南方地區局部地面供暖舒適性及節能性研究

譚 暢， 李 念 平， 何 穎 東， 李 甲， 顏 金 波， 李 娜

( 湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082 )

0 引 言

南方地區無集中供暖，傳統供暖模式主要為電采暖．據研究，2004年長江流域住宅采暖總面積為40×108m2，電耗210×108kW·h[1]．因此，研究舒適且節能的采暖方式很有必要．

近年來，許多學者針對使用者的個人供暖進行了深入研究．He等[2]研究了一種改進型的傳統供暖設備——火桶，該設備在室內溫度降低到9 ℃ 時仍使得80%的男性受試者對其所處環境表示可以接受，并且，在保證熱舒適性的前提下火桶耗電量較低．Kaczmarczyk等[3]研究了32位受試者在20 ℃背景溫度下接受21、26 ℃面部送風時的熱反應，結果表明呼吸區送風溫度稍高于房間背景溫度時，將提高人體熱舒適性并減弱不適吹風感．Foda等[4]使用假人來研究人體坐姿狀態下局部地面供暖系統最優化，結果表明當背景溫度為 18 ℃時，使用幾何形狀規整的表面積為1 m2的局部地板供暖最優．Oi等[5]研究了在5、10、15、20 ℃時，加熱汽車座椅對人體熱感覺與熱舒適的影響，結果表明室內背景溫度下降時加熱座椅能優化熱感覺．Pasut等[6]研究了在16、18、29 ℃時使用制冷/加熱座椅的人體熱感覺與熱舒適，結果表明，制冷/加熱座椅能顯著提高人體熱感覺與熱舒適，且92%的受試者在18～29 ℃感覺舒適．Deng等[7]研究了36位受試者在16 ℃使用加熱座椅與18 ℃不使用加熱座椅的熱感覺與熱舒適，結果表明相比18 ℃不使用加熱座椅，16 ℃ 使用加熱座椅能顯著提高熱感覺與熱舒適．Lan等[8]研究熱環境對睡眠質量的影響發現，可以使用局部供暖、制冷或通風系統來控制床微氣候區環境．Song等[9]測試了8 ℃背景溫度下可加熱服裝對大學生熱舒適性的影響，發現可加熱服裝能有效提高坐在寒冷教室學生的熱舒適性．可見，個人供暖是一種既節能又提高人體舒適性的方式．

本文研究冬季局部地面供暖對人體舒適性和建筑能耗的影響．在湖南大學人工環境實驗室通過實驗研究冬季使用局部地面供暖對人體熱感覺、熱舒適以及熱可接受的影響，并基于實驗結果利用EnergyPlus進行能耗模擬．

1 實驗方法

本實驗開展時間為2016年11～12月，地點在湖南大學人工環境實驗室．

1.1 實驗房間介紹及實驗條件

如圖1所示，實驗房間尺寸為5.0 m×3.5 m×4.0 m，房間南面有一個2.0 m×2.2 m的窗戶，為避免其對實驗造成影響，在窗戶室內面覆蓋了約40 mm厚的保溫板．

圖1 實驗房間平面布置Fig.1 The layout of experimental room

采用分體空調器調節室內溫度，加濕器保證室內相對濕度在中等水平．采用TR-72Ui溫濕度記錄儀連續測量室內外溫度(測量精度±0.3 ℃)和相對濕度(測量精度±5%)，TSI-8347熱線風速儀測量室內風速(測量精度±3%)，TSI-8762空氣品質儀測量室內二氧化碳濃度(測量精度±3%)．

1.2 局部地暖板

本研究采用以碳纖維作為發熱元件的局部地暖板實現局部地面供暖．譚羽非等[10]的研究表明碳纖維發熱熱慣性小，溫度響應速度快，電功率基本恒定，適用于辦公室這種供暖要求靈活的場所．此外，Zhang等[11]的研究表明半圍合的個人暖腳器存在人體工程學方面的問題，即腳在設備內基本無法移動．本文使用的局部地暖板對腳部活動限制少，避免了需要脫鞋等問題．

