不同供暖末端办公建筑室内热环境和人体热舒适调研

　　为明确寒冷气候区办公建筑辐射供暖和对流供暖模式下的室内热环境参数是否能满足人体热舒适需求，本研究选取西安市不同供暖模式的办公建筑为调研对象，同时进行了室内物理环境测试和人体热舒适主观问卷调查，调研期间共获得1120份有效问卷。结果显示：对流供暖模式下室内空气温度和竖直温差显着高于辐射供暖，且室内存在过热现象；辐射和对流供暖的中性温度分别为17.4℃和20.4℃，较高的室内空气温度形成了较高的中性温度和可接受温度上限。

　　关键词：辐射供暖；对流供暖；办公建筑；室内热环境；热舒适；中性温度；可接受温度；现场调研

　　作者：赵胜凯^1,2 杨 柳^1,2 高斯如^1,2 翟永超^1,2

　　1.绿色建筑全国重点实验室；

　　2.西安建筑科技大学

　　引言

　　供暖和制冷系统能耗是建筑运行能耗的主要部分，约占全社会总能耗的30%。在我国实现“双碳”目标的背景下，我们面临的主要问题是如何在降低能耗和提供舒适的室内热环境之间取得平衡。合理的室内热环境参数也会影响人体的舒适性和工作效率。

　　在我国寒冷气候区，辐射供暖（散热器）和对流供暖（空调系统）是办公建筑中常见的供暖方式。不同供暖模式的运行方式不同：散热器供暖是通过提供热表面来控制室内空气温度，一般为连续运行模式；空调供暖是通过提供热风来控制室内热环境，并能对室内空气快速加热，通常为间歇运行模式。不同供暖模式在室内热环境设计标准上也存在差异。GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定：寒冷气候区冬季散热器供暖模式下的室内设计空气温度允许比空调供暖模式低2℃。但是，国际标准ISO 7730：2005和ASHRAE 55-2020对于不同供暖模式下的室内设计空气温度的规定并没有明确的区别，但都将室内空气温度限制在一个狭窄的范围内。

　　国内外对于辐射和对流供暖模式下人体热舒适已有相关的报道，但目前的研究大多数都是基于人工气候室实验，少有对不同供暖末端进行大量的实际建筑现场测试研究。Zhou等人从暴露时长的角度研究了地板供暖的热舒适性，结果发现暴露时间对受试者的主观反应和生理热舒适均有显着影响。王昭俊等人在散热器供暖的微气候室中研究了人的热反应变化规律，发现人们待在较低的温度下会更容易从心理上接受偏冷的环境，对室内有较低的偏好温度。Su等人通过实验对比了散热器供暖和地板供暖对人体热舒适的影响，发现不同供暖形式下不对称辐射温度限值不同。另外，一些学者发现散热器供暖环境中竖直温度梯度小，供暖效率高，运行时无噪声，但并不能提供足够的证据证明散热器供暖比空调供暖更舒适。也有研究发现受访者在散热器供暖的建筑中抱怨更多，因为他们感觉不到空气流动。

　　综上所述，不同供暖模式下人的热舒适需求是不同的。虽然人工气候室研究可以精准地控制环境参数，但只能反映环境条件对人体热舒适的单向影响，通常不能反映人在实际建筑中的适应行为和调节方式。随着生活水平的提高，人们每天都在室内空气温度波动较小的建筑环境中度过，这也可能改变人们对环境的期望和要求。因此，有必要对寒冷地区实际办公建筑中不同供暖模式的热环境进行实地调研，明确不同供暖模式对室内热环境及人体热舒适需求的影响，并验证标准中关于办公建筑的室内温度设计值是否适用于寒冷气候区。

　　基于此，笔者所在课题组在西安市选取了10座办公建筑进行了大样本的实际现场调研测试。通过结合客观物理环境参数的测量及办公人群的主观问卷分析，比较不同供暖模式下室内热环境和人体热舒适需求的差异，并将研究结果与以往的研究和标准进行对比，进而为寒冷气候区不同供暖模式下办公建筑室内热环境节能舒适设计和运行提供参考。

　　1.研究方法

　　1.1 调研建筑

　　现场调研时间为2019年12月至2020年1月，为了保证室外温度的一致性，对不同供暖模式的办公建筑同时开展调研，调研时间段为工作日的09:00—18:00。共选取了10座办公建筑，其中5座为辐射供暖（散热器），5座为对流供暖（集中空调）。为了保证调研的普遍性，选取了不同朝向、楼层、面积、人员密度的办公空间。调研场所均为开放式空间，面积分布在100~2000 m2之间。对于对流供暖系统，不同办公楼的设定温度范围为20~23 ℃，运行时间为08:00—19:00；散热器供暖为连续运行模式。图1为辐射供暖和对流供暖现场实测场景图。

