建筑室內(nèi)熱環(huán)境個(gè)性化控制的作用與實(shí)施

楊仕超，黃志鋒，唐 毅

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500）

1 概述

熱環(huán)境是建筑室內(nèi)環(huán)境中最基本的環(huán)境，熱環(huán)境的舒適是建筑室內(nèi)舒適的基本要求。冬天室內(nèi)太冷時(shí)需要采暖，夏季室內(nèi)太熱時(shí)需要空調(diào)。但所需要的調(diào)控溫度、濕度等熱環(huán)境參數(shù)卻是因功能而變，甚至因人而異。而且，由于衣著和人體活動(dòng)量的不一樣，人對同樣的熱環(huán)境的舒適感覺也不同。所以，盡管建筑使用了空調(diào)或供暖設(shè)備進(jìn)行了熱環(huán)境調(diào)節(jié)，并消耗了大量的能源，但室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性依然不能保證被所有人接受，甚至經(jīng)常引來各種抱怨。正是由于不同的人對熱環(huán)境有不同的偏好，就應(yīng)該把熱環(huán)境的控制權(quán)交給空間的使用者甚至是個(gè)人，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熱環(huán)境按照個(gè)性化需求的精準(zhǔn)控制。

個(gè)性化控制的情景很多，有針對建筑空間不同的使用要求設(shè)定不同的熱環(huán)境，有針對建筑不同功能區(qū)域設(shè)定不同的環(huán)境，有針對不同的個(gè)人需求把局部熱環(huán)境的控制權(quán)交給個(gè)人等，這些都是個(gè)性化控制。對于不同尺度的空間，個(gè)性化控制的策略是不同的。超大空間控制起來比較困難，各個(gè)局部不太容易得到滿意的熱環(huán)境；大空間控制也不太容易，有些局部可能控制不好；中等空間和小空間相對簡單一些，但也經(jīng)常存在問題。

營造室內(nèi)熱環(huán)境的方案也是多樣的，可以采用被動(dòng)式的方法，如自然通風(fēng)，可以采用主動(dòng)式的方法，如空調(diào)設(shè)備，還可以采用主動(dòng)加被動(dòng)的混合式方法，如空調(diào)與自然通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制等。在熱環(huán)境的控制方式上也可以有多種方案，可以直接由人控制，也可以根據(jù)運(yùn)行積累的經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定控制模式，還可以采用人機(jī)交互智能控制、人工智能控制等。實(shí)現(xiàn)熱環(huán)境的個(gè)性化控制涉及建筑室內(nèi)的熱惰性、建筑門窗、遮陽裝置等，也涉及到空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)。

本文希望通過對個(gè)性化熱環(huán)境的需求研究，系統(tǒng)梳理個(gè)性化控制的必要性和作用，通過對控制路徑的研究，探討個(gè)性化控制的可行性和實(shí)現(xiàn)方法。

2 不同人群對熱環(huán)境個(gè)性化需求

大量研究結(jié)果表明，熱環(huán)境的滿意度有著很強(qiáng)的個(gè)性化特征，單一標(biāo)準(zhǔn)的熱環(huán)境不但能耗需求高，還不能令人滿意。所以，只有針對不同性別、不同年齡、不同身體狀況、不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，調(diào)節(jié)出不同的熱環(huán)境，才能達(dá)到最高的滿意度。

2.1 性別不同，需求不同

男女對室內(nèi)熱環(huán)境的感覺是不同的。在辦公建筑中，男士經(jīng)常著裝正規(guī)，衣服較厚，需求的室內(nèi)溫度較低；而女性夏季衣著單薄，需求的室內(nèi)溫度就不會(huì)太低。一般而言，女性對惡劣環(huán)境的耐受力較男性差，國內(nèi)學(xué)者在男女性別對熱環(huán)境的不同反應(yīng)進(jìn)行過許多研究。王?。?］研究了飛機(jī)座艙中人體熱環(huán)境感覺性別差異，表明在相同熱環(huán)境下男性熱感覺高于女性；華征［2］的研究表明，在28 ℃附近，男性的平均體表溫度高于女性，女性的平均體表溫度明顯低于男性；代金等人［3］的研究表明，在相同體重指數(shù)下，男性熱感覺略高于女性。眾多的國內(nèi)外研究都表明，在空調(diào)環(huán)境下女性對溫度的期望值高于男性，女性的生理周期對熱感覺、熱舒適也有一定影響。

