个人舒适系统作用下的杭州市冬季住宅居民热舒适特征

陈淑琴，陈悦，华颖，孔舒怡，张彦彤，王子煜，刘佳琪，徐怡宁

（1.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058；2.浙江大学平衡建筑研究中心，浙江杭州 310058）

夏热冬冷地区涉及我国16 个省、自治区、直辖市，是人口密集、经济发展快速的地区.该地区的气候特点是夏季高温闷热，冬季阴冷潮湿，室内热环境条件恶劣［1-4］，居民对于这种热环境的接受度也较低［5-6］.由于历史原因，夏热冬冷地区没有发展集中供热.随着人民生活水平的不断提高，该地区居民对室内供暖需求越来越高，供暖能耗量也大幅增长［7］.寻找合适的供暖方法在改善热舒适的同时达到节能的目的是夏热冬冷气候区迫切需要开展的工作.

个人舒适系统，指的是通过改善一个或多个身体部位的局部热状况来改善人体舒适度的系统或设备［8］.一些研究［9］证明，人体各部分对整体热反应的影响程度不同，改善重点局部部位的热舒适即可以改善整体热舒适.因此，个人舒适系统在满足居民个性化热舒适的同时，避免了对建筑室内全部空间供热，为建筑供暖空调节能提供了机会［8］.在冬季，个人舒适系统是夏热冬冷地区住宅内普遍使用的热环境调节设备，形式主要包括局部辐射板、油汀、红外线加热器、暖脚器、局部暖风机等［10］.Guo 等［11］对上海的调查说明采用“个人舒适系统”和“个人舒适系统+空调”两种模式进行供暖的比例高达80%.

目前个人舒适系统的研究以夏季个性化送风为主［12］，对冬季供暖的研究相对较少，且主要是对办公建筑开展的研究［13］.例如：Zhang 等［14］提出了一种工位空调，在加热模式下使用电热键盘和暖脚器分别加热使用者的手部和腿部.其实验结果表明：在室内温度为18°C 时该工位空调仍能使使用者感觉舒适，且对应的单人加热功率仅为59 W.在非均匀环境中，人体各部位所处的局部热环境（温湿度、风速等）具有差异性［15］.Zhang［16］基于大量人体实验结果，提出考虑“局部-整体”的加州大学伯克利分校热舒适模型.该模型表明，若能消除最不利身体局部的不适感，并根据身体重要局部的舒适需求（例如脚暖头凉）引入相应的局部加热或冷却，则有可能实现整体舒适性.因此，在夏热冬冷地区使用个人舒适系统设备可以缩短空调使用时间和降低设定温度，从而实现建筑节能.

本文对杭州市冬季居民在个人舒适系统作用下的热舒适特征进行调查实测，揭示冬季住宅居民个人舒适系统作用下的热舒适特征，为确定该地区基于特定供暖设备下的住宅室内热环境改善定量需求提供依据，对实现住宅室内热环境的绿色营造和节能减排工作具有重要意义.

1 研究方法

1.1 季节划分方法

首先获取杭州市典型气象年数据，对该地区的季节进行划分.根据《气候季节划分》（QX/T 152—2012）［17］的规定：常年滑动平均气温序列连续5 d 小于10 ℃，以其所对应的常年气温序列中第一个小于10 ℃的日期作为冬季起始日.常年滑动平均气温序列连续5 d大于或等于10 ℃，以其所对应的常年气温序列中第一个大于或等于10 ℃的日期作为春季起始日.杭州典型气象年的气温序列及其滑动平均值如图1所示，可以得出，杭州的冬季从11月下旬持续到次年2月下旬.

图1 杭州典型气象年的气温序列及其滑动平均值Fig.1 Temperature series and moving mean values of typical meteorological year in Hangzhou

统计分析杭州冬季每旬的平均气温值，将冬季划分成冬初冬末和严冬两个时间段.其中冬初冬末包括11月下旬、12月上旬和2月下旬，其平均气温为5～10 ℃；严冬从12月中旬到次年2月中旬，其平均气温为5 ℃以下.

1.2 调查与实测方法

本文的调查时间为2020 年11 月底至2021 年2月，研究方法包括问卷调查、入户现场测试和实验室测试三个部分.

于12 月3日至次年1月20日分别发放冬初冬末和严冬两个时间段的调查问卷，采用线上问卷的方式，采取均匀抽样，在杭州市各行政区样本中完成问卷调研.问卷内容见表1，以了解在典型的住宅性能和建筑运行方式的情况下个人舒适系统的使用特征.共收回有效问卷212 份，其中包括冬初冬末问卷112 份，严冬季问卷100 份.样本包括上城区33 份、下城区36 份、江干区33 份、拱墅区35 份、西湖区38份、滨江区37 份.样本年龄分布为29 岁以下的样本数72 份、30～39 岁的样本数57 份、40～49 岁的样本数54 份、50 岁以上的样本数29 份.大规模问卷调研的样本数量在95%置信度、10%抽样误差下至少需达到96 份［18］，本次问卷调研样本量已超过必须达到的样本规模.

