赣南地区地板辐射采暖系统的热舒适性评价

肖 梅，吕银娇，王 彤，石发恩

(江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

赣南地区地板辐射采暖系统的热舒适性评价

肖 梅，吕银娇，王 彤，石发恩

(江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

以江西省赣州市为例，进行室内热舒适性调查。利用热舒适指标(PMV-PPD)，结合赣南地区气候条件及区域特点，对地板辐射采暖系统和空调采暖系统进行评价。结果表明：低温地板辐射采暖系统在舒适性、节能性方面比空调采暖系统有明显的优势，能满足选择冬季采暖方式的健康生活标准要求。

地板辐射采暖系统；空调采暖系统；热舒适性评价

良好而又舒适的室内热环境，不仅能够提高人的生活质量、工作效率，而且在一定程度上能提高人的免疫能力[1]。按照中国建筑热工设计分区标准，赣南属于夏热冬冷地区，冬季平均气温为7.7℃左右、相对湿度高达77%[2]。虽然空调、电暖气、烤火等取暖方式对改善室内热环境现状带来很大帮助，但是也引起了新的问题包括室内热舒适性和建筑能耗问题。近20年来，大部分学者的研究方向逐渐转向研究实际建筑中人体的热舒适[3]。随着城镇化水平和人们对室内热环境舒适度要求的普遍提高，将导致建筑能耗大幅度提升[4-5]。为建设资源节约型、环境友好型社会，舒适、节能已成为人们选择冬季采暖方式的标准[6-7]。

M.D.F.Ling[8]研究了低温热水地板辐射采暖系统的设计并根据系统特点，提出了系统的两种设计指标。Perter Simmonds[9]从理论上分析了低温辐射采暖系统的舒适性。Lebrun和Hannay[10]等研究了不同采暖系统的热舒适性和节能性，结果发现：在达到相同的热舒适性时，低温辐射采暖系统的节能效率达10%～40%。候书新[11]通过实地测试低温热水地板辐射采暖与传统散热器采暖的室内温度分布情况得出：低温热水地板辐射采暖室内空气温度分布合理、均匀、热舒适性较强。丁云[12]搭建地板辐射模型，通过实地测试低温热水地板辐射采暖系统室内空气温度分布，分析论证了室内空气温度分布的合理性，最后评价低温地板辐射采暖系统的舒适性。低温辐射采暖是当今较为成熟的一种采暖方式，在我国北方地区已广泛使用，它能利用各种低品位能源而且采暖效果良好[13]。

结合赣南地区气候和区域特点，运用数值模拟软件分析室内热环境状况，通过实验验证其准确性，同时与人体的主观评价调查相结合。在对采暖室内热环境进行数值模拟时，采用更多的舒适性评价指标对数值模拟结果进行评定，更全面地了解采暖系统对室内热环境舒适性的影响。以江西省赣州市为例进行调查，了解该地区是否具有采暖的必要，在此基础上利用热舒适指标(PMV-PPD)对地板辐射采暖系统和空调采暖系统进行评价。

1 室内热环境问卷调查结果分析

目前，对人体热舒适性评价的方法很有限，一般都是采用热舒适主观评价方法，即采用热舒适问卷调查的方式来直接询问人们在某热环境下的热感觉与热舒适程度[14]。通过对赣南地区建筑的冬季室内热环境进行调查，初步了解到该地区冬季人们对室内热环境的主观评价和采暖必要性的评价，采暖前后室内热环境的变化和对人体热舒适的影响等。

1.1 采暖效果及必要性分析

统计室内采暖前后的空气质量、工作效率、皮肤冻疮、皮肤干燥对健康的影响程度以及采暖的必要性结果见表1、表2。

(1)采暖效果分析

表1 采暖效果统计

统计项目无采暖采暖后空气质量评价优19(2%)优57(6%)良381(40%)良448(47%)中457(48%)中409(43%)差95(10%)差38(4%)工作效率偏低571(60%)偏低67(7%)正常295(31%)正常333(35%)偏高86(9%)偏高552(58%)皮肤冻疮有362(38%)有133(14%)无590(62%)无819(86%)皮肤干燥有124(13%)有171(18%)无828(87%)无781(82%)空气质量对健康的影响很大516(54%)一般240(25%)轻微164(17%)无影响32(4%)没有必要126(13%)

注：样本总数952个。

由表1可知：采暖后被调查者对室内空气质量的评价、工作效率明显改善；皮肤冻疮的情况明显减少；由于采暖后室内相对湿度会降低所以部分被调查者会感觉皮肤干燥，但总体而言采暖后室内热环境对人体更有益。

