劉?剛，錢?葉，劉魁星，聶?婷，黃文龍

地板輻射供冷系統(tǒng)建筑空間尺寸參量對熱感覺的影響

劉?剛1, 2，錢?葉1, 2，劉魁星1, 2，聶?婷3，黃文龍4

(1. 天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3. 天津大學(xué)國際工程師學(xué)院，天津 300072；4. 中國中建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100037)

熱舒適度是環(huán)境舒適度的主要方面，目前，室內(nèi)環(huán)境的熱舒適受到越來越多的關(guān)注，多變的建筑空間以及復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)都會(huì)影響室內(nèi)人員的熱感覺，進(jìn)而影響室內(nèi)人員的身心健康和工作效率．由于地板輻射空調(diào)系統(tǒng)主要依賴輻射換熱，故采用地板輻射的建筑中室內(nèi)人員的熱感覺與建筑空間尺寸參量之間的關(guān)系尤其值得研究．在天津大學(xué)可變建筑空間綜合實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間是2018年9月8日—13日，供冷空調(diào)末端是地板輻射，房間底面積有6m×6m和12m×12m，房間高度有3m、5m、7m和9m，共8種實(shí)驗(yàn)工況．采用主觀調(diào)查問卷與熱環(huán)境參數(shù)測量相結(jié)合的方法，主觀調(diào)查問卷包括熱感覺投票和熱滿意率百分比，實(shí)驗(yàn)過程中操作溫度的波動(dòng)范圍是22.8～26.7℃．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，夏季采用地板輻射供冷時(shí)，建筑空間尺寸參量對地板輻射供冷下被試者的熱感覺有明顯影響：對比兩種底面積的空間中被試者在各高度下的熱感覺，發(fā)現(xiàn)趨于狹窄的建筑中被試者感覺更熱；對比8種建筑空間中熱感覺隨操作溫度變化的斜率，發(fā)現(xiàn)越是狹窄、低矮的空間，被試者對熱環(huán)境的變化越敏感；被試者的熱中性溫度隨高寬比增大而減小，即趨于扁平的建筑中被試者的熱中性溫度越高．這對建筑設(shè)計(jì)和空調(diào)節(jié)能都具有一定指導(dǎo)意義．

地板輻射供冷系統(tǒng)；熱感覺；高寬比；熱中性溫度

在居住建筑和公共建筑中，熱舒適十分重要，對人員的健康和工作效率均有影響[1-2]．多變的建筑空間和復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)是影響室內(nèi)人員熱感覺的兩個(gè)重要方面，且二者有一定的交互影響[3]，故研究特定空調(diào)末端下不同空間的熱舒適具有較大價(jià)值．

常用的空調(diào)末端有輻射和對流兩種．有學(xué)者對頂板輻射[4]、風(fēng)機(jī)盤管[5]、踢腳線加熱[6]等系統(tǒng)進(jìn)行研究，目前的研究表明輻射系統(tǒng)下房間溫度波動(dòng)較小且空調(diào)系統(tǒng)更節(jié)能，因此輻射系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在各種類型的建筑中[7]．Rhee等[8-9]從熱舒適性、傳熱模型、供熱及制冷能力等方面對輻射系統(tǒng)進(jìn)行了全面回顧.其中，影響熱舒適的最大問題是由于輻射面的空間位置不同造成的輻射不對稱性[10-11]，常見的有頂板、地板和側(cè)壁輻射．早在1985年，F(xiàn)anger等[12]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)冷壁、暖頂?shù)妮椛洳粚ΨQ對被試者的熱舒適影響更大，這是空間與輻射效果之間關(guān)系的最早研究之一．Tiberiu等[13]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法評價(jià)了頂板冷輻射下的熱舒適．地板輻射下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，被試者的暴露時(shí)間[14]、性別及姿勢[15]都會(huì)影響其熱感覺．Conceicao等[16]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地板輻射冷卻的熱舒適度優(yōu)于頂板輻射冷卻，與側(cè)壁輻射相結(jié)合時(shí)，兩者都會(huì)達(dá)到更好的熱舒適．

