不同空调系统末端热舒适现场测试对比研究

清华大学 清华大学建筑设计研究院有限公司 赵海湉

清华大学 周政翰 林波荣△ 刘 实 朱颖心 孙弘历

清华大学建筑设计研究院有限公司 刘建华 张菁华

0 引言

目前，不同形式的空调系统末端在建筑工程中被大量应用。根据传热方式不同，可将空调系统末端分为对流换热末端(风机盘管、全空气系统等)、辐射换热末端(辐射天花、辐射地板)、部分辐射+部分对流末端(冷梁系统)。由于传热方式的差别，不同形式空调系统末端营造的室内环境不同，与人体进行传热的形式和比例也不同，最终导致人体在不同末端环境中的热舒适表现不同。目前对于不同空调系统末端的热舒适研究主要为人工气候室实验[1-4]和现场测试[5]，通过现场室内环境参数测试和人员主观问卷调研得到不同工况下的人体热舒适[1-5]。部分研究提出辐射空调系统相对于传统对流末端空调系统有较好的热舒适性。Peng等人在我国中南部地区进行了空气介质辐射空调系统和分体空调器热舒适性的对比研究，发现辐射空调系统的中性温度高于分体空调器，且人体可以接受的温度范围较大[1]。Chao等人对风机盘管系统和地板辐射系统供冷时不同高度空间的热舒适性进行了比较研究，发现地板辐射系统相对于风机盘管系统在更高的空间中具有较好的热舒适性[2]。但是也有一些研究提出辐射空调系统会对人体局部造成热不舒适。He等人对我国珠海使用不同空调系统末端的办公室进行了结合环境测量和问卷调研的实地调查，发现不同空调系统末端条件下人体不同部位的局部热感觉表现出很大差异，并且显著影响整体热感觉和整体舒适度，特别是头、手、腿和脚的局部热感觉对整体热感觉有相当大的影响[5]。Zhen等人对辐射空调系统的现场调查结果显示，有14%～22%的参与者报告手臂和腿脚区域出现局部冰凉不适[3]。Zhou等人在实验室研究发现，在2 h暴露测试条件下，辐射地板冷却系统比辐射天花冷却系统更容易引起不适感，寒冷的地面导致足部、小腿和大腿部位的局部热感觉明显降低，局部皮肤温度降低[4]。

目前的研究大部分为人工气候室实验，少有研究对不同空调系统末端案例进行大量的实际现场调研测试，并进行对比分析研究。本文对大量现场调研案例结果进行综合比较分析，得出不同末端人体热舒适的表现特征，旨在指导空调系统的节能舒适设计和运行。

1 现场测试案例及方法

为得到不同空调系统末端在实际使用场景下的人体热舒适数据，本研究对6个城市的12个办公建筑案例进行室内环境测试和人体热舒适现场调研。室内环境测试与人体热舒适现场测试同时进行，保证二者数据的对应性。测试时间为2017—2019年3年的夏季，由于测试项目均为办公建筑，测试时间段选为工作日白天办公时间(约09:00—17：00)。测试项目及样本基本信息如表1所示。

表1 测试项目及样本基本信息

本次调研的空调系统末端主要有3种，即：风机盘管、辐射地板、辐射天花。其中，风机盘管末端(对流末端)案例6个，辐射地板末端和辐射天花末端案例各3个。总有效问卷数为2 964份，其中调研人员样本的性别及年龄分布如图1所示。

图1 热舒适调研样本性别及年龄分布

现场测试内容主要包括：热环境参数测试、人员热感觉问卷调研。室内热环境测试参数主要包括：干球温度、相对湿度、黑球温度、风速等。室内热环境参数测试位置选取为主要人员工作空间1.5 m高度处。测试仪器周围没有明显热源及太阳光直射。人体热舒适测试数据由人员现场问卷调研得到。测试样本人群为被测项目中长时间停留人员，热感觉稳定时间超过1 h。热舒适测试主要内容为室内人员热感觉投票TSV。热感觉评价标尺采用ASHRAE标准的七级标尺(-3很冷，-2冷，-1凉，0中性，1暖，2热，3很热)[6]。研究TSV与操作温度的关系，其中操作温度为测量得到的空气干球温度与辐射温度的加权平均值，辐射温度由空气干球温度、黑球温度和风速计算得到。

2 测试结果分析

2.1 对流末端系统测试结果分析

各对流末端案例测试得到的TSV随操作温度的变化曲线如图2所示。6个案例的综合测试数据拟合得到的TSV曲线如图3所示。表2给出了各个案例拟合曲线表达式、计算中性温度及人体热舒适敏感度TCS(thermal comfort stability)。其中TCS的物理含义为操作温度变化1 ℃时人体热感觉变化量，即TSV拟合曲线的斜率。从统计结果可以看出，各调研案例拟合结果的R2接近1，线性拟合程度较高。同样，各案例综合测试数据的线性拟合程度也较高。对流末端条件下，各案例人体中性温度分布在25.1～25.8 ℃之间，调研综合中性温度为25.5 ℃。TCS计算结果分布在0.36～0.59 ℃-1之间，调研综合值为0.38 ℃-1，与Peng等人在实验室对分体空调办公空间TSV进行研究得到的实验结果[1]非常接近。分体空调末端也属于对流末端的一种。

