夏熱冬冷地區(qū)基于座位的個性化供暖系統(tǒng)研究

上海理工大學 于國清 顧趙季 閆振業(yè) 楊高杰 王智德 陳恒韜

一次修回：2020- 02- 10

二次修回：2021- 02- 02

0 引言

我國夏熱冬冷地區(qū)冬季陰冷高濕，室內(nèi)熱環(huán)境狀況惡劣[1-2]。盡管室外溫度并不是很低，大部分時間在0 ℃以上，但由于建筑外圍護結構的保溫水平較差，受到偏低室外溫度的影響，不供暖時，室內(nèi)溫度通常只有8～12 ℃，導致人體舒適性較差。為了提高舒適性，人們通常穿著較厚的冬季服裝(通常為羽絨服或棉外套，服裝熱阻一般為1.2～1.5 clo)，但即使這么厚的著裝，在室內(nèi)伏案工作學習時，仍然感覺偏冷，下半身的冷感尤其明顯[3]。冬季室內(nèi)通常采用分體式空調供暖，以改善室內(nèi)熱環(huán)境、提高舒適性，這種傳統(tǒng)供暖空調是在整個房間或人員居留區(qū)營造均勻的熱環(huán)境，滿足大多數(shù)人的舒適性要求[4-5]。但是分體式空調的使用會帶來不容小覷的能耗，且難以達到室內(nèi)所有人都滿意的舒適溫度。因此，個性化供暖系統(tǒng)被提出。個性化供暖系統(tǒng)不同于分體式空調，允許個體根據(jù)自己的熱舒適偏好，對自己周圍的微熱環(huán)境進行調節(jié)控制，可以明顯提高滿意率。在夏熱冬冷地區(qū)使用個性化供暖系統(tǒng)對提高寒冷環(huán)境下人體的熱舒適性有重要作用。

目前已經(jīng)有多人研究了不同環(huán)境下不同類型的個性化供暖系統(tǒng)對人體熱感覺的影響，其中研究較多的是對靜坐辦公或學習時熱感覺的影響。譚暢等人研究得到足部供暖在非均勻環(huán)境下不僅增強了足部熱感覺，還提升了大腿、小腿及整體的熱感覺[6]。李甲等人研究了電熱坐墊和暖腳板對熱舒適性的影響，結果證明其能夠顯著提高局部和整體熱舒適[7]。Udayraj等人研究了3種個性化供暖設備，分別是加熱桌、加熱椅和加熱地板聯(lián)合使用及電加熱服，結果發(fā)現(xiàn)電加熱服在增強局部、整體熱感覺和熱舒適方面表現(xiàn)得更好，且消耗的能量也較小[8]。He等人研究對比了加熱椅和暖腿綁帶聯(lián)合使用、僅使用加熱椅及兩者都不使用的情況下的熱感覺[9]。He等人實地調查了湖南當?shù)剞r(nóng)村居民冬季使用的火桶，研究發(fā)現(xiàn)火桶具有擴大可接受溫度范圍的優(yōu)勢，并將火桶進行改造，分別在9、12、15、18 ℃下探討了主觀熱舒適度和能耗情況，結果表明在使用火桶15 min內(nèi)，整體熱感覺、熱舒適和熱可接受度均有所改善[10-11]。Zhang等人在一間辦公室中配備個人足部加熱裝置，并將房間加熱后的溫度設定值從21.1 ℃調整至18.9 ℃進行實驗，發(fā)現(xiàn)保持比正常室內(nèi)溫度更低的溫度時，受試者的熱舒適不會受到影響[12]。Vesel等人在操作溫度為18 ℃的房間內(nèi)對加熱椅、加熱桌墊和加熱地墊單獨或組合進行實驗，發(fā)現(xiàn)三者結合使用的完整系統(tǒng)顯著提高了熱舒適性，單獨使用時加熱椅和加熱桌墊也能提高熱舒適性，其中加熱椅最節(jié)能[13]。Foda等人在一大廳空間模擬了購物中心座位下使用加熱地板的情況，結果表明在穩(wěn)態(tài)功率最小的情況下，座位下放置3塊加熱地板，呈“品”字形布置，是最優(yōu)的形式[14]。

研究發(fā)現(xiàn)，個性化供暖系統(tǒng)在一定程度上能夠提高夏熱冬冷地區(qū)冬季人體熱舒適性。已有的個性化供暖研究主要是針對較高溫度(18 ℃)下人體的熱舒適性，本文的研究主要針對較低溫度(12～16 ℃)工況，對加熱地板+普通座椅及加熱地板+保溫座椅(座椅的下半部分用保溫板包裹)相結合的個性化供暖系統(tǒng)進行對比分析，對個性化供暖設備對人體局部、整體熱感覺的改善情況展開研究。