有些學(xué)者為了改善輻射系統(tǒng)空間中存在的熱不對稱等問題，將輻射系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合展開研究．常見的有以下幾種系統(tǒng)：輻射結(jié)合置換通風(fēng)的系統(tǒng)下，頭部和踝關(guān)節(jié)的垂直溫差適中，不會(huì)增加腳踝處的通風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)，且可以改善結(jié)露現(xiàn)象[17-18]；輻射結(jié)合地板送風(fēng)的系統(tǒng)可以明顯改善熱舒適，同時(shí)也可改善結(jié)露現(xiàn)象[19-20]；頂板輻射結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)也可以使工作區(qū)達(dá)到更好的熱舒適[21-22]．輻射結(jié)合對流的空調(diào)末端在舒適度方面具有顯著優(yōu)勢．

近些年來，輻射系統(tǒng)在高大空間中的優(yōu)勢巨大，因此人們更加關(guān)注輻射與空間的關(guān)系．高大空間的建筑特點(diǎn)是橫跨大、玻璃幕墻多即保溫性較差．與其他常見于高大空間的系統(tǒng)如射流系統(tǒng)和置換通風(fēng)系統(tǒng)相比，輻射系統(tǒng)能避免風(fēng)機(jī)能耗過大、冷負(fù)荷處理能力較小的問題．清華大學(xué)的Zhao等[23-25]針對采用地板輻射系統(tǒng)的航站樓內(nèi)熱物理場和熱舒適度進(jìn)行了一系列研究．熱物理場方面，他們提出了一種簡單的預(yù)測穩(wěn)態(tài)太陽輻射下地板輻射冷卻性能的方法，并進(jìn)一步研究了太陽輻射對重型和輕型地板輻射制冷能力的影響．熱舒適度方面，他們在咸陽國際機(jī)場進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，發(fā)現(xiàn)冬夏季均有以下結(jié)論：采用地板輻射的3號航站樓內(nèi)的熱舒適度明顯比采用射流通風(fēng)的2號航站樓好．

最近，有研究人員不但關(guān)注了空調(diào)末端對熱感覺的影響，同時(shí)關(guān)注了整個(gè)建筑特性與空調(diào)末端對熱感覺的交互影響．Xu等[3]在3個(gè)典型空間中研究了建筑空間對環(huán)境綜合感覺的影響，得到被試者的熱中性溫度大概值．實(shí)驗(yàn)過程中采用地板輻射加風(fēng)機(jī)盤管對室內(nèi)溫度進(jìn)行控制，并沒有區(qū)分不同的空調(diào)末端．Cen等[26]在供冷季研究了地板輻射和風(fēng)機(jī)盤管兩種空調(diào)末端下，被試者熱感覺受空間高度的影響．實(shí)驗(yàn)表明在較高空間下地板輻射系統(tǒng)的熱舒適優(yōu)于風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)．可見，建筑空間對熱感覺的影響是值得研究的．

目前針對不同建筑空間尺寸參量下熱感覺的研究，或是沒有區(qū)分空調(diào)末端，或是實(shí)驗(yàn)工況較少．故筆者研究了地板輻射制冷工況下，8種建筑空間尺寸參量下被試者熱感覺的差異，實(shí)驗(yàn)得到了空間對熱感覺的影響規(guī)律及熱中性溫度隨空間高寬比的變化規(guī)律．這可以為建筑空間和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考．

1?實(shí)?驗(yàn)

1.1?實(shí)驗(yàn)工況

該實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)變空間實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)平臺外景見圖1．實(shí)驗(yàn)在2018年夏季地板輻射供冷工況下完成，房間底面積有6m×6m和12m×12m，高度有3m、5m、7m和9m，共8種實(shí)驗(yàn)工況．

圖1?外景圖

圖2?頂板升降控制器

圖3?頂板及筒燈

實(shí)驗(yàn)空間的空調(diào)系統(tǒng)有地板輻射和風(fēng)機(jī)盤管，實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行的是地板輻射供冷工況，溫度由供回水閥門和流量計(jì)共同調(diào)節(jié)，12m×12m空間的地板輻射的閥門共2個(gè)，6m×6m空間的地板輻射閥門共1個(gè)．地板輻射末端控制閥見圖4．

