為明確寒冷氣候區(qū)辦公建筑輻射供暖和對流供暖模式下的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)是否能滿足人體熱舒適需求，本研究選取西安市不同供暖模式的辦公建筑為調(diào)研對象，同時進(jìn)行了室內(nèi)物理環(huán)境測試和人體熱舒適主觀問卷調(diào)查，調(diào)研期間共獲得1120份有效問卷。結(jié)果顯示：對流供暖模式下室內(nèi)空氣溫度和豎直溫差顯著高于輻射供暖，且室內(nèi)存在過熱現(xiàn)象；輻射和對流供暖的中性溫度分別為17.4℃和20.4℃，較高的室內(nèi)空氣溫度形成了較高的中性溫度和可接受溫度上限。

　　關(guān)鍵詞：輻射供暖；對流供暖；辦公建筑；室內(nèi)熱環(huán)境；熱舒適；中性溫度；可接受溫度；現(xiàn)場調(diào)研

　　作者：趙勝凱^1,2 楊 柳^1,2 高斯如^1,2 翟永超^1,2

　　1.綠色建筑全國重點實驗室；

　　2.西安建筑科技大學(xué)

　　引言

　　供暖和制冷系統(tǒng)能耗是建筑運行能耗的主要部分，約占全社會總能耗的30%。在我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的背景下，我們面臨的主要問題是如何在降低能耗和提供舒適的室內(nèi)熱環(huán)境之間取得平衡。合理的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)也會影響人體的舒適性和工作效率。

　　在我國寒冷氣候區(qū)，輻射供暖（散熱器）和對流供暖（空調(diào)系統(tǒng)）是辦公建筑中常見的供暖方式。不同供暖模式的運行方式不同：散熱器供暖是通過提供熱表面來控制室內(nèi)空氣溫度，一般為連續(xù)運行模式；空調(diào)供暖是通過提供熱風(fēng)來控制室內(nèi)熱環(huán)境，并能對室內(nèi)空氣快速加熱，通常為間歇運行模式。不同供暖模式在室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上也存在差異。GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：寒冷氣候區(qū)冬季散熱器供暖模式下的室內(nèi)設(shè)計空氣溫度允許比空調(diào)供暖模式低2℃。但是，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730：2005和ASHRAE 55-2020對于不同供暖模式下的室內(nèi)設(shè)計空氣溫度的規(guī)定并沒有明確的區(qū)別，但都將室內(nèi)空氣溫度限制在一個狹窄的范圍內(nèi)。

　　國內(nèi)外對于輻射和對流供暖模式下人體熱舒適已有相關(guān)的報道，但目前的研究大多數(shù)都是基于人工氣候室實驗，少有對不同供暖末端進(jìn)行大量的實際建筑現(xiàn)場測試研究。Zhou等人從暴露時長的角度研究了地板供暖的熱舒適性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)暴露時間對受試者的主觀反應(yīng)和生理熱舒適均有顯著影響。王昭俊等人在散熱器供暖的微氣候室中研究了人的熱反應(yīng)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)人們待在較低的溫度下會更容易從心理上接受偏冷的環(huán)境，對室內(nèi)有較低的偏好溫度。Su等人通過實驗對比了散熱器供暖和地板供暖對人體熱舒適的影響，發(fā)現(xiàn)不同供暖形式下不對稱輻射溫度限值不同。另外，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)散熱器供暖環(huán)境中豎直溫度梯度小，供暖效率高，運行時無噪聲，但并不能提供足夠的證據(jù)證明散熱器供暖比空調(diào)供暖更舒適。也有研究發(fā)現(xiàn)受訪者在散熱器供暖的建筑中抱怨更多，因為他們感覺不到空氣流動。