如圖2所示，本研究使用的局部地暖板(850 mm×400 mm)核心部分為中間的碳纖維發熱層．不同于一般地暖，該設備僅在人員所處位置地面設置(圖中畫圈部分)，受試者坐在辦公桌前，穿上鞋套踩在電熱板上對足部進行加熱．相對于整個房間而言，只有人員所在區域實現局部地面供暖．受試者使用LB-SM6 智能溫控器自主控制與足部直接接觸的設備表面溫度，用Pt100傳感器測量與足部接觸的局部地暖板表面溫度，安裝UT230A-Ⅱ功率計(測量精度±1%)測量實驗過程中局部地暖板消耗的電量．

圖2 局部地暖板結構及使用Fig.2 Local floor heating plate structure and using

1.3 受試者

共有20位受試者參加本次實驗，包括10位男性和10位女性，年齡在21～25歲．受試者全部為在校學生，健康狀況良好且實驗前沒有吸煙、喝酒、喝熱飲和做劇烈運動．他們的身高和體重分別為(166.48±8.26) cm、(56.84±9.52) kg，體質系數(body mass index，BMI)在18.8～22.1，符合亞洲人BMI標準[12]．此外，受試者穿著冬季服裝，服裝熱阻為(1.29±0.17)×0.155 m2·℃/W．實驗過程中，受試者可坐在辦公座椅上閱讀、上網或使用手機，但不允許交流與實驗有關的內容．

1.4 實驗工況

實驗研究的室內溫度為14、16、18 ℃．《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB 50736—2012)規定[13]，舒適性空調冬季室內相對濕度30%～60%，風速不大于0.2 m/s；ASHRAE[14]規范規定室內二氧化碳體積分數不高于1 000×10-6．設定20 ℃作為對照組，實驗工況見表1．

表1 實驗工況

1.5 實驗流程

如圖3所示，每次實驗持續80 min．開始實驗前，受試者首先在溫度為20 ℃左右準備室停留15 min，并填寫背景資料，如年齡、性別、身高、體重、健康狀況等．然后進入實驗第1階段，兩位受試者同時進入實驗房間，立即按要求填寫第1份問卷，之后每隔10 min填寫一次問卷．30 min后進入實驗第2階段，實驗人員開啟局部地暖板，受試者換上鞋套踩在地暖上，5 min后填寫一次問卷，之后每隔10 min填寫一次問卷．

圖3 實驗流程Fig.3 Experimental procedure

1.6 實驗問卷

本實驗的問卷包括3部分內容：熱感覺、熱舒適和熱可接受．其中熱感覺采用ASHRAE的7級標度(見表2)；熱舒適尺度如表2所示；熱可接受投票分為“可接受”與“不可接受”．

表2 受試者反應評價表

1.7 建筑能耗模擬

南方地區地域遼闊，以廣州、成都、上海、長沙分別作為華南地區、西南地區、華東地區與華中地區的典型代表城市，用EnergyPlus軟件模擬不同地區空調系統的能耗．根據1.1節中人工環境實驗房間的平面圖建立實驗房間模型，將建立的模型和4個城市的氣候文件導入EnergyPlus中，進行參數設置從而計算分析能耗．EnergyPlus采用傳導傳遞函數的熱平衡算法來計算建筑負荷，根據《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2015)規定[15]燈光功率設置為9 W/m2，其余用電設備為15 W/m2，圍護結構傳熱系數見表3，人員設置為兩位，采用變制冷劑流量空調系統(VRF)模擬房間分體空調器，系統周末不運行，工作日運行時間設置為7:00～18:00．

表3 圍護結構傳熱系數

2 實驗結果分析

2.1 室內環境

表4為實驗過程中室內環境參數數據，各工況下測量的背景溫度與設定的背景溫度相近，相對濕度基本符合設定濕度，風速測量值都在設定范圍內，且二氧化碳體積分數不超過400×10-6，室內空氣新鮮．

