夏热冬冷地区基于座位的个性化供暖系统研究

上海理工大学 于国清 顾赵季 闫振业 杨高杰 王智德 陈恒韬

一次修回：2020- 02- 10

二次修回：2021- 02- 02

0 引言

我国夏热冬冷地区冬季阴冷高湿，室内热环境状况恶劣[1-2]。尽管室外温度并不是很低，大部分时间在0 ℃以上，但由于建筑外围护结构的保温水平较差，受到偏低室外温度的影响，不供暖时，室内温度通常只有8～12 ℃，导致人体舒适性较差。为了提高舒适性，人们通常穿着较厚的冬季服装(通常为羽绒服或棉外套，服装热阻一般为1.2～1.5 clo)，但即使这么厚的着装，在室内伏案工作学习时，仍然感觉偏冷，下半身的冷感尤其明显[3]。冬季室内通常采用分体式空调供暖，以改善室内热环境、提高舒适性，这种传统供暖空调是在整个房间或人员居留区营造均匀的热环境，满足大多数人的舒适性要求[4-5]。但是分体式空调的使用会带来不容小觑的能耗，且难以达到室内所有人都满意的舒适温度。因此，个性化供暖系统被提出。个性化供暖系统不同于分体式空调，允许个体根据自己的热舒适偏好，对自己周围的微热环境进行调节控制，可以明显提高满意率。在夏热冬冷地区使用个性化供暖系统对提高寒冷环境下人体的热舒适性有重要作用。

目前已经有多人研究了不同环境下不同类型的个性化供暖系统对人体热感觉的影响，其中研究较多的是对静坐办公或学习时热感觉的影响。谭畅等人研究得到足部供暖在非均匀环境下不仅增强了足部热感觉，还提升了大腿、小腿及整体的热感觉[6]。李甲等人研究了电热坐垫和暖脚板对热舒适性的影响，结果证明其能够显著提高局部和整体热舒适[7]。Udayraj等人研究了3种个性化供暖设备，分别是加热桌、加热椅和加热地板联合使用及电加热服，结果发现电加热服在增强局部、整体热感觉和热舒适方面表现得更好，且消耗的能量也较小[8]。He等人研究对比了加热椅和暖腿绑带联合使用、仅使用加热椅及两者都不使用的情况下的热感觉[9]。He等人实地调查了湖南当地农村居民冬季使用的火桶，研究发现火桶具有扩大可接受温度范围的优势，并将火桶进行改造，分别在9、12、15、18 ℃下探讨了主观热舒适度和能耗情况，结果表明在使用火桶15 min内，整体热感觉、热舒适和热可接受度均有所改善[10-11]。Zhang等人在一间办公室中配备个人足部加热装置，并将房间加热后的温度设定值从21.1 ℃调整至18.9 ℃进行实验，发现保持比正常室内温度更低的温度时，受试者的热舒适不会受到影响[12]。Vesel等人在操作温度为18 ℃的房间内对加热椅、加热桌垫和加热地垫单独或组合进行实验，发现三者结合使用的完整系统显著提高了热舒适性，单独使用时加热椅和加热桌垫也能提高热舒适性，其中加热椅最节能[13]。Foda等人在一大厅空间模拟了购物中心座位下使用加热地板的情况，结果表明在稳态功率最小的情况下，座位下放置3块加热地板，呈“品”字形布置，是最优的形式[14]。

研究发现，个性化供暖系统在一定程度上能够提高夏热冬冷地区冬季人体热舒适性。已有的个性化供暖研究主要是针对较高温度(18 ℃)下人体的热舒适性，本文的研究主要针对较低温度(12～16 ℃)工况，对加热地板+普通座椅及加热地板+保温座椅(座椅的下半部分用保温板包裹)相结合的个性化供暖系统进行对比分析，对个性化供暖设备对人体局部、整体热感觉的改善情况展开研究。