　　1.2 受试者

　　通过纸质问卷收集了受试者的基本信息。本次调研共获得1120份有效问卷，其中受试者年龄主要分布在24~40岁之间，参与的受试者中男性610名（占比54.5%）、女性510名（占比45.5%）。受试者的基本信息见表1。受试者均在当地居住了1年以上，均已适应了当地的气候。

　　1.3 物理环境测试

　　物理环境测试参数主要包括室内空气温度（ta）、相对湿度（φ）、黑球温度（tg）、空气流速（v）、二氧化碳浓度（C）、不对称辐射温度（Δtpr）等。所有参数的采样频率为1次/min。图2为测试物理环境参数的场景图，测试设备的测试精度和范围见表2。其中ta、φ、tg在距地面0.1、0.6、1.1m 3个高度处测量，v和C在距离地面1.1m高度处测量。物理环境监测仪器固定在架子上，放置在距离受试者0.5m的地方。所有测试仪器的测试精度和响应时间均符合JGJ/T 347—2014《建筑热环境测试方法标准》的要求。

　　1.4 主观问卷调查

　　调查问卷内容包括受试者背景信息（身高、体质量、性别、前15min活动状态、服装热阻等）和主观评价。热感觉投票（TSV）采用在ASHRAE 55-2020基础上扩充的9级标尺，即-4（非常冷）、-3（冷）、-2（凉）、-1（微凉）、0（中性）、1（微暖）、2（暖）、3（热）、4（非常热）。热可接受度投票（TAV）：-4（非常不可接受）~-0.01（刚刚不可接受）为不可接受范围，0.01（刚刚可接受）~4（非常可接受）为可接受范围。热舒适投票（TCV）：-4（非常不舒适）~-0.01（刚刚不舒适）为不舒适范围，0.01（刚刚舒适）~4（非常舒适）为舒适范围。热偏好投票（TPV）：1（希望暖一些）、0（不变）、-1（希望凉一些）。风速偏好投票（AMV）：1（大一些）、0（不变）、-1（小一些）。湿度偏好投票（HPV）：1（潮湿一些）、0（不变）、-1（干燥一些）。

　　1.5 数据处理方法

　　服装热阻参考ASHRAE 55-2020中推荐的服装热阻值，在总热阻的基础上增加0.1clo作为办公座椅的热阻。代谢率根据调查问卷中受试者的活动状态参考ASHRAE 55-2020进行确定。本研究采用操作温度top作为温度指标，top反映了周围空气温度ta和平均辐射温度tr的综合影响，可参考ASHRAE 55-2020中的计算公式：top=Ata+（1-A）tr，A取0.5（室内空气流速小于0.2 m/s）。预计平均热感觉指数(PMV)的计算参考文献。在结果分析中，选用t检验来进行显着性分析，并用P值来判断组间数据是否有显着差异性。

　　2.研究结果

　　2.1 室内热环境

　　图3显示了室内热环境参数的分布情况。辐射供暖模式下室内空气温度平均值（19.7 ℃）比对流供暖模式（23.5 ℃）低3.8 ℃，且存在显着的差异性（P<0.001）；辐射供暖模式下相对湿度显着高于对流供暖模式，但2种供暖模式均不能满足冬季人体热舒适需求，低于标准下限值；2种供暖模式下室内空气流速均小于0.1m/s；辐射供暖模式下室内CO2平均浓度略高于对流供暖，分别有78.0%（辐射供暖）和72.5%（对流供暖）的数据处于标准阈值范围内（<1 000×10-6）；2种供暖模式下室内平均辐射温度与空气温度差异较小，原因可能是调研期间建筑的内表面已经被空气完全加热；对流供暖模式下竖直温差（头部与脚部空气温度差值）大于辐射供暖模式，主要原因是空调吹风位置位于建筑的屋顶部分，造成上部温度显着高于地板温度，进而造成更大的竖直温差。

　　2.2 主观调查问卷

　　图4显示了不同供暖模式下受试者的主观评价。从TSV结果来看，辐射供暖模式下TSV主要分布在-1（微凉）~1（微暖）之间，而对流供暖模式下受试者TSV处于偏暖侧的比例达到了70%，说明2种供暖模式下均存在室内过热的现象。不同供暖模式下TSV分布不同，但TAV和TCV的分布相似，TAV主要集中在“刚刚可接受”和“可接受”，这在一定程度上反映了人对热环境的适应性。结合TSV结果来看，对流供暖模式下受试者偏暖的比例较大，因此不可接受投票的比例也较高。2种供暖模式下热偏好投票相似，约20%的受试者希望室内温度低一些，约60%的受试者希望室内温度不改变，仍有少部分受试者希望室内温度升高一些，说明冬季人们偏好偏暖的室内热环境。调研期间室内空气流速在0.2m/s以下，因此超过40%的受试者希望室内有更大的空气流速。不同供暖模式下的湿度偏好差异不大，由于冬季室内相对湿度过低，大多数受试者希望室内湿度增大。

