清華大學(xué) 清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 趙海湉

清華大學(xué) 周政翰 林波榮△ 劉 實(shí) 朱穎心 孫弘歷

清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 劉建華 張菁華

0 引言

目前，不同形式的空調(diào)系統(tǒng)末端在建筑工程中被大量應(yīng)用。根據(jù)傳熱方式不同，可將空調(diào)系統(tǒng)末端分為對(duì)流換熱末端(風(fēng)機(jī)盤(pán)管、全空氣系統(tǒng)等)、輻射換熱末端(輻射天花、輻射地板)、部分輻射+部分對(duì)流末端(冷梁系統(tǒng))。由于傳熱方式的差別，不同形式空調(diào)系統(tǒng)末端營(yíng)造的室內(nèi)環(huán)境不同，與人體進(jìn)行傳熱的形式和比例也不同，最終導(dǎo)致人體在不同末端環(huán)境中的熱舒適表現(xiàn)不同。目前對(duì)于不同空調(diào)系統(tǒng)末端的熱舒適研究主要為人工氣候室實(shí)驗(yàn)[1-4]和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[5]，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)試和人員主觀問(wèn)卷調(diào)研得到不同工況下的人體熱舒適[1-5]。部分研究提出輻射空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)對(duì)流末端空調(diào)系統(tǒng)有較好的熱舒適性。Peng等人在我國(guó)中南部地區(qū)進(jìn)行了空氣介質(zhì)輻射空調(diào)系統(tǒng)和分體空調(diào)器熱舒適性的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)輻射空調(diào)系統(tǒng)的中性溫度高于分體空調(diào)器，且人體可以接受的溫度范圍較大[1]。Chao等人對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)和地板輻射系統(tǒng)供冷時(shí)不同高度空間的熱舒適性進(jìn)行了比較研究，發(fā)現(xiàn)地板輻射系統(tǒng)相對(duì)于風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)在更高的空間中具有較好的熱舒適性[2]。但是也有一些研究提出輻射空調(diào)系統(tǒng)會(huì)對(duì)人體局部造成熱不舒適。He等人對(duì)我國(guó)珠海使用不同空調(diào)系統(tǒng)末端的辦公室進(jìn)行了結(jié)合環(huán)境測(cè)量和問(wèn)卷調(diào)研的實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)不同空調(diào)系統(tǒng)末端條件下人體不同部位的局部熱感覺(jué)表現(xiàn)出很大差異，并且顯著影響整體熱感覺(jué)和整體舒適度，特別是頭、手、腿和腳的局部熱感覺(jué)對(duì)整體熱感覺(jué)有相當(dāng)大的影響[5]。Zhen等人對(duì)輻射空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示，有14%～22%的參與者報(bào)告手臂和腿腳區(qū)域出現(xiàn)局部冰涼不適[3]。Zhou等人在實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，在2 h暴露測(cè)試條件下，輻射地板冷卻系統(tǒng)比輻射天花冷卻系統(tǒng)更容易引起不適感，寒冷的地面導(dǎo)致足部、小腿和大腿部位的局部熱感覺(jué)明顯降低，局部皮膚溫度降低[4]。

目前的研究大部分為人工氣候室實(shí)驗(yàn)，少有研究對(duì)不同空調(diào)系統(tǒng)末端案例進(jìn)行大量的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研測(cè)試，并進(jìn)行對(duì)比分析研究。本文對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研案例結(jié)果進(jìn)行綜合比較分析，得出不同末端人體熱舒適的表現(xiàn)特征，旨在指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能舒適設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試案例及方法

為得到不同空調(diào)系統(tǒng)末端在實(shí)際使用場(chǎng)景下的人體熱舒適數(shù)據(jù)，本研究對(duì)6個(gè)城市的12個(gè)辦公建筑案例進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境測(cè)試和人體熱舒適現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。室內(nèi)環(huán)境測(cè)試與人體熱舒適現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試同時(shí)進(jìn)行，保證二者數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)性。測(cè)試時(shí)間為2017—2019年3年的夏季，由于測(cè)試項(xiàng)目均為辦公建筑，測(cè)試時(shí)間段選為工作日白天辦公時(shí)間(約09:00—17：00)。測(cè)試項(xiàng)目及樣本基本信息如表1所示。

表1 測(cè)試項(xiàng)目及樣本基本信息

本次調(diào)研的空調(diào)系統(tǒng)末端主要有3種，即：風(fēng)機(jī)盤(pán)管、輻射地板、輻射天花。其中，風(fēng)機(jī)盤(pán)管末端(對(duì)流末端)案例6個(gè)，輻射地板末端和輻射天花末端案例各3個(gè)?？傆行?wèn)卷數(shù)為2 964份，其中調(diào)研人員樣本的性別及年齡分布如圖1所示。