　　綜上所述，不同供暖模式下人的熱舒適需求是不同的。雖然人工氣候室研究可以精準(zhǔn)地控制環(huán)境參數(shù)，但只能反映環(huán)境條件對人體熱舒適的單向影響，通常不能反映人在實際建筑中的適應(yīng)行為和調(diào)節(jié)方式。隨著生活水平的提高，人們每天都在室內(nèi)空氣溫度波動較小的建筑環(huán)境中度過，這也可能改變?nèi)藗儗Νh(huán)境的期望和要求。因此，有必要對寒冷地區(qū)實際辦公建筑中不同供暖模式的熱環(huán)境進(jìn)行實地調(diào)研，明確不同供暖模式對室內(nèi)熱環(huán)境及人體熱舒適需求的影響，并驗證標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于辦公建筑的室內(nèi)溫度設(shè)計值是否適用于寒冷氣候區(qū)。

　　基于此，筆者所在課題組在西安市選取了10座辦公建筑進(jìn)行了大樣本的實際現(xiàn)場調(diào)研測試。通過結(jié)合客觀物理環(huán)境參數(shù)的測量及辦公人群的主觀問卷分析，比較不同供暖模式下室內(nèi)熱環(huán)境和人體熱舒適需求的差異，并將研究結(jié)果與以往的研究和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，進(jìn)而為寒冷氣候區(qū)不同供暖模式下辦公建筑室內(nèi)熱環(huán)境節(jié)能舒適設(shè)計和運行提供參考。

　　1.研究方法

　　1.1 調(diào)研建筑

　　現(xiàn)場調(diào)研時間為2019年12月至2020年1月，為了保證室外溫度的一致性，對不同供暖模式的辦公建筑同時開展調(diào)研，調(diào)研時間段為工作日的09:00—18:00。共選取了10座辦公建筑，其中5座為輻射供暖（散熱器），5座為對流供暖（集中空調(diào)）。為了保證調(diào)研的普遍性，選取了不同朝向、樓層、面積、人員密度的辦公空間。調(diào)研場所均為開放式空間，面積分布在100~2000 m2之間。對于對流供暖系統(tǒng)，不同辦公樓的設(shè)定溫度范圍為20~23 ℃，運行時間為08:00—19:00；散熱器供暖為連續(xù)運行模式。圖1為輻射供暖和對流供暖現(xiàn)場實測場景圖。

　　1.2 受試者

　　通過紙質(zhì)問卷收集了受試者的基本信息。本次調(diào)研共獲得1120份有效問卷，其中受試者年齡主要分布在24~40歲之間，參與的受試者中男性610名（占比54.5%）、女性510名（占比45.5%）。受試者的基本信息見表1。受試者均在當(dāng)?shù)鼐幼×?年以上，均已適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐臍夂颉?/p>

　　1.3 物理環(huán)境測試

　　物理環(huán)境測試參數(shù)主要包括室內(nèi)空氣溫度（ta）、相對濕度（φ）、黑球溫度（tg）、空氣流速（v）、二氧化碳濃度（C）、不對稱輻射溫度（Δtpr）等。所有參數(shù)的采樣頻率為1次/min。圖2為測試物理環(huán)境參數(shù)的場景圖，測試設(shè)備的測試精度和范圍見表2。其中ta、φ、tg在距地面0.1、0.6、1.1m 3個高度處測量，v和C在距離地面1.1m高度處測量。物理環(huán)境監(jiān)測儀器固定在架子上，放置在距離受試者0.5m的地方。所有測試儀器的測試精度和響應(yīng)時間均符合JGJ/T 347—2014《建筑熱環(huán)境測試方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

