個人舒適系統作用下的杭州市冬季住宅居民熱舒適特征

陳淑琴 陳悅 華穎 孔舒怡 張彥彤 王子煜 劉佳琪 徐怡寧

摘 要：夏熱冬冷地區住宅冬季普遍使用紅外線加熱器、暖腳器、局部暖風機等個人舒適系統來供暖.為了探究個人舒適系統作用下的熱舒適特征，選取杭州市為研究對象，采用問卷 調研、現場測試與實驗室測試方法對個人舒適系統作用下的居民冬季熱舒適特征進行了研究.結果表明，從12月下旬到次年2月上旬，個人舒適系統使用率超過50%，典型日內18：00到20：00為使用高峰.個人舒適系統可使人體附近局部操作溫度平均升高2.7℃.在個人舒適系統作用下中性操作溫度為15.8℃，從舒適和節能的角度考慮，應盡量控制人體附近操作溫度在13.9～20℃.個人舒適系統作用下對熱感覺有顯著影響的人體部位是頭部、手部和腳部;各 部位的最適皮膚溫度分別為頭部33℃，前胸37℃，上臂35℃，后背36℃，腹部37℃，下臂36℃，手部31℃，大腿36℃，小腿38℃，腳部35℃.研究結果為該地區冬季住宅居民采取個人供暖設備以提升熱舒適度的定量需求研究提供了依據.

關鍵詞：個人舒適系統;住宅;冬季;局部熱舒適;夏熱冬冷地區

中圖分類號：TU111 文獻標志碼：A

Thermal Comfort Characteristics of Residential Residents in Hangzhou in Winter under the Action of Personal Comfort System

CHEN Shuqin1，2?，CHEN Yue1，HUA Ying1，KONG Shuyi1，ZHANG Yantong1，WANG Ziyu1，LIU Jiaqi1，XU Yining1

（1.College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou310058，China;

2.Center for Balanced Architecture Research，Zhejiang University，Hangzhou310058，China）

Abstract：Personal comfort systems（PCS）are commonly used in residential buildings in hot summer and cold winter zone，such as infrared heaters，foot warmers，local air heaters and so on.In order to explore the characteris-tics of thermal comfort under the action of personal comfort system，Hangzhou City was selected as the object，and the questionnaire survey，field test and laboratory test.The results showed that the PCS was used more than 50% of the characteristics of thermal comfort of residents under the action of personal comfort system in winter were studied bytime from late December to early February，with peak use between18：00and 20：00on a typical day.Local oper-ating temperature around the human body can be increased by 2.7℃ on average by the PCS.Under the action of the PCS，neutral operating temperature is15.8℃.From the perspective of comfort and energy saving，the operating tem-perature around the human body is suggested to controlled at13.9～ 20℃.The body parts with significant sensation of heat feeling under the action of PCS are the head，hands and feet.The optimal skin temperature of each part was obtained as33℃ for the head，37℃ for the front chest，35℃ for the upper arm，36℃ for the back，37℃ for the abdo-men，36℃ for the lower arm，31℃ for the hand，36℃ for the thigh，38℃ for the calf，and35℃ for the foot.It pro-vided a basis for the quantitative demand study of the residents′ personal heating equipment to improve their thermal comfort in winter.

Key words：personal comfort system;residence;winter;local thermal comfort;hot summer and cold winter zone

夏熱冬冷地區涉及我國16個省、自治區、直轄市，是人口密集、經濟發展快速的地區.該地區的氣候特點是夏季高溫悶熱，冬季陰冷潮濕，室內熱環 境條件惡劣[1-4]，居民對于這種熱環境的接受度也 較低[5-6].由于歷史原因，夏熱冬冷地區沒有發展集中供熱.隨著人民生活水平的不斷提高，該地區居 民對室內供暖需求越來越高，供暖能耗量也大幅增長[7].尋找合適的供暖方法在改善熱舒適的同時達到節能的目的是夏熱冬冷氣候區迫切需要開展的工作.

