基于人體最不舒適部位的供暖溫度研究*

哈爾濱工業大學 寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室 王昭俊 劉 暢 蘇小文 楊宇鑫

0 引言

近年來，我國建筑能耗逐年增加，其中供暖能耗占比約為21%[1]，節能減排形勢嚴峻。與此同時，智慧城市、智慧建筑和智慧供熱的概念也相繼提出，成為未來城鎮發展的一種新趨勢?！吨袊崴{皮書2019——城鎮智慧供熱》[2]強調要加強人工智能、大數據、物聯網等先進技術在熱力行業的應用，打造更精準、高效、節能的中國熱力行業智慧供熱“新范式”?！侗狈降貐^冬季清潔取暖規劃(2017—2021年)》指出了我國城鎮供熱系統發展呈現的趨勢，其中用戶側呈現為按需、精準、舒適供熱的要求日益提高。王昭俊提出智慧供熱的目標是滿足人的熱舒適需求[3]。而建筑熱環境中人員不同部位的熱感覺是有差異的，如何根據室內人員不同部位的生理熱反應、心理熱反應進行供暖室溫的設定，既滿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鍵問題。

本文擬分析我國北方地區常用的2種供暖方式營造的環境室溫的分布特征，以及其對人體不同部位熱感覺與熱舒適的影響規律，為未來智慧供熱中室溫的精準調控提供理論依據。

1 實驗介紹

1.1 工況設計

實驗在哈爾濱工業大學建筑熱能工程系的人工微氣候實驗室進行。實驗室由2個相鄰房間組成，稱為實驗室A和實驗室B，實驗室A用于模擬室內熱環境，實驗室B用于模擬室外氣候。實驗室A和實驗室B之間的隔墻上有一個塑鋼玻璃窗，可視為外墻和外窗。

實驗室的總尺寸為6.0 m(長)×3.3 m(寬)×3.0 m(高)，實驗室A的尺寸為3.9 m(長)×3.3 m(寬)×3.0 m(高)，窗戶尺寸為1.8 m(長)×1.5 m(寬)。實驗工況如表1所示。實驗1模擬地板輻射供暖熱環境，實驗室A地板下鋪設加熱電纜；實驗2模擬散熱器供暖熱環境，散熱器布置在外窗下。在前期現場調查中發現，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 ℃，因此實驗室A和實驗室B溫度設定如表1所示。

表1 實驗工況

1.2 參數采集

測點布置如圖1所示。實驗1中，受試者位于室內中心點，在其附近距地面0.1、0.6、1.1 m 3個高度各布置1個測點，分別代表坐姿受試者的腳踝、腰部和頭部。實驗2中，在室內中心點和受試者附近共布置2組測點，2組測點在豎直方向上的布置與實驗1相同，水平方向具體位置見圖1b。

1.受試者位置；2.散熱器。圖1 實驗室測點布置

實驗采用客觀測試與主觀問卷相結合的方式進行，采集室內熱環境客觀參數、受試者的主觀熱感受及生理參數。環境參數包括實驗室A的空氣溫度、空氣相對濕度、空氣流速、黑球輻射溫度和圍護結構內表面溫度。生理參數包括皮膚溫度、心率和血壓等，皮膚溫度測試部位為額頭、后背、手背、手臂和腳踝5個部位。心理反應包括受試者的整體熱反應和不同部位的局部熱反應。受試者熱感覺投票采用ASHRAE 7級連續標度。實驗期間受試者著統一服裝，服裝熱阻值約為1.0 clo。

每次實驗進行90 min，前30 min讓受試者適應室內熱環境，后60 min為實驗階段。受試者在實驗過程中每隔10 min填寫1次主觀問卷，生理參數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。環境客觀參數每隔5 min自動采集1次。具體實驗過程見文獻[4-7]。

2 實驗結果分析

2.1 地板輻射供暖環境下人體最不舒適部位熱感覺

在不同供暖環境下，腳踝的熱感覺是判斷人體舒適與否的關鍵因素。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投票。工況1中，額頭的熱感覺投票平均值最高，為0.32，腳踝的投票值最低，為-0.17，全身熱感覺投票為-0.11。工況2中，額頭的熱感覺投票平均值最高，為0.67，腳踝的投票值最低，為0.55，全身熱感覺投票為0.56。可見，對于地板輻射供暖環境，當室溫降低時，人體全身和各部位的熱感覺投票值都降低，并且腳踝部位的熱感覺投票接近全身熱感覺投票，腳踝部位的熱感覺影響全身熱感覺[4-7]。在2種工況中，腳踝的熱感覺都是最低的，其中工況1的腳踝熱感覺為中性偏涼，因此工況1可以視為最不利工況，后文將重點分析。