　　1.4 主觀問卷調(diào)查

　　調(diào)查問卷內(nèi)容包括受試者背景信息（身高、體質(zhì)量、性別、前15min活動狀態(tài)、服裝熱阻等）和主觀評價。熱感覺投票（TSV）采用在ASHRAE 55-2020基礎(chǔ)上擴(kuò)充的9級標(biāo)尺，即-4（非常冷）、-3（冷）、-2（涼）、-1（微涼）、0（中性）、1（微暖）、2（暖）、3（熱）、4（非常熱）。熱可接受度投票（TAV）：-4（非常不可接受）~-0.01（剛剛不可接受）為不可接受范圍，0.01（剛剛可接受）~4（非常可接受）為可接受范圍。熱舒適投票（TCV）：-4（非常不舒適）~-0.01（剛剛不舒適）為不舒適范圍，0.01（剛剛舒適）~4（非常舒適）為舒適范圍。熱偏好投票（TPV）：1（希望暖一些）、0（不變）、-1（希望涼一些）。風(fēng)速偏好投票（AMV）：1（大一些）、0（不變）、-1（小一些）。濕度偏好投票（HPV）：1（潮濕一些）、0（不變）、-1（干燥一些）。

　　1.5 數(shù)據(jù)處理方法

　　服裝熱阻參考ASHRAE 55-2020中推薦的服裝熱阻值，在總熱阻的基礎(chǔ)上增加0.1clo作為辦公座椅的熱阻。代謝率根據(jù)調(diào)查問卷中受試者的活動狀態(tài)參考ASHRAE 55-2020進(jìn)行確定。本研究采用操作溫度top作為溫度指標(biāo)，top反映了周圍空氣溫度ta和平均輻射溫度tr的綜合影響，可參考ASHRAE 55-2020中的計算公式：top=Ata+（1-A）tr，A取0.5（室內(nèi)空氣流速小于0.2 m/s）。預(yù)計平均熱感覺指數(shù)(PMV)的計算參考文獻(xiàn)。在結(jié)果分析中，選用t檢驗來進(jìn)行顯著性分析，并用P值來判斷組間數(shù)據(jù)是否有顯著差異性。

　　2.研究結(jié)果

　　2.1 室內(nèi)熱環(huán)境

　　圖3顯示了室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)的分布情況。輻射供暖模式下室內(nèi)空氣溫度平均值（19.7 ℃）比對流供暖模式（23.5 ℃）低3.8 ℃，且存在顯著的差異性（P<0.001）；輻射供暖模式下相對濕度顯著高于對流供暖模式，但2種供暖模式均不能滿足冬季人體熱舒適需求，低于標(biāo)準(zhǔn)下限值；2種供暖模式下室內(nèi)空氣流速均小于0.1m/s；輻射供暖模式下室內(nèi)CO2平均濃度略高于對流供暖，分別有78.0%（輻射供暖）和72.5%（對流供暖）的數(shù)據(jù)處于標(biāo)準(zhǔn)閾值范圍內(nèi)（<1 000×10-6）；2種供暖模式下室內(nèi)平均輻射溫度與空氣溫度差異較小，原因可能是調(diào)研期間建筑的內(nèi)表面已經(jīng)被空氣完全加熱；對流供暖模式下豎直溫差（頭部與腳部空氣溫度差值）大于輻射供暖模式，主要原因是空調(diào)吹風(fēng)位置位于建筑的屋頂部分，造成上部溫度顯著高于地板溫度，進(jìn)而造成更大的豎直溫差。

　　2.2 主觀調(diào)查問卷

　　圖4顯示了不同供暖模式下受試者的主觀評價。從TSV結(jié)果來看，輻射供暖模式下TSV主要分布在-1（微涼）~1（微暖）之間，而對流供暖模式下受試者TSV處于偏暖側(cè)的比例達(dá)到了70%，說明2種供暖模式下均存在室內(nèi)過熱的現(xiàn)象。不同供暖模式下TSV分布不同，但TAV和TCV的分布相似，TAV主要集中在“剛剛可接受”和“可接受”，這在一定程度上反映了人對熱環(huán)境的適應(yīng)性。結(jié)合TSV結(jié)果來看，對流供暖模式下受試者偏暖的比例較大，因此不可接受投票的比例也較高。2種供暖模式下熱偏好投票相似，約20%的受試者希望室內(nèi)溫度低一些，約60%的受試者希望室內(nèi)溫度不改變，仍有少部分受試者希望室內(nèi)溫度升高一些，說明冬季人們偏好偏暖的室內(nèi)熱環(huán)境。調(diào)研期間室內(nèi)空氣流速在0.2m/s以下，因此超過40%的受試者希望室內(nèi)有更大的空氣流速。不同供暖模式下的濕度偏好差異不大，由于冬季室內(nèi)相對濕度過低，大多數(shù)受試者希望室內(nèi)濕度增大。