1 基于座位的个性化供暖装置

1.1 加热地板+普通座椅

在夏热冬冷地区的冬季，不供暖时，房间空气温度通常只有12～16 ℃，人们坐于桌前办公或学习时，一般会觉得冷，下半身的冷感尤其明显。本文设计了2种基于座位的个性化供暖装置，第1种为加热地板+普通座椅，如图1所示，在桌椅下布置加热地板，面积通常为0.5～1.5 m2，加热地板通过辐射和对流对人体周围的微环境进行加热。加热地板既可以采用电加热，也可以采用低温热水进行加热。这种方式既可以用在办公室，也可以用在住宅。

图1 加热地板+普通座椅示意图

1.2 加热地板+保温座椅

在加热地板+普通座椅的形式下，热量通常会通过椅子下部四周的敞开处向周围环境散发，使得座椅表面温度的提升效果不明显，因此本文设计了第2种形式：加热地板+保温座椅，如图2所示，加热地板与第1种形式相同，但对普通座椅的椅腿后部、左部及右部用保温板进行包裹，使之变为保温座椅。

图2 加热地板+保温座椅示意图

2 个性化供暖装置的热感觉实验方法与过程

2.1 热感觉实验方法及条件

为了研究上述2种个性化供暖装置对人体局部、整体热感觉的改善效果，进行了热感觉调查实验。实验于2018年12月至2019年3月在上海的一间办公室进行，房间尺寸为6.0 m×3.4 m×3.4 m(长×宽×高)，房间位于楼道的北面，北面有外窗，南门连接走廊，左右相邻房间及走廊均不进行供暖，在房间内相邻的2个工位下各布置2块加热地板，如图3所示。其中，工位1为加热地板+普通座椅，工位2为加热地板+保温座椅。为了便于实验，使用了电加热地板，尺寸为60.0 cm×60.0 cm×1.5 cm(长×宽×高)，采用陶瓷耐高温耦合碳纤维发热技术，每块电加热地板额定功率为81.5 W，可通过变压器调节其功率。

图3 实验房间布置图

实验的受试者为10名年龄在20～25岁之间的大学生，身高为160～180 cm，体质量为47.5～70.0 kg，受试者身体状况良好，并在实验开始前均未进行任何剧烈运动。受试者着装为冬季自然着装，均为厚服装：上身为棉服+毛衣+保暖秋衣；下身为秋冬季牛仔裤+保暖秋裤；脚部为运动鞋+长袜。服装热阻Iclo为1.2～1.5 clo。

实验采用ASHRAE热感觉标度(3很热，2热，1有点热，0中性，-1有点冷，-2冷，-3很冷)对受试者进行热感觉投票。在室内布置了铜-康铜热电偶测量温度，并连接数据采集仪34972A自动采集测点温度，测点布置于四周墙面、房间中心、加热地板表面及其上方10 cm和20 cm高处，测量个体微环境温度场、地板表面温度、空气温度及房间壁面温度。室内空气流速通过KIMO-VT100热线风速仪进行测量，利用钳形功率计PW3360-30测量加热地板功率。

2.2 热感觉实验过程

分别在房间温度12、14、16 ℃下进行实验，对无加热地板、加热地板+普通座椅和加热地板+保温座椅3种工况进行热感觉投票，具体工况描述见表1。

表1 实验工况

工位1可设置为加热地板+普通座椅或无加热地板，工位2则为加热地板+保温座椅，在进行测试之前由实验员提前30 min开启加热地板。每个受试者测试时间总计为45 min，受试者首先进入房间温度为21～23 ℃的等候室等待15 min，再进入实验室，于工位1上静坐10 min后根据要求填写调查问卷，然后受试者移动至工位2，静坐20 min，期间每隔10 min填写一次调查问卷，在进入实验室的30 min内共进行3次投票，在测试过程中受试者可以看书或使用计算机。在前一位受试者测试完毕后，下一位受试者需在10 min后再进入实验室，以排除实验室在测试过程中受到的干扰因素影响实验结果。在整个测试期间，均不告知受试者加热地板是否开启，以排除受试者个人的心理因素对测试结果的影响。并使用数据记录仪记录测试过程中加热地板的表面温度及其附近温度。

