建筑室内热环境个性化控制的作用与实施

2020-03-06杨仕超黄志锋

广东土木与建筑 2020年9期

杨仕超，黄志锋，唐毅

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司广州510500）

1 概述

热环境是建筑室内环境中最基本的环境，热环境的舒适是建筑室内舒适的基本要求。冬天室内太冷时需要采暖，夏季室内太热时需要空调。但所需要的调控温度、湿度等热环境参数却是因功能而变，甚至因人而异。而且，由于衣着和人体活动量的不一样，人对同样的热环境的舒适感觉也不同。所以，尽管建筑使用了空调或供暖设备进行了热环境调节，并消耗了大量的能源，但室内热环境的舒适性依然不能保证被所有人接受，甚至经常引来各种抱怨。正是由于不同的人对热环境有不同的偏好，就应该把热环境的控制权交给空间的使用者甚至是个人，实现室内热环境按照个性化需求的精准控制。

个性化控制的情景很多，有针对建筑空间不同的使用要求设定不同的热环境，有针对建筑不同功能区域设定不同的环境，有针对不同的个人需求把局部热环境的控制权交给个人等，这些都是个性化控制。对于不同尺度的空间，个性化控制的策略是不同的。超大空间控制起来比较困难，各个局部不太容易得到满意的热环境；大空间控制也不太容易，有些局部可能控制不好；中等空间和小空间相对简单一些，但也经常存在问题。

营造室内热环境的方案也是多样的，可以采用被动式的方法，如自然通风，可以采用主动式的方法，如空调设备，还可以采用主动加被动的混合式方法，如空调与自然通风联动控制等。在热环境的控制方式上也可以有多种方案，可以直接由人控制，也可以根据运行积累的经验预先设定控制模式，还可以采用人机交互智能控制、人工智能控制等。实现热环境的个性化控制涉及建筑室内的热惰性、建筑门窗、遮阳装置等，也涉及到空调设备系统及其控制系统。

本文希望通过对个性化热环境的需求研究，系统梳理个性化控制的必要性和作用，通过对控制路径的研究，探讨个性化控制的可行性和实现方法。

2 不同人群对热环境个性化需求

大量研究结果表明，热环境的满意度有着很强的个性化特征，单一标准的热环境不但能耗需求高，还不能令人满意。所以，只有针对不同性别、不同年龄、不同身体状况、不同运动强度，调节出不同的热环境，才能达到最高的满意度。

2.1 性别不同，需求不同

男女对室内热环境的感觉是不同的。在办公建筑中，男士经常着装正规，衣服较厚，需求的室内温度较低；而女性夏季衣着单薄，需求的室内温度就不会太低。一般而言，女性对恶劣环境的耐受力较男性差，国内学者在男女性别对热环境的不同反应进行过许多研究。王健［1］研究了飞机座舱中人体热环境感觉性别差异，表明在相同热环境下男性热感觉高于女性；华征［2］的研究表明，在28 ℃附近，男性的平均体表温度高于女性，女性的平均体表温度明显低于男性；代金等人［3］的研究表明，在相同体重指数下，男性热感觉略高于女性。众多的国内外研究都表明，在空调环境下女性对温度的期望值高于男性，女性的生理周期对热感觉、热舒适也有一定影响。

2.2 年龄不同，需求不同

老年人对热环境的感觉也与青壮年不一样。老人怕风，温度也不能过低。刘雪麒［4］对养老建筑室内热环境的研究表明，夏季老年人热期望温度为27.7℃，冬季老年人热期望温度为23.8℃，均高于热中性温度；而且老年人喜好温暖偏热的环境，在冬季对偏冷环境的不适感很高，在夏季的阴雨降温天容易感到冷和身体不适。

2.3 身体状态不同，需求不同

病人因身体状态不同，对热环境的要求也不同。对于需要住院的病人，由于病房人员密度较高，又有被子等保暖物品提供，因此要求室内温度会相对低一些。余健［5］对病房人员热舒适研究表明，冬、夏季的病房可接受温度区间分别为20.4℃～22.4℃和24.6℃～26.5℃。而对于不用住院的轻症病人，通常在医院的门诊大厅活动，患病状态下身体较为虚弱，抵抗力较差，往往伴有发热等症状，一般会比较怕冷、怕风，因此要求室内温度不能太低，也不宜有明显吹风感。

