熱濕工況下工位輻射空調的熱舒適實驗研究

何梅玲++李念平++何穎東++賀德

摘要：

為研究熱濕工況下使用工位輻射空調的人體熱舒適情況，在人工環境實驗室內，通過改變環境背景溫度來影響人體的熱感覺，并采用熱感覺投票（TSV）作為評價標準，重點研究了人體頭部、軀干、上肢、下肢以及整體熱感覺情況。實驗結果表明，盡管背景環境參數超出舒適范圍，但使用工位輻射空調能維持受試者的舒適狀態，即背景溫度穩定在28 ℃時，平均整體熱感覺投票值低于+0.2；背景溫度為30 ℃時，受試者熱感覺仍能滿足ASHRAE規范中規定的80%可接受范圍要求。

關鍵詞：

熱感覺；熱舒適；環境參數；工位空調

Abstract：

This study focuses on thermal comfort of subjects with radiant panel workstation in hothumid environment. The experiments are carried out in the experimental chamber. Thermal sensations of whole body， head， trunk， upper limb and lower limb of subjects are collected on the basis of sevenscale vote. The obtained results indicate that the average vote of thermal sensation at 28 ℃ is lower than +0.2， and subjects could maintain comfortable condition well with radiant panel workstation （within the 80% acceptable range of ASHRAE Standard） although indoor environment is as high as 30 ℃ . This study provides a new way for both extending comfortable temperature range and saving energy in buildings.

Keywords：

thermal sensation； thermal comfort； environmental parameter； radiant panel workstation

在傳統空調環境中，即使溫濕度在舒適區間內，建筑中的人仍會抱怨其所處的室內環境[1]。許多研究已經證實，相比傳統的空調系統，輻射空調系統不僅能創造更舒適的室內環境，還具有節能優勢[14]。輻射空調系統提供了高品質的室內環境，又具備節能潛力，有著傳統空調不可比擬的優勢，符合未來空調的發展方向：健康、節能和人性化[5]。相同溫度時，人在輻射供冷環境中感覺更涼快[2]。一些學者認為，在同樣溫度下人體在輻射供冷環境中對氣溫的感覺比在對流空調環境中的感覺低2 ℃[6]。毛細管輻射空調有望成為未來空調系統發展的新選擇[7]。

為了深入研究輻射供冷熱環境中人體的熱舒適特性，近年來許多學者開展了相關研究。Corgnati等[8]通過模擬全空氣系統和輻射供冷系統產生的熱環境，發現輻射供冷系統垂直溫差更小、室內風速更低、人員吹風感更弱。Zhao等[9]模擬裝有地面輻射供冷系統的高大空間建筑室內熱環境，發現使用地板輻射供冷與全空氣系統相比具有更高的能效和舒適性。Imanari等[1]通過實驗對比分析了在輻射空調和對流空調環境中人體熱舒適特性，發現輻射供冷環境下的舒適度優于對流空調環境下的舒適度。Kitagawa等[10]發現在輻射供冷環境中，適當提高風速可以有效降低人體的熱感，從而有效地提高了舒適性。周慧鑫等[11]對地板輻射供冷結合新風系統的空調方式進行了實驗研究，表明該系統具有一定的蓄冷特性，不僅能滿足人體對熱舒適性的要求，并且能有效克服供冷能力較低和結露等問題。高志宏等[12]通過CFD模擬計算，得到了不同輻射板位置和室內熱源情況下冷板供冷能力及室內熱環境分布情況，以得到最優的舒適環境。現有研究表明，輻射空調系統雖然擁有舒適的優勢，但還存在以下問題：1）研究主要集中在ASHRAE舒適范圍內，對熱濕環境下輻射空調的舒適性研究較少；2）當前針對輻射換熱環境的研究涉及局部熱舒適較少。文獻[1319]表明，對流環境下，身體局部的熱感覺與整體熱感覺存在關聯性。Sakoi等[20]通過在人體和假人模型的實驗，發現頭部散熱量越大人感覺越舒適，足部則有相反的結果。因此，在輻射換熱環境中，不僅應考慮整體熱舒適性，也應注重身體局部的熱舒適性。

筆者以一種新型工位輻射空調末端裝置（以下簡稱“工位輻射空調”）為基礎，研究輻射供冷辦公環境中的人體熱舒適性。研究在湖南大學人工環境實驗室進行，通過實驗獲得了在偏離舒適區環境中受試者的整體熱感覺及身體局部熱感覺狀況，并與對流環境對比，確定該新型輻射空調系統末端裝置對提高熱濕環境中人員熱舒適性的效果。〖BJ（0，4*2，0，0〗〖BJ）〗

