不同供暖末端办公建筑室内热环境和人体热舒适调研

   日期:2024-10-15     来源:暖通空调    浏览:332    

供暖和制冷系统作为建筑运行中的主要能耗来源,占据了全社会总能耗的约30%。在中国迈向“双碳”目标的进程中,如何在减少能耗的同时,维持室内热环境的舒适度,成为亟待解决的问题。此外,合理的室内热环境参数不仅关乎人体的舒适性,还直接影响到工作效率。

在中国寒冷地区,办公建筑中常见的供暖方式主要分为辐射供暖(如散热器)和对流供暖(如空调系统)。这两种供暖模式在运行原理上存在显著差异:散热器供暖是通过提供热表面来维持室内空气温度,其工作模式多为连续运行;而空调供暖则是通过热风来调控室内热环境,具有快速加热空气的能力,通常以间歇模式运行。同时,二者在室内热环境设计标准上也有所不同。依据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》,在寒冷气候区的冬季,散热器供暖模式下的室内设计空气温度允许比空调供暖模式低2 ℃。然而,国际标准ISO 7730:2005和ASHRAE 55-2020并未明确区分不同供暖模式下的室内设计空气温度,而是将室内空气温度限制在一个相对狭窄的范围内。

尽管国内外已有关于辐射和对流供暖模式下人体热舒适性的相关研究,但多数研究仍基于人工气候室实验,对于实际建筑环境中的供暖末端进行现场测试的研究相对匮乏。例如,Zhou等人从暴露时间的角度探讨了地板供暖的热舒适性,发现暴露时间对受试者的主观感受和生理热舒适性有显著影响。王昭俊等人在模拟散热器供暖的微气候室中研究了人的热反应变化规律,指出在较低温度下,人们更易从心理上接受偏冷的环境,对室内的偏好温度也相应降低。Su等人则通过实验对比了散热器供暖与地板供暖对人体热舒适的影响,发现不同供暖形式下的不对称辐射温度限值存在差异。另外,有研究发现散热器供暖环境中竖直温度梯度小,供暖效率高,且运行时无噪声,但并未提供足够证据表明散热器供暖比空调供暖更为舒适。同时,也有研究发现,在散热器供暖的建筑中,受访者往往抱怨更多,因为他们几乎感觉不到空气流动。

综上所述,不同供暖模式下人的热舒适需求各不相同。虽然人工气候室研究能够精确控制环境参数,但仅反映了环境条件对人体热舒适的单向影响,难以体现人在实际建筑中的适应行为和调节方式。随着生活品质的提升,人们长时间处于室内空气温度波动较小的环境中,这可能进一步改变了人们对环境的期望和需求。因此,对寒冷地区办公建筑中不同供暖模式的热环境进行实地调研显得尤为重要,这有助于明确不同供暖模式对室内热环境及人体热舒适需求的影响,并验证现有标准中关于办公建筑室内温度设计值在寒冷气候区的适用性。

基于上述背景,笔者所在的课题组在西安市选取了10座办公建筑,进行了大规模的实地调研测试。通过结合客观物理环境参数的测量及办公人群的主观问卷调查,对比了不同供暖模式下室内热环境和人体热舒适需求的差异,并将研究结果与以往研究及标准进行了对比,旨在为寒冷气候区不同供暖模式下办公建筑室内热环境的节能舒适设计和运行提供参考。

调研时间为2019年12月至2020年1月,为确保室外温度的一致性,我们对不同供暖模式的办公建筑同时进行了调研,调研时间覆盖工作日的09:00至18:00。共选取10座办公建筑,其中5座采用辐射供暖(散热器),5座采用对流供暖(集中空调)。为保证调研的广泛性,我们选取了不同朝向、楼层、面积、人员密度的办公空间。调研场所均为开放式空间,面积在100至2000平方米之间。对于对流供暖系统,不同办公楼的设定温度范围为20至23 ℃,运行时间为08:00至19:00;而散热器供暖则采用连续运行模式。

在受试者方面,我们通过纸质问卷收集了其基本信息。本次调研共获得1120份有效问卷,受试者年龄主要集中在24至40岁之间,男性610名(占比54.5%),女性510名(占比45.5%)。所有受试者均在当地居住超过1年,已适应当地气候。

物理环境测试参数包括室内空气温度(ta)、相对湿度(φ)、黑球温度(tg)、空气流速(v)、二氧化碳浓度(C)、不对称辐射温度(Δtpr)等,采样频率为每分钟一次。测试设备均符合JGJ/T 347—2014《建筑热环境测试方法标准》的要求。测试时,设备固定在架子上,放置在距离受试者0.5米的地方,ta、φ、tg在距地面0.1、0.6、1.1米三个高度处测量,v和C在距离地面1.1米高度处测量。

