智慧供熱的目標：滿足人的熱舒適需求

王昭俊

(1. 哈爾濱工業大學 建筑學院， 黑龍江 哈爾濱 150006； 2. 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， 黑龍江 哈爾濱 150006)

1 概述

近幾年，隨著智慧城市的建設，基于現代通信技術、控制技術、物聯網技術的智慧供熱已成為人們關注的焦點。智慧供熱是指：基于供熱物理網、供熱物聯網、智能決策支持系統、供熱系統的智能管理的供熱方式[1]。智慧供熱系統的信息可以進行高度的集成及共享，熱源、供熱管網及熱用戶的主要信息能夠順利獲取，并根據用戶反饋的信息，及時調節供熱系統的運行模式，給出最佳的運行決策方案，在滿足熱舒適的前提下，節能降耗。即智慧供熱的目標是滿足人的熱舒適需求，按需供熱，降低供熱系統運行能耗。因此，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。即基于室溫實時監測的數據，通過實時分析、科學決策、精準執行，實現智慧供熱的目標。

2 智慧供熱面臨的熱舒適溫度問題

智慧供熱是基于海量數據的挖據、分析，從而進行智能決策、精準運行調度的一種新的供熱模式。我國嚴寒地區冬季漫長，供暖期間室外氣溫變化很大。多年來，我國一直采用集中供暖室溫恒定的做法，相關標準規范也都給出了供暖期間應達到的室溫要求。

近年來的研究發現，英國、美國、日本和中國冬季室內溫度都有增加的趨勢。隨著人們生活水平的提高，“舒適區”逐漸縮小，到2010年冬季住宅熱中性溫度(即人體感覺不冷也不熱的溫度)集中在21 ℃[2]。人們將這種室溫的變化趨勢稱為“建筑環境的均勻化”和“舒適膠囊”。

按照相關設計標準，我國北方集中供暖地區冬季的室溫應為18 ℃。近年來，隨著生活水平的提高，北方冬季室溫18 ℃，已經不能滿足人們的熱舒適需求。部分建筑沿用傳統的上供下回式單管供暖系統，不能進行熱量調節，導致頂層或上部房間室溫過高，甚至超過熱舒適標準的上限值24 ℃[3]。冬季室溫高會導致圍護結構傳熱量增加，即建筑能耗增加。如此高的室溫是否滿足人們熱舒適、健康的需求需要進一步研究。

這些問題都是智慧供熱必須面對的技術問題，也是智慧供熱必須解決的關鍵科學問題。本文從時間維度和空間維度，探討北方冬季供暖期間應如何設定舒適與健康的室內溫度，實現智慧供熱的目標。

3 建立熱舒適溫度的自適應模型

智能決策網是智慧供熱的核心，而智能決策網的核心是數據和模型[4]。為了滿足不同人群、不同建筑、不同供暖階段的熱舒適需求，需要建立熱舒適溫度的自適應模型。采用現場研究方法，建立熱適應模型，可得到熱中性溫度和可接受的溫度范圍。

利用信息物聯網記錄的室溫運行數據，通過機器學習，不斷訓練數據，從數據中進行自動學習，建立熱舒適溫度的自適應模型，作為智能決策系統中的核心模型，從而準確預測供熱系統熱負荷，實現供熱系統運行調度精細化，滿足人的熱舒適需求。

① 不同供暖階段自適應的熱舒適溫度

根據室外氣候變化，將嚴寒地區供暖階段分為供暖初期、供暖中期和供暖末期3個階段[5]。各調查階段的熱中性溫度隨各階段室內平均空氣溫度(簡稱平均室溫)的變化見圖1。

圖1 各調查階段的熱中性溫度隨各階段室內平均空氣溫度的變化

由圖1可以看出，供暖階段熱中性溫度均低于實際平均室溫，說明人們已經逐漸適應室外寒冷的氣候，對室內較高的供暖溫度表現出一定的排斥。而在供暖開始前及結束后，熱中性溫度高于兩階段的平均室溫，這主要因為供暖開始前及結束后，室內熱環境發生較大變化，室內熱經歷(即人們過去曾經暴露的室內熱環境)的變化改變了人們對于原室內熱環境的適應性導致的。對于長時間暴露在較高供暖溫度中的人們來說，其對室溫的降低較為敏感，而更加適應較高的室溫[6]。因此，供暖溫度不應過高，一旦人們適應了過高的溫度，室溫降低，人們就會抱怨。