　　2.3 中性溫度和可接受溫度范圍

　　采用Bin法，以0.5℃操作溫度為1個溫度區(qū)間，將調(diào)研得到的受試者TSV和計算得到的PMV與室內(nèi)操作溫度進(jìn)行加權(quán)線性回歸，結(jié)果見圖5、表3。從擬合方程可以看出，所有的線性回歸方程都表現(xiàn)出很強的正相關(guān)性。令TSV等于0，求得輻射和對流供暖模式下的中性溫度分別為17.4℃和20.4℃，2種供暖模式下中性溫度差大于GB 50736—2012中規(guī)定的溫度差（輻射供暖室內(nèi)設(shè)計空氣溫度允許比空調(diào)供暖模式低2℃）。對2種供暖模式下受試者的TSV和操作溫度的回歸方程進(jìn)行協(xié)方差分析，結(jié)果顯示2條直線的斜率、截距均存在顯著性差異。從表3可以看出，2種供暖模式下實際中性溫度均低于預(yù)測值，說明PMV模型并不能很好地預(yù)測辦公建筑供暖環(huán)境下的實際熱感覺。

　　采用相同的方法分析每0.5℃操作溫度區(qū)間不可接受度投票占全部投票的百分比，不可接受投票與總投票的比值為不可接受百分比，將不可接受百分比與相應(yīng)的操作溫度進(jìn)行回歸，結(jié)果見圖6。求得輻射供暖模式下受試者80%可接受溫度下限為16.9℃，對流供暖模式下受試者80%可接受溫度上限為24.8℃。在輻射供暖模式下，80%可接受溫度下限低于GB 50736—2012中的供暖舒適區(qū)（18~24℃），表明該供暖模式下辦公建筑具有節(jié)能潛力。在對流供暖模式下，36.5%的室內(nèi)空氣溫度高于80%可接受溫度上限，說明該供暖模式下辦公建筑存在過熱現(xiàn)象，這與TSV調(diào)研結(jié)果（見圖4a）呈現(xiàn)一致性。

　　2.4 偏好溫度和服裝熱阻

　　通過logistic回歸計算了2種供暖模式下“希望暖一些”和“希望涼一些”隨操作溫度的變化，結(jié)果如圖7所示。表4給出了擬合方程。圖7中的虛線是在相同溫度下“希望暖一些”和“希望涼一些”的概率之和，虛線的最低點是受試者期望室內(nèi)操作溫度保持不變的最高比例，被認(rèn)為是受試者的偏好溫度。結(jié)果表明，輻射供暖和對流供暖模式下偏好溫度分別為20.6℃和21.2℃。受訪者的偏好溫度均高于中性溫度，說明受訪者冬季偏好中性偏暖的室內(nèi)熱環(huán)境，長期所處的室內(nèi)熱環(huán)境會影響人們的熱期望，因此，對于不同的供暖模式應(yīng)建立不同的熱舒適評價標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖8顯示了不同供暖模式下服裝熱阻的分布。可以看出：服裝熱阻的范圍為0.55~1.78 clo，說明受試者能夠根據(jù)室內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)服裝熱阻；輻射供暖模式下辦公人員的服裝熱阻顯著高于對流供暖模式下，主要是由于對流供暖模式下室內(nèi)空氣溫度顯著高于輻射供暖。