图2 对流末端案例TSV测试结果曲线

图3 对流末端案例TSV测试结果综合曲线

表2 对流末端案例TCS测试结果

2.2 辐射地板末端系统测试结果分析

辐射地板末端案例TSV测试结果如图4、图5及表3所示。3个案例的TSV线性拟合程度较高，但案例8的TSV拟合曲线与案例7和案例9相比较为“陡峭”，即TCS较大。3个项目的TCS计算结果分布在0.15～0.40 ℃-1之间，调研综合值为0.15 ℃-1。辐射地板末端3个案例调研得到的中性温度一致，约为25.3 ℃。

图4 辐射地板末端案例TSV测试结果曲线

图5 辐射地板末端案例TSV测试结果综合曲线

表3 辐射地板末端案例TCS测试结果

2.3 辐射天花末端系统测试结果分析

辐射天花末端案例TSV测试结果如图6、图7及表4所示。辐射天花末端3个案例的TSV线性拟合程度较高，综合TSV线性拟合程度也较高。其中，3个案例的TCS分布在0.68～0.70 ℃-1之间，调研综合值为0.66 ℃-1。辐射天花末端调研得到的中性温度分布在25.1～25.5 ℃之间，调研综合中性温度为25.3 ℃。

图6 辐射天花末端案例TSV测试结果曲线

图7 辐射天花末端案例TSV测试结果综合曲线

表4 辐射天花末端案例TCS测试结果

3 综合讨论分析

3种不同空调系统末端测试结果的综合对比见图8和表5。

图8 不同末端TSV测试结果综合比较

表5 不同末端案例TCS测试结果

由统计计算结果分析发现，辐射天花末端与对流末端系统线性拟合程度较高。由于案例8与案例7和案例9的TCS差别较大，导致辐射地板末端调研结果的综合线性拟合程度相对较低。其中，不同末端的计算中性温度几乎一致，约为(25.4±0.1)℃。但在3种不同空调末端条件下人体对于温度变化的敏感程度TCS有较大差别。可以看到，人体对于辐射天花环境的温度变化最敏感(TCS=0.66 ℃-1)，对辐射地板环境最不敏感(TCS=0.15 ℃-1)，辐射天花的TCS为辐射地板的4.4倍。对流末端的TCS处于中间水平(TCS=0.38 ℃-1)，为辐射地板TCS的2.5倍。TCS的大小可以直接反映人体热感受的区间大小。考虑TSV在[-0.5, 0.5]范围内时，3种末端环境操作温度的区间为：对流末端[24.2 ℃，26.8 ℃]，辐射地板[22.0 ℃，28.6 ℃]，辐射天花[24.6 ℃，26.1 ℃]。也就是说，在满足人体热感觉区间相同的情况下，辐射地板调节温度区间长度最大(为6.6 ℃)，辐射天花最小(为1.5 ℃)，对流末端居中(为2.6 ℃)。

对于不同末端TCS差别较大的原因，这里给出笔者的猜想。图9显示了不同空调系统末端在办公室内的分布情况。其中辐射天花系统对人体头部及上肢的影响较大，当处于夏季工况时，辐射天花冷表面会与人体头部和上肢裸露的部分直接进行长波辐射换热，所以当辐射天花温度变化时，人体头部和上肢是最先感受到温度变化的部位。辐射地板系统则与人体下肢距离最近，除对流换热外，辐射地板系统可以与下肢裸露部分直接进行长波辐射换热，从而直接影响局部皮肤温度，所以下肢最先感受到辐射地板表面温度的变化。而对流末端系统几乎不与人体直接进行辐射换热，人体通过空气的对流换热感受空气温度变化。绝大多数对流末端都设置在吊顶内，当送风温度变化时，人体头部附近的空气温度变化速度要快于脚部附近。

图9 不同空调末端在办公室内的分布情况

人体各部位冷点分布密度如表6所示[7]。将不同部位的感受器冷点分布密度分类统计得到，头部的感受器冷点总数量约为下肢的2倍，上肢感受器冷点约为下肢的1.5倍，而头部和上肢的感受器冷点总和约为下肢的4倍。这就可以解释辐射天花系统的TCS明显大于辐射地板系统的原因。

表6 人体各部位冷点分布密度[7] 个/cm2

4 结论与讨论

本研究旨在探讨不同空调末端系统条件下的人体热舒适差异，这里空调末端主要为辐射地板、辐射天花和对流末端3种。本研究对采用不同空调末端的12个办公建筑案例进行了室内环境测试和人体热舒适现场调研，得到了人体在不同空调末端条件下的热感觉投票(TSV)随操作温度的变化规律。主要结论为：

1) 在各种空调末端环境中，调研得到的人体计算中性操作温度差别很小，为(25.4±0.1)℃。

2) 在不同空调末端条件下，人体对于温度调节变化的敏感程度(TCS)有较大差别。其中，人体对辐射天花环境的温度变化最敏感(TCS=0.66 ℃-1)，对辐射地板环境最不敏感(TCS=0.15 ℃-1)，对流末端处于中间水平(TCS=0.38 ℃-1)。当需控制相同的热感受区间时，辐射地板系统的舒适操作温度区间最大。

从空调系统末端与人体及室内环境的传热机理考虑，不同空调末端与人体不同部位的主要传热形式及传热量的比例不同，加之人体不同部位的感受器冷点分布密度不同，最终导致了不同空调末端TCS的明显差别。

虽然根据调研结果，中性操作温度差别不大，但不等于人体最舒适的操作温度差别也不大，也就是说“中性不一定等于舒适”，后续需研究“中性与舒适”的关系。此外，本文对3种末端的12个建筑进行调研，作为基础研究支撑理论分析的样本数量还明显不足，所以后续加大调研样本，对进一步完善数据分析和支撑研究结论有重要作用。