表1 问卷调查内容Tab.1 Survey Contents

为了确定住宅内居民的热舒适特征，进行入户现场测试.入户现场测试时间从2020 年11 月28 日到2021 年2 月25 日，所测试的天气状况均符合当地冬季典型气候特征.在杭州市6 个主城区中选取能代表该区经济水平的26 个小区进行随机抽样，总计120 户，回收有效样本193 份，其中男性80 人（占41.5%），女性113 人（占58.5%）.具体样本数量包括上城区28 份、下城区19 份、江干区33 份、拱墅区20份、西湖区45份、滨江区48份.为确定杭州居民在个人舒适系统作用下的冬季热舒适特征，现场研究遵循客观环境参数测试与主观问卷调查相结合的原则.其中，客观热环境参数测试内容包括：室内温度、相对湿度、空气流速、黑球温度以及记录空调开启情况、空调设定温度、开窗状态、窗帘状态.室内温湿度和黑球温度的测点为人体附近（0.3 m 以内），测点高度为0.6 m.测试参数和仪器见表2.主观问卷调查包括：1）冬季空调及个人舒适系统的使用习惯；2）当前的衣着和活动情况；3）当前的热舒适状况，包括整体热感觉、热舒适、热可接受程度、热偏好，以及人体10个部位（如图2 所示）的热感觉和热舒适.通过上述实测和问卷，可以反映杭州市住宅居民在个人舒适系统作用下的局部热舒适特征和整体热舒适特征.主观问卷调查使用的量表如图3所示.

图2 人体局部10个部位分布图Fig.2 Distribution map of 10 local parts of human body

图3 主观问卷使用的量表Fig.3 The scale used in subjective questionnaires

表2 客观热环境测试参数及仪器Tab.2 Objective thermal environment test parameters and instruments

为进一步揭示整体热舒适和局部热舒适的关系，研究在不同室内温度下不同个人舒适系统作用下的人体整体与局部热舒适特征，开展了实验室测试.实验地点为两室一厅住宅，户型如图4所示.

图4 实验住宅平面图（单位：mm）Fig.4 Plan of experimental residence（unit：mm）

测试设备选择了小太阳和电暖桌，其中小太阳功率450 W；电暖桌功率为100～2 000 W，由使用者自主调节直至达到热舒适为止，发热的位置为电暖桌的四个立柱及底板.设置不同的室内温度和个人舒适系统的组合工况，以模拟整个冬季（包括冬初冬末和严冬）的室内环境，见表3.测试参数在入户现场实测的基础上，采用i-button DS1922L纽扣温度计测量了人体10 个部位（同上）的局部皮肤温度，主观感觉问卷与入户现场实测相同.测试流程如图5所示.为了保证受试者热感觉稳定，实验设计了准备阶段、实验阶段和对照阶段各20 min.其中，准备阶段受试者适应房间热环境，同时被告知实验流程；实验阶段受试者可以使用个人舒适系统；对照阶段为同温度下无个人舒适系统的情况.在实验期间不能进行饮食、抽烟、喝酒、运动或其他可能影响人体状态的活动.受试者需提供相关个人信息，例如年龄、性别、身高、体重等，并按要求粘贴I-button DS1922L 纽扣温度计.实验阶段和对照阶段的第0 min、2 min、5 min、7 min、10 min、15 min、20 min 时填写主观问卷，以获得受试者热感觉和热舒适的动态变化.招募了18 名身体健康的大学生参与每一工况的测试，其中男性8人，女性10 人，共进行了180 人次的测试，如图6 所示，实验者的个人信息见表4.

表3 室温和个人舒适系统设备类型组合工况Tab.3 Combined operating conditions of room tempera⁃ture and personal comfort system equipment type

表4 被试者个人信息Tab.4 Personal information of the subject

图5 实验测试流程图Fig.5 Experimental test flow chart

图6 实验室测试照片Fig.6 Laboratory test photos

2 实验结果

2.1 个人舒适系统使用特征

2.1.1 设备类型

对杭州市居民冬季的供暖方式进行调查，结果见图7.该地区使用个人舒适系统供暖的住户达到被调查住户的57%.最常见的供暖方式是以空调为主，以个人舒适系统为辅，达到了33%.个人舒适系统类型众多，包括暖风机、小太阳、暖脚器、油汀等，其中小太阳的使用比例最高，达到33%，如图8 所示.入户现场实测发现居民使用个人舒适系统时人体到设备的距离平均值为0.8 m.

