基于人體最不舒適部位的供暖溫度研究*

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 王昭俊 劉 暢 蘇小文 楊宇鑫

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)建筑能耗逐年增加，其中供暖能耗占比約為21%[1]，節(jié)能減排形勢(shì)嚴(yán)峻。與此同時(shí)，智慧城市、智慧建筑和智慧供熱的概念也相繼提出，成為未來(lái)城鎮(zhèn)發(fā)展的一種新趨勢(shì)?！吨袊?guó)供熱藍(lán)皮書(shū)2019——城鎮(zhèn)智慧供熱》[2]強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)在熱力行業(yè)的應(yīng)用，打造更精準(zhǔn)、高效、節(jié)能的中國(guó)熱力行業(yè)智慧供熱“新范式”?！侗狈降貐^(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021年)》指出了我國(guó)城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)發(fā)展呈現(xiàn)的趨勢(shì)，其中用戶(hù)側(cè)呈現(xiàn)為按需、精準(zhǔn)、舒適供熱的要求日益提高。王昭俊提出智慧供熱的目標(biāo)是滿(mǎn)足人的熱舒適需求[3]。而建筑熱環(huán)境中人員不同部位的熱感覺(jué)是有差異的，如何根據(jù)室內(nèi)人員不同部位的生理熱反應(yīng)、心理熱反應(yīng)進(jìn)行供暖室溫的設(shè)定，既滿(mǎn)足人體的熱舒適需求，又能降低供暖能耗，是智慧供熱亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文擬分析我國(guó)北方地區(qū)常用的2種供暖方式營(yíng)造的環(huán)境室溫的分布特征，以及其對(duì)人體不同部位熱感覺(jué)與熱舒適的影響規(guī)律，為未來(lái)智慧供熱中室溫的精準(zhǔn)調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 工況設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑熱能工程系的人工微氣候?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室由2個(gè)相鄰房間組成，稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)室A和實(shí)驗(yàn)室B，實(shí)驗(yàn)室A用于模擬室內(nèi)熱環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室B用于模擬室外氣候。實(shí)驗(yàn)室A和實(shí)驗(yàn)室B之間的隔墻上有一個(gè)塑鋼玻璃窗，可視為外墻和外窗。

實(shí)驗(yàn)室的總尺寸為6.0 m(長(zhǎng))×3.3 m(寬)×3.0 m(高)，實(shí)驗(yàn)室A的尺寸為3.9 m(長(zhǎng))×3.3 m(寬)×3.0 m(高)，窗戶(hù)尺寸為1.8 m(長(zhǎng))×1.5 m(寬)。實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。實(shí)驗(yàn)1模擬地板輻射供暖熱環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室A地板下鋪設(shè)加熱電纜；實(shí)驗(yàn)2模擬散熱器供暖熱環(huán)境，散熱器布置在外窗下。在前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，室溫19 ℃為最不利工況，室溫21 ℃和22 ℃為熱中性工況[4-5]。哈爾濱冬季1月份白天室外平均溫度約為-15 ℃，因此實(shí)驗(yàn)室A和實(shí)驗(yàn)室B溫度設(shè)定如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

1.2 參數(shù)采集

測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)1中，受試者位于室內(nèi)中心點(diǎn)，在其附近距地面0.1、0.6、1.1 m 3個(gè)高度各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別代表坐姿受試者的腳踝、腰部和頭部。實(shí)驗(yàn)2中，在室內(nèi)中心點(diǎn)和受試者附近共布置2組測(cè)點(diǎn)，2組測(cè)點(diǎn)在豎直方向上的布置與實(shí)驗(yàn)1相同，水平方向具體位置見(jiàn)圖1b。

1.受試者位置；2.散熱器。圖1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)采用客觀測(cè)試與主觀問(wèn)卷相結(jié)合的方式進(jìn)行，采集室內(nèi)熱環(huán)境客觀參數(shù)、受試者的主觀熱感受及生理參數(shù)。環(huán)境參數(shù)包括實(shí)驗(yàn)室A的空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、空氣流速、黑球輻射溫度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度。生理參數(shù)包括皮膚溫度、心率和血壓等，皮膚溫度測(cè)試部位為額頭、后背、手背、手臂和腳踝5個(gè)部位。心理反應(yīng)包括受試者的整體熱反應(yīng)和不同部位的局部熱反應(yīng)。受試者熱感覺(jué)投票采用ASHRAE 7級(jí)連續(xù)標(biāo)度。實(shí)驗(yàn)期間受試者著統(tǒng)一服裝，服裝熱阻值約為1.0 clo。

每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行90 min，前30 min讓受試者適應(yīng)室內(nèi)熱環(huán)境，后60 min為實(shí)驗(yàn)階段。受試者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每隔10 min填寫(xiě)1次主觀問(wèn)卷，生理參數(shù)的采集頻率為皮膚溫度每隔5 min 1次，血壓和心率每隔30 min 1次。環(huán)境客觀參數(shù)每隔5 min自動(dòng)采集1次。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[4-7]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 地板輻射供暖環(huán)境下人體最不舒適部位熱感覺(jué)

