒適感。

綜上，不同功能建筑環(huán)境中，由于人的行為調(diào)節(jié)手段差異、人群活動(dòng)水平和年齡等差異，熱中性溫度不同，智慧供熱應(yīng)根據(jù)建筑使用功能合理設(shè)置控制的室溫目標(biāo)，建立不同功能建筑自適應(yīng)的熱舒適溫度模型。

在公共建筑(辦公建筑和教室)中，由于人員活動(dòng)水平較高且不便于更換服裝，熱中性溫度及90%可接受溫度下限較低，可設(shè)定較低的供暖室內(nèi)溫度。在居住類建筑(住宅和宿舍)中的人員更便于個(gè)性化調(diào)節(jié)，熱中性溫度及90%可接受溫度下限較高，可設(shè)定較高的供暖室內(nèi)溫度。

③ 不同住區(qū)室溫環(huán)境自適應(yīng)的熱舒適溫度

課題組對(duì)哈爾濱市供暖溫度不同的3個(gè)住宅區(qū)域A、B和C的室內(nèi)熱環(huán)境和主觀熱感覺(jué)進(jìn)行了調(diào)查，3個(gè)住宅區(qū)域平均室溫與熱中性溫度變化見(jiàn)圖3。

圖3 3個(gè)住宅區(qū)域平均室溫與熱中性溫度變化

由圖3可以看出，區(qū)域A和B的平均室溫分別為：(20.7±0.9) ℃和(24.3±1.6) ℃, 區(qū)域C的平均室溫為(25.5±1.58) ℃。3個(gè)住宅區(qū)域居民的熱中性溫度不同，區(qū)域A和B的熱中性溫度分別為20.2 ℃和22.8 ℃[9]，區(qū)域C的熱中性溫度為24.2 ℃。

區(qū)域A的室溫大部分接近 ASHRAE 55中推薦的冬季室內(nèi)穩(wěn)態(tài)舒適區(qū)域的下限，有 20.1%的溫度低于下限值。區(qū)域B的室溫大部分接近 ASHRAE 55中推薦的冬季室內(nèi)穩(wěn)態(tài)熱舒適區(qū)的上限值，有27.9%的溫度超過(guò)上限值。區(qū)域C的室溫一般都超過(guò)了ASHRAE 55的上限值。

暴露在區(qū)域A中的受試者熱中性溫度比區(qū)域B中的熱中性溫度低約2 ℃，區(qū)域B中的受試者熱中性溫度比區(qū)域C中的熱中性溫度低約1.4 ℃。說(shuō)明建筑室溫越高，熱中性溫度越高。這體現(xiàn)了人體對(duì)室內(nèi)微氣候環(huán)境的熱適應(yīng)性。

綜上，不同住宅區(qū)域供暖系統(tǒng)設(shè)置、距離熱源距離、建筑保溫效果等有差異，導(dǎo)致室溫的差異，進(jìn)而影響了人們的熱中性溫度不同。如果對(duì)適應(yīng)了偏涼的房間突然提高溫度，人們反而會(huì)感到熱不舒適。智慧供熱應(yīng)根據(jù)建筑使用者對(duì)熱環(huán)境的熱適應(yīng)性合理設(shè)置控制的室溫目標(biāo)，建立不同住區(qū)室溫環(huán)境自適應(yīng)的熱舒適溫度模型。

④ 不同年齡人群自適應(yīng)的熱舒適溫度

課題組基于大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得到不同年齡人群的熱中性溫度(直線在橫軸上的截距)，見(jiàn)圖4。

圖4 不同年齡人群的熱中性溫度

由圖4可以看出，老年人的熱中性溫度高于年輕人的。由于老年人的活動(dòng)較少、新陳代謝率低，因此偏愛(ài)較高的室溫。智慧供熱應(yīng)根據(jù)建筑使用者年齡特點(diǎn)合理設(shè)置控制的室溫，建立不同年齡人群的自適應(yīng)熱舒適溫度模型。

4 室溫偏高對(duì)人體熱舒適與健康的影響

冬季供暖期間區(qū)域B某戶的室內(nèi)空氣溫度見(jiàn)圖5。

圖5 冬季供暖期間區(qū)域B某戶的室內(nèi)空氣溫度

由圖5可以得出，室內(nèi)空氣溫度平均值為26 ℃，96.3%的時(shí)間室內(nèi)溫度超過(guò)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)溫度的上限值24 ℃。

