為明確寒冷氣候區辦公建筑輻射供暖和對流供暖模式下的室內熱環境參數是否能滿足人體熱舒適需求，本研究選取西安市不同供暖模式的辦公建筑為調研對象，同時進行了室內物理環境測試和人體熱舒適主觀問卷調查，調研期間共獲得1120份有效問卷。結果顯示：對流供暖模式下室內空氣溫度和豎直溫差顯著高于輻射供暖，且室內存在過熱現象；輻射和對流供暖的中性溫度分別為17.4℃和20.4℃，較高的室內空氣溫度形成了較高的中性溫度和可接受溫度上限。

　　關鍵詞：輻射供暖；對流供暖；辦公建筑；室內熱環境；熱舒適；中性溫度；可接受溫度；現場調研

　　作者：趙勝凱^1,2 楊 柳^1,2 高斯如^1,2 翟永超^1,2

　　1.綠色建筑全國重點實驗室；

　　2.西安建筑科技大學

　　引言

　　供暖和制冷系統能耗是建筑運行能耗的主要部分，約占全社會總能耗的30%。在我國實現“雙碳”目標的背景下，我們面臨的主要問題是如何在降低能耗和提供舒適的室內熱環境之間取得平衡。合理的室內熱環境參數也會影響人體的舒適性和工作效率。

　　在我國寒冷氣候區，輻射供暖（散熱器）和對流供暖（空調系統）是辦公建筑中常見的供暖方式。不同供暖模式的運行方式不同：散熱器供暖是通過提供熱表面來控制室內空氣溫度，一般為連續運行模式；空調供暖是通過提供熱風來控制室內熱環境，并能對室內空氣快速加熱，通常為間歇運行模式。不同供暖模式在室內熱環境設計標準上也存在差異。GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》規定：寒冷氣候區冬季散熱器供暖模式下的室內設計空氣溫度允許比空調供暖模式低2℃。但是，國際標準ISO 7730：2005和ASHRAE 55-2020對于不同供暖模式下的室內設計空氣溫度的規定并沒有明確的區別，但都將室內空氣溫度限制在一個狹窄的范圍內。

　　國內外對于輻射和對流供暖模式下人體熱舒適已有相關的報道，但目前的研究大多數都是基于人工氣候室實驗，少有對不同供暖末端進行大量的實際建筑現場測試研究。Zhou等人從暴露時長的角度研究了地板供暖的熱舒適性，結果發現暴露時間對受試者的主觀反應和生理熱舒適均有顯著影響。王昭俊等人在散熱器供暖的微氣候室中研究了人的熱反應變化規律，發現人們待在較低的溫度下會更容易從心理上接受偏冷的環境，對室內有較低的偏好溫度。Su等人通過實驗對比了散熱器供暖和地板供暖對人體熱舒適的影響，發現不同供暖形式下不對稱輻射溫度限值不同。另外，一些學者發現散熱器供暖環境中豎直溫度梯度小，供暖效率高，運行時無噪聲，但并不能提供足夠的證據證明散熱器供暖比空調供暖更舒適。也有研究發現受訪者在散熱器供暖的建筑中抱怨更多，因為他們感覺不到空氣流動。

　　綜上所述，不同供暖模式下人的熱舒適需求是不同的。雖然人工氣候室研究可以精準地控制環境參數，但只能反映環境條件對人體熱舒適的單向影響，通常不能反映人在實際建筑中的適應行為和調節方式。隨著生活水平的提高，人們每天都在室內空氣溫度波動較小的建筑環境中度過，這也可能改變人們對環境的期望和要求。因此，有必要對寒冷地區實際辦公建筑中不同供暖模式的熱環境進行實地調研，明確不同供暖模式對室內熱環境及人體熱舒適需求的影響，并驗證標準中關于辦公建筑的室內溫度設計值是否適用于寒冷氣候區。

　　基于此，筆者所在課題組在西安市選取了10座辦公建筑進行了大樣本的實際現場調研測試。通過結合客觀物理環境參數的測量及辦公人群的主觀問卷分析，比較不同供暖模式下室內熱環境和人體熱舒適需求的差異，并將研究結果與以往的研究和標準進行對比，進而為寒冷氣候區不同供暖模式下辦公建筑室內熱環境節能舒適設計和運行提供參考。

　　1.研究方法

　　1.1 調研建筑

　　現場調研時間為2019年12月至2020年1月，為了保證室外溫度的一致性，對不同供暖模式的辦公建筑同時開展調研，調研時間段為工作日的09:00—18:00。共選取了10座辦公建筑，其中5座為輻射供暖（散熱器），5座為對流供暖（集中空調）。為了保證調研的普遍性，選取了不同朝向、樓層、面積、人員密度的辦公空間。調研場所均為開放式空間，面積分布在100~2000 m2之間。對于對流供暖系統，不同辦公樓的設定溫度范圍為20~23 ℃，運行時間為08:00—19:00；散熱器供暖為連續運行模式。圖1為輻射供暖和對流供暖現場實測場景圖。