在不同供暖環(huán)境下，腳踝的熱感覺(jué)是判斷人體舒適與否的關(guān)鍵因素。圖2顯示了地板輻射供暖不同工況下受試者的局部熱感覺(jué)投票。工況1中，額頭的熱感覺(jué)投票平均值最高，為0.32，腳踝的投票值最低，為-0.17，全身熱感覺(jué)投票為-0.11。工況2中，額頭的熱感覺(jué)投票平均值最高，為0.67，腳踝的投票值最低，為0.55，全身熱感覺(jué)投票為0.56?？梢?jiàn)，對(duì)于地板輻射供暖環(huán)境，當(dāng)室溫降低時(shí)，人體全身和各部位的熱感覺(jué)投票值都降低，并且腳踝部位的熱感覺(jué)投票接近全身熱感覺(jué)投票，腳踝部位的熱感覺(jué)影響全身熱感覺(jué)[4-7]。在2種工況中，腳踝的熱感覺(jué)都是最低的，其中工況1的腳踝熱感覺(jué)為中性偏涼，因此工況1可以視為最不利工況，后文將重點(diǎn)分析。

圖2 地板輻射供暖局部熱感覺(jué)投票

圖3顯示了工況1各部位皮膚溫度隨時(shí)間的變化?？梢钥闯?，額頭和后背保持較高的溫度，而腳踝的皮膚溫度最低，并且隨著時(shí)間的變化逐漸降低，平均值為29.7 ℃。

圖3 工況1各部位皮膚溫度的變化

2.2 散熱器供暖環(huán)境下人體最不舒適部位熱感覺(jué)

圖4顯示了散熱器供暖不同工況下受試者的局部熱感覺(jué)投票。工況3中，額頭的熱感覺(jué)投票平均值最高，為0.30，腳踝的投票值為0.04，手背的投票值為0(中性)，全身熱感覺(jué)投票為0.08。工況4中，額頭的熱感覺(jué)投票平均值最高，為0.49，腳踝的投票值為0.22，手背的投票值為0.17，全身熱感覺(jué)投票為0.30。2種供暖環(huán)境下，手背熱感覺(jué)出現(xiàn)波動(dòng)，說(shuō)明手背相對(duì)身體其他部位對(duì)溫度的變化更加敏感。這主要是由于手部暴露在空氣中，沒(méi)有衣物的遮蓋；同時(shí)手部一直處于活動(dòng)狀態(tài)，易受室內(nèi)環(huán)境變化的影響，例如外窗的冷輻射及皮膚表面與空氣的對(duì)流換熱等。由于手部的靈活性、熱感覺(jué)不穩(wěn)定及影響因素較多的原因，本節(jié)不將其作為重點(diǎn)研究部位。

圖4 散熱器供暖局部熱感覺(jué)投票

對(duì)比2種工況，各部位熱感覺(jué)投票分布十分接近。工況3中各部位的熱感覺(jué)投票值都低于工況4，熱感覺(jué)投票平均值稍高于手背的部位是腳踝，其投票值與全身熱感覺(jué)投票也是最接近的，應(yīng)重點(diǎn)分析。

圖5顯示了工況3各部位皮膚溫度隨時(shí)間的變化?？梢钥闯?，與地板輻射供暖環(huán)境相似，額頭和后背的溫度較高，腳踝的溫度隨著時(shí)間的變化逐漸降低，平均值為30.9 ℃。

圖5 工況3各部位皮膚溫度的變化

2.3 室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，4種工況下的平均空氣溫度和平均作用溫度相差0.3 ℃以?xún)?nèi)，且考慮實(shí)際應(yīng)用中主要控制室內(nèi)空氣溫度，因此，本文擬采用空氣溫度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

以地板輻射供暖環(huán)境的工況1為例，實(shí)驗(yàn)期間對(duì)0.6 m高度處的空氣溫度和黑球溫度進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，空氣流速取實(shí)驗(yàn)室內(nèi)平均空氣流速0.01 m/s，計(jì)算可得到連續(xù)的作用溫度，如圖6所示。經(jīng)計(jì)算，得到空氣溫度與作用溫度的平均差值為0.3 ℃。4種工況下的平均空氣溫度和平均作用溫度見(jiàn)表2，由表2可知，2種供暖環(huán)境下，室內(nèi)空氣溫度與作用溫度相差不大，均不超過(guò)0.3 ℃，因此，可直接采用空氣溫度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖6 工況1空氣溫度與作用溫度的對(duì)比