2.3 热电偶测点参数

房间温度为12、14、16 ℃时，在使用保温座椅的情况下，测点平均温度见表2。

由表2可以看出：在加热地板额定功率下，加热地板表面平均温度为31.5～33.4 ℃，而随着室内温度升高，地板表面温度略有升高；加热地板向上10、20 cm高处温度比室内空气温度高，温度越低，对微环境下空气温度的提高程度越明显，12 ℃时向上10、20 cm高处分别约提高5.0、2.2 ℃，14 ℃时向上10、20 cm高处分别约提高4.3、1.6 ℃，16 ℃时向上10、20 cm高处分别约提高3.3、0.9 ℃。使用热线风速仪测得风速均小于0.1 m/s，多处测得风速显示值为0，因此本文暂不研究风速对人体热感觉的影响。

3 个性化供暖装置的热感觉提升效果分析

3.1 房间温度12 ℃时的热感觉分析

12 ℃时将无加热、加热地板+普通座椅和加热地板+保温座椅的热感觉投票结果进行对比，分析热感觉的提升效果，结果如图4所示。

由图4可以看出：

1) 加热地板+普通座椅与无加热地板相比，除足部外，其余部位热感觉基本相同，可见加热地板对于足部热感觉的提升有一定效果(投票值从约-2.1升至约-1.5)，但其热量只是作用于足部，对于受试者其他部位的热感觉提升见效甚微。

2) 加热地板+保温座椅较加热地板+普通座椅，对人体热感觉有显著的提高，腹部和臀部的热感觉由原来凉趋于暖的状态(腹部投票值从约-0.7升至约0.2，臀部投票值从约-0.7升至0.6)，大腿热感觉由原来冷的感觉变为稍凉状态(投票值从约-1.7升至-0.6)。而对膝盖、小腿及足部影响不甚明显，膝盖仍处于很冷的状态(投票值约-2.4)，小腿及足部处于冷的状态(投票值约-1.5)。

在12 ℃下，加热地板+普通座椅提升效果甚微，加热地板+保温座椅能明显提高人体下半身的热感觉，但因空气温度过低，除腹部、臀部与大腿外，其余人体局部及整体热感觉仍未满足热舒适的要求。

3.2 房间温度14 ℃时的热感觉分析

14 ℃时加热地板+普通座椅和加热地板+保温座椅的热感觉对比结果如图5所示。

图5 14 ℃时热感觉对比

由图5可以看出：

1) 在加热地板+普通座椅的工况下，仅有足部的热感觉处于有点冷与中性之间(热感觉投票值约为-0.5)，其余局部热感觉及整体热感觉都处于有点冷与冷之间(投票值为-2.0至-1.0)。

2) 在加热地板基础上加保温座椅之后，臀部、腹部和足部的热感觉有了明显提升，基本接近热中性；大腿热感觉也有较明显提升(投票值从约-1.3升至-0.7)，但仍处于稍冷状态；膝盖和小腿有较小的提升(小腿投票值从-1.1升至-0.6，膝盖投票值从-1.5升至-1.2)，仍感觉到稍冷。

在14 ℃时，结合保温座椅的加热地板相较于加热地板+普通座椅，对受试者局部和整体热感觉有较为明显的提升，尤其腹部、臀部和足部可以达到热中性。

3.3 房间温度16 ℃时的热感觉分析

室内温度为16 ℃时，当穿厚着装时受试者本身不会觉得很冷，个体热感觉仅仅是稍冷状态[15]。因此，实验对无加热地板和加热地板+保温座椅的2种工况进行对比研究，对比结果如图6所示。

