基于人体最不舒适部位的供暖温度研究*

哈尔滨工业大学 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室 王昭俊 刘 畅 苏小文 杨宇鑫

0 引言

近年来，我国建筑能耗逐年增加，其中供暖能耗占比约为21%[1]，节能减排形势严峻。与此同时，智慧城市、智慧建筑和智慧供热的概念也相继提出，成为未来城镇发展的一种新趋势。《中国供热蓝皮书2019——城镇智慧供热》[2]强调要加强人工智能、大数据、物联网等先进技术在热力行业的应用，打造更精准、高效、节能的中国热力行业智慧供热“新范式”。《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》指出了我国城镇供热系统发展呈现的趋势，其中用户侧呈现为按需、精准、舒适供热的要求日益提高。王昭俊提出智慧供热的目标是满足人的热舒适需求[3]。而建筑热环境中人员不同部位的热感觉是有差异的，如何根据室内人员不同部位的生理热反应、心理热反应进行供暖室温的设定，既满足人体的热舒适需求，又能降低供暖能耗，是智慧供热亟需解决的关键问题。

本文拟分析我国北方地区常用的2种供暖方式营造的环境室温的分布特征，以及其对人体不同部位热感觉与热舒适的影响规律，为未来智慧供热中室温的精准调控提供理论依据。

1 实验介绍

1.1 工况设计

实验在哈尔滨工业大学建筑热能工程系的人工微气候实验室进行。实验室由2个相邻房间组成，称为实验室A和实验室B，实验室A用于模拟室内热环境，实验室B用于模拟室外气候。实验室A和实验室B之间的隔墙上有一个塑钢玻璃窗，可视为外墙和外窗。

实验室的总尺寸为6.0 m(长)×3.3 m(宽)×3.0 m(高)，实验室A的尺寸为3.9 m(长)×3.3 m(宽)×3.0 m(高)，窗户尺寸为1.8 m(长)×1.5 m(宽)。实验工况如表1所示。实验1模拟地板辐射供暖热环境，实验室A地板下铺设加热电缆；实验2模拟散热器供暖热环境，散热器布置在外窗下。在前期现场调查中发现，室温19 ℃为最不利工况，室温21 ℃和22 ℃为热中性工况[4-5]。哈尔滨冬季1月份白天室外平均温度约为-15 ℃，因此实验室A和实验室B温度设定如表1所示。

表1 实验工况

1.2 参数采集

测点布置如图1所示。实验1中，受试者位于室内中心点，在其附近距地面0.1、0.6、1.1 m 3个高度各布置1个测点，分别代表坐姿受试者的脚踝、腰部和头部。实验2中，在室内中心点和受试者附近共布置2组测点，2组测点在竖直方向上的布置与实验1相同，水平方向具体位置见图1b。

1.受试者位置；2.散热器。图1 实验室测点布置

实验采用客观测试与主观问卷相结合的方式进行，采集室内热环境客观参数、受试者的主观热感受及生理参数。环境参数包括实验室A的空气温度、空气相对湿度、空气流速、黑球辐射温度和围护结构内表面温度。生理参数包括皮肤温度、心率和血压等，皮肤温度测试部位为额头、后背、手背、手臂和脚踝5个部位。心理反应包括受试者的整体热反应和不同部位的局部热反应。受试者热感觉投票采用ASHRAE 7级连续标度。实验期间受试者着统一服装，服装热阻值约为1.0 clo。

每次实验进行90 min，前30 min让受试者适应室内热环境，后60 min为实验阶段。受试者在实验过程中每隔10 min填写1次主观问卷，生理参数的采集频率为皮肤温度每隔5 min 1次，血压和心率每隔30 min 1次。环境客观参数每隔5 min自动采集1次。具体实验过程见文献[4-7]。

2 实验结果分析

2.1 地板辐射供暖环境下人体最不舒适部位热感觉

在不同供暖环境下，脚踝的热感觉是判断人体舒适与否的关键因素。图2显示了地板辐射供暖不同工况下受试者的局部热感觉投票。工况1中，额头的热感觉投票平均值最高，为0.32，脚踝的投票值最低，为-0.17，全身热感觉投票为-0.11。工况2中，额头的热感觉投票平均值最高，为0.67，脚踝的投票值最低，为0.55，全身热感觉投票为0.56。可见，对于地板辐射供暖环境，当室温降低时，人体全身和各部位的热感觉投票值都降低，并且脚踝部位的热感觉投票接近全身热感觉投票，脚踝部位的热感觉影响全身热感觉[4-7]。在2种工况中，脚踝的热感觉都是最低的，其中工况1的脚踝热感觉为中性偏凉，因此工况1可以视为最不利工况，后文将重点分析。

图2 地板辐射供暖局部热感觉投票

图3显示了工况1各部位皮肤温度随时间的变化。可以看出，额头和后背保持较高的温度，而脚踝的皮肤温度最低，并且随着时间的变化逐渐降低，平均值为29.7 ℃。

图3 工况1各部位皮肤温度的变化

2.2 散热器供暖环境下人体最不舒适部位热感觉

图4显示了散热器供暖不同工况下受试者的局部热感觉投票。工况3中，额头的热感觉投票平均值最高，为0.30，脚踝的投票值为0.04，手背的投票值为0(中性)，全身热感觉投票为0.08。工况4中，额头的热感觉投票平均值最高，为0.49，脚踝的投票值为0.22，手背的投票值为0.17，全身热感觉投票为0.30。2种供暖环境下，手背热感觉出现波动，说明手背相对身体其他部位对温度的变化更加敏感。这主要是由于手部暴露在空气中，没有衣物的遮盖；同时手部一直处于活动状态，易受室内环境变化的影响，例如外窗的冷辐射及皮肤表面与空气的对流换热等。由于手部的灵活性、热感觉不稳定及影响因素较多的原因，本节不将其作为重点研究部位。