图7 居民供暖方式比例Fig.7 Proportion of residential heating methods

图8 调研住户使用的个人舒适系统类型分布Fig.8 Distribution of types of personal comfort systems used by households

2.1.2 使用时间特征

根据问卷调研数据，如图9 所示，冬初冬末气温持续下降/上升，个人舒适系统和空调的供暖使用率迅速上升/下降，且个人舒适系统的使用比例高于空调，两者的使用比例在20%～40%之间.在严冬，气温较稳定，个人舒适系统和空调的供暖使用率也达到稳定，在40%～60%之间.

图9 冬初冬末和严冬空调和个人舒适系统使用率Fig.9 Usage ratio of air conditioning and personal comfort system in early and late winter and severe winter

调研分析了冬初冬末和严冬两个时间段的典型日居民在客厅和卧室中使用个人舒适系统的比例，如图10 所示.可以看出杭州市城镇住宅住户客厅白天（9：00—20：00）使用个人舒适系统的概率较大，卧室睡前（18：00—20：00）使用个人舒适系统的概率较大.个人舒适系统在冬初冬末和严冬两个时间段使用率差别较大，在典型日的每一时段，严冬的使用率是冬初冬末的2倍以上.

图10 冬初冬末与严冬典型日内个人舒适系统逐时使用率Fig.10 Hourly usage ratio of personal comfort systems for typical days in early and late winter and severe winter

2.2 个人舒适系统对局部热环境的影响

操作温度反映了空气温度及平均辐射温度的综合作用，与人体热感觉具有较强的相关性，本文以操作温度作为热环境评价指标.

图11 根据入户现场测试数据分析了居民使用个人舒适系统前后人附近空气温度和黑球温度的变化情况，对比分析了各住户在非空调环境下使用个人舒适系统前后半小时的室温变化数据发现，在室外气象条件相同时，使用个人舒适系统后，人体附近空气温度和黑球温度均有明显升高，人体附近空气温度平均升高2.68 ℃，黑球温度平均升高2.75 ℃.其中，以辐射为主的个人舒适系统（如电暖器、油汀、小太阳等）使人体附近空气温度和黑球温度分别升高2.4 ℃和3.0 ℃；而以对流为主的个人舒适系统（如暖风机等）可以使人体附近空气温度和黑球温度分别升高2.9 ℃和2.6 ℃.人附近操作温度升高的范围在0.2～10.7 ℃，平均升高2.7 ℃.

图11 使用个人舒适系统前后室内人体附近空气温度与黑球温度的变化Fig.11 Changes in indoor air temperature and black sphere temperature near human body before and after using personal comfort system

2.3 居民的热舒适状况与室内环境的关系

2.3.1 稳态热舒适特征

图12 显示了入户现场测试中使用个人舒适系统热感觉达到稳定状态时的平均热感觉（MTS）、平均热舒适（MTC）与操作温度的关系.令MTS=0，可以得出使用个人舒适系统时的中性操作温度为15.8℃，考虑到该地区的适应性，当操作温度为13.9 ℃时，热感觉投票值为-0.5，热舒适投票近似等于0.当操作温度为20 ℃时，热舒适投票值达到最大，热感觉为较暖（+1）.操作温度在20～27.5 ℃时居民感觉为暖，热舒适感下降，但并没有感觉不舒适.这说明，冬季该地区居民更偏好偏暖的环境.操作温度高于27.5 ℃时居民感觉过热，产生不舒适感.因此，从舒适和节能的角度考虑，应尽量控制人体附近操作温度在13.9～20 ℃之间.

图12 平均热感觉和热舒适投票与人体附近操作温度的关系Fig.12 Relationship of average thermal sensation and thermal comfort vote and operating temperature near human body

2.3.2 动态热舒适特征

进一步地，不同工况下的实验室测试结果体现了使用个人舒适系统时的平均整体热感觉投票值变化情况，如图13所示.

图13 不同温度与个人舒适系统场景下整体热感觉投票值随时间的变化Fig.13 Changes of overall thermal sensation vote with time under different temperature and personal comfort system scenarios

由图13 可知，在5 个室内温度（12 ℃、14 ℃、16℃、18 ℃和20 ℃）水平的偏冷环境，无个人舒适系统作用的对照阶段受试者的整体感觉最冷，最不舒适.

在实验阶段，使用者的热感觉和热舒适均在10～15 min 达到稳定，在实验阶段转变到对照阶段时，由于人体受到冷刺激，热感觉突然降低，随后在10～15 min 内逐渐上升重新达到稳态.使用小太阳可以在背景区温度为16 ℃、18 ℃和20 ℃的水平下达到热中性，使用电暖桌可以在5 个温度水平下达到热中性及较暖的热感觉之间.在5 个室内温度（12 ℃、14℃、16 ℃、18 ℃和20 ℃）水平使用电暖桌的功率分别是933 W、866 W、760 W、600 W、457 W；小太阳为固定功率450 W.