人體對于室內熱環境變化的敏感程度，從另一側面說明室內熱經歷對人體熱適應的影響；較高的供暖溫度促使人們形成了較高的熱舒適區。因此，冬季供暖溫度不宜過高，以減少由于室溫波動而對熱舒適造成的影響。

綜上，不同供暖階段建筑環境熱舒適溫度有別，即冬季供暖室溫不應該是恒定的，智慧供熱應根據室外氣候條件和人的熱適應性合理設置控制的室溫目標，建立不同供暖階段自適應的熱舒適溫度模型。

② 不同功能建筑自適應的熱舒適溫度

筆者領導的課題組于2013—2014年冬季對不同類型建筑室內熱環境參數進行了連續測試[7]，得出不同功能建筑平均室溫與熱中性溫度變化，見圖2。

圖2 不同功能建筑平均室溫與熱中性溫度變化

由圖2可以看出，4種類型建筑環境供暖期間的平均室溫分別為：住宅24.1 ℃、辦公建筑23.8 ℃、宿舍22.9 ℃、教室24.3 ℃，室溫都接近ASHRAE55-2013[8]規定的冬季熱舒適溫度上限值。4種建筑環境的熱中性溫度分別為：住宅22.1 ℃、辦公建筑21.1 ℃、宿舍21.5 ℃、教室19.1 ℃。熱中性溫度接近ASHRAE 55中冬季室內熱舒適溫度的下限值。

辦公建筑和教室中的熱中性溫度低于住宅和宿舍的，辦公建筑和教室中的人們更偏好稍涼環境。住宅和宿舍中人們可以采用更靈活的適應性調節而獲得更大的熱舒適感。

綜上，不同功能建筑環境中，由于人的行為調節手段差異、人群活動水平和年齡等差異，熱中性溫度不同，智慧供熱應根據建筑使用功能合理設置控制的室溫目標，建立不同功能建筑自適應的熱舒適溫度模型。

在公共建筑(辦公建筑和教室)中，由于人員活動水平較高且不便于更換服裝，熱中性溫度及90%可接受溫度下限較低，可設定較低的供暖室內溫度。在居住類建筑(住宅和宿舍)中的人員更便于個性化調節，熱中性溫度及90%可接受溫度下限較高，可設定較高的供暖室內溫度。

③ 不同住區室溫環境自適應的熱舒適溫度

課題組對哈爾濱市供暖溫度不同的3個住宅區域A、B和C的室內熱環境和主觀熱感覺進行了調查，3個住宅區域平均室溫與熱中性溫度變化見圖3。

圖3 3個住宅區域平均室溫與熱中性溫度變化

由圖3可以看出，區域A和B的平均室溫分別為：(20.7±0.9) ℃和(24.3±1.6) ℃, 區域C的平均室溫為(25.5±1.58) ℃。3個住宅區域居民的熱中性溫度不同，區域A和B的熱中性溫度分別為20.2 ℃和22.8 ℃[9]，區域C的熱中性溫度為24.2 ℃。

區域A的室溫大部分接近 ASHRAE 55中推薦的冬季室內穩態舒適區域的下限，有 20.1%的溫度低于下限值。區域B的室溫大部分接近 ASHRAE 55中推薦的冬季室內穩態熱舒適區的上限值，有27.9%的溫度超過上限值。區域C的室溫一般都超過了ASHRAE 55的上限值。

暴露在區域A中的受試者熱中性溫度比區域B中的熱中性溫度低約2 ℃，區域B中的受試者熱中性溫度比區域C中的熱中性溫度低約1.4 ℃。說明建筑室溫越高，熱中性溫度越高。這體現了人體對室內微氣候環境的熱適應性。

綜上，不同住宅區域供暖系統設置、距離熱源距離、建筑保溫效果等有差異，導致室溫的差異，進而影響了人們的熱中性溫度不同。如果對適應了偏涼的房間突然提高溫度，人們反而會感到熱不舒適。智慧供熱應根據建筑使用者對熱環境的熱適應性合理設置控制的室溫目標，建立不同住區室溫環境自適應的熱舒適溫度模型。