另外，人在从一个热环境突然进入到另一个热环境时，会有一个短暂的热敏感滞后时间，如夏季从室外到室内，冬季从室外到室内。陈思伊［6］通过对西安地铁车站热环境研究，提出“要想满足乘客的热舒适，车站的设计温度应当随室外温度变化，而不是定值”。

2.4 生产、生活环境不同，需求不同

不同地区的人对热环境的感觉也不同。李文杰［7］在研究建筑室内自然环境下基于生理——心理的人体热舒适时发现，受试者对长期所居住的热环境会产生一定的适应性。另外，不同的工作情景，着装不同，代谢量不同，对热环境的要求也不同。与生理参数相关的热舒适实验研究均证明了代谢率与热环境因素有关［8］。

3 热环境个性化控制的作用

⑴热环境的个性化控制可以最大限度满足不同人群对环境的不同需求，使得室内环境更加人性化，提高使用者的满意度。不同的人对温度、湿度、吹风感、太阳辐射等等的感受和需求都不同，只有实现热环境的个性化控制，才能营造出让大多数人都满意的室内热环境。

⑵从人性化的角度，建筑应该做到“我的环境我做主”。建筑的很多空间常驻人员并不多，而且相对固定，这些空间的热环境设定应该满足常驻人员的要求。单人空间按照个人需求调节控制，多人空间需要相互协调，青壮年要照顾到老年人，男性要照顾到女性，健康者要照顾到体弱者，这些都是人性化的需求。

⑶从健康的角度，开放的建筑室内环境能够让使用者更加亲近自然，很多情况下室外的热环境和空气质量并不差，自然通风可以保持室内空气清新，更有利于人体健康。反之，密闭的室内环境不利于空气流动，时间长了会导致室内空气质量急剧下降，危害人体健康。个性化控制可以让使用者想开窗时开窗，想开空调时开空调，最大限度满足人与自然亲近的需要。

⑷从节能的角度，人在建筑中具有流动性，许多空间的活动人数是变化的，部分空间甚至只是间歇性地使用，并不是一直有人在活动，让能源跟随人走，人在设备开，人走设备关，实现设备按人的需要启闭，明显更加节约能源。

4 热环境个性化控制的实施

热环境的个性化控制方式主要可以分为2 种：①让使用者本人控制调节热环境。使用者可以开窗通风，开启、关闭、调节遮阳装置，也可以开启、关闭空调，调节空调室内的温度和风速、风向。②依靠智能化系统进行控制，其中又包括按照不同的使用要求设定不同的热环境，以及按照不同功能区域设定不同的热环境2种方式。

营造室内热环境个性化控制的实施，受技术的先进性、经济条件、用能政策等多方面因素影响，合理的热环境调节应与自然相适应、满足建筑功能、发挥人的适应力、照顾特殊人群，不同的建筑的热环境营造有不同的侧重点。

4.1 室内热环境个性化调节首先要考虑建筑空间尺度

不同空间尺度的建筑对应不同的建筑功能，人在建筑中的行为也随建筑功能的不同存在差异，因此人对热环境的需求及调节方法也应随建筑空间尺度大小而不同。

4.1.1 超大空间

超大空间一般指建筑面积很大，层高较高的空间，如大型交通枢纽建筑（机场航站楼、客运站候车室）、会展建筑、体育场馆等。超大空间的末端空调设备布置常受局限，室内热环境的控制难以做到均匀。由于这类空间的人员停留时间短，因此热环境个性化控制要求不宜过高，热环境的控制应以人的活动高度范围为主，对于人员活动范围之外的区域，应尽量减少其对人员活动区热环境的负面影响，比如夏季避免辐射热过大、冬季避免上热下冷等现象。超大空间应做好自然通风；合理采用分层空调或局部空调；做好空调气流组织设计，避免人员区域空调风速过大；做好透光围护结构的可调节的遮阳设计，避免局部过热；做好防冷风设计，避免局部过冷。

4.1.2 大空间

大空间一般指建筑面积和层高中至少有一项尺寸较大的空间，如商场建筑、医院门诊大厅等都属于大空间类型。在这类空间中，人员的停留时间较短，流动性较大，人员的着装以适应室外气温为主。因此室内热环境的调节应考虑室外温湿度的影响，提供满足绝大多数人需求的热环境背景条件，不应采用一成不变的固定室温的温控法。在室内外温差较大的地区，还应考虑人在室内、室外2种热环境中过渡的舒适性，合理设置过渡区域。

