夏熱冬冷地區(qū)基于座位的個性化供暖系統(tǒng)研究

上海理工大學 于國清 顧趙季 閆振業(yè) 楊高杰 王智德 陳恒韜

一次修回：2020- 02- 10

二次修回：2021- 02- 02

0 引言

我國夏熱冬冷地區(qū)冬季陰冷高濕，室內(nèi)熱環(huán)境狀況惡劣[1-2]。盡管室外溫度并不是很低，大部分時間在0 ℃以上，但由于建筑外圍護結(jié)構(gòu)的保溫水平較差，受到偏低室外溫度的影響，不供暖時，室內(nèi)溫度通常只有8～12 ℃，導致人體舒適性較差。為了提高舒適性，人們通常穿著較厚的冬季服裝(通常為羽絨服或棉外套，服裝熱阻一般為1.2～1.5 clo)，但即使這么厚的著裝，在室內(nèi)伏案工作學習時，仍然感覺偏冷，下半身的冷感尤其明顯[3]。冬季室內(nèi)通常采用分體式空調(diào)供暖，以改善室內(nèi)熱環(huán)境、提高舒適性，這種傳統(tǒng)供暖空調(diào)是在整個房間或人員居留區(qū)營造均勻的熱環(huán)境，滿足大多數(shù)人的舒適性要求[4-5]。但是分體式空調(diào)的使用會帶來不容小覷的能耗，且難以達到室內(nèi)所有人都滿意的舒適溫度。因此，個性化供暖系統(tǒng)被提出。個性化供暖系統(tǒng)不同于分體式空調(diào)，允許個體根據(jù)自己的熱舒適偏好，對自己周圍的微熱環(huán)境進行調(diào)節(jié)控制，可以明顯提高滿意率。在夏熱冬冷地區(qū)使用個性化供暖系統(tǒng)對提高寒冷環(huán)境下人體的熱舒適性有重要作用。

目前已經(jīng)有多人研究了不同環(huán)境下不同類型的個性化供暖系統(tǒng)對人體熱感覺的影響，其中研究較多的是對靜坐辦公或?qū)W習時熱感覺的影響。譚暢等人研究得到足部供暖在非均勻環(huán)境下不僅增強了足部熱感覺，還提升了大腿、小腿及整體的熱感覺[6]。李甲等人研究了電熱坐墊和暖腳板對熱舒適性的影響，結(jié)果證明其能夠顯著提高局部和整體熱舒適[7]。Udayraj等人研究了3種個性化供暖設(shè)備，分別是加熱桌、加熱椅和加熱地板聯(lián)合使用及電加熱服，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電加熱服在增強局部、整體熱感覺和熱舒適方面表現(xiàn)得更好，且消耗的能量也較小[8]。He等人研究對比了加熱椅和暖腿綁帶聯(lián)合使用、僅使用加熱椅及兩者都不使用的情況下的熱感覺[9]。He等人實地調(diào)查了湖南當?shù)剞r(nóng)村居民冬季使用的火桶，研究發(fā)現(xiàn)火桶具有擴大可接受溫度范圍的優(yōu)勢，并將火桶進行改造，分別在9、12、15、18 ℃下探討了主觀熱舒適度和能耗情況，結(jié)果表明在使用火桶15 min內(nèi)，整體熱感覺、熱舒適和熱可接受度均有所改善[10-11]。Zhang等人在一間辦公室中配備個人足部加熱裝置，并將房間加熱后的溫度設(shè)定值從21.1 ℃調(diào)整至18.9 ℃進行實驗，發(fā)現(xiàn)保持比正常室內(nèi)溫度更低的溫度時，受試者的熱舒適不會受到影響[12]。Vesel等人在操作溫度為18 ℃的房間內(nèi)對加熱椅、加熱桌墊和加熱地墊單獨或組合進行實驗，發(fā)現(xiàn)三者結(jié)合使用的完整系統(tǒng)顯著提高了熱舒適性，單獨使用時加熱椅和加熱桌墊也能提高熱舒適性，其中加熱椅最節(jié)能[13]。Foda等人在一大廳空間模擬了購物中心座位下使用加熱地板的情況，結(jié)果表明在穩(wěn)態(tài)功率最小的情況下，座位下放置3塊加熱地板，呈“品”字形布置，是最優(yōu)的形式[14]。

研究發(fā)現(xiàn)，個性化供暖系統(tǒng)在一定程度上能夠提高夏熱冬冷地區(qū)冬季人體熱舒適性。已有的個性化供暖研究主要是針對較高溫度(18 ℃)下人體的熱舒適性，本文的研究主要針對較低溫度(12～16 ℃)工況，對加熱地板+普通座椅及加熱地板+保溫座椅(座椅的下半部分用保溫板包裹)相結(jié)合的個性化供暖系統(tǒng)進行對比分析，對個性化供暖設(shè)備對人體局部、整體熱感覺的改善情況展開研究。

