个人舒适系统作用下的杭州市冬季住宅居民热舒适特征
2022-05-30陈淑琴陈悦华颖孔舒怡张彦彤王子煜刘佳琪徐怡宁
陈淑琴 陈悦 华颖 孔舒怡 张彦彤 王子煜 刘佳琪 徐怡宁
摘 要：夏熱冬冷地区住宅冬季普遍使用红外线加热器、暖脚器、局部暖风机等个人舒适系统来供暖.为了探究个人舒适系统作用下的热舒适特征，选取杭州市为研究对象，采用问卷 调研、现场测试与实验室测试方法对个人舒适系统作用下的居民冬季热舒适特征进行了研究.结果表明，从12月下旬到次年2月上旬，个人舒适系统使用率超过50%，典型日内18：00到20：00为使用高峰.个人舒适系统可使人体附近局部操作温度平均升高2.7℃.在个人舒适系统作用下中性操作温度为15.8℃，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℃.个人舒适系统作用下对热感觉有显著影响的人体部位是头部、手部和脚部;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℃.研究结果为该地区冬季住宅居民采取个人供暖设备以提升热舒适度的定量需求研究提供了依据.
关键词：个人舒适系统;住宅;冬季;局部热舒适;夏热冬冷地区
中图分类号：TU111 文献标志码：A
Thermal Comfort Characteristics of Residential Residents in Hangzhou in Winter under the Action of Personal Comfort System
CHEN Shuqin1，2?，CHEN Yue1，HUA Ying1，KONG Shuyi1，ZHANG Yantong1，WANG Ziyu1，LIU Jiaqi1，XU Yining1
（1.College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou310058，China;
2.Center for Balanced Architecture Research，Zhejiang University，Hangzhou310058，China）
Abstract：Personal comfort systems（PCS）are commonly used in residential buildings in hot summer and cold winter zone，such as infrared heaters，foot warmers，local air heaters and so on.In order to explore the characteris-tics of thermal comfort under the action of personal comfort system，Hangzhou City was selected as the object，and the questionnaire survey，field test and laboratory test.The results showed that the PCS was used more than 50% of the characteristics of thermal comfort of residents under the action of personal comfort system in winter were studied bytime from late December to early February，with peak use between18：00and 20：00on a typical day.Local oper-ating temperature around the human body can be increased by 2.7℃ on average by the PCS.Under the action of the PCS，neutral operating temperature is15.8℃.From the perspective of comfort and energy saving，the operating tem-perature around the human body is suggested to controlled at13.9～ 20℃.The body parts with significant sensation of heat feeling under the action of PCS are the head，hands and feet.The optimal skin temperature of each part was obtained as33℃ for the head，37℃ for the front chest，35℃ for the upper arm，36℃ for the back，37℃ for the abdo-men，36℃ for the lower arm，31℃ for the hand，36℃ for the thigh，38℃ for the calf，and35℃ for the foot.It pro-vided a basis for the quantitative demand study of the residents′ personal heating equipment to improve their thermal comfort in winter.
Key words：personal comfort system;residence;winter;local thermal comfort;hot summer and cold winter zone
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%.
目前個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59W.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/T152— 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.
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.
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（0.3m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.
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.
测试设备选择了小太阳和电暖桌，其中小太阳 功率450W;电暖桌功率为100～2000W，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 20min.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0min、2min、5min、7 min、10min、15min、20min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.
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.
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.
调研分析了冬初冬末和嚴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.
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℃.
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.
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.
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10～15min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10～15min 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933W、866 W、760W、600W、457 W;小太阳为固定功率450W.
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.
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.
2.4.2 局部最适皮肤温度与舒适皮肤温度区间
图15 反映了實验室测得人体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.
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.
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