4.1.3 普通空间

普通空间一般指除了超大空间、大空间以及单元式房间之外的空间，如常见的大办公室、开敞办公室、小会议室等都属于普通空间。这类空间一般层高不高，面积不大，在其中活动的人具有停留时间长、活动量小、位置相对固定、因性别和年龄不同存在个体需求差异化等特点。因此，这类空间的热环境营造应重视局部个性化需求，其实现方式首先可按照空间中人的较低舒适要求营造一个基本的热环境条件，可以称之为“背景热环境条件”，在此基础上进行增强的个性化调节。背景热环境条件的营造方式包括自然通风、全空气空调系统、风机盘管+新风的空调系统等，个性化调节方式包括变风量空调系统、工位送风空调系统、工位小风扇调节等。背景营造与个性化调节可以根据需求独立设置或组合设置。

4.1.4 单元式空间

单元式空间主要是指独立办公室、医院病房、酒店客房等类型，其特点是建筑面积小，活动人员少，或者仅为单人使用，热环境条件由于人数较少而容易协调。这类空间首先应具备良好的自然通风条件，其环境的个性化调节方式应按需求配置独立可调的小容量空调末端设备以及独立可调的遮阳设施。

4.1.5 过渡空间

过渡空间主要指有盖的连廊、半开敞空间等。过渡空间可让人在室内外空间或两栋建筑之间转换时逐步适应热环境的变化，有利于人的健康。过渡空间热环境参数应介于连通的2 个空间的热环境之间，根据需求，还可调节至更接近某一侧空间的热环境。可通过采用遮阳与自然通风进行调节，还可通过设置窗户、风扇、空调等方式调节。

4.2 室内热环境个性化调节应充分发挥建筑控制的手段

建筑室内热环境的调节可以通过通风、空调、遮阳等方式实现，其中对人体健康最有利的调节方式就是通风，通风方式包括自然通风及机械通风。当自然通风无法满足室内风速或换气要求时，还应辅以机械通风，如设置通风机、风扇等，增强室内换气，保持室内空气清新，带走余热余湿，改善室内热环境。有需求时对湿度也应进行控制，湿度控制包括加湿与除湿，一般采用通风、空调、或者设置独立的加湿、除湿设备等进行调节。

调节建筑室内热环境的方式应优先考虑建筑控制手段，例如控制开窗来控制自然通风、设置遮阳调节室内太阳辐射照射、室内天然采光等。应尽量采用自然通风，充分利用室外空气的天然冷源，做好门窗的布置及室内通风路径的设计，为自然通风环境的营造创造有利条件，大空间尽可能设置高窗，减少对近窗人员的不利影响。

实现室内热环境的个性化控制还涉及建筑室内的热惰性、建筑门窗的性能、遮阳装置的调节性能等。室内轻质化装修，可降低室内的热惰性，在每次空调开启时，可快速将室内温度调节到满足人员要求的状态，由于不用负担较大的蓄热，因此也更节能。

4.3 室内热环境的调节应做好末端控制

室内热环境的末端控制，主要指采用设备控制。不同功能、不同朝向的房间应考虑不同的控制策略，因此设备控制系统的配置应便于按房间功能、朝向以及人员需求进行调节，这涉及到设备形式及其控制系统。

设备的控制可以完全按照使用者的意志，也可以根据运行积累的环境数据预先设定，还可以采用人机交互控制、人工智能控制等方式。当采用多种设备对室内热环境进行调节时，可采用交替进行的混合控制，也可以采用同时运行的联合控制方式。联合控制的方式最能够体现个性化调节策略。例如集中空调风系统+小型分散式末端设备的联合控制调节系统，利用集中空调风系统实现空间内背景热环境的控制，满足基本需求，而采用小型分散式末端设备，如风机盘管机组、空调室内、风扇、局部区域的机械通风设备等，实现局部区域的个性化精细化热环境调节，尽可能独立控制每个小型末端设备，可获得更宽的热舒适范围，达到热环境的精准控制。

需要注意的是，装修设计必须与空调末端设计一体化，才能根据每个人的空间合理配置设备及风口，并考虑温湿度、风速的可调性以及设备噪声对人员的影响。