圖1 熱舒適調(diào)研樣本性別及年齡分布

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試內(nèi)容主要包括：熱環(huán)境參數(shù)測(cè)試、人員熱感覺(jué)問(wèn)卷調(diào)研。室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試參數(shù)主要包括：干球溫度、相對(duì)濕度、黑球溫度、風(fēng)速等。室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)測(cè)試位置選取為主要人員工作空間1.5 m高度處。測(cè)試儀器周圍沒(méi)有明顯熱源及太陽(yáng)光直射。人體熱舒適測(cè)試數(shù)據(jù)由人員現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)研得到。測(cè)試樣本人群為被測(cè)項(xiàng)目中長(zhǎng)時(shí)間停留人員，熱感覺(jué)穩(wěn)定時(shí)間超過(guò)1 h。熱舒適測(cè)試主要內(nèi)容為室內(nèi)人員熱感覺(jué)投票TSV。熱感覺(jué)評(píng)價(jià)標(biāo)尺采用ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)的七級(jí)標(biāo)尺(-3很冷，-2冷，-1涼，0中性，1暖，2熱，3很熱)[6]。研究TSV與操作溫度的關(guān)系，其中操作溫度為測(cè)量得到的空氣干球溫度與輻射溫度的加權(quán)平均值，輻射溫度由空氣干球溫度、黑球溫度和風(fēng)速計(jì)算得到。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 對(duì)流末端系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

各對(duì)流末端案例測(cè)試得到的TSV隨操作溫度的變化曲線如圖2所示。6個(gè)案例的綜合測(cè)試數(shù)據(jù)擬合得到的TSV曲線如圖3所示。表2給出了各個(gè)案例擬合曲線表達(dá)式、計(jì)算中性溫度及人體熱舒適敏感度TCS(thermal comfort stability)。其中TCS的物理含義為操作溫度變化1 ℃時(shí)人體熱感覺(jué)變化量，即TSV擬合曲線的斜率。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，各調(diào)研案例擬合結(jié)果的R2接近1，線性擬合程度較高。同樣，各案例綜合測(cè)試數(shù)據(jù)的線性擬合程度也較高。對(duì)流末端條件下，各案例人體中性溫度分布在25.1～25.8 ℃之間，調(diào)研綜合中性溫度為25.5 ℃。TCS計(jì)算結(jié)果分布在0.36～0.59 ℃-1之間，調(diào)研綜合值為0.38 ℃-1，與Peng等人在實(shí)驗(yàn)室對(duì)分體空調(diào)辦公空間TSV進(jìn)行研究得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[1]非常接近。分體空調(diào)末端也屬于對(duì)流末端的一種。

圖2 對(duì)流末端案例TSV測(cè)試結(jié)果曲線

圖3 對(duì)流末端案例TSV測(cè)試結(jié)果綜合曲線

表2 對(duì)流末端案例TCS測(cè)試結(jié)果

2.2 輻射地板末端系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

輻射地板末端案例TSV測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5及表3所示。3個(gè)案例的TSV線性擬合程度較高，但案例8的TSV擬合曲線與案例7和案例9相比較為“陡峭”，即TCS較大。3個(gè)項(xiàng)目的TCS計(jì)算結(jié)果分布在0.15～0.40 ℃-1之間，調(diào)研綜合值為0.15 ℃-1。輻射地板末端3個(gè)案例調(diào)研得到的中性溫度一致，約為25.3 ℃。

圖4 輻射地板末端案例TSV測(cè)試結(jié)果曲線

圖5 輻射地板末端案例TSV測(cè)試結(jié)果綜合曲線

表3 輻射地板末端案例TCS測(cè)試結(jié)果

2.3 輻射天花末端系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

輻射天花末端案例TSV測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7及表4所示。輻射天花末端3個(gè)案例的TSV線性擬合程度較高，綜合TSV線性擬合程度也較高。其中，3個(gè)案例的TCS分布在0.68～0.70 ℃-1之間，調(diào)研綜合值為0.66 ℃-1。輻射天花末端調(diào)研得到的中性溫度分布在25.1～25.5 ℃之間，調(diào)研綜合中性溫度為25.3 ℃。