個人舒適系統，指的是通過改善一個或多個身體部位的局部熱狀況來改善人體舒適度的系統或設備[8].一些研究[9]證明，人體各部分對整體熱反應的影響程度不同，改善重點局部部位的熱舒適即可以改善整體熱舒適.因此，個人舒適系統在滿足居民個性化熱舒適的同時，避免了對建筑室內全部空間供 熱，為建筑供暖空調節能提供了機會[8].在冬季，個人舒適系統是夏熱冬冷地區住宅內普遍使用的熱環 境調節設備，形式主要包括局部輻射板、油汀、紅外 線加熱器、暖腳器、局部暖風機等[10].Guo等[11]對上 海的調查說明采用“個人舒適系統”和“個人舒適系統+空調”兩種模式進行供暖的比例高達80%.

目前個人舒適系統的研究以夏季個性化送風為主[12]，對冬季供暖的研究相對較少，且主要是對辦公建筑開展的研究[13].例如：Zhang等[14]提出了一種工位空調，在加熱模式下使用電熱鍵盤和暖腳器分別加熱使用者的手部和腿部.其實驗結果表明：在室內 溫度為18 °C時該工位空調仍能使使用者感覺舒適，且對應的單人加熱功率僅為59W.在非均勻環境中，人體各部位所處的局部熱環境（溫濕度、風速等）具有差異性[15].Zhang[16]基于大量人體實驗結果，提出 考慮“局部-整體”的加州大學伯克利分校熱舒適模型.該模型表明，若能消除最不利身體局部的不適 感，并根據身體重要局部的舒適需求（例如腳暖頭 涼）引入相應的局部加熱或冷卻，則有可能實現整體 舒適性.因此，在夏熱冬冷地區使用個人舒適系統設備可以縮短空調使用時間和降低設定溫度，從而實 現建筑節能.

本文對杭州市冬季居民在個人舒適系統作用下的熱舒適特征進行調查實測，揭示冬季住宅居民個人舒適系統作用下的熱舒適特征，為確定該地區基于特定供暖設備下的住宅室內熱環境改善定量需求 提供依據，對實現住宅室內熱環境的綠色營造和節 能減排工作具有重要意義.

1研究方法

1.1季節劃分方法

首先獲取杭州市典型氣象年數據，對該地區的季節進行劃分.根據《氣候季節劃分》（QX/T152— 2012）[17]的規定：常年滑動平均氣溫序列連續 5 d小于10℃，以其所對應的常年氣溫序列中第一個小于10℃的日期作為冬季起始日.常年滑動平均氣溫序 列連續 5 d大于或等于10℃，以其所對應的常年氣溫 序列中第一個大于或等于10℃的日期作為春季起始 日.杭州典型氣象年的氣溫序列及其滑動平均值如

圖1所示，可以得出，杭州的冬季從11月下旬持續到次年2月下旬.

統計分析杭州冬季每旬的平均氣溫值，將冬季 劃分成冬初冬末和嚴冬兩個時間段.其中冬初冬末包括11月下旬、12月上旬和2月下旬，其平均氣溫為5～10℃;嚴冬從12月中旬到次年2月中旬，其平均氣溫為5℃以下.

1.2 調查與實測方法

本文的調查時間為2020年11月底至2021年2月，研究方法包括問卷調查、入戶現場測試和實驗室 測試三個部分.

于12月3日至次年1月20日分別發放冬初冬末和嚴冬兩個時間段的調查問卷，采用線上問卷的方式，采取均勻抽樣，在杭州市各行政區樣本中完成問 卷調研.問卷內容見表1，以了解在典型的住宅性能和建筑運行方式的情況下個人舒適系統的使用特 征.共收回有效問卷 212份，其中包括冬初冬末問卷112份，嚴冬季問卷100份.樣本包括上城區33份、下城區36份、江干區33份、拱墅區35份、西湖區38份、濱江區37份.樣本年齡分布為29歲以下的樣本數72份、30～39歲的樣本數57份、40～49歲的樣本數54份、50歲以上的樣本數29份.大規模問卷調研的樣本數量在95% 置信度、10% 抽樣誤差下至少需達到96份[18]，本次問卷調研樣本量已超過必須達到的樣本規模.