(2)采暖必要性分析

由表2可知：被调查者中认为该地区冬季有采暖必要性的占59 %，保持无所谓态度的占28 %，认为没必要的仅占13 %。

表2 采暖必要性统计

样本总数952是否有采暖必要有必要562(59%)无所谓264(28%)没有必要126(13%)

1.2 服装热阻分析

问卷调查共发放问卷1 000份，经过整理得到了952份有效问卷。现场问卷中，已根据季节的特点列出了多种与之相符的着装搭配，被调查者可以直接勾选出与自身相符的选项。同时，考虑到被调查者的着装与所提供的着装不相符的特殊情况，还留有空白位置可供被调查者详细描述。表3为本次被调查者的整体服装热阻统计结果。图1、图2为不同采暖室内服装热阻分布。

表3 服装热阻统计

类别最小值最大值平均值标准偏差服装热阻/clo0．551．631．130．25

图1 空调采暖室内服装热阻分布 图2 地板辐射采暖室内服装热阻分布

受到室内空气温度分布的影响，不同室内采暖系统的热阻值分布有很大的差异。其中：空调采暖室内服装热阻主要分布在1.2～1.45 clo，占总量的38%，其次是0.95～1.2 clo，占总量的30%；地板辐射采暖室内服装热阻主要分布在0.75～0.95 clo，占总量的45%，其次是0.55～0.75 clo，占总量的24%。换言之，被调查者在地板辐射采暖的室内环境中只需穿着相对较薄的衣服，而在空调采暖的室内环境中需穿着较厚的衣服。

在问卷调查过程中被调查者主要处于静坐，轻度活动状态，由ASHRAE55标准可知，其新陈代谢率取值为1.2 met，室内冬季服装热阻应小于1.0 clo[15]。由此可知，空调采暖系统室内被调查的服装热阻偏高，不符合标准要求。

2 热舒适性模拟计算理论

通过调查了解到赣南地区冬季有采暖的必要，但是被调查者对不同采暖方式下室内热舒适的满意度不同。在ASHRAE标准中将热舒适定义为人体对热环境表示满意的意识状态[16]。热舒适度可以认为是人体主观评价热环境的满意度，同时也是衡量室内热环境的重要指标。它由许多因素综合作用，包括：环境因素、个人因素、其他因素等。面临采暖方式的多样化，舒适、节能已成为人们选择冬季采暖方式的健康生活标准。为进一步分析采暖系统的热舒适性，利用热舒适性指标(PMV-PPD)对地板辐射采暖系统和空调采暖系统进行评价。

2.1 热舒适方程

人体为了维持与周围环境之间进行热交换时体温稳定，必须保持机体产热和散热平衡。由文献[17]可知，令人体蓄热率S=0，将人体外表面与周围环境之间的对流散热量、辐射散热量及总蒸发散热量公式进行简化，可得出：

(1)

2.2 热舒适评价指标PMV-PPD

Fanger教授在20世纪70年代提出的预测平均投票值PMV(Predicted Mean Vote)和预测不满意百分比PPD(Predicted Percent Dissatisfied)指标，该指标都是经过大量人员测试得出的结果，它综合考虑了多种因素的影响，如：空气湿度、空气温度、平均辐射温度、空气流动速度、人的新陈代谢率和衣服热阻，同时还结合人体心理、生理上的热感觉，所以用PMV-PPD评价指标具有真实可靠性。

PMV指人体对热平衡的偏离程度与人体热负荷TL之间的关系，其关系式为[18]：

(2)

(3)

式中：dt=tr-22，℃。

PMV指标的投票值是由ASHRAE热感觉7分级法来确定的。表4为不同等级的值以及相对应的客观生理反应。

表4 PMV等级及相应的客观反应

热感觉热暖稍暖适中稍凉凉冷PMV3210-1-2-3生理反应见汗滴身体局部见汗皮肤发黏感觉舒适感觉到凉局部感觉不适打寒颤

PPD指不同热感觉投票数所占的百分率。它与PMV之间的关系如式(4)所示[18]：

PPD=100-95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]

(4)

ISO7730给出的指标推荐值为：-0.5≤PMV≤+0.5，相应的PPD≤10 %。

3 热舒适性评价

3.1 热舒适指标法

运用热舒适指标法，计算地板辐射采暖系统与空调采暖系统在相同室内设计参数不同服装热阻情况下衣服表面温度tcl及此时的PMV-PPD值。依据相关标准该地区冬季室内设计温度为16 ℃～20 ℃，为了更好地客观评价，取室内设计温度为16 ℃，空气相对湿度为70 %[19]。由于在问卷调查过程中被调查者主要处于静坐、轻度活动状态，取W=0，M=70 W/m2。空调采暖系统主要是依靠强制循环热风换热其中辐射换热的作用很小，故取其平均辐射温度为10 ℃；地板辐射采暖系统室内其地面的温度高，在人员活动区域内，热量直接辐射到人身体上，故取平均辐射温度18 ℃[20]。服装热阻值依据调查结果，其他参数取值如表5所示。