图4 散热器供暖局部热感觉投票

对比2种工况，各部位热感觉投票分布十分接近。工况3中各部位的热感觉投票值都低于工况4，热感觉投票平均值稍高于手背的部位是脚踝，其投票值与全身热感觉投票也是最接近的，应重点分析。

图5显示了工况3各部位皮肤温度随时间的变化。可以看出，与地板辐射供暖环境相似，额头和后背的温度较高，脚踝的温度随着时间的变化逐渐降低，平均值为30.9 ℃。

图5 工况3各部位皮肤温度的变化

2.3 室内热环境参数及评价指标选取

根据实验测试结果，4种工况下的平均空气温度和平均作用温度相差0.3 ℃以内，且考虑实际应用中主要控制室内空气温度，因此，本文拟采用空气温度作为评价指标。

以地板辐射供暖环境的工况1为例，实验期间对0.6 m高度处的空气温度和黑球温度进行了连续监测，空气流速取实验室内平均空气流速0.01 m/s，计算可得到连续的作用温度，如图6所示。经计算，得到空气温度与作用温度的平均差值为0.3 ℃。4种工况下的平均空气温度和平均作用温度见表2，由表2可知，2种供暖环境下，室内空气温度与作用温度相差不大，均不超过0.3 ℃，因此，可直接采用空气温度作为评价指标。

图6 工况1空气温度与作用温度的对比

表2 4种工况下的平均空气温度和平均作用温度 ℃

3 智慧供热室温控制策略

目前国内外热舒适标准给出的舒适温度或室温控制点一般都是指室内人员坐姿头部大约1.1 m高度处的温度。通过前文的分析可知，人体最不舒适的部位是脚踝，只要满足人体脚踝部位的热舒适，即可满足人体全身热舒适。但是监测室温时，室内空气温度测试仪表不方便布置在0.1 m高度处(踢脚板位置)。《黑龙江省城市供热条例》[8]中规定检测居民室内温度时，应当以居民卧室、起居室(厅)门进深1/2处距地面1.4 m高度点为检测点进行检测。考虑到国内外热舒适标准对头脚温差的限定一般指坐姿头部1.1 m高度和脚踝0.1 m高度处的空气温度之差，因此本文建议将距地面1.1 m高度处作为室温控制点，并依据头脚温差推断不同供暖方式控制点的室温。

ISO 7730：2005标准[9]和ASHRAE Standard 55-2017标准[10]中规定：坐姿头脚温差不应超过3 ℃。

图7、8显示了地板辐射供暖环境和散热器供暖环境室内竖直温度分布。可以看出，最不利工况1、3的头脚温差分别为0.3 ℃和1.1 ℃，均满足上述标准中的规定。

图7 地板辐射供暖室内竖直温度分布

图8 散热器供暖室内竖直温度分布

智慧供热的核心任务是根据热用户的热舒适需求控制室温。建议基于人体最不舒适部位，即脚踝的热感觉进行室温调节。在地板辐射供暖最不利工况1中，脚踝处(近似为0.1 m高度处)的空气温度与对应的室温控制点(室中心1.1 m高度处)温度之差为0.3 ℃，即地板辐射供暖控制策略为：在满足脚踝热舒适温度的基础上升高0.3 ℃，为18.7 ℃。在散热器供暖环境最不利工况3中，脚踝处(0.1 m高度处)的空气温度与对应的室温控制点(室中心1.1 m高度处)温度之差为0.9 ℃，即散热器供暖控制策略为：在满足脚踝热舒适温度的基础上升高0.9 ℃，为20 ℃。

本研究推荐供暖室温明显高于现有规范要求，即散热器供暖室温为18 ℃，地板辐射供暖室温16 ℃。其差异可由服装热阻来解释。根据Fanger的热舒适评价指标PMV-PPD，18 ℃标准室温工况下，如果人员有相同的热感觉(PMV=-0.11)，服装热阻需增加到1.5 clo，明显高于本实验受试者的服装热阻1.0 clo。因此，规范规定的较低的室温限值是以增加人员服装热阻为代价的。课题组现场调研发现，在严寒地区供暖房间内，人员穿着较轻薄，住宅环境中居民的平均服装热阻仅为0.83 clo。随着人们生活水平的提升，可适当提高室温，以满足人员的热舒适需求。

4 结论

1) 地板辐射供暖环境下，室温为19 ℃时，人体全身热感觉平均值为-0.11，脚踝部位的热感觉最低，为-0.17，对应的平均皮肤温度为29.7 ℃。

2) 散热器供暖环境下，室温为19 ℃时，人体全身热感觉平均值为0.08，脚踝部位的热感觉为0.04，对应的平均皮肤温度为30.9 ℃。

3) 智慧供热的策略为：满足人体最不舒适部位的热需求。

4) 地板辐射供暖控制策略为：在满足脚踝热舒适温度的基础上升高0.3 ℃，为18.7 ℃；散热器供暖控制策略为：在满足脚踝热舒适温度的基础上升高0.9 ℃，为20 ℃。