1 基于座位的個性化供暖裝置

1.1 加熱地板+普通座椅

在夏熱冬冷地區(qū)的冬季，不供暖時，房間空氣溫度通常只有12～16 ℃，人們坐于桌前辦公或學習時，一般會覺得冷，下半身的冷感尤其明顯。本文設計了2種基于座位的個性化供暖裝置，第1種為加熱地板+普通座椅，如圖1所示，在桌椅下布置加熱地板，面積通常為0.5～1.5 m2，加熱地板通過輻射和對流對人體周圍的微環(huán)境進行加熱。加熱地板既可以采用電加熱，也可以采用低溫熱水進行加熱。這種方式既可以用在辦公室，也可以用在住宅。

圖1 加熱地板+普通座椅示意圖

1.2 加熱地板+保溫座椅

在加熱地板+普通座椅的形式下，熱量通常會通過椅子下部四周的敞開處向周圍環(huán)境散發(fā)，使得座椅表面溫度的提升效果不明顯，因此本文設計了第2種形式：加熱地板+保溫座椅，如圖2所示，加熱地板與第1種形式相同，但對普通座椅的椅腿后部、左部及右部用保溫板進行包裹，使之變?yōu)楸刈巍?/p>

圖2 加熱地板+保溫座椅示意圖

2 個性化供暖裝置的熱感覺實驗方法與過程

2.1 熱感覺實驗方法及條件

為了研究上述2種個性化供暖裝置對人體局部、整體熱感覺的改善效果，進行了熱感覺調查實驗。實驗于2018年12月至2019年3月在上海的一間辦公室進行，房間尺寸為6.0 m×3.4 m×3.4 m(長×寬×高)，房間位于樓道的北面，北面有外窗，南門連接走廊，左右相鄰房間及走廊均不進行供暖，在房間內(nèi)相鄰的2個工位下各布置2塊加熱地板，如圖3所示。其中，工位1為加熱地板+普通座椅，工位2為加熱地板+保溫座椅。為了便于實驗，使用了電加熱地板，尺寸為60.0 cm×60.0 cm×1.5 cm(長×寬×高)，采用陶瓷耐高溫耦合碳纖維發(fā)熱技術，每塊電加熱地板額定功率為81.5 W，可通過變壓器調節(jié)其功率。

圖3 實驗房間布置圖

實驗的受試者為10名年齡在20～25歲之間的大學生，身高為160～180 cm，體質量為47.5～70.0 kg，受試者身體狀況良好，并在實驗開始前均未進行任何劇烈運動。受試者著裝為冬季自然著裝，均為厚服裝：上身為棉服+毛衣+保暖秋衣；下身為秋冬季牛仔褲+保暖秋褲；腳部為運動鞋+長襪。服裝熱阻Iclo為1.2～1.5 clo。

實驗采用ASHRAE熱感覺標度(3很熱，2熱，1有點熱，0中性，-1有點冷，-2冷，-3很冷)對受試者進行熱感覺投票。在室內(nèi)布置了銅-康銅熱電偶測量溫度，并連接數(shù)據(jù)采集儀34972A自動采集測點溫度，測點布置于四周墻面、房間中心、加熱地板表面及其上方10 cm和20 cm高處，測量個體微環(huán)境溫度場、地板表面溫度、空氣溫度及房間壁面溫度。室內(nèi)空氣流速通過KIMO-VT100熱線風速儀進行測量，利用鉗形功率計PW3360-30測量加熱地板功率。

2.2 熱感覺實驗過程

分別在房間溫度12、14、16 ℃下進行實驗，對無加熱地板、加熱地板+普通座椅和加熱地板+保溫座椅3種工況進行熱感覺投票，具體工況描述見表1。

表1 實驗工況

工位1可設置為加熱地板+普通座椅或無加熱地板，工位2則為加熱地板+保溫座椅，在進行測試之前由實驗員提前30 min開啟加熱地板。每個受試者測試時間總計為45 min，受試者首先進入房間溫度為21～23 ℃的等候室等待15 min，再進入實驗室，于工位1上靜坐10 min后根據(jù)要求填寫調查問卷，然后受試者移動至工位2，靜坐20 min，期間每隔10 min填寫一次調查問卷，在進入實驗室的30 min內(nèi)共進行3次投票，在測試過程中受試者可以看書或使用計算機。在前一位受試者測試完畢后，下一位受試者需在10 min后再進入實驗室，以排除實驗室在測試過程中受到的干擾因素影響實驗結果。在整個測試期間，均不告知受試者加熱地板是否開啟，以排除受試者個人的心理因素對測試結果的影響。并使用數(shù)據(jù)記錄儀記錄測試過程中加熱地板的表面溫度及其附近溫度。