表5 热舒适分析各参数值

人体能量代谢率/(W·m-2)人体所做的机械功/(W·m-2)相对湿度/%室内设计温度/℃室内风速/(m·s-1)平均辐射温度/℃低温地板辐射空调低温地板辐射空调低温地板辐射空调低温地板辐射空调70070160．10．21810

依据以上已知条件，可以得出地板辐射采暖系统和空调采暖系统室内不同服装热阻时PMV-PPD的分布情况，如图3、图4所示。

图3 服装热阻与PMV的关系 图4 服装热阻与PPD的分布

由图3、图4可知：地板辐射采暖系统和空调采暖系统室内PMV值与服装热阻变化趋势相同，随着服装热阻增大而增大；两种采暖系统室内PPD值与服装热阻变化趋势相反，约在0.90 clo时相等。相同的PMV值对应的服装热阻值在地板辐射采暖系统室内更小，即在相同的室内设计温度时，空调采暖系统室内环境中需穿着较厚的衣服抵御寒冷，地板辐射采暖系统室内环境中只需穿着较薄衣服且感觉舒适。

3.2 数值模拟法

结合赣南地区气候条件及区域特点，运用Airpak数值模拟软件分析室内PMV-PPD的分布，PMV和PPD评价指标的计算按照人员静坐情况，不计人体对外做功，新陈代谢率取1.0 met，服装为冬季着装其热阻值取1.0 clo，辐射温度、空气温度及相对湿度根据数值模拟计算结果取值。

图5、图6为采暖室内不同高度PMV-PPD分布，选取人体对舒适度感觉敏感的高度分别为Y=0.1 m(脚踝)、0.6 m(膝盖)、1.5 m(颈部)。由图5可知，空调采暖系统室内高度在0.1～1.5 m人员活动区域内PMV值约在-1.74～-1.25，PMV的平均值约-1.37，PPD的平均值约44.06%，人员感觉偏凉。由图6可知，低温地板辐射采暖系统室内高度在0.1～1.5 m内PMV值约-1.1～-0.31，PMV的平均值约-0.53，PPD平均值约16.15%，人员感觉微凉偏适中。温度、湿度是影响舒适性的重要因素，低温地板辐射采暖能够满足我国热舒适性推荐值-1≤PMV≤+1，PPD≤27 %[21]，比空调采暖室内的PMV明显提高，PPD明显减小。

(a)PMV分布 (b)PPD分布图5 空调采暖室内不同高度PMV-PPD分布

(a)PMV分布 (b)PPD分布图6 地板辐射采暖室内不同高度PMV-PPD分布

4 结论

对赣南地区冬季室内热环境进行问卷调查，结合热舒适指标(PMV-PPD)对地板辐射采暖系统和空调采暖系统进行评价，得到如下结论：

(1)通过对调查结果的分析，采暖后室内热环境对人体更有益。综合考虑冬季室内热环境状况以及采暖前后对人体健康的影响，有59 %的被调查者认为本地区有采暖必要。

(2)PMV值相同时，对应的服装热阻值在地板辐射采暖系统室内更小。在人员活动区域范围内低温地板辐射采暖系统室内PMV的平均值约为-0.53，不满意度在16.15 %左右，能够满足人体舒适性要求，比空调采暖室内的PMV明显提高，PPD明显减小。

(3)结合赣南地区气候条件及区域特点，发现低温地板辐射采暖系统在舒适性、节能性方面比空调采暖系统有明显优势，满足现代人选择冬季采暖方式的健康生活标准，说明在该地区低温地板辐射采暖具有一定的推广价值。

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Thermal comfort evaluation of floor radiant heating system in south of Jiangxi region

(SchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China)

Taking Ganzhou city of Jiangxi Province as an example, the indoor thermal comfort investigation is made. By using thermal comfort index (PMV-PPD), combined with local climate conditions and regional characteristics, the radiant floor heating system and air conditioning and heating system is evaluated. The results show that the low temperature floor radiant heating system has obvious advantages in comfort and energy saving than the air conditioning heating system, which can meet the healthy living standard of the choice of winter heating method.

floor radiant heating system; air conditioning heating system; thermal comfort evaluation

2016-06-01

江西省教育厅基金项目(2014GJJ14463)

肖 梅(1991—)，女，四川安岳人，硕士研究生。

1674-7046(2016)06-0072-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.06.014

TU111.1

A