图6 16 ℃时热感觉对比

由图6可以看出：

1) 无加热地板的情况下，因室内温度为16 ℃，热感觉基本处于有点冷与中性之间(投票值为-1.0至0)，但可看出大腿、膝盖和小腿为中性偏冷的感觉。

2) 当采用加热地板+保温座椅时，各部位热感觉都有一定提升，臀部和腹部改善至热中性，而小腿和足部的热感觉有很大提升，从偏冷状态提升至偏热状态(小腿投票值从-0.9升至0.6，足部投票值从-0.2升至1.0)，是因为加热地板使得足部过热；大腿和膝盖热感觉稍有提升(提升程度约为0.2～0.3)，接近热中性。

在16 ℃时，结合保温座椅的加热地板与无个性化供暖设备相比，有较好的改善效果，尤其腹部、臀部可以达到热中性，但对于足部和小腿来说已经感觉到稍热。

4 个性化供暖的能耗比较与分析

4.1 电加热地板与热泵型空调器的能耗对比

对加热地板的能耗情况进行了测定，并将其与办公室冬季供暖时普遍使用的热泵型分体式空调的能耗进行一个粗略的对比分析，两者比较的基准是能够提供大致相同的舒适性，加热地板在较低室内温度下能够提供较好的舒适性，而房间温度设定为20 ℃时[16]，分体式空调也能提供大致相同的热舒适性。在对加热地板的能耗与分体式空调的能耗进行比较时，加热地板的使用情况是每块加热地板都处于额定功率(81.5 W)下；分体式空调器的能耗测定是选择同一房间，房间温度设定为20 ℃，在室外温度与加热地板个性化供暖实验时室外温度相近的日期开启，使用钳形功率计记录逐时空调能耗，房间内分体式空调器功率为1 200 W左右。将运行时间都设置为09:00—17:00，在测试时间段内分体式空调器累计的运行能耗为7.94 kW·h，而加热地板按照房间内设置2个工位、运行时间为9 h的累计能耗为2.93 kW·h，可减少约63.1%的能耗。在实际生活中，办公室内可能并不只有2人，也会有3、4人的情况，表3中给出了在20 m2的办公室内不同人数情况下个性化供暖相较于分体式空调的节能量。

表3 个性化供暖与分体式空调能耗对比

4.2 加热源相同时的能耗对比

上述分析中，虽然加热地板与空调都使用电，但两者用电产热的能效大不相同，下面分析假设都采用单纯电加热时的能效对比，个性化供暖装置仍采用电加热，热泵型分体式空调改为电加热型房间供暖器。假设分体式空调COP为2.5，电加热型房间供暖器提供相同热量时的能耗及房间内设置2、3、4个工位时的节能率见表4。

表4 加热源相同时的节能率

由表4可以看出，如果个性化供暖与房间供暖器采用相同的热源，个性化供暖装置具有更加可观的节能效果。

5 结论

1) 加热地板+普通座椅与无加热地板相比，仅对足部的热感觉有一定改善，对于其他部位的热感觉改善效果甚微。

2) 加热地板+保温座椅对于提升受试者的局部、整体热感觉更有效果。

3) 12 ℃时，使用加热地板+保温座椅在一定程度上能够提高人体的热感觉，腹部和臀部的热感觉由凉趋于暖，大腿热感觉由冷变为稍凉状态。而对膝盖、小腿及足部影响不甚明显(膝盖投票值约-2.4，小腿及足部投票值约-1.5)，因空气温度过低，热感觉仍未满足舒适要求。

4) 14 ℃时，使用加热地板+保温座椅相较于加热地板+普通座椅，受试者热感觉有较为明显的提升(大幅度提升如腹部、臀部约为1，小幅度提升如小腿、足部约为0.4)，尤其腹部、臀部和足部可以达到热中性。

5) 16 ℃时，使用加热地板+保温座椅，腹部、臀部可以达到热中性，但对于足部和小腿提升效果过大，容易使人感觉到稍热而转为不舒适。

6) 使用加热地板+保温座椅与分体式空调相比较，仅用较低的能耗就能满足人体舒适性，当房间内设置2个工位时，节能率为63.1%。

7) 在夏热冬冷地区冬季个性化供暖系统的使用在一定程度上能够改善较冷环境中人体的热舒适性，且能耗大幅降低。