1實驗方法及設施

1.1實驗環境與受試者

實驗在湖南大學人工環境實驗室內進行，實驗室內安裝了一套新型工位輻射空調末端裝置（已申請專利），該裝置以毛細管輻射板作為工位的隔板和桌面，整張桌子由5塊輻射板構成。輻射工位由冷水機組提供循環冷凍水，實驗期間，開啟的輻射板板面溫度控制在24 ℃，未開啟的輻射板板面溫度同環境空氣溫度，室內環境空氣溫度為26、28、30 ℃，該裝置結構示意圖見圖1，該裝置實物圖見圖2。實驗室內背景環境參數由另外一套空調系統控制。

環境溫度和相對濕度采用TR72i溫濕度測試儀測量，測量溫濕度范圍0～50 ℃、10%～95% RH；采用美國TSI8347熱式風速儀測定室內風速，測量風速范圍0～20 m/s；輻射板面溫度通過貼片式鉑電阻PT100進行測量，并接無紙記錄儀記錄。

共有16名受試者參與實驗，受試者均為大學生，男生、女生各8名，身高165±6.9 cm，體重60±10.2 kg。受試者均來自于夏熱冬冷地區或至少在該地區生活一年，身體健康，參加實驗前具有良好的睡眠及飲食，且未喝含酒精或咖啡因的飲料。試驗中的受試者的服裝為夏季標準著裝，上身穿短袖T恤、下身穿薄長褲，受試者的服裝熱阻約為05 clo。

1.2實驗工況

考慮到頭部易熱、足部易冷，實驗并未開啟所有輻射板，只開啟了桌面以及桌面前上隔板兩塊輻射板。背景區溫度選用26、28、30 ℃，另外設置3個不使用工位輻射空調的對照組，共6個工況。

受試者到達實驗室后，按實驗要求整理服裝，在進入工作區之前先在背景區靜坐20 min，以減少外界環境對受試者感覺的影響。同時，在此段時間由實驗人員向受試者介紹實驗的內容以及實驗過程中所要注意的事項，受試者填寫個人信息。然后受試者進入工作區，按事先安排好的位置坐下開始正式的測試。在實驗過程中受試者可以看書、聽音樂、操作電腦或輕聲交談，但談話不能涉及問卷內容。受試者進入工作區，立即填寫第1份問卷，以后每隔10 min填寫1份，每次實驗受試者使用工位輻射空調末端裝置40 min，共填寫5份答卷。熱感覺投票（TSV）采用7個等級的衡量標準。熱感覺投票劃分等級見表1。

2實驗結果

2.1動態的整體和局部熱感覺

實驗設定的背景環境溫度為26、28、30 ℃，相對濕度為80%，風速在0.15 m/s之內。如圖3所示，工位輻射空調開啟的情況下，頭部的熱感覺會明顯低于工位輻射空調不開啟的情況。當溫度為26、28 ℃時，頭部的熱感覺穩定在0～0.5之間，熱感不強；當溫度為30 ℃時，雖然受試者頭部的熱感覺有高于+0.6的情況，但隨著使用輻射工位時間的增加，熱感覺最終低于+0.5。而在不使用工位輻射空調的情況下，除了背景環境溫度為26 ℃時受試者處于較為舒適的狀態，在28、30 ℃時，受試者頭部熱感覺均隨著時間的增加而逐漸升高，并接近有點熱（+1）的狀態。

如圖4所示，工位輻射空調開啟的情況下，軀干的熱感覺明顯低于工位輻射空調不開啟的情況，與頭部的熱感覺類似。當溫度為26、28 ℃時，軀干的平均熱感覺投票值穩定在0～0.4之間，受試者處于一個較為舒適的狀態；當溫度為30 ℃時，雖然受試者軀干熱感覺在+0.6左右，但是，在不使用工位輻射空調的情況下，除了背景環境溫度為26 ℃時，受試者熱感覺基本穩定在+0.4之內，其他兩個溫度，受試者熱感覺隨著時間的增加，均超過了+0.6。

如圖5所示，在工位輻射空調開啟的情況下，同頭部和軀干的熱感覺，上肢熱感覺明顯低于工位輻射空調未開啟的情況，且比頭部和軀干的效果更加明顯。當背景溫度為26、28 ℃時，上肢因為與桌面直接接觸，會感覺偏涼，熱感覺小于0。當背景溫度為28、30 ℃時，上肢熱感覺在-0.1～+0.1之間，非常接近中性狀態。在輻射空調未開啟情況下，當背景溫度為28、30 ℃時，受試者上肢平均熱感覺投票超過了+0.6。