2.2 年齡不同，需求不同

老年人對熱環(huán)境的感覺也與青壯年不一樣。老人怕風(fēng)，溫度也不能過低。劉雪麒［4］對養(yǎng)老建筑室內(nèi)熱環(huán)境的研究表明，夏季老年人熱期望溫度為27.7℃，冬季老年人熱期望溫度為23.8℃，均高于熱中性溫度；而且老年人喜好溫暖偏熱的環(huán)境，在冬季對偏冷環(huán)境的不適感很高，在夏季的陰雨降溫天容易感到冷和身體不適。

2.3 身體狀態(tài)不同，需求不同

病人因身體狀態(tài)不同，對熱環(huán)境的要求也不同。對于需要住院的病人，由于病房人員密度較高，又有被子等保暖物品提供，因此要求室內(nèi)溫度會(huì)相對低一些。余?。?］對病房人員熱舒適研究表明，冬、夏季的病房可接受溫度區(qū)間分別為20.4℃～22.4℃和24.6℃～26.5℃。而對于不用住院的輕癥病人，通常在醫(yī)院的門診大廳活動(dòng)，患病狀態(tài)下身體較為虛弱，抵抗力較差，往往伴有發(fā)熱等癥狀，一般會(huì)比較怕冷、怕風(fēng)，因此要求室內(nèi)溫度不能太低，也不宜有明顯吹風(fēng)感。

另外，人在從一個(gè)熱環(huán)境突然進(jìn)入到另一個(gè)熱環(huán)境時(shí)，會(huì)有一個(gè)短暫的熱敏感滯后時(shí)間，如夏季從室外到室內(nèi)，冬季從室外到室內(nèi)。陳思伊［6］通過對西安地鐵車站熱環(huán)境研究，提出“要想滿足乘客的熱舒適，車站的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)當(dāng)隨室外溫度變化，而不是定值”。

2.4 生產(chǎn)、生活環(huán)境不同，需求不同

不同地區(qū)的人對熱環(huán)境的感覺也不同。李文杰［7］在研究建筑室內(nèi)自然環(huán)境下基于生理——心理的人體熱舒適時(shí)發(fā)現(xiàn)，受試者對長期所居住的熱環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一定的適應(yīng)性。另外，不同的工作情景，著裝不同，代謝量不同，對熱環(huán)境的要求也不同。與生理參數(shù)相關(guān)的熱舒適實(shí)驗(yàn)研究均證明了代謝率與熱環(huán)境因素有關(guān)［8］。

3 熱環(huán)境個(gè)性化控制的作用

⑴熱環(huán)境的個(gè)性化控制可以最大限度滿足不同人群對環(huán)境的不同需求，使得室內(nèi)環(huán)境更加人性化，提高使用者的滿意度。不同的人對溫度、濕度、吹風(fēng)感、太陽輻射等等的感受和需求都不同，只有實(shí)現(xiàn)熱環(huán)境的個(gè)性化控制，才能營造出讓大多數(shù)人都滿意的室內(nèi)熱環(huán)境。

⑵從人性化的角度，建筑應(yīng)該做到“我的環(huán)境我做主”。建筑的很多空間常駐人員并不多，而且相對固定，這些空間的熱環(huán)境設(shè)定應(yīng)該滿足常駐人員的要求。單人空間按照個(gè)人需求調(diào)節(jié)控制，多人空間需要相互協(xié)調(diào)，青壯年要照顧到老年人，男性要照顧到女性，健康者要照顧到體弱者，這些都是人性化的需求。

⑶從健康的角度，開放的建筑室內(nèi)環(huán)境能夠讓使用者更加親近自然，很多情況下室外的熱環(huán)境和空氣質(zhì)量并不差，自然通風(fēng)可以保持室內(nèi)空氣清新，更有利于人體健康。反之，密閉的室內(nèi)環(huán)境不利于空氣流動(dòng)，時(shí)間長了會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量急劇下降，危害人體健康。個(gè)性化控制可以讓使用者想開窗時(shí)開窗，想開空調(diào)時(shí)開空調(diào)，最大限度滿足人與自然親近的需要。

