绥化地区地板辐射式采暖居住建筑冬季室内热舒适调查分析

张 群，于卓玉，成 辉，梁 锐

( 1. 西安建筑科技大学 建筑学院，陕西 西安 710055； 2. 苏州市建筑科研研究院院士工作站，江苏 苏州 215129；3. 西安美术学院 建筑环境艺术系，陕西 西安 710065 )

在严寒地区，冬季漫长寒冷，室外温度较低，居住建筑冬季室内热环境设计尤为重要.绥化地区位于我国黑龙江省中部偏西南部，属于热工分区的严寒地区A类，供暖期始于每年的10月15日，止于下年4月15日，历时长达6个月.冬季室内热环境质量是当地住宅建筑物理环境营建的重要内容之一.改善绥化地区住宅建筑居住环境品质、提高居住舒适度、提高建筑节能特性，均需要准确掌握住宅冬季采暖实际状况和居民的热舒适特征.

国内目前已经广泛开展了关于室内热环境与人体热舒适方面的研究，其中大多数以住宅建筑为主.针对住宅建筑的室内热舒适研究中，主要集中在无采暖，空调采暖，自家煤炉供暖或者使用供暖散热器采暖的住宅[1-5].但是近年来，严寒地区的居民越来越多采用地板热辐射式采暖，采暖方式的改变会影响室内热环境和热舒适状况.因此，有必要开展严寒地区采用地板热辐射式采暖方式住宅的室内热舒适研究.为此，2016年冬季，在绥化地区望奎县选取了典型的地板热辐射采暖居住建筑，开展了室内热环境状况测试和主观反映调查，并对调查结果进行了统计分析，初步得到了绥化地区地板辐射式采暖冬季住宅热环境以及居民热舒适的特征.

1 测试方案的确定

1.1 测试地区概况

绥化地区处于松嫩平原的呼兰河流域，东经124°50′～128°30′，北纬45°30′～48°05′，平原区海拔高程为130～240 m.气候为中温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同期.冬季冰雪覆盖，寒冷漫长.最冷月(1月)平均气温-23～-19 ℃，最热月(7月)平均气温21.4～23.6 ℃；年平均日照时数2 588～2 841 h；年平均年降水量524.7 mm[6].绥化地区住宅以多层住宅为主，高层住宅不足10%.其中地板辐射采暖方式在绥化地区住宅所占比例为80%以上.

1.2 被测对象的选择

本次调查的住宅建筑样本数量为30户，采暖方式均是采用地板辐射式采暖.住宅层数大部分集中在5～7层.本次调查的对象包含了不同年龄，不同收入，不同职业等背景的人群.受试人数117人，其中男性65人，女性52人.

1.3 测试时间

2016年2月5日在绥化地区望奎县进行室内环境参数测量和热舒适主观调查问卷的调查.测试当天天气晴朗，室外最低气温-24 ℃，最高气温为-10 ℃，温度变化幅度14 ℃.

1.4 测试过程及方法

1.4.1 室内外物理环境参数的客观测量

测试的室内外环境参数包括：室内外温度，湿度，其中环境参数和热舒适的主观问卷由测试者记录填写.研究采用的仪器为：康威牌温度计，康威牌湿度计，FLUKE手持式红外温度计.测量取地面以上1.2 m为典型测量点.

1.4.2 填写主观问卷调查表

为了保证受试者填写的问卷是对当时所处环境的真实反映，充分考虑时间对测试的影响，调查问卷和数据测量每隔2 h进行一次，均匀分布在8:00～24:00.要求测试者在填写问卷前将身体保持稳定状态的时间不少于30 min.

问卷内容包括：①居民的背景情况，包括年龄，性别，在该地居住的时间；②当前温度和湿度.③居民的衣着量和活动量；④调查时刻居民的热感觉，⑤采用ASHRAE七点标度(-3冷，-2凉，-1稍凉，0不冷不热，1稍暖，2暖，3很热)表示.⑥居民对测试时温度的接受度，舒适度，期望值.居民自发改善室内热环境的措施，如开窗、电加热器、空调、窗帘等.

2 调查结果与分析

2.1 人员背景资料

对受试者的背景情况进行了统计，其中：男性占56%，女性占44%，受试者平均年龄是42.1岁，年纪最大的85岁，最小的7岁.平均身高为161.1 cm，身高在108～186 cm之间.平均体重为58.7 kg，最小体重值为22.0 kg，最大体重值为85.4 kg.受试者在绥化地区居住的平均时间为30.7 a，基本适应当地的气候条件.其中最长居住时间为78 a，最短为0.5 a.另外，受试者都能独立完成试卷.

2.2 室内温度与热感觉分析

受试者住宅的平均温度是27.1 ℃，实测平均热感觉分布频率如图1所示：63%的人主观感觉热，31%主观感觉适中.

图1 实测平均热感觉频率分布图Fig.1 Vote distribution map of average thermal sensation

居民采取了一些自主调节方式降温，例如开窗开门，减少衣物等.关于开窗降温的调查结果如图2显示，以降温为目的开窗的比例占67%，以降温为目的开窗同时开门的比例占12.7%.由以上调查发现，绥化地区室内热环境并不令人满意，大部分的居民觉得室内温度较高.