為了確定住宅內居民的熱舒適特征，進行入戶 現場測試.入戶現場測試時間從2020年11月28 日到2021年2月25 日，所測試的天氣狀況均符合當地 冬季典型氣候特征.在杭州市6個主城區中選取能代表該區經濟水平的26個小區進行隨機抽樣，總計120戶，回收有效樣本193份，其中男性80人（占41.5%），女性113人（占58.5%）.具體樣本數量包括 上城區28份、下城區19份、江干區33份、拱墅區20份、西湖區45份、濱江區48份.為確定杭州居民在個人舒適系統作用下的冬季熱舒適特征，現場研究遵 循客觀環境參數測試與主觀問卷調查相結合的原 則.其中，客觀熱環境參數測試內容包括：室內溫度、相對濕度、空氣流速、黑球溫度以及記錄空調開啟情況、空調設定溫度、開窗狀態、窗簾狀態.室內溫濕度和黑球溫度的測點為人體附近（0.3m以內），測點高度為0.6 m.測試參數和儀器見表2.主觀問卷調查包括：1）冬季空調及個人舒適系統的使用習慣;2）當前的衣著和活動情況;3）當前的熱舒適狀況，包括整體 熱感覺、熱舒適、熱可接受程度、熱偏好，以及人體10個部位（如圖2所示）的熱感覺和熱舒適.通過上述 實測和問卷，可以反映杭州市住宅居民在個人舒適系統作用下的局部熱舒適特征和整體熱舒適特征.主觀問卷調查使用的量表如圖3所示.

為進一步揭示整體熱舒適和局部熱舒適的關系，研究在不同室內溫度下不同個人舒適系統作用下的人體整體與局部熱舒適特征，開展了實驗室測 試.實驗地點為兩室一廳住宅，戶型如圖4所示.

測試設備選擇了小太陽和電暖桌，其中小太陽 功率450W;電暖桌功率為100～2000W，由使用者自主調節直至達到熱舒適為止，發熱的位置為電暖桌的四個立柱及底板.設置不同的室內溫度和個人舒 適系統的組合工況，以模擬整個冬季（包括冬初冬末和嚴冬）的室內環境，見表3.測試參數在入戶現場實 測的基礎上，采用i-button DS1922L紐扣溫度計測量了人體10個部位（同上）的局部皮膚溫度，主觀感覺問卷與入戶現場實測相同.測試流程如圖5所示.為了保證受試者熱感覺穩定，實驗設計了準備階段、實 驗階段和對照階段各 20min.其中，準備階段受試者 適應房間熱環境，同時被告知實驗流程;實驗階段受試者可以使用個人舒適系統;對照階段為同溫度下無個人舒適系統的情況.在實驗期間不能進行飲 食、抽煙、喝酒、運動或其他可能影響人體狀態的活動.受試者需提供相關個人信息，例如年齡、性別、身高、體重等，并按要求粘貼 I-button DS1922L 紐扣溫度計.實驗階段和對照階段的第0min、2min、5min、7 min、10min、15min、20min時填寫主觀問卷，以獲得受試者熱感覺和熱舒適的動態變化.招募了18名 身體健康的大學生參與每一工況的測試，其中男性8人，女性10人，共進行了180人次的測試，如圖6所示，實驗者的個人信息見表4.

2 實驗結果

2.1個人舒適系統使用特征

2.1.1設備類型

對杭州市居民冬季的供暖方式進行調查，結果見圖7.該地區使用個人舒適系統供暖的住戶達到被 調查住戶的57%.最常見的供暖方式是以空調為主，以個人舒適系統為輔，達到了33%.個人舒適系統類型眾多，包括暖風機、小太陽、暖腳器、油汀等，其中小太陽的使用比例最高，達到33%，如圖8所示.入戶現場實測發現居民使用個人舒適系統時人體到設備的距離平均值為0.8 m.