　　3.討論與分析

　　3.1 不同供暖模式下室內(nèi)熱環(huán)境評價

　　PMV模型可用來評價冬季供暖建筑的室內(nèi)熱環(huán)境，那么，能否采用統(tǒng)一的模型來評價辦公建筑的不同供暖模式呢？這個問題還需要進(jìn)一步確定。將實測的室內(nèi)溫濕度納入熱舒適評價模型，ASHRAE 55-2020和GB/T 50785—2012給出了基于PMV模型計算的熱舒適區(qū)，驗證其是否適用于辦公建筑不同供暖模式下的室內(nèi)熱環(huán)境評價。圖9顯示了不同供暖模式下室內(nèi)溫濕度在焓濕圖上的分布。在輻射供暖模式下，室內(nèi)操作溫度約35%和18%的數(shù)據(jù)分別低于ASHRAE 55-2020和GB/T 50785—2012冬季熱舒適區(qū)的下限；在對流供暖模式下，約80%的數(shù)據(jù)落在了ASHRAE 55-2020的舒適區(qū)范圍內(nèi)，39%的數(shù)據(jù)超過了GB/T 50785—2012的舒適區(qū)上限。這可以解釋為，在被調(diào)研的辦公建筑中，不同供暖模式下的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)并不總是按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計參數(shù)設(shè)定的。

　　圖10顯示了熱感覺投票細(xì)化到不同操作溫度區(qū)間的分布。從圖10可以看出：2種供暖模式下隨著操作溫度的升高，熱感覺投票平均值明顯增大，熱感覺投票落在“微暖”~“熱”的比例顯著增大；在輻射供暖模式下，操作溫度在17.5~19.5℃之間變化時，熱感覺投票在“微涼”~“微暖”之間的比例維持在70%以上，平均熱感覺為中性；在對流供暖模式下，在19.5~21.5℃的操作溫度區(qū)間內(nèi)，大多數(shù)受試者熱感覺投票為中性。即使室內(nèi)熱環(huán)境處于舒適區(qū)范圍內(nèi)，仍有部分受試者熱感覺投票為“偏暖”或“偏涼”，說明實際建筑中個體差異性較大。

　　3.2 與標(biāo)準(zhǔn)和先前研究結(jié)果對比

　　將本文研究結(jié)果與GB 50736—2012進(jìn)行比較，確定不同供暖模式下的舒適溫度范圍，見表5。標(biāo)準(zhǔn)中對流供暖模式下室內(nèi)溫度設(shè)定為18~24℃，輻射供暖可比對流供暖低2℃。從表5可以看出：對流供暖模式下有40.2%的室內(nèi)溫度超過了標(biāo)準(zhǔn)上限，且受試者熱感覺投票在偏暖側(cè)的比例達(dá)到了60%，說明在對流供暖模式下辦公建筑的室內(nèi)溫度存在嚴(yán)重的過熱現(xiàn)象；2種供暖模式下中性溫度均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；在對流供暖模式下，80%的可接受溫度范圍下限比標(biāo)準(zhǔn)高0.9℃，說明輻射供暖模式下室內(nèi)設(shè)定溫度比對流供暖低2 ℃的規(guī)定不適用于寒冷氣候區(qū)的辦公建筑；對流供暖模式下室內(nèi)空氣溫度幾乎都超過20℃，因此直接法無法獲得可接受溫度范圍的下限，將TSV等于-0.5時對應(yīng)的溫度作為對流供暖模式溫度下限，即18.6℃，這與夏嬋等人的研究結(jié)果（冬季空調(diào)供暖時的室內(nèi)舒適區(qū)溫度范圍下限為18.9℃）較為一致。從實際需求和調(diào)研結(jié)果綜合考慮，輻射供暖模式下室內(nèi)空氣溫度不低于16.9℃，對流供暖模式下室內(nèi)設(shè)定空氣溫度不低于18.6℃即可。