　　1.2 受試者

　　通過紙質問卷收集了受試者的基本信息。本次調研共獲得1120份有效問卷，其中受試者年齡主要分布在24~40歲之間，參與的受試者中男性610名（占比54.5%）、女性510名（占比45.5%）。受試者的基本信息見表1。受試者均在當地居住了1年以上，均已適應了當地的氣候。

　　1.3 物理環境測試

　　物理環境測試參數主要包括室內空氣溫度（ta）、相對濕度（φ）、黑球溫度（tg）、空氣流速（v）、二氧化碳濃度（C）、不對稱輻射溫度（Δtpr）等。所有參數的采樣頻率為1次/min。圖2為測試物理環境參數的場景圖，測試設備的測試精度和范圍見表2。其中ta、φ、tg在距地面0.1、0.6、1.1m 3個高度處測量，v和C在距離地面1.1m高度處測量。物理環境監測儀器固定在架子上，放置在距離受試者0.5m的地方。所有測試儀器的測試精度和響應時間均符合JGJ/T 347—2014《建筑熱環境測試方法標準》的要求。

　　1.4 主觀問卷調查

　　調查問卷內容包括受試者背景信息（身高、體質量、性別、前15min活動狀態、服裝熱阻等）和主觀評價。熱感覺投票（TSV）采用在ASHRAE 55-2020基礎上擴充的9級標尺，即-4（非常冷）、-3（冷）、-2（涼）、-1（微涼）、0（中性）、1（微暖）、2（暖）、3（熱）、4（非常熱）。熱可接受度投票（TAV）：-4（非常不可接受）~-0.01（剛剛不可接受）為不可接受范圍，0.01（剛剛可接受）~4（非常可接受）為可接受范圍。熱舒適投票（TCV）：-4（非常不舒適）~-0.01（剛剛不舒適）為不舒適范圍，0.01（剛剛舒適）~4（非常舒適）為舒適范圍。熱偏好投票（TPV）：1（希望暖一些）、0（不變）、-1（希望涼一些）。風速偏好投票（AMV）：1（大一些）、0（不變）、-1（小一些）。濕度偏好投票（HPV）：1（潮濕一些）、0（不變）、-1（干燥一些）。

　　1.5 數據處理方法

　　服裝熱阻參考ASHRAE 55-2020中推薦的服裝熱阻值，在總熱阻的基礎上增加0.1clo作為辦公座椅的熱阻。代謝率根據調查問卷中受試者的活動狀態參考ASHRAE 55-2020進行確定。本研究采用操作溫度top作為溫度指標，top反映了周圍空氣溫度ta和平均輻射溫度tr的綜合影響，可參考ASHRAE 55-2020中的計算公式：top=Ata+（1-A）tr，A取0.5（室內空氣流速小于0.2 m/s）。預計平均熱感覺指數(PMV)的計算參考文獻。在結果分析中，選用t檢驗來進行顯著性分析，并用P值來判斷組間數據是否有顯著差異性。

　　2.研究結果

　　2.1 室內熱環境

　　圖3顯示了室內熱環境參數的分布情況。輻射供暖模式下室內空氣溫度平均值（19.7 ℃）比對流供暖模式（23.5 ℃）低3.8 ℃，且存在顯著的差異性（P<0.001）；輻射供暖模式下相對濕度顯著高于對流供暖模式，但2種供暖模式均不能滿足冬季人體熱舒適需求，低于標準下限值；2種供暖模式下室內空氣流速均小于0.1m/s；輻射供暖模式下室內CO2平均濃度略高于對流供暖，分別有78.0%（輻射供暖）和72.5%（對流供暖）的數據處于標準閾值范圍內（<1 000×10-6）；2種供暖模式下室內平均輻射溫度與空氣溫度差異較小，原因可能是調研期間建筑的內表面已經被空氣完全加熱；對流供暖模式下豎直溫差（頭部與腳部空氣溫度差值）大于輻射供暖模式，主要原因是空調吹風位置位于建筑的屋頂部分，造成上部溫度顯著高于地板溫度，進而造成更大的豎直溫差。

　　2.2 主觀調查問卷

　　圖4顯示了不同供暖模式下受試者的主觀評價。從TSV結果來看，輻射供暖模式下TSV主要分布在-1（微涼）~1（微暖）之間，而對流供暖模式下受試者TSV處于偏暖側的比例達到了70%，說明2種供暖模式下均存在室內過熱的現象。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“剛剛可接受”和“可接受”，這在一定程度上反映了人對熱環境的適應性。結合TSV結果來看，對流供暖模式下受試者偏暖的比例較大，因此不可接受投票的比例也較高。2種供暖模式下熱偏好投票相似，約20%的受試者希望室內溫度低一些，約60%的受試者希望室內溫度不改變，仍有少部分受試者希望室內溫度升高一些，說明冬季人們偏好偏暖的室內熱環境。調研期間室內空氣流速在0.2m/s以下，因此超過40%的受試者希望室內有更大的空氣流速。不同供暖模式下的濕度偏好差異不大，由于冬季室內相對濕度過低，大多數受試者希望室內濕度增大。