　　2.3 中性温度和可接受温度范围

　　采用Bin法，以0.5℃操作温度为1个温度区间，将调研得到的受试者TSV和计算得到的PMV与室内操作温度进行加权线性回归，结果见图5、表3。从拟合方程可以看出，所有的线性回归方程都表现出很强的正相关性。令TSV等于0，求得辐射和对流供暖模式下的中性温度分别为17.4℃和20.4℃，2种供暖模式下中性温度差大于GB 50736—2012中规定的温度差（辐射供暖室内设计空气温度允许比空调供暖模式低2℃）。对2种供暖模式下受试者的TSV和操作温度的回归方程进行协方差分析，结果显示2条直线的斜率、截距均存在显着性差异。从表3可以看出，2种供暖模式下实际中性温度均低于预测值，说明PMV模型并不能很好地预测办公建筑供暖环境下的实际热感觉。

　　采用相同的方法分析每0.5℃操作温度区间不可接受度投票占全部投票的百分比，不可接受投票与总投票的比值为不可接受百分比，将不可接受百分比与相应的操作温度进行回归，结果见图6。求得辐射供暖模式下受试者80%可接受温度下限为16.9℃，对流供暖模式下受试者80%可接受温度上限为24.8℃。在辐射供暖模式下，80%可接受温度下限低于GB 50736—2012中的供暖舒适区（18~24℃），表明该供暖模式下办公建筑具有节能潜力。在对流供暖模式下，36.5%的室内空气温度高于80%可接受温度上限，说明该供暖模式下办公建筑存在过热现象，这与TSV调研结果（见图4a）呈现一致性。

　　2.4 偏好温度和服装热阻

　　通过logistic回归计算了2种供暖模式下“希望暖一些”和“希望凉一些”随操作温度的变化，结果如图7所示。表4给出了拟合方程。图7中的虚线是在相同温度下“希望暖一些”和“希望凉一些”的概率之和，虚线的最低点是受试者期望室内操作温度保持不变的最高比例，被认为是受试者的偏好温度。结果表明，辐射供暖和对流供暖模式下偏好温度分别为20.6℃和21.2℃。受访者的偏好温度均高于中性温度，说明受访者冬季偏好中性偏暖的室内热环境，长期所处的室内热环境会影响人们的热期望，因此，对于不同的供暖模式应建立不同的热舒适评价标准。

　　图8显示了不同供暖模式下服装热阻的分布。可以看出：服装热阻的范围为0.55~1.78 clo，说明受试者能够根据室内空气温度调节服装热阻；辐射供暖模式下办公人员的服装热阻显着高于对流供暖模式下，主要是由于对流供暖模式下室内空气温度显着高于辐射供暖。

　　3.讨论与分析

　　3.1 不同供暖模式下室内热环境评价

　　PMV模型可用来评价冬季供暖建筑的室内热环境，那么，能否采用统一的模型来评价办公建筑的不同供暖模式呢？这个问题还需要进一步确定。将实测的室内温湿度纳入热舒适评价模型，ASHRAE 55-2020和GB/T 50785—2012给出了基于PMV模型计算的热舒适区，验证其是否适用于办公建筑不同供暖模式下的室内热环境评价。图9显示了不同供暖模式下室内温湿度在焓湿图上的分布。在辐射供暖模式下，室内操作温度约35%和18%的数据分别低于ASHRAE 55-2020和GB/T 50785—2012冬季热舒适区的下限；在对流供暖模式下，约80%的数据落在了ASHRAE 55-2020的舒适区范围内，39%的数据超过了GB/T 50785—2012的舒适区上限。这可以解释为，在被调研的办公建筑中，不同供暖模式下的室内环境参数并不总是按照标准设计参数设定的。

　　图10显示了热感觉投票细化到不同操作温度区间的分布。从图10可以看出：2种供暖模式下随着操作温度的升高，热感觉投票平均值明显增大，热感觉投票落在“微暖”~“热”的比例显着增大；在辐射供暖模式下，操作温度在17.5~19.5℃之间变化时，热感觉投票在“微凉”~“微暖”之间的比例维持在70%以上，平均热感觉为中性；在对流供暖模式下，在19.5~21.5℃的操作温度区间内，大多数受试者热感觉投票为中性。即使室内热环境处于舒适区范围内，仍有部分受试者热感觉投票为“偏暖”或“偏凉”，说明实际建筑中个体差异性较大。