2.2 受試者熱反應

適應階段，受試者在20～30 min的熱感覺、熱舒適與熱可接受投票值沒有顯著性差異(配對樣本t檢驗，p>0.05)，實驗階段受試者在55～65 min投票值也沒有顯著性差異，說明受試者的主觀熱反應基本達到穩定．將適應階段最后一張問卷(第30 min)作為14、16、18 ℃使用局部地面供暖前熱感覺、熱舒適與熱可接受穩定狀態投票值，將實驗階段最后一張問卷(第65 min)作為14、16、18 ℃使用局部地面供暖后和20 ℃無局部地面供暖熱感覺、熱舒適與熱可接受穩定狀態投票值．

表4 室內環境參數

2.2.1 熱感覺 圖4表示在14、16、18、20 ℃背景溫度下20位受試者熱感覺隨時間的變化，其中，20 ℃工況為對照實驗，只進行實驗階段．適應階段(無局部地面供暖)：背景溫度為14、16、18 ℃時，受試者熱感覺隨時間增加而降低．14 ℃時受試者經歷30 min適應階段其熱感覺投票值低于-1，16、18 ℃時，熱感覺投票值最終降至-0.5左右．實驗階段(使用局部地面供暖)：使用5 min后，各工況下的熱感覺投票值顯著提高．在14 ℃背景溫度下，穩定熱感覺投票值提升了0.5個尺度，但仍低于0．可見，14 ℃時使用局部地面供暖能夠顯著提高受試者熱感覺，但仍未達到中性狀態．在16 ℃背景溫度下，熱感覺最終接近中性狀態．在18 ℃背景溫度下，穩定熱感覺投票值提升了近0.5，與20 ℃時受試者熱感覺相同，達到了中性狀態．

圖4 熱感覺投票值隨時間變化Fig.4 Changes in thermal sensation voting values over time

2.2.2 熱舒適 圖5表示在14、16、18、20 ℃背景溫度下，20位受試者熱舒適隨時間的變化，其中，20 ℃工況為對照實驗，只進行實驗階段．適應階段(無局部地面供暖)：在14 ℃背景溫度下，熱舒適投票值低于-0.5，受試者感覺不舒適；在16、18 ℃背景溫度下，受試者穩定熱舒適投票值都低于0.5．實驗階段(使用局部地面供暖)：使用5 min后，熱舒適投票值顯著增加．在14 ℃背景溫度下，相比于適應階段，受試者熱舒適從不舒適側提高到舒適側，投票值變化了1個尺度；在16 ℃ 背景溫度下，穩定熱舒適投票值接近1；在18 ℃背景溫度下，穩定熱舒適狀態接近“舒適”，提高了1個尺度．在20 ℃無局部地暖板的情況下，受試者的熱舒適狀態為“有點舒適”．結果表明局部地面供暖能有效提高人體熱舒適，尤其受試者在18 ℃使用局部地面供暖的條件下，舒適性狀態比室內溫度為20 ℃無局部地面供暖的熱舒適狀態更佳．

圖5 熱舒適投票值隨時間變化Fig.5 Changes in thermal comfort voting values over time

2.2.3 熱可接受 圖6給出使用局部地面供暖前后穩定熱可接受投票頻率(f)分布．適應階段(無局部地面供暖)：在14 ℃背景溫度下，40%的受試者不接受當前室內熱環境；在16 ℃的情況下，15%的受試者不可接受；在18 ℃時，所有受試者接受室內熱環境．實驗階段(使用局部地面供暖)：在14 ℃背景溫度下，僅10%的受試者不接受當前室內熱環境；在16 ℃的情況下，極少數受試者(5%)不接受室內熱環境．在18、20 ℃的情況下，全部受試者均認為室內熱環境可以接受．

圖6 穩定狀態熱可接受Fig.6 Thermal acceptability under the steady state condition

2.3 局部地面供暖能耗

圖7表示實驗階段局部地暖板板面溫度變化．最初5 min板溫升高迅速；5～10 min板溫繼續升高，但速度放緩；10 min后，基本趨于穩定．在10～35 min內，背景溫度為14 ℃時，板面平均溫度為49 ℃；背景溫度為16 ℃時，板面平均溫度為48 ℃；背景溫度為18 ℃時，板面平均溫度為45 ℃．分別采用14、16、18 ℃ 3種工況下平均功率來計算整個供暖期局部地面供暖能耗，供暖時間與之前設置的空調供暖時間一致，結果見表5．