2.3.3 局部热舒适特征

图14 显示了实验室测试的各实验工况局部热感觉和热舒适的投票结果.

图14 各实验工况局部热感觉和热舒适投票结果Fig.14 Voting results of local thermal sensation and thermal comfort in each experimental condition

在不使用个人舒适系统，室温为12 ℃、14 ℃时，几乎所有人体部位的局部热感觉都偏冷，即热感觉投票都小于-0.5；当室温为16 ℃、18℃时，约一半的身体部位感觉偏冷；当室温为20 ℃时，所有身体部位都具有接近中性的热感觉.

在使用电暖桌供暖时，各工况下大腿、小腿和脚部都具有较高的舒适水平，但室温为12 ℃时，上半身受到周边环境冷辐射的影响，热舒适性较差，在14 ℃及以上的工况，身体各部位可以达到舒适.

在使用小太阳供暖，室温12 ℃、14 ℃时，大部分身体部位的局部热感觉偏冷，最不舒适的部位是后背、手部及脚部；当室温为16 ℃时，只有手部的热感觉偏冷，其他部位的热感觉均可达到-0.5 以上；当室温为18 ℃、20 ℃时，所有身体部位都具有中性或偏暖的热感觉.

2.4 冬季居民整体热舒适与局部热舒适的关系和局部最适皮肤温度

2.4.1 整体热舒适与局部热舒适的关系

因为人体整体热感觉与10 个局部部位的热感觉存在多重共线性，不适宜采用多元线性回归方法，所以采用岭回归分析方法分析得出10 个部位对整体热感觉影响的标准化系数.岭回归是对最小二乘回归的一种补充，它损失了无偏性，来换取高的数值稳定性，从而得到较高的计算精度.表5 展示了冬季杭州市居民各身体部位对整体热感觉影响的权重.可见，身体暴露部位中头部、手部、脚部影响权重分别为16.86%、16.48%、11.32%，均超过10%，对整体热感觉的影响较大.

表5 冬季杭州市居民各身体部位对整体热感觉影响的权重Tab.5 Weight of influence of body parts on overall thermal sensation of Hangzhou residents in winter

2.4.2 局部最适皮肤温度与舒适皮肤温度区间

图15 反映了实验室测得人体10 个局部部位的热舒适投票与对应部位的皮肤温度的关系.在热舒适投票最大时所对应的皮肤温度为该地区居民冬季的最适皮肤温度.表6 列出了人体10 个部位的最适皮肤温度和舒适皮肤温度区间.

表6 人体10个部位的最适皮肤温度与舒适皮肤温度区间Tab.6 Optimum skin temperature and comfortable skin temperature ranges of ten different body parts

图15 人体10个局部部位的热舒适投票与对应部位的皮肤温度的关系图Fig.15 Relationship between the thermal comfort vote of ten parts of the human body and the skin temperature of the corresponding parts

3 结论

本文通过问卷调研与测试，得到个人舒适系统作用下的杭州冬季居民热舒适特征.主要结论如下：

1）杭州市居民冬季普遍使用个人舒适系统，主要设备类型是小太阳、暖风机和暖脚器.使用时间覆盖整个冬季，其中12 月下旬到次年2 月上旬使用率超过50%，典型日内18：00到20：00为使用高峰.

2）在个人舒适系统作用下，人体附近的操作温度平均升高2.7 ℃.

3）在个人舒适系统作用下中性操作温度为15.8℃；当操作温度为20 ℃时，热舒适投票值达到最大，热感觉为较暖（+1）；这说明，冬季该地区居民更偏好偏暖的环境.从舒适和节能的角度考虑，应尽量控制人体附近操作温度在13.9～20 ℃.

4）在12～18 ℃时，下臂、手部、小腿、脚部对整体热感觉的影响较大，局部的冷感觉引起整体感觉偏冷，因此室温在18 ℃以下时应重点注意下臂、手部、小腿、脚部等几个部位保暖.人体各部位的最适皮肤温度分别为头部33 ℃，前胸37 ℃，上臂35 ℃，后背36℃，腹部37 ℃，下臂36 ℃，手部31 ℃，大腿36 ℃，小腿38 ℃，脚部35 ℃.

本研究存在一定的局限性.考虑到实验难度，实验室测试中的受试者均为在校大学生，不同年龄群体在个人舒适系统作用下的局部热舒适差异有待进一步研究.

致谢：感谢浙江大学工程师学院工程创新与训练中心黄毅方老师对本文实验给予的帮助.