1 基于座位的個性化供暖裝置

1.1 加熱地板+普通座椅

在夏熱冬冷地區(qū)的冬季，不供暖時，房間空氣溫度通常只有12～16 ℃，人們坐于桌前辦公或?qū)W習時，一般會覺得冷，下半身的冷感尤其明顯。本文設(shè)計了2種基于座位的個性化供暖裝置，第1種為加熱地板+普通座椅，如圖1所示，在桌椅下布置加熱地板，面積通常為0.5～1.5 m2，加熱地板通過輻射和對流對人體周圍的微環(huán)境進行加熱。加熱地板既可以采用電加熱，也可以采用低溫熱水進行加熱。這種方式既可以用在辦公室，也可以用在住宅。

圖1 加熱地板+普通座椅示意圖

1.2 加熱地板+保溫座椅

在加熱地板+普通座椅的形式下，熱量通常會通過椅子下部四周的敞開處向周圍環(huán)境散發(fā)，使得座椅表面溫度的提升效果不明顯，因此本文設(shè)計了第2種形式：加熱地板+保溫座椅，如圖2所示，加熱地板與第1種形式相同，但對普通座椅的椅腿后部、左部及右部用保溫板進行包裹，使之變?yōu)楸刈巍?/p>

圖2 加熱地板+保溫座椅示意圖

2 個性化供暖裝置的熱感覺實驗方法與過程

2.1 熱感覺實驗方法及條件

為了研究上述2種個性化供暖裝置對人體局部、整體熱感覺的改善效果，進行了熱感覺調(diào)查實驗。實驗于2018年12月至2019年3月在上海的一間辦公室進行，房間尺寸為6.0 m×3.4 m×3.4 m(長×寬×高)，房間位于樓道的北面，北面有外窗，南門連接走廊，左右相鄰房間及走廊均不進行供暖，在房間內(nèi)相鄰的2個工位下各布置2塊加熱地板，如圖3所示。其中，工位1為加熱地板+普通座椅，工位2為加熱地板+保溫座椅。為了便于實驗，使用了電加熱地板，尺寸為60.0 cm×60.0 cm×1.5 cm(長×寬×高)，采用陶瓷耐高溫耦合碳纖維發(fā)熱技術(shù)，每塊電加熱地板額定功率為81.5 W，可通過變壓器調(diào)節(jié)其功率。

圖3 實驗房間布置圖

實驗的受試者為10名年齡在20～25歲之間的大學生，身高為160～180 cm，體質(zhì)量為47.5～70.0 kg，受試者身體狀況良好，并在實驗開始前均未進行任何劇烈運動。受試者著裝為冬季自然著裝，均為厚服裝：上身為棉服+毛衣+保暖秋衣；下身為秋冬季牛仔褲+保暖秋褲；腳部為運動鞋+長襪。服裝熱阻Iclo為1.2～1.5 clo。

實驗采用ASHRAE熱感覺標度(3很熱，2熱，1有點熱，0中性，-1有點冷，-2冷，-3很冷)對受試者進行熱感覺投票。在室內(nèi)布置了銅-康銅熱電偶測量溫度，并連接數(shù)據(jù)采集儀34972A自動采集測點溫度，測點布置于四周墻面、房間中心、加熱地板表面及其上方10 cm和20 cm高處，測量個體微環(huán)境溫度場、地板表面溫度、空氣溫度及房間壁面溫度。室內(nèi)空氣流速通過KIMO-VT100熱線風速儀進行測量，利用鉗形功率計PW3360-30測量加熱地板功率。

2.2 熱感覺實驗過程

分別在房間溫度12、14、16 ℃下進行實驗，對無加熱地板、加熱地板+普通座椅和加熱地板+保溫座椅3種工況進行熱感覺投票，具體工況描述見表1。

表1 實驗工況

工位1可設(shè)置為加熱地板+普通座椅或無加熱地板，工位2則為加熱地板+保溫座椅，在進行測試之前由實驗員提前30 min開啟加熱地板。每個受試者測試時間總計為45 min，受試者首先進入房間溫度為21～23 ℃的等候室等待15 min，再進入實驗室，于工位1上靜坐10 min后根據(jù)要求填寫調(diào)查問卷，然后受試者移動至工位2，靜坐20 min，期間每隔10 min填寫一次調(diào)查問卷，在進入實驗室的30 min內(nèi)共進行3次投票，在測試過程中受試者可以看書或使用計算機。在前一位受試者測試完畢后，下一位受試者需在10 min后再進入實驗室，以排除實驗室在測試過程中受到的干擾因素影響實驗結(jié)果。在整個測試期間，均不告知受試者加熱地板是否開啟，以排除受試者個人的心理因素對測試結(jié)果的影響。并使用數(shù)據(jù)記錄儀記錄測試過程中加熱地板的表面溫度及其附近溫度。