2.3 熱電偶測點參數(shù)

房間溫度為12、14、16 ℃時，在使用保溫座椅的情況下，測點平均溫度見表2。

由表2可以看出：在加熱地板額定功率下，加熱地板表面平均溫度為31.5～33.4 ℃，而隨著室內(nèi)溫度升高，地板表面溫度略有升高；加熱地板向上10、20 cm高處溫度比室內(nèi)空氣溫度高，溫度越低，對微環(huán)境下空氣溫度的提高程度越明顯，12 ℃時向上10、20 cm高處分別約提高5.0、2.2 ℃，14 ℃時向上10、20 cm高處分別約提高4.3、1.6 ℃，16 ℃時向上10、20 cm高處分別約提高3.3、0.9 ℃。使用熱線風速儀測得風速均小于0.1 m/s，多處測得風速顯示值為0，因此本文暫不研究風速對人體熱感覺的影響。

3 個性化供暖裝置的熱感覺提升效果分析

3.1 房間溫度12 ℃時的熱感覺分析

12 ℃時將無加熱、加熱地板+普通座椅和加熱地板+保溫座椅的熱感覺投票結果進行對比，分析熱感覺的提升效果，結果如圖4所示。

由圖4可以看出：

1) 加熱地板+普通座椅與無加熱地板相比，除足部外，其余部位熱感覺基本相同，可見加熱地板對于足部熱感覺的提升有一定效果(投票值從約-2.1升至約-1.5)，但其熱量只是作用于足部，對于受試者其他部位的熱感覺提升見效甚微。

2) 加熱地板+保溫座椅較加熱地板+普通座椅，對人體熱感覺有顯著的提高，腹部和臀部的熱感覺由原來涼趨于暖的狀態(tài)(腹部投票值從約-0.7升至約0.2，臀部投票值從約-0.7升至0.6)，大腿熱感覺由原來冷的感覺變?yōu)樯詻鰻顟B(tài)(投票值從約-1.7升至-0.6)。而對膝蓋、小腿及足部影響不甚明顯，膝蓋仍處于很冷的狀態(tài)(投票值約-2.4)，小腿及足部處于冷的狀態(tài)(投票值約-1.5)。

在12 ℃下，加熱地板+普通座椅提升效果甚微，加熱地板+保溫座椅能明顯提高人體下半身的熱感覺，但因空氣溫度過低，除腹部、臀部與大腿外，其余人體局部及整體熱感覺仍未滿足熱舒適的要求。

3.2 房間溫度14 ℃時的熱感覺分析

14 ℃時加熱地板+普通座椅和加熱地板+保溫座椅的熱感覺對比結果如圖5所示。

圖5 14 ℃時熱感覺對比

由圖5可以看出：

1) 在加熱地板+普通座椅的工況下，僅有足部的熱感覺處于有點冷與中性之間(熱感覺投票值約為-0.5)，其余局部熱感覺及整體熱感覺都處于有點冷與冷之間(投票值為-2.0至-1.0)。

2) 在加熱地板基礎上加保溫座椅之后，臀部、腹部和足部的熱感覺有了明顯提升，基本接近熱中性；大腿熱感覺也有較明顯提升(投票值從約-1.3升至-0.7)，但仍處于稍冷狀態(tài)；膝蓋和小腿有較小的提升(小腿投票值從-1.1升至-0.6，膝蓋投票值從-1.5升至-1.2)，仍感覺到稍冷。

在14 ℃時，結合保溫座椅的加熱地板相較于加熱地板+普通座椅，對受試者局部和整體熱感覺有較為明顯的提升，尤其腹部、臀部和足部可以達到熱中性。

3.3 房間溫度16 ℃時的熱感覺分析

室內(nèi)溫度為16 ℃時，當穿厚著裝時受試者本身不會覺得很冷，個體熱感覺僅僅是稍冷狀態(tài)[15]。因此，實驗對無加熱地板和加熱地板+保溫座椅的2種工況進行對比研究，對比結果如圖6所示。