實(shí)驗(yàn)在2018年9月8日—13日進(jìn)行了8種建筑空間尺寸參量下的熱感覺實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況見表1．

圖4?地板輻射的閥門

表1?實(shí)驗(yàn)工況

Tab.1?Experimental conditions

1.2?被試者與調(diào)查問卷

實(shí)驗(yàn)招募了15名天津大學(xué)學(xué)生為被試者，性別比例大約為1∶1．年齡在22～24歲，平均年齡23歲．被試者著統(tǒng)一服裝(短袖、薄長褲、薄短襪、運(yùn)動(dòng)鞋)，服裝熱阻0.495clo．

被試者在實(shí)驗(yàn)過程中保持靜坐；在實(shí)驗(yàn)前12h保證睡眠充足、情緒穩(wěn)定，禁止飲用酒精、咖啡等刺激性飲料；實(shí)驗(yàn)前1.5h不能吃東西；實(shí)驗(yàn)前3h不要進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)．

熱舒適調(diào)查問卷包括以下內(nèi)容：被試者的身高、體重、年齡等基本信息，七度熱感覺評價(jià)和被試者對熱環(huán)境的滿意度．

1.3?熱環(huán)境參數(shù)的測量

在被試者填寫調(diào)查問卷的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、黑球溫度的測量和記錄．室內(nèi)熱環(huán)境測量儀器見圖5．

圖5?實(shí)驗(yàn)儀器

室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的測量高度在距地面約0.6m處．每個(gè)工況下，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域均勻地布置3個(gè)測點(diǎn)．室內(nèi)空氣溫度的測量儀器為美國ONSET溫濕度記錄儀(HOBO)，HOBO每隔5min測量并記錄一次溫度數(shù)據(jù)且可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)．風(fēng)速測量使用TSI model 9545熱敏風(fēng)速儀，實(shí)驗(yàn)過程中盡量避免對風(fēng)速儀附近空氣流動(dòng)的干擾．黑球溫度測量使用KIMO TM 200黑球溫度計(jì)．實(shí)驗(yàn)中測量室內(nèi)環(huán)境使用的實(shí)驗(yàn)儀器見表2．

表2?熱環(huán)境測量的儀器及參數(shù)

Tab.2 Instrumentsfor measuring the thermal environ-ment and their parameters

1.4?實(shí)驗(yàn)方案

由于地板輻射供冷系統(tǒng)需要一定的響應(yīng)時(shí)間，故每次實(shí)驗(yàn)前3h打開地板輻射系統(tǒng)．由于太陽輻射對地板輻射系統(tǒng)的性能影響較大[27]，實(shí)驗(yàn)過程中使用內(nèi)遮陽并打開室內(nèi)照明．

由于該實(shí)驗(yàn)空間的溫度控制有大約±0.5℃的波動(dòng)，為保證每種建筑空間尺寸參量下在22～27℃至少有4個(gè)溫度工況，實(shí)驗(yàn)過程中充分利用上午、下午、晚上的室外溫度變化．在9月8日上午10:08—11:46、9月10日下午14:50—17:38、9月11日晚上19:45—20:32、9月13日下午13:37—15:37進(jìn)行了41個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)，共填寫615份問卷．

當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到要求的實(shí)驗(yàn)工況時(shí)，安排被試者進(jìn)入實(shí)驗(yàn)空間先靜坐6min，以適應(yīng)室內(nèi)熱環(huán)境，然后填寫調(diào)查問卷．改變吊頂高度時(shí)要求被試者離開實(shí)驗(yàn)空間，實(shí)驗(yàn)過程見圖6．

圖6?實(shí)驗(yàn)過程照片

2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1?熱環(huán)境參數(shù)

該實(shí)驗(yàn)的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)記錄見表3．

表3?室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)記錄表

操作溫度的波動(dòng)范圍是22.8～26.7℃．其中，操作溫度計(jì)算式為

式中：為操作溫度；g為黑球溫度；a為空氣溫度；為風(fēng)速；r為輻射換熱系數(shù)；c為對流換熱系數(shù)．

2.2?問卷結(jié)果

2.2.1?熱感覺

2種底面積時(shí)，熱感覺投票(thermal sensation vote，TSV)隨操作溫度的變化見表4．

由表4可知，6m×6m和12m×12m的空間中，操作溫度波動(dòng)范圍分別是22.8～26.1℃和23.2～26.7℃．12m×12m的空間中，低溫區(qū)域的工況較少，這是由于實(shí)驗(yàn)中很難把12m×12m空間的溫度控制在23℃以下．