2.3 熱電偶測點參數(shù)

房間溫度為12、14、16 ℃時，在使用保溫座椅的情況下，測點平均溫度見表2。

由表2可以看出：在加熱地板額定功率下，加熱地板表面平均溫度為31.5～33.4 ℃，而隨著室內(nèi)溫度升高，地板表面溫度略有升高；加熱地板向上10、20 cm高處溫度比室內(nèi)空氣溫度高，溫度越低，對微環(huán)境下空氣溫度的提高程度越明顯，12 ℃時向上10、20 cm高處分別約提高5.0、2.2 ℃，14 ℃時向上10、20 cm高處分別約提高4.3、1.6 ℃，16 ℃時向上10、20 cm高處分別約提高3.3、0.9 ℃。使用熱線風速儀測得風速均小于0.1 m/s，多處測得風速顯示值為0，因此本文暫不研究風速對人體熱感覺的影響。

3 個性化供暖裝置的熱感覺提升效果分析

3.1 房間溫度12 ℃時的熱感覺分析

12 ℃時將無加熱、加熱地板+普通座椅和加熱地板+保溫座椅的熱感覺投票結(jié)果進行對比，分析熱感覺的提升效果，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：

1) 加熱地板+普通座椅與無加熱地板相比，除足部外，其余部位熱感覺基本相同，可見加熱地板對于足部熱感覺的提升有一定效果(投票值從約-2.1升至約-1.5)，但其熱量只是作用于足部，對于受試者其他部位的熱感覺提升見效甚微。

2) 加熱地板+保溫座椅較加熱地板+普通座椅，對人體熱感覺有顯著的提高，腹部和臀部的熱感覺由原來涼趨于暖的狀態(tài)(腹部投票值從約-0.7升至約0.2，臀部投票值從約-0.7升至0.6)，大腿熱感覺由原來冷的感覺變?yōu)樯詻鰻顟B(tài)(投票值從約-1.7升至-0.6)。而對膝蓋、小腿及足部影響不甚明顯，膝蓋仍處于很冷的狀態(tài)(投票值約-2.4)，小腿及足部處于冷的狀態(tài)(投票值約-1.5)。

在12 ℃下，加熱地板+普通座椅提升效果甚微，加熱地板+保溫座椅能明顯提高人體下半身的熱感覺，但因空氣溫度過低，除腹部、臀部與大腿外，其余人體局部及整體熱感覺仍未滿足熱舒適的要求。

3.2 房間溫度14 ℃時的熱感覺分析

14 ℃時加熱地板+普通座椅和加熱地板+保溫座椅的熱感覺對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 14 ℃時熱感覺對比

由圖5可以看出：

1) 在加熱地板+普通座椅的工況下，僅有足部的熱感覺處于有點冷與中性之間(熱感覺投票值約為-0.5)，其余局部熱感覺及整體熱感覺都處于有點冷與冷之間(投票值為-2.0至-1.0)。

2) 在加熱地板基礎(chǔ)上加保溫座椅之后，臀部、腹部和足部的熱感覺有了明顯提升，基本接近熱中性；大腿熱感覺也有較明顯提升(投票值從約-1.3升至-0.7)，但仍處于稍冷狀態(tài)；膝蓋和小腿有較小的提升(小腿投票值從-1.1升至-0.6，膝蓋投票值從-1.5升至-1.2)，仍感覺到稍冷。

在14 ℃時，結(jié)合保溫座椅的加熱地板相較于加熱地板+普通座椅，對受試者局部和整體熱感覺有較為明顯的提升，尤其腹部、臀部和足部可以達到熱中性。

3.3 房間溫度16 ℃時的熱感覺分析

室內(nèi)溫度為16 ℃時，當穿厚著裝時受試者本身不會覺得很冷，個體熱感覺僅僅是稍冷狀態(tài)[15]。因此，實驗對無加熱地板和加熱地板+保溫座椅的2種工況進行對比研究，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 16 ℃時熱感覺對比

由圖6可以看出：

1) 無加熱地板的情況下，因室內(nèi)溫度為16 ℃，熱感覺基本處于有點冷與中性之間(投票值為-1.0至0)，但可看出大腿、膝蓋和小腿為中性偏冷的感覺。

2) 當采用加熱地板+保溫座椅時，各部位熱感覺都有一定提升，臀部和腹部改善至熱中性，而小腿和足部的熱感覺有很大提升，從偏冷狀態(tài)提升至偏熱狀態(tài)(小腿投票值從-0.9升至0.6，足部投票值從-0.2升至1.0)，是因為加熱地板使得足部過熱；大腿和膝蓋熱感覺稍有提升(提升程度約為0.2～0.3)，接近熱中性。