表2 4種工況下的平均空氣溫度和平均作用溫度 ℃

3 智慧供熱室溫控制策略

目前國(guó)內(nèi)外熱舒適標(biāo)準(zhǔn)給出的舒適溫度或室溫控制點(diǎn)一般都是指室內(nèi)人員坐姿頭部大約1.1 m高度處的溫度。通過(guò)前文的分析可知，人體最不舒適的部位是腳踝，只要滿(mǎn)足人體腳踝部位的熱舒適，即可滿(mǎn)足人體全身熱舒適。但是監(jiān)測(cè)室溫時(shí)，室內(nèi)空氣溫度測(cè)試儀表不方便布置在0.1 m高度處(踢腳板位置)。《黑龍江省城市供熱條例》[8]中規(guī)定檢測(cè)居民室內(nèi)溫度時(shí)，應(yīng)當(dāng)以居民臥室、起居室(廳)門(mén)進(jìn)深1/2處距地面1.4 m高度點(diǎn)為檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。考慮到國(guó)內(nèi)外熱舒適標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頭腳溫差的限定一般指坐姿頭部1.1 m高度和腳踝0.1 m高度處的空氣溫度之差，因此本文建議將距地面1.1 m高度處作為室溫控制點(diǎn)，并依據(jù)頭腳溫差推斷不同供暖方式控制點(diǎn)的室溫。

ISO 7730：2005標(biāo)準(zhǔn)[9]和ASHRAE Standard 55-2017標(biāo)準(zhǔn)[10]中規(guī)定：坐姿頭腳溫差不應(yīng)超過(guò)3 ℃。

圖7、8顯示了地板輻射供暖環(huán)境和散熱器供暖環(huán)境室內(nèi)豎直溫度分布?？梢钥闯?，最不利工況1、3的頭腳溫差分別為0.3 ℃和1.1 ℃，均滿(mǎn)足上述標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

圖7 地板輻射供暖室內(nèi)豎直溫度分布

圖8 散熱器供暖室內(nèi)豎直溫度分布

智慧供熱的核心任務(wù)是根據(jù)熱用戶(hù)的熱舒適需求控制室溫。建議基于人體最不舒適部位，即腳踝的熱感覺(jué)進(jìn)行室溫調(diào)節(jié)。在地板輻射供暖最不利工況1中，腳踝處(近似為0.1 m高度處)的空氣溫度與對(duì)應(yīng)的室溫控制點(diǎn)(室中心1.1 m高度處)溫度之差為0.3 ℃，即地板輻射供暖控制策略為：在滿(mǎn)足腳踝熱舒適溫度的基礎(chǔ)上升高0.3 ℃，為18.7 ℃。在散熱器供暖環(huán)境最不利工況3中，腳踝處(0.1 m高度處)的空氣溫度與對(duì)應(yīng)的室溫控制點(diǎn)(室中心1.1 m高度處)溫度之差為0.9 ℃，即散熱器供暖控制策略為：在滿(mǎn)足腳踝熱舒適溫度的基礎(chǔ)上升高0.9 ℃，為20 ℃。

本研究推薦供暖室溫明顯高于現(xiàn)有規(guī)范要求，即散熱器供暖室溫為18 ℃，地板輻射供暖室溫16 ℃。其差異可由服裝熱阻來(lái)解釋。根據(jù)Fanger的熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV-PPD，18 ℃標(biāo)準(zhǔn)室溫工況下，如果人員有相同的熱感覺(jué)(PMV=-0.11)，服裝熱阻需增加到1.5 clo，明顯高于本實(shí)驗(yàn)受試者的服裝熱阻1.0 clo。因此，規(guī)范規(guī)定的較低的室溫限值是以增加人員服裝熱阻為代價(jià)的。課題組現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)寒地區(qū)供暖房間內(nèi)，人員穿著較輕薄，住宅環(huán)境中居民的平均服裝熱阻僅為0.83 clo。隨著人們生活水平的提升，可適當(dāng)提高室溫，以滿(mǎn)足人員的熱舒適需求。

4 結(jié)論

1) 地板輻射供暖環(huán)境下，室溫為19 ℃時(shí)，人體全身熱感覺(jué)平均值為-0.11，腳踝部位的熱感覺(jué)最低，為-0.17，對(duì)應(yīng)的平均皮膚溫度為29.7 ℃。

2) 散熱器供暖環(huán)境下，室溫為19 ℃時(shí)，人體全身熱感覺(jué)平均值為0.08，腳踝部位的熱感覺(jué)為0.04，對(duì)應(yīng)的平均皮膚溫度為30.9 ℃。

3) 智慧供熱的策略為：滿(mǎn)足人體最不舒適部位的熱需求。

4) 地板輻射供暖控制策略為：在滿(mǎn)足腳踝熱舒適溫度的基礎(chǔ)上升高0.3 ℃，為18.7 ℃；散熱器供暖控制策略為：在滿(mǎn)足腳踝熱舒適溫度的基礎(chǔ)上升高0.9 ℃，為20 ℃。