2.2.2?熱滿意率

底面積6m×6m、12m×12m的工況下，被試者的不滿意百分比(percentage dissatisfied，PD)分別見圖7(a)和圖7(b)．

表4?熱感覺問卷的結(jié)果

Tab.4?Results of the TSV questionnaires

圖7?2種底面積下PD隨操作溫度的變化

由圖7可見，該實(shí)驗(yàn)中被試者的不滿意百分比PD的范圍是0～40%，ISO 7730規(guī)定允許有10%的人感覺不滿意，結(jié)果表明該實(shí)驗(yàn)的室內(nèi)熱環(huán)境并沒有完全滿足ISO 7730的要求．

對比PD和TSV，在較低的操作溫度范圍內(nèi)TSV更接近零，即較低的操作溫度更接近熱中性溫度；實(shí)驗(yàn)過程中兩個(gè)極高的不滿意百分比為40%，均出現(xiàn)在室內(nèi)操作溫度較高的區(qū)域，即較高的操作溫度下被試者滿意率更低．這表明，被試者的不滿意百分比PD結(jié)果與平均熱感覺投票TSV結(jié)果是一致的．

3?數(shù)據(jù)分析

3.1?高度、底面積對TSV的影響

底面積6m×6m時(shí)，4種高度下的平均熱感覺投票TSV隨操作溫度的變化見圖8(a)，底面積?12m×12m時(shí)見圖8(b)．

由圖8可知，相同的操作溫度下，6m×6m空間下，整體趨勢是建筑高度9m時(shí)，TSV最高；高度3m時(shí)，TSV最低．12m×12m空間下各高度下的TSV沒有明顯差別．與6m×6m相比，12m×12m的空間下，4種高度的TSV曲線更接近．

圖8?2種底面積下TSV隨操作溫度的變化

建筑空間的高度為3m、5m、7m和9m時(shí)，2種底面積時(shí)的TSV隨操作溫度的變化見圖9．

由圖9可知，相同的操作溫度下，6m×6m的空間熱感覺均高于12m×12m的空間，即狹窄空間中感覺更熱；且呈現(xiàn)的趨勢是高度越高，2種底面積下熱感覺TSV曲線的差距越大．

圖9?4種高度下TSV隨操作溫度的變化

3.2?不同建筑空間下的TSV擬合曲線

地板輻射供冷工況下，8種建筑空間尺寸參量下的TSV隨操作溫度的變化規(guī)律的擬合曲線見表5．

由表5可知，8種建筑空間尺寸參量下，TSV與操作溫度的線性相關(guān)系數(shù)2都較高，只有12m×12m×9m空間下2較低，這可能是被試者人數(shù)較少造成的．

底面積6m×6m和12m×12m兩種空間下均有以下規(guī)律：隨著高度增加，TSV-曲線的斜率越來越小，換言之，越是低矮的建筑空間，被試者對熱環(huán)境的變化越敏感．

表5 地板輻射供冷系統(tǒng)8種建筑空間尺寸參量下的TSV-t曲線

4種高度下均有以下規(guī)律：底面積越大，TSV-曲線的斜率越小，換言之，越是狹窄的建筑空間，被試者對熱環(huán)境的變化越敏感．

3.3?高寬比對熱中性溫度的影響

8種建筑空間尺寸參量下的熱中性溫度n隨高寬比呈線性下降，見圖10．兩者關(guān)系滿足函數(shù)關(guān)系n＝-1.97＋24.62，線性相關(guān)系數(shù)2＝0.93．

由圖10可知，地板輻射供冷工況下，熱中性溫度隨高寬比的增大而減?。邔挶鹊淖兓秶?3∶12～9∶6即0.25～1.50，熱中性溫度的變化范圍是23.2～24.3℃．