调查问卷内容涵盖受试者背景信息(如身高、体重、性别、前15分钟活动状态、服装热阻等)和主观评价。热感觉投票(TSV)采用ASHRAE 55-2020基础上扩充的9级标尺;热可接受度投票(TAV)、热舒适投票(TCV)、热偏好投票(TPV)、风速偏好投票(AMV)和湿度偏好投票(HPV)也分别设置了相应的投票范围。

在数据处理方面,服装热阻参考ASHRAE 55-2020中推荐的服装热阻值,并增加0.1 clo作为办公座椅的热阻。代谢率则根据调查问卷中受试者的活动状态参考ASHRAE 55-2020进行确定。本研究采用操作温度top作为温度指标,该指标反映了周围空气温度ta和平均辐射温度tr的综合影响。预计平均热感觉指数(PMV)的计算参考文献。在结果分析中,选用t检验进行显著性分析,并用P值判断组间数据是否存在显著差异性。

研究结果显示,辐射供暖模式下室内空气温度平均值(19.7 ℃)比对流供暖模式(23.5 ℃)低3.8 ℃,且存在显著差异(P<0.001)。辐射供暖模式下的相对湿度显著高于对流供暖模式,但两种供暖模式均不能满足冬季人体热舒适需求,低于标准下限值。两种供暖模式下室内空气流速均小于0.1 m/s;辐射供暖模式下室内CO2平均浓度略高于对流供暖,但分别有78.0%(辐射供暖)和72.5%(对流供暖)的数据处于标准阈值范围内(<1000×10-6)。此外,两种供暖模式下室内平均辐射温度与空气温度差异较小,可能是因为调研期间建筑内表面已被空气完全加热。对流供暖模式下竖直温差(头部与脚部空气温度差值)大于辐射供暖模式,这主要是因为空调吹风位置位于建筑屋顶部分,导致上部温度显著高于地板温度,进而造成更大的竖直温差。

从主观调查问卷来看,辐射供暖模式下TSV主要分布在-1(微凉)至1(微暖)之间,而对流供暖模式下受试者TSV处于偏暖侧的比例达到了70%,说明两种供暖模式下均存在室内过热的现象。尽管不同供暖模式下TSV分布不同,但TAV和TCV的分布相似,TAV主要集中在“刚刚可接受”和“可接受”范围内,这在一定程度上反映了人对热环境的适应性。结合TSV结果来看,对流供暖模式下受试者偏暖的比例较大,因此不可接受投票的比例也较高。两种供暖模式下热偏好投票相似,约20%的受试者希望室内温度低一些,约60%的受试者希望室内温度不改变,仍有少部分受试者希望室内温度升高一些,说明冬季人们偏好偏暖的室内热环境。由于调研期间室内空气流速在0.2 m/s以下,因此超过40%的受试者希望室内有更大的空气流速。不同供暖模式下的湿度偏好差异不大,由于冬季室内相对湿度过低,大多数受试者希望室内湿度增大。

为进一步分析,我们采用Bin法,以0.5 ℃操作温度为区间,将调研得到的受试者TSV和计算得到的PMV与室内操作温度进行加权线性回归。结果显示,所有线性回归方程均表现出很强的正相关性。通过计算得出,辐射和对流供暖模式下的中性温度分别为17.4 ℃和20.4 ℃,两种供暖模式下中性温度差大于GB 50736—2012中规定的温度差(辐射供暖室内设计空气温度允许比空调供暖模式低2 ℃)。对两种供暖模式下受试者的TSV和操作温度的回归方程进行协方差分析,结果显示两条直线的斜率、截距均存在显著性差异。此外,两种供暖模式下实际中性温度均低于预测值,说明PMV模型并不能很好地预测办公建筑供暖环境下的实际热感觉。

我们同样采用相同的方法分析了每0.5 ℃操作温度区间不可接受度投票占全部投票的百分比。结果显示,辐射供暖模式下受试者80%可接受温度下限为16.9 ℃,对流供暖模式下受试者80%可接受温度上限为24.8 ℃。在辐射供暖模式下,80%可接受温度下限低于GB 50736—2012中的供暖舒适区(18~24 ℃),表明该供暖模式下办公建筑具有节能潜力。在对流供暖模式下,36.5%的室内空气温度高于80%可接受温度上限,说明该供暖模式下办公建筑存在过热现象,这与TSV调研结果一致。

我们还通过logistic回归计算了两种供暖模式下“希望暖一些”和“希望凉一些”随操作温度的变化。结果表明,辐射供暖和对流供暖模式下偏好温度分别为20.6 ℃和21.2 ℃。受访者的偏好温度均高于中性温度,说明受访者冬季偏好中性偏暖的室内热环境。长期所处的室内热环境会影响人们的热期望,因此,对于不同的供暖模式应建立不同的热舒适评价标准。

 


 
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