⑷從節(jié)能的角度，人在建筑中具有流動(dòng)性，許多空間的活動(dòng)人數(shù)是變化的，部分空間甚至只是間歇性地使用，并不是一直有人在活動(dòng)，讓能源跟隨人走，人在設(shè)備開，人走設(shè)備關(guān)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備按人的需要啟閉，明顯更加節(jié)約能源。

4 熱環(huán)境個(gè)性化控制的實(shí)施

熱環(huán)境的個(gè)性化控制方式主要可以分為2 種：①讓使用者本人控制調(diào)節(jié)熱環(huán)境。使用者可以開窗通風(fēng)，開啟、關(guān)閉、調(diào)節(jié)遮陽裝置，也可以開啟、關(guān)閉空調(diào)，調(diào)節(jié)空調(diào)室內(nèi)的溫度和風(fēng)速、風(fēng)向。②依靠智能化系統(tǒng)進(jìn)行控制，其中又包括按照不同的使用要求設(shè)定不同的熱環(huán)境，以及按照不同功能區(qū)域設(shè)定不同的熱環(huán)境2種方式。

營造室內(nèi)熱環(huán)境個(gè)性化控制的實(shí)施，受技術(shù)的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)條件、用能政策等多方面因素影響，合理的熱環(huán)境調(diào)節(jié)應(yīng)與自然相適應(yīng)、滿足建筑功能、發(fā)揮人的適應(yīng)力、照顧特殊人群，不同的建筑的熱環(huán)境營造有不同的側(cè)重點(diǎn)。

4.1 室內(nèi)熱環(huán)境個(gè)性化調(diào)節(jié)首先要考慮建筑空間尺度

不同空間尺度的建筑對應(yīng)不同的建筑功能，人在建筑中的行為也隨建筑功能的不同存在差異，因此人對熱環(huán)境的需求及調(diào)節(jié)方法也應(yīng)隨建筑空間尺度大小而不同。

4.1.1 超大空間

超大空間一般指建筑面積很大，層高較高的空間，如大型交通樞紐建筑（機(jī)場航站樓、客運(yùn)站候車室）、會(huì)展建筑、體育場館等。超大空間的末端空調(diào)設(shè)備布置常受局限，室內(nèi)熱環(huán)境的控制難以做到均勻。由于這類空間的人員停留時(shí)間短，因此熱環(huán)境個(gè)性化控制要求不宜過高，熱環(huán)境的控制應(yīng)以人的活動(dòng)高度范圍為主，對于人員活動(dòng)范圍之外的區(qū)域，應(yīng)盡量減少其對人員活動(dòng)區(qū)熱環(huán)境的負(fù)面影響，比如夏季避免輻射熱過大、冬季避免上熱下冷等現(xiàn)象。超大空間應(yīng)做好自然通風(fēng)；合理采用分層空調(diào)或局部空調(diào)；做好空調(diào)氣流組織設(shè)計(jì)，避免人員區(qū)域空調(diào)風(fēng)速過大；做好透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié)的遮陽設(shè)計(jì)，避免局部過熱；做好防冷風(fēng)設(shè)計(jì)，避免局部過冷。

4.1.2 大空間

大空間一般指建筑面積和層高中至少有一項(xiàng)尺寸較大的空間，如商場建筑、醫(yī)院門診大廳等都屬于大空間類型。在這類空間中，人員的停留時(shí)間較短，流動(dòng)性較大，人員的著裝以適應(yīng)室外氣溫為主。因此室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)應(yīng)考慮室外溫濕度的影響，提供滿足絕大多數(shù)人需求的熱環(huán)境背景條件，不應(yīng)采用一成不變的固定室溫的溫控法。在室內(nèi)外溫差較大的地區(qū)，還應(yīng)考慮人在室內(nèi)、室外2種熱環(huán)境中過渡的舒適性，合理設(shè)置過渡區(qū)域。

