不同空調系統(tǒng)末端熱舒適現場測試對比研究

清華大學 清華大學建筑設計研究院有限公司 趙海湉

清華大學 周政翰 林波榮△ 劉 實 朱穎心 孫弘歷

清華大學建筑設計研究院有限公司 劉建華 張菁華

0 引言

目前，不同形式的空調系統(tǒng)末端在建筑工程中被大量應用。根據傳熱方式不同，可將空調系統(tǒng)末端分為對流換熱末端(風機盤管、全空氣系統(tǒng)等)、輻射換熱末端(輻射天花、輻射地板)、部分輻射+部分對流末端(冷梁系統(tǒng))。由于傳熱方式的差別，不同形式空調系統(tǒng)末端營造的室內環(huán)境不同，與人體進行傳熱的形式和比例也不同，最終導致人體在不同末端環(huán)境中的熱舒適表現不同。目前對于不同空調系統(tǒng)末端的熱舒適研究主要為人工氣候室實驗[1-4]和現場測試[5]，通過現場室內環(huán)境參數測試和人員主觀問卷調研得到不同工況下的人體熱舒適[1-5]。部分研究提出輻射空調系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)對流末端空調系統(tǒng)有較好的熱舒適性。Peng等人在我國中南部地區(qū)進行了空氣介質輻射空調系統(tǒng)和分體空調器熱舒適性的對比研究，發(fā)現輻射空調系統(tǒng)的中性溫度高于分體空調器，且人體可以接受的溫度范圍較大[1]。Chao等人對風機盤管系統(tǒng)和地板輻射系統(tǒng)供冷時不同高度空間的熱舒適性進行了比較研究，發(fā)現地板輻射系統(tǒng)相對于風機盤管系統(tǒng)在更高的空間中具有較好的熱舒適性[2]。但是也有一些研究提出輻射空調系統(tǒng)會對人體局部造成熱不舒適。He等人對我國珠海使用不同空調系統(tǒng)末端的辦公室進行了結合環(huán)境測量和問卷調研的實地調查，發(fā)現不同空調系統(tǒng)末端條件下人體不同部位的局部熱感覺表現出很大差異，并且顯著影響整體熱感覺和整體舒適度，特別是頭、手、腿和腳的局部熱感覺對整體熱感覺有相當大的影響[5]。Zhen等人對輻射空調系統(tǒng)的現場調查結果顯示，有14%～22%的參與者報告手臂和腿腳區(qū)域出現局部冰涼不適[3]。Zhou等人在實驗室研究發(fā)現，在2 h暴露測試條件下，輻射地板冷卻系統(tǒng)比輻射天花冷卻系統(tǒng)更容易引起不適感，寒冷的地面導致足部、小腿和大腿部位的局部熱感覺明顯降低，局部皮膚溫度降低[4]。

目前的研究大部分為人工氣候室實驗，少有研究對不同空調系統(tǒng)末端案例進行大量的實際現場調研測試，并進行對比分析研究。本文對大量現場調研案例結果進行綜合比較分析，得出不同末端人體熱舒適的表現特征，旨在指導空調系統(tǒng)的節(jié)能舒適設計和運行。

1 現場測試案例及方法

為得到不同空調系統(tǒng)末端在實際使用場景下的人體熱舒適數據，本研究對6個城市的12個辦公建筑案例進行室內環(huán)境測試和人體熱舒適現場調研。室內環(huán)境測試與人體熱舒適現場測試同時進行，保證二者數據的對應性。測試時間為2017—2019年3年的夏季，由于測試項目均為辦公建筑，測試時間段選為工作日白天辦公時間(約09:00—17：00)。測試項目及樣本基本信息如表1所示。

表1 測試項目及樣本基本信息

本次調研的空調系統(tǒng)末端主要有3種，即：風機盤管、輻射地板、輻射天花。其中，風機盤管末端(對流末端)案例6個，輻射地板末端和輻射天花末端案例各3個?？傆行柧頂禐? 964份，其中調研人員樣本的性別及年齡分布如圖1所示。