在16 ℃時，結(jié)合保溫座椅的加熱地板與無個性化供暖設(shè)備相比，有較好的改善效果，尤其腹部、臀部可以達到熱中性，但對于足部和小腿來說已經(jīng)感覺到稍熱。

4 個性化供暖的能耗比較與分析

4.1 電加熱地板與熱泵型空調(diào)器的能耗對比

對加熱地板的能耗情況進行了測定，并將其與辦公室冬季供暖時普遍使用的熱泵型分體式空調(diào)的能耗進行一個粗略的對比分析，兩者比較的基準是能夠提供大致相同的舒適性，加熱地板在較低室內(nèi)溫度下能夠提供較好的舒適性，而房間溫度設(shè)定為20 ℃時[16]，分體式空調(diào)也能提供大致相同的熱舒適性。在對加熱地板的能耗與分體式空調(diào)的能耗進行比較時，加熱地板的使用情況是每塊加熱地板都處于額定功率(81.5 W)下；分體式空調(diào)器的能耗測定是選擇同一房間，房間溫度設(shè)定為20 ℃，在室外溫度與加熱地板個性化供暖實驗時室外溫度相近的日期開啟，使用鉗形功率計記錄逐時空調(diào)能耗，房間內(nèi)分體式空調(diào)器功率為1 200 W左右。將運行時間都設(shè)置為09:00—17:00，在測試時間段內(nèi)分體式空調(diào)器累計的運行能耗為7.94 kW·h，而加熱地板按照房間內(nèi)設(shè)置2個工位、運行時間為9 h的累計能耗為2.93 kW·h，可減少約63.1%的能耗。在實際生活中，辦公室內(nèi)可能并不只有2人，也會有3、4人的情況，表3中給出了在20 m2的辦公室內(nèi)不同人數(shù)情況下個性化供暖相較于分體式空調(diào)的節(jié)能量。

表3 個性化供暖與分體式空調(diào)能耗對比

4.2 加熱源相同時的能耗對比

上述分析中，雖然加熱地板與空調(diào)都使用電，但兩者用電產(chǎn)熱的能效大不相同，下面分析假設(shè)都采用單純電加熱時的能效對比，個性化供暖裝置仍采用電加熱，熱泵型分體式空調(diào)改為電加熱型房間供暖器。假設(shè)分體式空調(diào)COP為2.5，電加熱型房間供暖器提供相同熱量時的能耗及房間內(nèi)設(shè)置2、3、4個工位時的節(jié)能率見表4。

表4 加熱源相同時的節(jié)能率

由表4可以看出，如果個性化供暖與房間供暖器采用相同的熱源，個性化供暖裝置具有更加可觀的節(jié)能效果。

5 結(jié)論

1) 加熱地板+普通座椅與無加熱地板相比，僅對足部的熱感覺有一定改善，對于其他部位的熱感覺改善效果甚微。

2) 加熱地板+保溫座椅對于提升受試者的局部、整體熱感覺更有效果。

3) 12 ℃時，使用加熱地板+保溫座椅在一定程度上能夠提高人體的熱感覺，腹部和臀部的熱感覺由涼趨于暖，大腿熱感覺由冷變?yōu)樯詻鰻顟B(tài)。而對膝蓋、小腿及足部影響不甚明顯(膝蓋投票值約-2.4，小腿及足部投票值約-1.5)，因空氣溫度過低，熱感覺仍未滿足舒適要求。

4) 14 ℃時，使用加熱地板+保溫座椅相較于加熱地板+普通座椅，受試者熱感覺有較為明顯的提升(大幅度提升如腹部、臀部約為1，小幅度提升如小腿、足部約為0.4)，尤其腹部、臀部和足部可以達到熱中性。

5) 16 ℃時，使用加熱地板+保溫座椅，腹部、臀部可以達到熱中性，但對于足部和小腿提升效果過大，容易使人感覺到稍熱而轉(zhuǎn)為不舒適。

6) 使用加熱地板+保溫座椅與分體式空調(diào)相比較，僅用較低的能耗就能滿足人體舒適性，當房間內(nèi)設(shè)置2個工位時，節(jié)能率為63.1%。

7) 在夏熱冬冷地區(qū)冬季個性化供暖系統(tǒng)的使用在一定程度上能夠改善較冷環(huán)境中人體的熱舒適性，且能耗大幅降低。