圖10?熱中性溫度隨高寬比的變化

夏季地板輻射供冷工況，在建筑空間的高寬比較小即建筑較扁平時(shí)，被試者的熱中性溫度較高，可以一定程度降低建筑的空調(diào)能耗．

4?結(jié)論及展望

筆者在地板輻射供冷空間中測量熱環(huán)境參數(shù)，同時(shí)收集熱感覺問卷．實(shí)驗(yàn)研究了8種建筑空間尺寸參量對熱感覺的影響．通過比較8種建筑空間尺寸參量下，操作溫度對平均熱感覺投票TSV的影響，及不同高寬比空間中被試者的熱中性溫度，得到在地板輻射供冷的建筑空間有以下主要結(jié)論：

(1) 在趨于狹窄的建筑中，被試者會(huì)感覺更熱；

(2) 越是狹窄、低矮的空間，被試者對熱環(huán)境的變化越敏感；

(3) 趨于扁平的建筑中，被試者的熱中性溫度?越高．

熱舒適研究中，被試者的心理因素可能對熱感覺有影響，需進(jìn)一步對心理通道進(jìn)行研究；另外，建筑聲環(huán)境和光環(huán)境對被試者熱舒適的影響也需要進(jìn)一步研究；由于該實(shí)驗(yàn)是用15名天津大學(xué)學(xué)生作為被試者進(jìn)行的，故該研究結(jié)論僅適用于身體健康的中國大學(xué)生．在接下來的研究中，需要比較更多的建筑空間、空調(diào)末端形式，并增加被試者的人數(shù)使研究結(jié)果更加精確．

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Influence of Building Space Dimension Parameters on the Thermal Sensation of Floor Radiation Cooling System

Liu Gang1, 2，Qian Ye1, 2，Liu Kuixing1, 2，Nie Ting3，Huang Wenlong4

(1. School of Architecture，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Architectural Physics and Environmental Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3. Tianjin International Engineering Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China；4. China Construction Engineering Design Group Corporation Limited，Beijing 100037，China)

Thermal comfort is the main aspect of environmental comfort. At present, the thermal comfort of indoor environments is receiving increasing attention. The changeable building space and complex air-conditioning system affect the thermal sensation of occupants, thereby affecting their physical and mental health and work efficiency. Because the floor radiation air-conditioning system mainly depends on radiation heat transfer, the relationship between the thermal sensation of indoor workers and the building space dimension parameters in buildings with floor radiation is particularly worth studying. The experiment was carried out on the Comprehensive Experiment Platform of Variable Building Space of Tianjin University from September 8, 2018 to September 13, 2018. The cooling air-conditioning terminal is floor radiation. The floor areas of the rooms are 6 m×6 m and 12 m×12 m, and the heights of the rooms are 3 m, 5 m, 7 m, and 9 m.There are eight kinds of experimental conditions.The subjective questionnaire is combined with the measurement of the thermal environment parameters. The subjective questionnaire includes the thermal sensation vote and percentage of thermal satisfaction. The fluctuation range of the operating temperature during the experiment is 22.8—26.7℃. The experimental results show that when floor radiation cooling is used in summer, the building space dimension parameters have a significant effect on the thermal sensation of the subjects. The comparison results of the thermal sensation of the subjects at different heights in the two kinds of floor space show that the subjects felt hotter in the buildings that tended to be narrower. Furthermore, the comparison results of the slope of the thermal sensation variation with the operating temperature in the eight building spaces show that the narrower and lower the space, the more sensitive the subjects are to the change in the thermal environment. The thermoneutral temperature of the subjects decreases with the increase of the aspect ratio. In other words, the flatter the building, the higher the thermoneutral temperature. This has certain guiding significance for building design and energy saving of air-conditioning systems.

floor radiation cooling system；thermal sensation；aspect ratio；thermoneutral temperature

the National Key Research and Development Program(No.2016YFC0700200)，the Natural Science Foundation of Tianjin，China(No.2017FQ-0013).

TU83

A

0493-2137(2020)08-0777-08

10.11784/tdxbz201907061

2019-07-23；

2019-11-04.

劉?剛（1977—??），男，博士，教授，lglgmike@163.com.Email：m_bigm@tju.edu.cn

劉魁星，liukuixing1@sina.com.

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0700200)；天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017FQ-0013).

(責(zé)任編輯：田?軍)