圖2 地板輻射供暖局部熱感覺投票

圖3顯示了工況1各部位皮膚溫度隨時間的變化?？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 散熱器供暖環境下人體最不舒適部位熱感覺

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

圖4 散熱器供暖局部熱感覺投票

對比2種工況，各部位熱感覺投票分布十分接近。工況3中各部位的熱感覺投票值都低于工況4，熱感覺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投票也是最接近的，應重點分析。

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

圖5 工況3各部位皮膚溫度的變化

2.3 室內熱環境參數及評價指標選取

根據實驗測試結果，4種工況下的平均空氣溫度和平均作用溫度相差0.3 ℃以內，且考慮實際應用中主要控制室內空氣溫度，因此，本文擬采用空氣溫度作為評價指標。

以地板輻射供暖環境的工況1為例，實驗期間對0.6 m高度處的空氣溫度和黑球溫度進行了連續監測，空氣流速取實驗室內平均空氣流速0.01 m/s，計算可得到連續的作用溫度，如圖6所示。經計算，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表2，由表2可知，2種供暖環境下，室內空氣溫度與作用溫度相差不大，均不超過0.3 ℃，因此，可直接采用空氣溫度作為評價指標。

圖6 工況1空氣溫度與作用溫度的對比

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

目前國內外熱舒適標準給出的舒適溫度或室溫控制點一般都是指室內人員坐姿頭部大約1.1 m高度處的溫度。通過前文的分析可知，人體最不舒適的部位是腳踝，只要滿足人體腳踝部位的熱舒適，即可滿足人體全身熱舒適。但是監測室溫時，室內空氣溫度測試儀表不方便布置在0.1 m高度處(踢腳板位置)?！逗邶埥〕鞘泄釛l例》[8]中規定檢測居民室內溫度時，應當以居民臥室、起居室(廳)門進深1/2處距地面1.4 m高度點為檢測點進行檢測?？紤]到國內外熱舒適標準對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，并依據頭腳溫差推斷不同供暖方式控制點的室溫。

ISO 7730：2005標準[9]和ASHRAE Standard 55-2017標準[10]中規定：坐姿頭腳溫差不應超過3 ℃。

圖7、8顯示了地板輻射供暖環境和散熱器供暖環境室內豎直溫度分布。可以看出，最不利工況1、3的頭腳溫差分別為0.3 ℃和1.1 ℃，均滿足上述標準中的規定。

圖7 地板輻射供暖室內豎直溫度分布

圖8 散熱器供暖室內豎直溫度分布

智慧供熱的核心任務是根據熱用戶的熱舒適需求控制室溫。建議基于人體最不舒適部位，即腳踝的熱感覺進行室溫調節。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)的空氣溫度與對應的室溫控制點(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：在滿足腳踝熱舒適溫度的基礎上升高0.3 ℃，為18.7 ℃。在散熱器供暖環境最不利工況3中，腳踝處(0.1 m高度處)的空氣溫度與對應的室溫控制點(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：在滿足腳踝熱舒適溫度的基礎上升高0.9 ℃，為20 ℃。

本研究推薦供暖室溫明顯高于現有規范要求，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解釋。根據Fanger的熱舒適評價指標PMV-PPD，18 ℃標準室溫工況下，如果人員有相同的熱感覺(PMV=-0.11)，服裝熱阻需增加到1.5 clo，明顯高于本實驗受試者的服裝熱阻1.0 clo。因此，規范規定的較低的室溫限值是以增加人員服裝熱阻為代價的。課題組現場調研發現，在嚴寒地區供暖房間內，人員穿著較輕薄，住宅環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，可適當提高室溫，以滿足人員的熱舒適需求。

4 結論

1) 地板輻射供暖環境下，室溫為19 ℃時，人體全身熱感覺平均值為-0.11，腳踝部位的熱感覺最低，為-0.17，對應的平均皮膚溫度為29.7 ℃。

2) 散熱器供暖環境下，室溫為19 ℃時，人體全身熱感覺平均值為0.08，腳踝部位的熱感覺為0.04，對應的平均皮膚溫度為30.9 ℃。

3) 智慧供熱的策略為：滿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：在滿足腳踝熱舒適溫度的基礎上升高0.3 ℃，為18.7 ℃；散熱器供暖控制策略為：在滿足腳踝熱舒適溫度的基礎上升高0.9 ℃，為20 ℃。