2.1.2? 使用時間特征

根據問卷調研數據，如圖9所示，冬初冬末氣溫 持續下降/上升，個人舒適系統和空調的供暖使用率迅速上升/下降，且個人舒適系統的使用比例高于空調，兩者的使用比例在20%～40% 之間.在嚴冬，氣溫 較穩定，個人舒適系統和空調的供暖使用率也達到穩定，在40%～60% 之間.

調研分析了冬初冬末和嚴冬兩個時間段的典型 日居民在客廳和臥室中使用個人舒適系統的比例，如圖10所示.可以看出杭州市城鎮住宅住戶客廳白 天（9：00—20：00）使用個人舒適系統的概率較大，臥 室睡前（18：00—20：00）使用個人舒適系統的概率較大.個人舒適系統在冬初冬末和嚴冬兩個時間段使用率差別較大，在典型日的每一時段，嚴冬的使用率是冬初冬末的2倍以上.

2.2個人舒適系統對局部熱環境的影響

操作溫度反映了空氣溫度及平均輻射溫度的綜 合作用，與人體熱感覺具有較強的相關性，本文以操 作溫度作為熱環境評價指標.

圖11根據入戶現場測試數據分析了居民使用個人舒適系統前后人附近空氣溫度和黑球溫度的變化情況，對比分析了各住戶在非空調環境下使用個人舒適系統前后半小時的室溫變化數據發現，在室 外氣象條件相同時，使用個人舒適系統后，人體附近空氣溫度和黑球溫度均有明顯升高，人體附近空氣溫度平均升高2.68℃，黑球溫度平均升高2.75℃.其中，以輻射為主的個人舒適系統（如電暖器、油汀、小太陽等）使人體附近空氣溫度和黑球溫度分別升高2.4℃和3.0℃;而以對流為主的個人舒適系統（如暖 風機等）可以使人體附近空氣溫度和黑球溫度分別升高2.9℃和2.6℃.人附近操作溫度升高的范圍在0.2～10.7℃，平均升高2.7℃.

2.3居民的熱舒適狀況與室內環境的關系

2.3.1穩態熱舒適特征

圖12 顯示了入戶現場測試中使用個人舒適系統熱感覺達到穩定狀態時的平均熱感覺（MTS）、平 均熱舒適（MTC）與操作溫度的關系.令 MTS=0，可以得出使用個人舒適系統時的中性操作溫度為15.8℃，考慮到該地區的適應性，當操作溫度為13.9℃時，熱感覺投票值為-0.5，熱舒適投票近似等于0.當操作溫度為20℃時，熱舒適投票值達到最大，熱感覺為較暖（+1）.操作溫度在20～27.5℃時居民感覺為暖，熱舒適感下降，但并沒有感覺不舒適.這說明，冬 季該地區居民更偏好偏暖的環境.操作溫度高于27.5℃時居民感覺過熱，產生不舒適感.因此，從舒 適和節能的角度考慮，應盡量控制人體附近操作溫度在13.9～20℃之間.

2.3.2動態熱舒適特征

進一步地，不同工況下的實驗室測試結果體現了使用個人舒適系統時的平均整體熱感覺投票值變化情況，如圖13所示.

由圖13可知，在5個室內溫度（12℃、14℃、16℃、18℃和20℃）水平的偏冷環境，無個人舒適系統 作用的對照階段受試者的整體感覺最冷，最不舒適.

在實驗階段，使用者的熱感覺和熱舒適均在10～15min達到穩定，在實驗階段轉變到對照階段時，由于人體受到冷刺激，熱感覺突然降低，隨后在10～15min 內逐漸上升重新達到穩態.使用小太陽可以在背景區溫度為16℃、18℃和20℃的水平下達到熱中性，使用電暖桌可以在5個溫度水平下達到熱中性及較暖的熱感覺之間.在5個室內溫度（12℃、14℃、16℃、18℃和20℃）水平使用電暖桌的功率分別是933W、866 W、760W、600W、457 W;小太陽為固定功率450W.