4.1.3 普通空間

普通空間一般指除了超大空間、大空間以及單元式房間之外的空間，如常見的大辦公室、開敞辦公室、小會(huì)議室等都屬于普通空間。這類空間一般層高不高，面積不大，在其中活動(dòng)的人具有停留時(shí)間長、活動(dòng)量小、位置相對固定、因性別和年齡不同存在個(gè)體需求差異化等特點(diǎn)。因此，這類空間的熱環(huán)境營造應(yīng)重視局部個(gè)性化需求，其實(shí)現(xiàn)方式首先可按照空間中人的較低舒適要求營造一個(gè)基本的熱環(huán)境條件，可以稱之為“背景熱環(huán)境條件”，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行增強(qiáng)的個(gè)性化調(diào)節(jié)。背景熱環(huán)境條件的營造方式包括自然通風(fēng)、全空氣空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)等，個(gè)性化調(diào)節(jié)方式包括變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)、工位送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、工位小風(fēng)扇調(diào)節(jié)等。背景營造與個(gè)性化調(diào)節(jié)可以根據(jù)需求獨(dú)立設(shè)置或組合設(shè)置。

4.1.4 單元式空間

單元式空間主要是指獨(dú)立辦公室、醫(yī)院病房、酒店客房等類型，其特點(diǎn)是建筑面積小，活動(dòng)人員少，或者僅為單人使用，熱環(huán)境條件由于人數(shù)較少而容易協(xié)調(diào)。這類空間首先應(yīng)具備良好的自然通風(fēng)條件，其環(huán)境的個(gè)性化調(diào)節(jié)方式應(yīng)按需求配置獨(dú)立可調(diào)的小容量空調(diào)末端設(shè)備以及獨(dú)立可調(diào)的遮陽設(shè)施。

4.1.5 過渡空間

過渡空間主要指有蓋的連廊、半開敞空間等。過渡空間可讓人在室內(nèi)外空間或兩棟建筑之間轉(zhuǎn)換時(shí)逐步適應(yīng)熱環(huán)境的變化，有利于人的健康。過渡空間熱環(huán)境參數(shù)應(yīng)介于連通的2 個(gè)空間的熱環(huán)境之間，根據(jù)需求，還可調(diào)節(jié)至更接近某一側(cè)空間的熱環(huán)境?？赏ㄟ^采用遮陽與自然通風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可通過設(shè)置窗戶、風(fēng)扇、空調(diào)等方式調(diào)節(jié)。

4.2 室內(nèi)熱環(huán)境個(gè)性化調(diào)節(jié)應(yīng)充分發(fā)揮建筑控制的手段

建筑室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)可以通過通風(fēng)、空調(diào)、遮陽等方式實(shí)現(xiàn)，其中對人體健康最有利的調(diào)節(jié)方式就是通風(fēng)，通風(fēng)方式包括自然通風(fēng)及機(jī)械通風(fēng)。當(dāng)自然通風(fēng)無法滿足室內(nèi)風(fēng)速或換氣要求時(shí)，還應(yīng)輔以機(jī)械通風(fēng)，如設(shè)置通風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇等，增強(qiáng)室內(nèi)換氣，保持室內(nèi)空氣清新，帶走余熱余濕，改善室內(nèi)熱環(huán)境。有需求時(shí)對濕度也應(yīng)進(jìn)行控制，濕度控制包括加濕與除濕，一般采用通風(fēng)、空調(diào)、或者設(shè)置獨(dú)立的加濕、除濕設(shè)備等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的方式應(yīng)優(yōu)先考慮建筑控制手段，例如控制開窗來控制自然通風(fēng)、設(shè)置遮陽調(diào)節(jié)室內(nèi)太陽輻射照射、室內(nèi)天然采光等。應(yīng)盡量采用自然通風(fēng)，充分利用室外空氣的天然冷源，做好門窗的布置及室內(nèi)通風(fēng)路徑的設(shè)計(jì)，為自然通風(fēng)環(huán)境的營造創(chuàng)造有利條件，大空間盡可能設(shè)置高窗，減少對近窗人員的不利影響。