如圖6所示，在工位輻射空調開啟時，同頭部、軀干、上肢的熱感覺，下肢的熱感覺明顯低于工位輻射空調未開啟的情況。當背景溫度為26、28 ℃時，下肢熱感覺穩定在+0.4之內，當背景溫度為30 ℃時，下肢熱感覺未超過+0.6。未開啟工位輻射空調時，當背景溫度為28、30 ℃時，受試者下肢熱感覺在+0.6左右。

如圖7所示，在工位輻射空調開啟的情況下，同局部熱感覺類似，整體的熱感覺明顯低于工位空調未開啟的情況，且隨著使用輻射工位時間增加，整體熱感覺由熱的一側降至冷的一側。當背景溫度為26、28 ℃時，整體熱感覺穩定以后在-0.2～0.2之間，受試者逐漸趨向于舒適狀態。當背景溫度為30 ℃時，整體熱感覺在+0.7左右。未開啟工位輻射空調時，當背景溫度為28 ℃，受試者整體熱感覺超過+0.8，而當背景溫度為30 ℃時，受試者最終整體熱感覺超過了+1.3。

綜合以上局部以及整體熱感覺分析可知，工位輻射空調能在高溫高濕環境明顯改善人的舒適性。

2.2穩態的整體與局部熱感覺

當實驗進行到20 min后，受試者的熱感覺基本穩定，取最后3份問卷的平均值作為穩定期的數據。當實驗組和對照組進入穩定期后，對其數據進行分析。如圖8所示，當背景溫度為26 ℃時，使用工位輻射空調降低了整體和局部的熱感，且使用輻射工位使得整體熱感覺和上肢熱感覺與對照組產生了極顯著差異（配對T檢驗，P<0.01），而其他部位的熱感覺雖有所降低，但未產生顯著差異（P>0.05）。

如圖9所示，當背景溫度為28 ℃時，相比26 ℃，使用工位輻射空調產生了更顯著的效果。相比對照組，工位輻射空調顯著降低了整體和局部熱感，其中上肢熱感覺降低最為明顯。特別地，兩種工況下，下肢熱感覺有顯著差異（P<0.05），頭部、軀干、上肢及整體熱感覺有非常顯著的差異（P<0.01）。這一結果表明在28 ℃時，工位輻射空調具有顯著改善熱舒適的效果。

如圖10所示，當背景溫度為30 ℃時，使用工位輻射空調仍使得整體和局部熱感覺接近中性，整體熱感覺情況明顯優于對照組（實驗組整體熱感覺仍接近ASHRAE規范中規定的80%可接受范圍對應值[21]，而對照組整體熱感覺超出80%可接受范圍）。兩種工況下，上肢的熱感覺的差別最大。兩種工況下，上肢熱感覺具有極顯著差異（P<0.01），頭部和整體熱感覺具有顯著差異（P<0.05），軀干和下肢的熱感覺則無顯著差異（P>0.05）。由此可知，在30 ℃背景的環境下，工位輻射空調雖不如28 ℃時的效果明顯，但仍能改善人體熱舒適性。

2.3節能性分析

現有模擬軟件中沒有相應或接近的末端模型，因此，采用加州伯克利大學分析使用個人舒適系統產生的空調系統節能率的方法[2223]研究本工位末端裝置的預計節能效果。如圖11所示，夏季建筑室內空調設定溫度每提高1 ℃，空調系統約可實現節能10%。鑒于研究中工位輻射空調可將夏季舒適溫度范圍上限由26 ℃提升至30 ℃，預計其可實現空調系統節能30%以上。

綜合以上結果可知，該工位輻射空調能有效擴展夏季室內舒適溫度范圍、提高夏季背景區空調設定溫度，且存在較大的節能潛力。

3結論

1）隨著使用輻射工位時間增加，受試者的整體熱感覺逐漸降低并接近中性，上肢熱感覺顯著低于身體其他部位熱感覺。

2）相比對照組，工位輻射空調有明顯的改善熱舒適的作用，但在26 ℃時，工位輻射空調的效果并不明顯。

3）當溫度為28、30 ℃時，工位輻射空調仍能維持人體舒適性，而傳統的對流空調系統不能保證舒適性。

4）工位輻射空調能有效擴展舒適溫度范圍、提高背景區空調設定溫度，為建筑空調系統節能提供新途徑。

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