圖7 局部地暖板板面溫度Fig.7 Surface temperature of local floor heating plate

表5 局部地面供暖能耗

3 模擬結果分析

相比于北方地區，南方地區無固定供暖期，根據氣候變化需要隨時供暖．因此，4個地區供暖時間按照全年供暖來計算．結合實驗過程中測量的局部地面供暖能耗數據(表5)，計算在14、16、18 ℃ 使用局部地面供暖以及20 ℃無局部地面供暖條件下供暖系統能耗，分析局部地面供暖方式的節能情況．在實驗過程中，每次兩位受試者同時進行實驗，因此在整個供暖期實驗房間局部地面供暖能耗為兩位受試者能耗之和．

3.1 模擬與實測數據對比分析

輸出EnergyPlus中長沙地區某工作日工作時間(7：00～18：00)內的氣象數據文件，與TR-72Ui溫濕度記錄儀實測數據對比(圖8)，由圖可知軟件模擬結果與實測結果較吻合．

圖8 室外環境溫度模擬值與實測值對比Fig.8 Outdoor environment temperature comparison in simulation and experiment

3.2 能耗結果分析

圖9(a)為實驗房間在14、16、18 ℃使用局部地面供暖和20 ℃無局部地面供暖條件下，各地區供暖期供暖能耗(Q)；圖9(b)為相對于使用20 ℃空調，各地區分別使用14、16、18 ℃空調加局部地面供暖系統的節能率(S)．

廣州位于夏熱冬暖地區，冬季室外最低日均溫10 ℃．如圖9(a)所示，廣州供暖能耗最低，且14、16 ℃時，絕大部分能耗來自局部地面供暖，空調能耗相對較低；18 ℃時，局部地面供暖能耗約占總能耗的50%．如圖9(b)所示，14、16、18 ℃背景溫度下，節能率分別為58.2%、51.3%、23.0%．可見，華南地區緯度低，使用空調加局部地面供暖系統能耗最低，雖然總體供暖節能量少，但節能率最高．成都、上海、長沙都位于夏熱冬冷地區，由圖9可知，3個城市的供暖能耗及節能率相差不大．可見，盡管成都、上海、長沙分別位于西南、華東、華中地區，但因緯度相近，氣候條件相似，節能效果相似，在14、16、18 ℃背景溫度下節能率分別達到了50%、30%、10%左右，節能效果明顯．

(a) 各工況下能耗

(b) 各地區節能率

圖9 供暖期能耗分析

Fig.9 Energy consumption analysis in heating period

4 討 論

4.1 局部地面供暖舒適性

通過2.2節在各背景溫度下對熱感覺、熱舒適與熱可接受的實驗結果分析可以看出，在14、16、18 ℃背景溫度下，有無使用局部地面供暖對于受試者的熱感覺和熱舒適都有顯著影響．實驗階段(使用局部地面供暖)，受試者熱感覺、熱舒適與熱可接受都有所提升．在14 ℃背景溫度下，使用局部地面供暖后受試者熱反應投票值有了很明顯的變化，雖然達到穩定狀態后熱感覺在冷的一側且舒適度略低于16、18 ℃工況，但熱可接受比例高于80%，仍然達到了ASHRAE規范中80%可接受度的要求[16]．在16 ℃背景溫度下，使用局部地面供暖后熱感覺和熱舒適投票值都接近中性狀態，能基本滿足受試者要求．對比18 ℃ 使用局部地面供暖與20 ℃無局部地暖板發現，兩種條件下受試者熱感覺完全一致，熱舒適(p=0.103 6)無顯著性差異，并且在18 ℃使用局部地面供暖的條件下熱舒適和熱可接受狀態更佳，且滿足受試者的舒適性要求．