2.3.3局部熱舒適特征

圖14 顯示了實驗室測試的各實驗工況局部熱 感覺和熱舒適的投票結果.

在不使用個人舒適系統，室溫為12℃、14℃時，幾乎所有人體部位的局部熱感覺都偏冷，即熱感覺投票都小于-0.5;當室溫為16℃、18℃時，約一半的身體部位感覺偏冷;當室溫為20℃時，所有身體部位都具有接近中性的熱感覺.

在使用電暖桌供暖時，各工況下大腿、小腿和腳 部都具有較高的舒適水平，但室溫為12℃時，上半身受到周邊環境冷輻射的影響，熱舒適性較差，在14℃及以上的工況，身體各部位可以達到舒適.

在使用小太陽供暖，室溫12℃、14℃時，大部分身體部位的局部熱感覺偏冷，最不舒適的部位是后 背、手部及腳部;當室溫為16℃時，只有手部的熱感覺偏冷，其他部位的熱感覺均可達到-0.5以上;當室 溫為18℃、20℃時，所有身體部位都具有中性或偏 暖的熱感覺.

2.4 冬季居民整體熱舒適與局部熱舒適的關系和局 部最適皮膚溫度

2.4.1整體熱舒適與局部熱舒適的關系

因為人體整體熱感覺與10個局部部位的熱感覺存在多重共線性，不適宜采用多元線性回歸方法，所以采用嶺回歸分析方法分析得出10個部位對整 體熱感覺影響的標準化系數.嶺回歸是對最小二乘回歸的一種補充，它損失了無偏性，來換取高的數值穩定性，從而得到較高的計算精度.表5展示了冬季 杭州市居民各身體部位對整體熱感覺影響的權重.可見，身體暴露部位中頭部、手部、腳部影響權重分別為16.86%、16.48%、11.32%，均超過10%，對整體 熱感覺的影響較大.

2.4.2 局部最適皮膚溫度與舒適皮膚溫度區間

圖15 反映了實驗室測得人體10個局部部位的熱舒適投票與對應部位的皮膚溫度的關系.在熱舒 適投票最大時所對應的皮膚溫度為該地區居民冬季的最適皮膚溫度.表6列出了人體10個部位的最適 皮膚溫度和舒適皮膚溫度區間.

3結論

本文通過問卷調研與測試，得到個人舒適系統 作用下的杭州冬季居民熱舒適特征.主要結論如下：

1）杭州市居民冬季普遍使用個人舒適系統，主 要設備類型是小太陽、暖風機和暖腳器.使用時間覆 蓋整個冬季，其中12月下旬到次年2月上旬使用率超過50%，典型日內18：00到20：00為使用高峰.

2）在個人舒適系統作用下，人體附近的操作溫度平均升高2.7℃.

3）在個人舒適系統作用下中性操作溫度為15.8溫度為20℃時，熱舒適投票值達到最大，熱感覺為較暖（+1）;這說明，冬季該地區居民更偏好 偏暖的環境.從舒適和節能的角度考慮，應盡量控制人體附近操作溫度在13.9～20℃.

4）在12～18℃時，下臂、手部、小腿、腳部對整體 熱感覺的影響較大，局部的冷感覺引起整體感覺偏 冷，因此室溫在18℃以下時應重點注意下臂、手部、小腿、腳部等幾個部位保暖.人體各部位的最適皮膚 溫度分別為頭部33℃，前胸37℃，上臂35℃，后背36℃，腹部37℃，下臂36℃，手部31℃，大腿36℃，小腿38℃，腳部35℃.

本研究存在一定的局限性.考慮到實驗難度，實 驗室測試中的受試者均為在校大學生，不同年齡群 體在個人舒適系統作用下的局部熱舒適差異有待進一步研究.

致謝：感謝浙江大學工程師學院工程創新與訓 練中心黃毅方老師對本文實驗給予的幫助.

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