图2 居民针对热环境的自主调节频率分布Fig.2 Frequency distribution of self-regulation

2.3 湿度

绥化地区地板热辐射采暖冬季室内平均湿度仅为34.5%.对受试者所在住宅的相对湿度分析结果如图2所示：82.5%的人主观感觉室内干燥，只有17.5%的人主观感觉适中，此外大部分居民反映在冬季室内经常由于干燥产生静电.为了防止居室过于干燥，居民采取加湿器、放置水盆或养殖植物等方式增加湿度.可知绥化地区地板热辐射采暖的住宅相对湿度很低，已经严重影响居民舒适度.根据热舒适标准中推荐的最适合人体热舒适的相对湿度区间为45%～70%，低于35%的湿度会影响人的舒适度和健康，当人体处于湿度较差的环境中，除了自身的皮肤流失水分之外，还容易受微生物和细菌的影响，容易诱发感冒和流感[7]，所以，应该采取必要方式提高住宅室内湿度.

图3 实测相对湿度感觉投票分布图Fig.3 Vote distribution map of feeling of relative humidity

2.4 服装热阻

由于冬季天气寒冷，除了上班时间，绥化地区大部分活动都在室内完成.即便出门居民也会选择各种交通工具到达目的地，居民在室外的时间非常短.从室外进入室内，居民会脱掉厚重的外套换上轻薄的衣衫.调查过程中，详细记录了受试者的衣着情况，可知当地老人一般在室内穿薄衫和长薄裤子，中年人一般穿薄睡衣，小孩子穿单衣单裤.经调查，以多数人穿衣习惯为依据，参考典型着装的服装估算热阻值表格如表1，计算出受试者所穿服装的热阻值，以单位clo表示(1 clo=0.155 m2·k/W)并画出男女服装热阻值频率分布图如图4所示.计算求得其服装组合Icle值为：男子Icle=0.485 clo ，女子Icle=0.515 clo.可知，绥化地区城镇地板辐射式采暖住宅的居民在室内时的服装热阻普遍较低.

表1 典型着装的服装估算热阻值[8]Tab.1 Typical estimate of clothing insulation value

图4 服装热阻分布频率Fig.4 Frequency distribution of clothing insulation value

2.5 新陈代谢率

新陈代谢按照国际热舒适标准ISO7730标准规定，睡觉所具有新陈代谢水平为0.8 W/m2，坐着看书、看电视为1 met，坐着活动和站着休息为1.2 met，立姿、轻度活动(从事轻体力劳动)为1.6 met(注：1 met=58.2 W/m2).绥化地区居民白天以工作为主，下班回家偶尔做一些杂务，大部分时间看电视、上网或者休息闲聊，新陈代谢率较小，且男女活动方式和强度差别不大.调查过程中受试者基本为坐着或站着回答问卷，故取值在1.2～1.4 met左右是合理的.由于男性的新陈代谢率高于女性的新陈代谢率，所以新陈代谢水平按其平均劳动强度女性取值1.28 met(即M=75W/m2)，男性取值1.37 met(即M=80 W/m2).

3 热舒适适应性分析

3.1 主观温度的计算

目前，国际上应用比较广泛的室内环境舒适性评价指标是由P.O.Fanger提出的，但是其舒适方程和标准有效温度需要借助计算机才能完成求解，计算起来不方便，而且其包括的所有变量之间的关系十分复杂.所以，本次研究选择了由D.A.Mcintyre提出的主观温度来进行热环境舒适性评价.

基于大量的科学研究，D.A.Mcintyre提出了衣服热阻值、人体新陈代谢率和主观温度之间的线性关系式.D.A.Mcintyre 将这一指标称为主观温度，并将其定义为：“一个具有Ta=Tr，v=0.1 m/s和相对湿度为50%的均匀封闭空间的温度，该环境将产生与实际环境相同的温暖感.”它意味着活动量和衣着条件之类的人体变量在实际的和假想的环境中都是一样的[9].想要预测使人感觉舒适的主观温度，只需根据给定的新陈代谢率和服装热阻值就可以预测.经过大量的验证，该关系式与Fanger热舒适方程的计算结果十分近似，对于服装热阻值小于1.50 clo及活动量在150 W/m2以内的各种情况，其误差小于0.50 ℃[10].该关系式提供了以人活动量以及衣着条件为函数而预测舒适所需要温度的准确方法：

Tsub=33.50 -3Icle-(0.08+ 0.05Icle)[10]

其中:Ta为空气温度， ℃；Tr为平均辐射温度， ℃；v为相对空气流速，m /s；Tsub为主观温度， ℃；Icle为衣服有效热阻，clo，1 clo定义为0.155 m2·k/W；H为新陈代谢产热量，W/m2.

现根据绥化地区村镇居民的居住行为方式、生活习惯以及衣着等状况，作如下取值：

(1)参考上述新陈代谢分析：女性取值M=75 W/m2，男性取值M=80 W/m2；

(2)参照上述服装热阻分析：服装组合Icle值为：男子Icle=0.485 clo,女子Icle=0.515 clo；

(3)绥化地区地板辐射式采暖的居民在冬季开窗少，故室内空气流速取值为v=0.100 m/s.