4.2 與已有研究比較

4.2.1 舒適性比較

(1)動態比較

文獻[5]開啟加熱座椅20 min內，背景溫度10 ℃時，熱感覺由冷上升到熱中性，熱舒適由非常不舒適到沒感覺到有點不舒適；15 ℃時，熱感覺由涼上升到熱，熱舒適由不舒適到有點舒適到有點不舒適．本實驗使用局部地面供暖30 min內，背景溫度16 ℃時，熱感覺由稍涼接近熱中性，熱舒適由沒感覺接近有點舒適；18 ℃時，熱感覺由稍涼變為熱中性，熱舒適由沒感覺接近舒適．且文獻[5]中加熱座椅發熱量大，較長時間加熱會導致過熱而降低熱感覺與熱舒適．本實驗中局部地暖板加熱5 min升溫20 ℃左右，10 min后基本趨于穩定(圖7)．可見，局部地面供暖加熱過程溫和，穩定時間短，未出現過熱狀態．

(2)穩態比較

文獻[6]中加熱表面有覆蓋物的座椅時，16 ℃ 背景溫度下，感覺稍涼而有點舒適，18 ℃時感覺不冷不熱且舒適．本實驗在使用局部地面供暖時，16 ℃背景溫度下感覺接近熱中性而有點舒適，18 ℃時感覺不冷不熱且接近舒適．

4.2.2 能耗比較 Zhang等[11]在室內背景溫度分別為18.9、19.4、20.0、21.1 ℃的情況下分析暖腳器的能耗，采用白熾燈作為熱量源，功率最高為21 W/人．本實驗背景溫度分別為14、16、18 ℃，局部地面供暖平均功率最高達47 W/人(表5)．雖然本研究使用局部地面供暖能耗更高，但在擴展舒適溫度區間方面具有優勢．

4.3 工程實例對比

本研究中局部地面供暖的節能性主要來自于降低冬季采暖室內所需溫度．目前，本實驗采用的供暖設備尚處于實驗研究階段．因此，局部地面供暖的節能效果主要與采用類似供暖方式的工程實例進行對比分析．Zhang等[11]在加利福尼亞大學一所辦公樓中對采用白熾燈作為熱源的足部采暖設備進行了實地測量，由文獻[11]可知：室外環境溫度為11.1～13.8 ℃的情況下，維持室內溫度19.4、20.0 ℃所需的空調系統人均能耗分別為266.65、288.01 W左右，同時暖腳板的能耗分別為14.7、12.6 W左右．由以上數據可得，室內溫度從20 ℃下降到19.4 ℃，總節能率為6.4%，即室內溫度每下降1 ℃，節能10.7%．艾帥[17]調研了神木某廠房的采暖系統，數據計算分析得出，工作區平面內平均溫度分別為7.8、9.8 ℃時，輻射采暖能耗分別為690.1、766.8 kW，即室溫每降低1 ℃，可以減少5%左右的能耗．此外，據日本采暖研究報告，地面輻射采暖可以節能20%～30%，相應地，室溫每下降1 ℃便可節約大概10%的能源[18]．由本文圖9可知，夏熱冬冷地區室內溫度由18 ℃下降到16 ℃時，節能率約為25%，即每下降1 ℃，節能12%左右．可見，本文采用的局部地面供暖加空調系統節能率與已有文獻中降低采暖室內設定溫度的節能率接近，與文獻[11，17-18]的節能率差異主要來自于室內外環境溫度的差異性．

5 結 論

(1)局部地面供暖方式能顯著提高寒冷環境中人體舒適性．使用局部地面供暖5 min后，受試者熱感覺和熱舒適均顯著提高，且背景溫度低至14 ℃時熱可接受比例仍達到 80%以上．

(2)局部地面供暖擴展了人體舒適性溫度范圍．受試者使用局部地面供暖達到穩定狀態后，在14 ℃背景溫度下，受試者熱感覺、熱舒適與熱可接受投票值顯著提高；在16 ℃背景溫度下，各投票值都接近中性狀態；在18 ℃背景溫度下，與20 ℃ 無局部地面供暖條件比較，各投票值無顯著性差異，達到舒適狀態．

(3)局部地面供暖節能效果顯著．在14、16、18 ℃背景溫度下，單人局部地面供暖最大平均功率為47 W．

(4)相比于20 ℃無局部地面供暖的條件，局部地面供暖對中國南方地區都有顯著的節能作用．

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