　　受試者的舒適溫度范圍可為不同地區(qū)不同供暖模式下室內(nèi)溫度設(shè)定提供參考。表6顯示了本文研究結(jié)果與其他學(xué)者研究結(jié)果的對比。結(jié)果表明，不同氣候區(qū)不同供暖模式下人的中性溫度和舒適溫度范圍不同。總體而言，對流供暖模式下室內(nèi)中性溫度總是高于輻射供暖，輻射供暖模式下室內(nèi)設(shè)定溫度可低于對流供暖。對于冬季供暖建筑來說，室內(nèi)設(shè)定溫度對于建筑節(jié)能非常重要，因此應(yīng)根據(jù)氣候區(qū)和供暖模式設(shè)定不同的供暖溫度。

　　3.3 節(jié)能潛力與控制策略

　　辦公建筑室內(nèi)供暖溫度的設(shè)定值對受試者的舒適度和建筑能耗都有影響。研究表明，寒冷氣候區(qū)冬季供暖溫度降低2℃（從22℃降為20℃），可減少30%的終端供暖能耗。從TAV和TCV結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，受試者在較寬的室內(nèi)溫度范圍內(nèi)有較高的可接受度，說明受試者的舒適溫度范圍較寬。從TSV結(jié)果來看，超50%的TSV在偏暖側(cè)。輻射供暖和對流供暖模式下分別有15.3%和40.2%的室內(nèi)溫度超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的舒適溫度范圍的上限，從行為調(diào)節(jié)投票結(jié)果中發(fā)現(xiàn)有15%的受試者會打開窗戶，可以證明冬季辦公建筑存在室內(nèi)過熱問題。

　　在輻射供暖模式下，只要室內(nèi)溫度不低于16.9℃，受試者可接受百分比在80%以上。由于調(diào)研的對流供暖模式的辦公建筑室內(nèi)溫度較高，無法得到受試者舒適溫度的下限，但當(dāng)室內(nèi)溫度過高時，受試者不可接受的比例會上升，因此，應(yīng)降低對流供暖辦公建筑中的設(shè)定溫度。輻射供暖模式下室內(nèi)溫度不低于16.9℃、對流供暖模式下室內(nèi)溫度不低于18.6℃時，可以滿足大部分人的熱舒適需求。值得注意的是，2種供暖模式下的室內(nèi)相對濕度均較低，受試者濕度偏好的調(diào)查結(jié)果顯示，超過60%的人群希望增大室內(nèi)相對濕度（見圖4f）。因此，在提供舒適溫度的同時，也應(yīng)增大室內(nèi)相對濕度。

　　4.結(jié)論

　　通過現(xiàn)場調(diào)研，比較了輻射供暖和對流供暖模式下室內(nèi)熱環(huán)境和人體熱舒適需求的差異性。通過對1120份調(diào)研數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論：

　　1） 室內(nèi)熱環(huán)境受供暖模式的影響。對流供暖模式下室內(nèi)平均溫度和豎直溫差顯著高于輻射供暖模式，2種供暖模式下室內(nèi)相對濕度均顯著低于舒適濕度范圍，CO2平均體積分?jǐn)?shù)均低于1000×10-6。

　　2） 對流供暖模式下超過50%的受試者的TSV在偏暖側(cè)，說明室內(nèi)存在過熱現(xiàn)象。2種供暖模式下TAV和TCV的分布相似，受試者對室內(nèi)熱環(huán)境均有較高的熱舒適和熱可接受度。

　　3） 輻射供暖和對流供暖模式下受試者的中性溫度分別為17.4℃和20.4℃。輻射供暖模式下80%可接受溫度下限為16.9℃，對流供暖模式下可接受溫度上限為24.8℃。

　　4） 在既滿足人體熱舒適需求又節(jié)能的前提下，建議寒冷氣候區(qū)辦公建筑輻射供暖溫度不低于16.9℃，對流供暖溫度不低于18.6℃。