圖6 16 ℃時熱感覺對比

由圖6可以看出：

1) 無加熱地板的情況下，因室內(nèi)溫度為16 ℃，熱感覺基本處于有點冷與中性之間(投票值為-1.0至0)，但可看出大腿、膝蓋和小腿為中性偏冷的感覺。

2) 當采用加熱地板+保溫座椅時，各部位熱感覺都有一定提升，臀部和腹部改善至熱中性，而小腿和足部的熱感覺有很大提升，從偏冷狀態(tài)提升至偏熱狀態(tài)(小腿投票值從-0.9升至0.6，足部投票值從-0.2升至1.0)，是因為加熱地板使得足部過熱；大腿和膝蓋熱感覺稍有提升(提升程度約為0.2～0.3)，接近熱中性。

在16 ℃時，結合保溫座椅的加熱地板與無個性化供暖設備相比，有較好的改善效果，尤其腹部、臀部可以達到熱中性，但對于足部和小腿來說已經(jīng)感覺到稍熱。

4 個性化供暖的能耗比較與分析

4.1 電加熱地板與熱泵型空調器的能耗對比

對加熱地板的能耗情況進行了測定，并將其與辦公室冬季供暖時普遍使用的熱泵型分體式空調的能耗進行一個粗略的對比分析，兩者比較的基準是能夠提供大致相同的舒適性，加熱地板在較低室內(nèi)溫度下能夠提供較好的舒適性，而房間溫度設定為20 ℃時[16]，分體式空調也能提供大致相同的熱舒適性。在對加熱地板的能耗與分體式空調的能耗進行比較時，加熱地板的使用情況是每塊加熱地板都處于額定功率(81.5 W)下；分體式空調器的能耗測定是選擇同一房間，房間溫度設定為20 ℃，在室外溫度與加熱地板個性化供暖實驗時室外溫度相近的日期開啟，使用鉗形功率計記錄逐時空調能耗，房間內(nèi)分體式空調器功率為1 200 W左右。將運行時間都設置為09:00—17:00，在測試時間段內(nèi)分體式空調器累計的運行能耗為7.94 kW·h，而加熱地板按照房間內(nèi)設置2個工位、運行時間為9 h的累計能耗為2.93 kW·h，可減少約63.1%的能耗。在實際生活中，辦公室內(nèi)可能并不只有2人，也會有3、4人的情況，表3中給出了在20 m2的辦公室內(nèi)不同人數(shù)情況下個性化供暖相較于分體式空調的節(jié)能量。

表3 個性化供暖與分體式空調能耗對比

4.2 加熱源相同時的能耗對比

上述分析中，雖然加熱地板與空調都使用電，但兩者用電產(chǎn)熱的能效大不相同，下面分析假設都采用單純電加熱時的能效對比，個性化供暖裝置仍采用電加熱，熱泵型分體式空調改為電加熱型房間供暖器。假設分體式空調COP為2.5，電加熱型房間供暖器提供相同熱量時的能耗及房間內(nèi)設置2、3、4個工位時的節(jié)能率見表4。

表4 加熱源相同時的節(jié)能率

由表4可以看出，如果個性化供暖與房間供暖器采用相同的熱源，個性化供暖裝置具有更加可觀的節(jié)能效果。

5 結論

1) 加熱地板+普通座椅與無加熱地板相比，僅對足部的熱感覺有一定改善，對于其他部位的熱感覺改善效果甚微。

2) 加熱地板+保溫座椅對于提升受試者的局部、整體熱感覺更有效果。

3) 12 ℃時，使用加熱地板+保溫座椅在一定程度上能夠提高人體的熱感覺，腹部和臀部的熱感覺由涼趨于暖，大腿熱感覺由冷變?yōu)樯詻鰻顟B(tài)。而對膝蓋、小腿及足部影響不甚明顯(膝蓋投票值約-2.4，小腿及足部投票值約-1.5)，因空氣溫度過低，熱感覺仍未滿足舒適要求。

4) 14 ℃時，使用加熱地板+保溫座椅相較于加熱地板+普通座椅，受試者熱感覺有較為明顯的提升(大幅度提升如腹部、臀部約為1，小幅度提升如小腿、足部約為0.4)，尤其腹部、臀部和足部可以達到熱中性。

5) 16 ℃時，使用加熱地板+保溫座椅，腹部、臀部可以達到熱中性，但對于足部和小腿提升效果過大，容易使人感覺到稍熱而轉為不舒適。

6) 使用加熱地板+保溫座椅與分體式空調相比較，僅用較低的能耗就能滿足人體舒適性，當房間內(nèi)設置2個工位時，節(jié)能率為63.1%。

7) 在夏熱冬冷地區(qū)冬季個性化供暖系統(tǒng)的使用在一定程度上能夠改善較冷環(huán)境中人體的熱舒適性，且能耗大幅降低。