　　3.2 与标准和先前研究结果对比

　　将本文研究结果与GB 50736—2012进行比较，确定不同供暖模式下的舒适温度范围，见表5。标准中对流供暖模式下室内温度设定为18~24℃，辐射供暖可比对流供暖低2℃。从表5可以看出：对流供暖模式下有40.2%的室内温度超过了标准上限，且受试者热感觉投票在偏暖侧的比例达到了60%，说明在对流供暖模式下办公建筑的室内温度存在严重的过热现象；2种供暖模式下中性温度均在标准范围内；在对流供暖模式下，80%的可接受温度范围下限比标准高0.9℃，说明辐射供暖模式下室内设定温度比对流供暖低2 ℃的规定不适用于寒冷气候区的办公建筑；对流供暖模式下室内空气温度几乎都超过20℃，因此直接法无法获得可接受温度范围的下限，将TSV等于-0.5时对应的温度作为对流供暖模式温度下限，即18.6℃，这与夏婵等人的研究结果（冬季空调供暖时的室内舒适区温度范围下限为18.9℃）较为一致。从实际需求和调研结果综合考虑，辐射供暖模式下室内空气温度不低于16.9℃，对流供暖模式下室内设定空气温度不低于18.6℃即可。

　　受试者的舒适温度范围可为不同地区不同供暖模式下室内温度设定提供参考。表6显示了本文研究结果与其他学者研究结果的对比。结果表明，不同气候区不同供暖模式下人的中性温度和舒适温度范围不同。总体而言，对流供暖模式下室内中性温度总是高于辐射供暖，辐射供暖模式下室内设定温度可低于对流供暖。对于冬季供暖建筑来说，室内设定温度对于建筑节能非常重要，因此应根据气候区和供暖模式设定不同的供暖温度。

　　3.3 节能潜力与控制策略

　　办公建筑室内供暖温度的设定值对受试者的舒适度和建筑能耗都有影响。研究表明，寒冷气候区冬季供暖温度降低2℃（从22℃降为20℃），可减少30%的终端供暖能耗。从TAV和TCV结果可以发现，受试者在较宽的室内温度范围内有较高的可接受度，说明受试者的舒适温度范围较宽。从TSV结果来看，超50%的TSV在偏暖侧。辐射供暖和对流供暖模式下分别有15.3%和40.2%的室内温度超过了标准规定的舒适温度范围的上限，从行为调节投票结果中发现有15%的受试者会打开窗户，可以证明冬季办公建筑存在室内过热问题。

　　在辐射供暖模式下，只要室内温度不低于16.9℃，受试者可接受百分比在80%以上。由于调研的对流供暖模式的办公建筑室内温度较高，无法得到受试者舒适温度的下限，但当室内温度过高时，受试者不可接受的比例会上升，因此，应降低对流供暖办公建筑中的设定温度。辐射供暖模式下室内温度不低于16.9℃、对流供暖模式下室内温度不低于18.6℃时，可以满足大部分人的热舒适需求。值得注意的是，2种供暖模式下的室内相对湿度均较低，受试者湿度偏好的调查结果显示，超过60%的人群希望增大室内相对湿度（见图4f）。因此，在提供舒适温度的同时，也应增大室内相对湿度。

　　4.结论

　　通过现场调研，比较了辐射供暖和对流供暖模式下室内热环境和人体热舒适需求的差异性。通过对1120份调研数据的分析，得到以下结论：

　　1） 室内热环境受供暖模式的影响。对流供暖模式下室内平均温度和竖直温差显着高于辐射供暖模式，2种供暖模式下室内相对湿度均显着低于舒适湿度范围，CO2平均体积分数均低于1000×10-6。

　　2） 对流供暖模式下超过50%的受试者的TSV在偏暖侧，说明室内存在过热现象。2种供暖模式下TAV和TCV的分布相似，受试者对室内热环境均有较高的热舒适和热可接受度。

　　3） 辐射供暖和对流供暖模式下受试者的中性温度分别为17.4℃和20.4℃。辐射供暖模式下80%可接受温度下限为16.9℃，对流供暖模式下可接受温度上限为24.8℃。

　　4） 在既满足人体热舒适需求又节能的前提下，建议寒冷气候区办公建筑辐射供暖温度不低于16.9℃，对流供暖温度不低于18.6℃。