由此，可以计算出男子主观温度：

Tsub=33.50-3Icle-(0.08+0.05Icle)H(1)
=33.5-3×0.485-(0.08+0.05×0.485)×80
=23.7 ℃

女子主观温度：

Tsub=33.50-3Icle-(0.08+0.05Icle)H(2)

=33.5-3×0.515-(0.08+0.05×0.515)×75

=24.0 ℃

计算得出的男女主观温度分别为23.7 ℃ 和24.0 ℃.但是考虑到室内温度普遍很高，人们着装很薄的范围下服装热阻值取值误差会比较大，实际的平均辐射温度并不等于空气温度.

3.2 热接受能力分析

人体热感觉可能受各人的偏爱，也可能受情绪，进食等因素影响.但D.A.Mcintyre 建立的主观温度标准只能控制受试者的活动量和着装，无法控制受试者的实际新陈代谢率，即使在完全一致的热环境中，也不可能有100%一致的热感觉投票，预测不满意百分数模型(PPD模型)，就是为了研究究竟有多少人对环境不满意而建立的[11].如果投票结果是“-2，-3，+2，+3”就代表他对环境是不满意的.投票是“-1，0，+1”就代表他对该环境是“满意”的，表明在这个范围内受试者没有真正感受到不适.为了调查居民对室内热环境的接受能力，按照调查表中居民填写的热感觉投票值进行统计分析，计算在某一温度下投票值为不接受的人数占总投票人数的百分数，即是该温度下的不可接受率[12].以概率单位和空气温度分别为横纵坐标，画出实测的热不接受投票与室内空气温度的拟合图如图5所示.

图5 热不接受投票与空气温度的关系Fig.5 Relationship between PPD and air temperature

实测的PPD与室内空气温度的回归方程为

PPD=1.97x2-93.4x+1 118.6(R2=0.931)

(3)

采用ASHRAE热舒适区的确定原则，即满足80%人群满意度的要求，对室内热环境的不接受投票百分率不超过20%作为确定热中性温度上、下限的依据[13].由式(2)可知，在不接受投票百分率不超过20%的条件下，该地区的居民可接受的范围即热中性温度范围应控制在21.6～25.8 ℃之间，因冬季所测数据大多为热不满意率，所以该地区80%居民可接受温度的上限为25.8 ℃.该地区的居民可接受范围与香港地区的研究结果(19.1～24.8 ℃)相比，绥化地区居民的热舒适区域较小，说明该地区居民的冬季热舒适适应性较差[14].

3.3 期望温度

期望温度的计算采用了概率法，它的数据支撑是实际热感觉投票.即在某一温度区间内以0.5 ℃为组距，统计此刻较暖或较冷的人数占总人数的百分数[11]，分析结果如图6所示，两条线性回归线的交点所对应的空气温度即为期望温度.

图6 冬季热期望温度的求解Fig.6 Determining te preferred temperature

不满意投票百分比与空气温度的回归方程为下式：

冷不适PPDy1=-10.13x+253.25R2=0.969

热不适PPDy2=16.30x-402.73R2=0.939

在两条直线相交处x=24.90 ℃

那么投票表示冷不适和热不适的概率单位与气温呈现出线性关系：随着气温上升，冷不适投票线性下降而热不适投票线性上升[15].两条直线在t=24.90 ℃处相交，该温度就是绥化地区地板热辐射式采暖住宅的期望温度.而实测室内平均温度27.10 ℃.可见实际平均温度高于期望温度.

3.4 舒适区间的确定

D.A.Mcintyre 主观温度公式计算结果为24 ℃和23.70 ℃.基于实际热感觉投票而得出的热期望温度为24.80 ℃. 20%不满意率的温度区间为21.90～25.70 ℃.由此可以看出理论计算值基本处于实际调查的温度区间内，与实际调查情况基本吻合.居民能接受的温度上限是25.70 ℃.而实际平均温度为27.10 ℃.在围护结构和室外计算参数一定的条件下，室内温度降低1 ℃，耗煤量可减少5～10%[16].综合考虑调查结果、主观温度计算、期望温度、居民可接受率以及节约能源等要求，建议绥化地区地板热辐射采暖住宅冬季室内舒适温度取值区间为23～25 ℃.

4 结论

通过对绥化地区地板辐射式采暖居住建筑冬季室内热舒适的调查与分析，得出以下结论：

(1)该地区室内平均温度为27.1 ℃，主观反应温度偏高；室内平均湿度仅为34.5%，未达到人体舒适湿度的标准范围(45%～70%).

(2)由于采暖温度过高，居民多采用开窗通风散热降温等行为调节方式，造成了不必要的热量流失.

(3)该地区该类型建筑采暖主观温度计算结果为：男子23.7 ℃，女子24 ℃；80%居民可接受的温度为21.9～25.7 ℃.

(4)该地区该类型建筑热中性温度上限为25.8 ℃，期望温度为24.9 ℃.综合考虑，建议冬季室内舒适温度取值区间为23～25 ℃.