圖1 熱舒適調研樣本性別及年齡分布

現場測試內容主要包括：熱環(huán)境參數測試、人員熱感覺問卷調研。室內熱環(huán)境測試參數主要包括：干球溫度、相對濕度、黑球溫度、風速等。室內熱環(huán)境參數測試位置選取為主要人員工作空間1.5 m高度處。測試儀器周圍沒有明顯熱源及太陽光直射。人體熱舒適測試數據由人員現場問卷調研得到。測試樣本人群為被測項目中長時間停留人員，熱感覺穩(wěn)定時間超過1 h。熱舒適測試主要內容為室內人員熱感覺投票TSV。熱感覺評價標尺采用ASHRAE標準的七級標尺(-3很冷，-2冷，-1涼，0中性，1暖，2熱，3很熱)[6]。研究TSV與操作溫度的關系，其中操作溫度為測量得到的空氣干球溫度與輻射溫度的加權平均值，輻射溫度由空氣干球溫度、黑球溫度和風速計算得到。

2 測試結果分析

2.1 對流末端系統(tǒng)測試結果分析

各對流末端案例測試得到的TSV隨操作溫度的變化曲線如圖2所示。6個案例的綜合測試數據擬合得到的TSV曲線如圖3所示。表2給出了各個案例擬合曲線表達式、計算中性溫度及人體熱舒適敏感度TCS(thermal comfort stability)。其中TCS的物理含義為操作溫度變化1 ℃時人體熱感覺變化量，即TSV擬合曲線的斜率。從統(tǒng)計結果可以看出，各調研案例擬合結果的R2接近1，線性擬合程度較高。同樣，各案例綜合測試數據的線性擬合程度也較高。對流末端條件下，各案例人體中性溫度分布在25.1～25.8 ℃之間，調研綜合中性溫度為25.5 ℃。TCS計算結果分布在0.36～0.59 ℃-1之間，調研綜合值為0.38 ℃-1，與Peng等人在實驗室對分體空調辦公空間TSV進行研究得到的實驗結果[1]非常接近。分體空調末端也屬于對流末端的一種。

圖2 對流末端案例TSV測試結果曲線

圖3 對流末端案例TSV測試結果綜合曲線

表2 對流末端案例TCS測試結果

2.2 輻射地板末端系統(tǒng)測試結果分析

輻射地板末端案例TSV測試結果如圖4、圖5及表3所示。3個案例的TSV線性擬合程度較高，但案例8的TSV擬合曲線與案例7和案例9相比較為“陡峭”，即TCS較大。3個項目的TCS計算結果分布在0.15～0.40 ℃-1之間，調研綜合值為0.15 ℃-1。輻射地板末端3個案例調研得到的中性溫度一致，約為25.3 ℃。

圖4 輻射地板末端案例TSV測試結果曲線

圖5 輻射地板末端案例TSV測試結果綜合曲線

表3 輻射地板末端案例TCS測試結果

2.3 輻射天花末端系統(tǒng)測試結果分析

輻射天花末端案例TSV測試結果如圖6、圖7及表4所示。輻射天花末端3個案例的TSV線性擬合程度較高，綜合TSV線性擬合程度也較高。其中，3個案例的TCS分布在0.68～0.70 ℃-1之間，調研綜合值為0.66 ℃-1。輻射天花末端調研得到的中性溫度分布在25.1～25.5 ℃之間，調研綜合中性溫度為25.3 ℃。