實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熱環(huán)境的個(gè)性化控制還涉及建筑室內(nèi)的熱惰性、建筑門窗的性能、遮陽裝置的調(diào)節(jié)性能等。室內(nèi)輕質(zhì)化裝修，可降低室內(nèi)的熱惰性，在每次空調(diào)開啟時(shí)，可快速將室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)到滿足人員要求的狀態(tài)，由于不用負(fù)擔(dān)較大的蓄熱，因此也更節(jié)能。

4.3 室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)應(yīng)做好末端控制

室內(nèi)熱環(huán)境的末端控制，主要指采用設(shè)備控制。不同功能、不同朝向的房間應(yīng)考慮不同的控制策略，因此設(shè)備控制系統(tǒng)的配置應(yīng)便于按房間功能、朝向以及人員需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，這涉及到設(shè)備形式及其控制系統(tǒng)。

設(shè)備的控制可以完全按照使用者的意志，也可以根據(jù)運(yùn)行積累的環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)定，還可以采用人機(jī)交互控制、人工智能控制等方式。當(dāng)采用多種設(shè)備對室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可采用交替進(jìn)行的混合控制，也可以采用同時(shí)運(yùn)行的聯(lián)合控制方式。聯(lián)合控制的方式最能夠體現(xiàn)個(gè)性化調(diào)節(jié)策略。例如集中空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)+小型分散式末端設(shè)備的聯(lián)合控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用集中空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)背景熱環(huán)境的控制，滿足基本需求，而采用小型分散式末端設(shè)備，如風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組、空調(diào)室內(nèi)、風(fēng)扇、局部區(qū)域的機(jī)械通風(fēng)設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域的個(gè)性化精細(xì)化熱環(huán)境調(diào)節(jié)，盡可能獨(dú)立控制每個(gè)小型末端設(shè)備，可獲得更寬的熱舒適范圍，達(dá)到熱環(huán)境的精準(zhǔn)控制。

需要注意的是，裝修設(shè)計(jì)必須與空調(diào)末端設(shè)計(jì)一體化，才能根據(jù)每個(gè)人的空間合理配置設(shè)備及風(fēng)口，并考慮溫濕度、風(fēng)速的可調(diào)性以及設(shè)備噪聲對人員的影響。

5 結(jié)語

室內(nèi)熱環(huán)境的個(gè)性化，既包括不同功能、不同大小空間熱環(huán)境的個(gè)性化，也包括同一空間不同人員個(gè)體需求的個(gè)性化，還包括不同地域人群因氣候適應(yīng)性產(chǎn)生的特殊需求的個(gè)性化。

室內(nèi)舒適熱環(huán)境的營造應(yīng)充分考慮各種因素，采用自然環(huán)境與空調(diào)環(huán)境相結(jié)合，建筑技術(shù)與設(shè)備系統(tǒng)相結(jié)合，手動(dòng)控制與智能控制相結(jié)合的聯(lián)合控制方式，實(shí)現(xiàn)因人而異、因使用需求而異的精準(zhǔn)控制。

全年室內(nèi)熱環(huán)境的需求會(huì)隨著室外氣候的變化而變化，舒適的室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合室外氣候條件，根據(jù)不同建筑空間的功能特點(diǎn)和不同人群需求，營造動(dòng)態(tài)的室內(nèi)熱濕環(huán)境，而非設(shè)置固定的熱濕參數(shù)。

室內(nèi)空間尺度是決定熱環(huán)境個(gè)性化調(diào)節(jié)方式及效果的重要因素，不同尺度的建筑空間可根據(jù)尺度大小，采用整體環(huán)境控制和局部環(huán)境微調(diào)的組合方式，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熱環(huán)境的個(gè)性化控制。

為了健康和節(jié)能，采用主動(dòng)和被動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的不同組合，調(diào)節(jié)手段應(yīng)以建筑技術(shù)優(yōu)先，設(shè)備調(diào)節(jié)為輔，尤其應(yīng)該重視自然通風(fēng)與遮陽技術(shù)的運(yùn)用。為了適應(yīng)不同時(shí)段需求的變化，建筑的裝修應(yīng)盡量輕質(zhì)化，以便能夠?qū)崿F(xiàn)熱環(huán)境快速調(diào)控。