圖6 輻射天花末端案例TSV測(cè)試結(jié)果曲線

圖7 輻射天花末端案例TSV測(cè)試結(jié)果綜合曲線

表4 輻射天花末端案例TCS測(cè)試結(jié)果

3 綜合討論分析

3種不同空調(diào)系統(tǒng)末端測(cè)試結(jié)果的綜合對(duì)比見(jiàn)圖8和表5。

圖8 不同末端TSV測(cè)試結(jié)果綜合比較

表5 不同末端案例TCS測(cè)試結(jié)果

由統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，輻射天花末端與對(duì)流末端系統(tǒng)線性擬合程度較高。由于案例8與案例7和案例9的TCS差別較大，導(dǎo)致輻射地板末端調(diào)研結(jié)果的綜合線性擬合程度相對(duì)較低。其中，不同末端的計(jì)算中性溫度幾乎一致，約為(25.4±0.1)℃。但在3種不同空調(diào)末端條件下人體對(duì)于溫度變化的敏感程度TCS有較大差別。可以看到，人體對(duì)于輻射天花環(huán)境的溫度變化最敏感(TCS=0.66 ℃-1)，對(duì)輻射地板環(huán)境最不敏感(TCS=0.15 ℃-1)，輻射天花的TCS為輻射地板的4.4倍。對(duì)流末端的TCS處于中間水平(TCS=0.38 ℃-1)，為輻射地板TCS的2.5倍。TCS的大小可以直接反映人體熱感受的區(qū)間大小。考慮TSV在[-0.5, 0.5]范圍內(nèi)時(shí)，3種末端環(huán)境操作溫度的區(qū)間為：對(duì)流末端[24.2 ℃，26.8 ℃]，輻射地板[22.0 ℃，28.6 ℃]，輻射天花[24.6 ℃，26.1 ℃]。也就是說(shuō)，在滿足人體熱感覺(jué)區(qū)間相同的情況下，輻射地板調(diào)節(jié)溫度區(qū)間長(zhǎng)度最大(為6.6 ℃)，輻射天花最小(為1.5 ℃)，對(duì)流末端居中(為2.6 ℃)。

對(duì)于不同末端TCS差別較大的原因，這里給出筆者的猜想。圖9顯示了不同空調(diào)系統(tǒng)末端在辦公室內(nèi)的分布情況。其中輻射天花系統(tǒng)對(duì)人體頭部及上肢的影響較大，當(dāng)處于夏季工況時(shí)，輻射天花冷表面會(huì)與人體頭部和上肢裸露的部分直接進(jìn)行長(zhǎng)波輻射換熱，所以當(dāng)輻射天花溫度變化時(shí)，人體頭部和上肢是最先感受到溫度變化的部位。輻射地板系統(tǒng)則與人體下肢距離最近，除對(duì)流換熱外，輻射地板系統(tǒng)可以與下肢裸露部分直接進(jìn)行長(zhǎng)波輻射換熱，從而直接影響局部皮膚溫度，所以下肢最先感受到輻射地板表面溫度的變化。而對(duì)流末端系統(tǒng)幾乎不與人體直接進(jìn)行輻射換熱，人體通過(guò)空氣的對(duì)流換熱感受空氣溫度變化。絕大多數(shù)對(duì)流末端都設(shè)置在吊頂內(nèi)，當(dāng)送風(fēng)溫度變化時(shí)，人體頭部附近的空氣溫度變化速度要快于腳部附近。

圖9 不同空調(diào)末端在辦公室內(nèi)的分布情況

人體各部位冷點(diǎn)分布密度如表6所示[7]。將不同部位的感受器冷點(diǎn)分布密度分類統(tǒng)計(jì)得到，頭部的感受器冷點(diǎn)總數(shù)量約為下肢的2倍，上肢感受器冷點(diǎn)約為下肢的1.5倍，而頭部和上肢的感受器冷點(diǎn)總和約為下肢的4倍。這就可以解釋輻射天花系統(tǒng)的TCS明顯大于輻射地板系統(tǒng)的原因。

表6 人體各部位冷點(diǎn)分布密度[7] 個(gè)/cm2

4 結(jié)論與討論

本研究旨在探討不同空調(diào)末端系統(tǒng)條件下的人體熱舒適差異，這里空調(diào)末端主要為輻射地板、輻射天花和對(duì)流末端3種。本研究對(duì)采用不同空調(diào)末端的12個(gè)辦公建筑案例進(jìn)行了室內(nèi)環(huán)境測(cè)試和人體熱舒適現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，得到了人體在不同空調(diào)末端條件下的熱感覺(jué)投票(TSV)隨操作溫度的變化規(guī)律。主要結(jié)論為：

1) 在各種空調(diào)末端環(huán)境中，調(diào)研得到的人體計(jì)算中性操作溫度差別很小，為(25.4±0.1)℃。

2) 在不同空調(diào)末端條件下，人體對(duì)于溫度調(diào)節(jié)變化的敏感程度(TCS)有較大差別。其中，人體對(duì)輻射天花環(huán)境的溫度變化最敏感(TCS=0.66 ℃-1)，對(duì)輻射地板環(huán)境最不敏感(TCS=0.15 ℃-1)，對(duì)流末端處于中間水平(TCS=0.38 ℃-1)。當(dāng)需控制相同的熱感受區(qū)間時(shí)，輻射地板系統(tǒng)的舒適操作溫度區(qū)間最大。

從空調(diào)系統(tǒng)末端與人體及室內(nèi)環(huán)境的傳熱機(jī)理考慮，不同空調(diào)末端與人體不同部位的主要傳熱形式及傳熱量的比例不同，加之人體不同部位的感受器冷點(diǎn)分布密度不同，最終導(dǎo)致了不同空調(diào)末端TCS的明顯差別。

雖然根據(jù)調(diào)研結(jié)果，中性操作溫度差別不大，但不等于人體最舒適的操作溫度差別也不大，也就是說(shuō)“中性不一定等于舒適”，后續(xù)需研究“中性與舒適”的關(guān)系。此外，本文對(duì)3種末端的12個(gè)建筑進(jìn)行調(diào)研，作為基礎(chǔ)研究支撐理論分析的樣本數(shù)量還明顯不足，所以后續(xù)加大調(diào)研樣本，對(duì)進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)分析和支撐研究結(jié)論有重要作用。