不同建筑環(huán)境中受試者的熱舒適水平與平均熱感覺(jué)的關(guān)系見(jiàn)圖6。熱舒適水平為0，表征受試者感到舒適，1表征稍不舒適，2表征不舒適，3表征很不舒適。

圖6 不同建筑環(huán)境中熱舒適水平與平均熱感覺(jué)的關(guān)系[7]

由圖6可以看出，受試者的平均熱感覺(jué)投票為熱中性時(shí)，不同類型建筑環(huán)境中的受試者均感到最為舒適。當(dāng)熱感覺(jué)向暖側(cè)和冷側(cè)偏移時(shí)，受試者的熱不舒適度逐漸增加。同時(shí)，在對(duì)應(yīng)相同的平均熱感覺(jué)刻度上，住宅環(huán)境中的受試者的熱舒適水平最高，其次是宿舍環(huán)境的受試者。當(dāng)受試者熱感覺(jué)投票為暖和熱時(shí)，教室環(huán)境中的受試者感到最不舒適。這說(shuō)明住宅和宿舍環(huán)境中人們可以采用更加靈活的熱適應(yīng)調(diào)節(jié)手段而獲得更大的熱舒適感；但教室和辦公環(huán)境中，由于客觀條件的限制，熱適應(yīng)調(diào)節(jié)手段受限，因而降低了人們的熱舒適感。

此外，北方冬季室溫偏高，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度一般較低。室內(nèi)易產(chǎn)生揚(yáng)塵，人們的粘膜會(huì)有刺激感(眼紅、流淚、咽干等)，容易引發(fā)上呼吸道感染，發(fā)生支氣管炎、支氣管哮喘等疾病。室溫過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致血液黏稠度增高，引起血壓波動(dòng)大及心絞痛等心血管疾病。由于北方地區(qū)冬季室內(nèi)外溫差大，較大幅度的氣壓升高、氣溫下降和日較差對(duì)腦出血、腦梗塞不利。高血壓患者常因寒冷刺激導(dǎo)致血壓上升。

5 結(jié)論

① 提出了智慧供熱的熱舒適溫度自適應(yīng)模型的概念。針對(duì)不同供暖階段、不同功能建筑、不同住區(qū)、不同年齡人群的熱舒適需求，提出了構(gòu)建熱舒適溫度的自適應(yīng)模型的方法。分析了室溫偏高對(duì)人體熱舒適與健康的影響。從時(shí)間維度和空間維度，探討了北方冬季供暖期間應(yīng)如何設(shè)定舒適與健康的室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)智慧供熱的目標(biāo)。

② 漫長(zhǎng)冬季的室溫不應(yīng)該是恒定的。將嚴(yán)寒地區(qū)按照室外氣候參數(shù)，分為3個(gè)供暖階段。不同供暖階段應(yīng)采用不同的室溫，建立不同供暖階段自適應(yīng)的熱舒適溫度模型，以滿足人的熱舒適與熱適應(yīng)需求。

③ 不同功能建筑環(huán)境中，熱中性溫度不同，智慧供熱應(yīng)根據(jù)建筑使用功能合理設(shè)置控制的室溫，建立不同功能建筑自適應(yīng)的熱舒適溫度模型。

④ 供暖溫度不同的住宅區(qū)域，人們的熱中性溫度不同。智慧供熱應(yīng)根據(jù)建筑使用者對(duì)熱環(huán)境的熱適應(yīng)性合理設(shè)置室溫，建立不同住區(qū)室溫環(huán)境自適應(yīng)的熱舒適溫度模型。

⑤ 不同年齡人群的熱中性溫度有別，老年人偏愛(ài)較高的室溫。智慧供熱應(yīng)根據(jù)建筑使用者年齡特點(diǎn)合理設(shè)置室溫，建立不同年齡人群的自適應(yīng)熱舒適溫度模型。

⑥ 室溫過(guò)高，既不舒適，又不健康。

6 致謝

本文受國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào)51278142，51678179)，在此表示感謝。對(duì)參加調(diào)查的全體受試者表示衷心的感謝。