圖6 輻射天花末端案例TSV測試結果曲線

圖7 輻射天花末端案例TSV測試結果綜合曲線

表4 輻射天花末端案例TCS測試結果

3 綜合討論分析

3種不同空調系統(tǒng)末端測試結果的綜合對比見圖8和表5。

圖8 不同末端TSV測試結果綜合比較

表5 不同末端案例TCS測試結果

由統(tǒng)計計算結果分析發(fā)現，輻射天花末端與對流末端系統(tǒng)線性擬合程度較高。由于案例8與案例7和案例9的TCS差別較大，導致輻射地板末端調研結果的綜合線性擬合程度相對較低。其中，不同末端的計算中性溫度幾乎一致，約為(25.4±0.1)℃。但在3種不同空調末端條件下人體對于溫度變化的敏感程度TCS有較大差別?？梢钥吹?，人體對于輻射天花環(huán)境的溫度變化最敏感(TCS=0.66 ℃-1)，對輻射地板環(huán)境最不敏感(TCS=0.15 ℃-1)，輻射天花的TCS為輻射地板的4.4倍。對流末端的TCS處于中間水平(TCS=0.38 ℃-1)，為輻射地板TCS的2.5倍。TCS的大小可以直接反映人體熱感受的區(qū)間大小?？紤]TSV在[-0.5, 0.5]范圍內時，3種末端環(huán)境操作溫度的區(qū)間為：對流末端[24.2 ℃，26.8 ℃]，輻射地板[22.0 ℃，28.6 ℃]，輻射天花[24.6 ℃，26.1 ℃]。也就是說，在滿足人體熱感覺區(qū)間相同的情況下，輻射地板調節(jié)溫度區(qū)間長度最大(為6.6 ℃)，輻射天花最小(為1.5 ℃)，對流末端居中(為2.6 ℃)。

對于不同末端TCS差別較大的原因，這里給出筆者的猜想。圖9顯示了不同空調系統(tǒng)末端在辦公室內的分布情況。其中輻射天花系統(tǒng)對人體頭部及上肢的影響較大，當處于夏季工況時，輻射天花冷表面會與人體頭部和上肢裸露的部分直接進行長波輻射換熱，所以當輻射天花溫度變化時，人體頭部和上肢是最先感受到溫度變化的部位。輻射地板系統(tǒng)則與人體下肢距離最近，除對流換熱外，輻射地板系統(tǒng)可以與下肢裸露部分直接進行長波輻射換熱，從而直接影響局部皮膚溫度，所以下肢最先感受到輻射地板表面溫度的變化。而對流末端系統(tǒng)幾乎不與人體直接進行輻射換熱，人體通過空氣的對流換熱感受空氣溫度變化。絕大多數對流末端都設置在吊頂內，當送風溫度變化時，人體頭部附近的空氣溫度變化速度要快于腳部附近。

圖9 不同空調末端在辦公室內的分布情況

人體各部位冷點分布密度如表6所示[7]。將不同部位的感受器冷點分布密度分類統(tǒng)計得到，頭部的感受器冷點總數量約為下肢的2倍，上肢感受器冷點約為下肢的1.5倍，而頭部和上肢的感受器冷點總和約為下肢的4倍。這就可以解釋輻射天花系統(tǒng)的TCS明顯大于輻射地板系統(tǒng)的原因。

表6 人體各部位冷點分布密度[7] 個/cm2

4 結論與討論

本研究旨在探討不同空調末端系統(tǒng)條件下的人體熱舒適差異，這里空調末端主要為輻射地板、輻射天花和對流末端3種。本研究對采用不同空調末端的12個辦公建筑案例進行了室內環(huán)境測試和人體熱舒適現場調研，得到了人體在不同空調末端條件下的熱感覺投票(TSV)隨操作溫度的變化規(guī)律。主要結論為：

1) 在各種空調末端環(huán)境中，調研得到的人體計算中性操作溫度差別很小，為(25.4±0.1)℃。

2) 在不同空調末端條件下，人體對于溫度調節(jié)變化的敏感程度(TCS)有較大差別。其中，人體對輻射天花環(huán)境的溫度變化最敏感(TCS=0.66 ℃-1)，對輻射地板環(huán)境最不敏感(TCS=0.15 ℃-1)，對流末端處于中間水平(TCS=0.38 ℃-1)。當需控制相同的熱感受區(qū)間時，輻射地板系統(tǒng)的舒適操作溫度區(qū)間最大。

從空調系統(tǒng)末端與人體及室內環(huán)境的傳熱機理考慮，不同空調末端與人體不同部位的主要傳熱形式及傳熱量的比例不同，加之人體不同部位的感受器冷點分布密度不同，最終導致了不同空調末端TCS的明顯差別。

雖然根據調研結果，中性操作溫度差別不大，但不等于人體最舒適的操作溫度差別也不大，也就是說“中性不一定等于舒適”，后續(xù)需研究“中性與舒適”的關系。此外，本文對3種末端的12個建筑進行調研，作為基礎研究支撐理論分析的樣本數量還明顯不足，所以后續(xù)加大調研樣本，對進一步完善數據分析和支撐研究結論有重要作用。