④ 不同年齡人群自適應的熱舒適溫度

課題組基于大量的現場調查得到不同年齡人群的熱中性溫度(直線在橫軸上的截距)，見圖4。

圖4 不同年齡人群的熱中性溫度

由圖4可以看出，老年人的熱中性溫度高于年輕人的。由于老年人的活動較少、新陳代謝率低，因此偏愛較高的室溫。智慧供熱應根據建筑使用者年齡特點合理設置控制的室溫，建立不同年齡人群的自適應熱舒適溫度模型。

4 室溫偏高對人體熱舒適與健康的影響

冬季供暖期間區域B某戶的室內空氣溫度見圖5。

圖5 冬季供暖期間區域B某戶的室內空氣溫度

由圖5可以得出，室內空氣溫度平均值為26 ℃，96.3%的時間室內溫度超過熱舒適標準溫度的上限值24 ℃。

不同建筑環境中受試者的熱舒適水平與平均熱感覺的關系見圖6。熱舒適水平為0，表征受試者感到舒適，1表征稍不舒適，2表征不舒適，3表征很不舒適。

圖6 不同建筑環境中熱舒適水平與平均熱感覺的關系[7]

由圖6可以看出，受試者的平均熱感覺投票為熱中性時，不同類型建筑環境中的受試者均感到最為舒適。當熱感覺向暖側和冷側偏移時，受試者的熱不舒適度逐漸增加。同時，在對應相同的平均熱感覺刻度上，住宅環境中的受試者的熱舒適水平最高，其次是宿舍環境的受試者。當受試者熱感覺投票為暖和熱時，教室環境中的受試者感到最不舒適。這說明住宅和宿舍環境中人們可以采用更加靈活的熱適應調節手段而獲得更大的熱舒適感；但教室和辦公環境中，由于客觀條件的限制，熱適應調節手段受限，因而降低了人們的熱舒適感。

此外，北方冬季室溫偏高，室內空氣相對濕度一般較低。室內易產生揚塵，人們的粘膜會有刺激感(眼紅、流淚、咽干等)，容易引發上呼吸道感染，發生支氣管炎、支氣管哮喘等疾病。室溫過高，會導致血液黏稠度增高，引起血壓波動大及心絞痛等心血管疾病。由于北方地區冬季室內外溫差大，較大幅度的氣壓升高、氣溫下降和日較差對腦出血、腦梗塞不利。高血壓患者常因寒冷刺激導致血壓上升。

5 結論

① 提出了智慧供熱的熱舒適溫度自適應模型的概念。針對不同供暖階段、不同功能建筑、不同住區、不同年齡人群的熱舒適需求，提出了構建熱舒適溫度的自適應模型的方法。分析了室溫偏高對人體熱舒適與健康的影響。從時間維度和空間維度，探討了北方冬季供暖期間應如何設定舒適與健康的室內溫度，實現智慧供熱的目標。

② 漫長冬季的室溫不應該是恒定的。將嚴寒地區按照室外氣候參數，分為3個供暖階段。不同供暖階段應采用不同的室溫，建立不同供暖階段自適應的熱舒適溫度模型，以滿足人的熱舒適與熱適應需求。

③ 不同功能建筑環境中，熱中性溫度不同，智慧供熱應根據建筑使用功能合理設置控制的室溫，建立不同功能建筑自適應的熱舒適溫度模型。

④ 供暖溫度不同的住宅區域，人們的熱中性溫度不同。智慧供熱應根據建筑使用者對熱環境的熱適應性合理設置室溫，建立不同住區室溫環境自適應的熱舒適溫度模型。

⑤ 不同年齡人群的熱中性溫度有別，老年人偏愛較高的室溫。智慧供熱應根據建筑使用者年齡特點合理設置室溫，建立不同年齡人群的自適應熱舒適溫度模型。

⑥ 室溫過高，既不舒適，又不健康。

6 致謝

本文受國家自然科學基金項目資助(項目編號51278142，51678179)，在此表示感謝。對參加調查的全體受試者表示衷心的感謝。