　　2.3 中性溫度和可接受溫度范圍

　　采用Bin法，以0.5℃操作溫度為1個溫度區間，將調研得到的受試者TSV和計算得到的PMV與室內操作溫度進行加權線性回歸，結果見圖5、表3。從擬合方程可以看出，所有的線性回歸方程都表現出很強的正相關性。令TSV等于0，求得輻射和對流供暖模式下的中性溫度分別為17.4℃和20.4℃，2種供暖模式下中性溫度差大于GB 50736—2012中規定的溫度差（輻射供暖室內設計空氣溫度允許比空調供暖模式低2℃）。對2種供暖模式下受試者的TSV和操作溫度的回歸方程進行協方差分析，結果顯示2條直線的斜率、截距均存在顯著性差異。從表3可以看出，2種供暖模式下實際中性溫度均低于預測值，說明PMV模型并不能很好地預測辦公建筑供暖環境下的實際熱感覺。

　　采用相同的方法分析每0.5℃操作溫度區間不可接受度投票占全部投票的百分比，不可接受投票與總投票的比值為不可接受百分比，將不可接受百分比與相應的操作溫度進行回歸，結果見圖6。求得輻射供暖模式下受試者80%可接受溫度下限為16.9℃，對流供暖模式下受試者80%可接受溫度上限為24.8℃。在輻射供暖模式下，80%可接受溫度下限低于GB 50736—2012中的供暖舒適區（18~24℃），表明該供暖模式下辦公建筑具有節能潛力。在對流供暖模式下，36.5%的室內空氣溫度高于80%可接受溫度上限，說明該供暖模式下辦公建筑存在過熱現象，這與TSV調研結果（見圖4a）呈現一致性。

　　2.4 偏好溫度和服裝熱阻

　　通過logistic回歸計算了2種供暖模式下“希望暖一些”和“希望涼一些”隨操作溫度的變化，結果如圖7所示。表4給出了擬合方程。圖7中的虛線是在相同溫度下“希望暖一些”和“希望涼一些”的概率之和，虛線的最低點是受試者期望室內操作溫度保持不變的最高比例，被認為是受試者的偏好溫度。結果表明，輻射供暖和對流供暖模式下偏好溫度分別為20.6℃和21.2℃。受訪者的偏好溫度均高于中性溫度，說明受訪者冬季偏好中性偏暖的室內熱環境，長期所處的室內熱環境會影響人們的熱期望，因此，對于不同的供暖模式應建立不同的熱舒適評價標準。

　　圖8顯示了不同供暖模式下服裝熱阻的分布。可以看出：服裝熱阻的范圍為0.55~1.78 clo，說明受試者能夠根據室內空氣溫度調節服裝熱阻；輻射供暖模式下辦公人員的服裝熱阻顯著高于對流供暖模式下，主要是由于對流供暖模式下室內空氣溫度顯著高于輻射供暖。

　　3.討論與分析

　　3.1 不同供暖模式下室內熱環境評價

　　PMV模型可用來評價冬季供暖建筑的室內熱環境，那么，能否采用統一的模型來評價辦公建筑的不同供暖模式呢？這個問題還需要進一步確定。將實測的室內溫濕度納入熱舒適評價模型，ASHRAE 55-2020和GB/T 50785—2012給出了基于PMV模型計算的熱舒適區，驗證其是否適用于辦公建筑不同供暖模式下的室內熱環境評價。圖9顯示了不同供暖模式下室內溫濕度在焓濕圖上的分布。在輻射供暖模式下，室內操作溫度約35%和18%的數據分別低于ASHRAE 55-2020和GB/T 50785—2012冬季熱舒適區的下限；在對流供暖模式下，約80%的數據落在了ASHRAE 55-2020的舒適區范圍內，39%的數據超過了GB/T 50785—2012的舒適區上限。這可以解釋為，在被調研的辦公建筑中，不同供暖模式下的室內環境參數并不總是按照標準設計參數設定的。

　　圖10顯示了熱感覺投票細化到不同操作溫度區間的分布。從圖10可以看出：2種供暖模式下隨著操作溫度的升高，熱感覺投票平均值明顯增大，熱感覺投票落在“微暖”~“熱”的比例顯著增大；在輻射供暖模式下，操作溫度在17.5~19.5℃之間變化時，熱感覺投票在“微涼”~“微暖”之間的比例維持在70%以上，平均熱感覺為中性；在對流供暖模式下，在19.5~21.5℃的操作溫度區間內，大多數受試者熱感覺投票為中性。即使室內熱環境處于舒適區范圍內，仍有部分受試者熱感覺投票為“偏暖”或“偏涼”，說明實際建筑中個體差異性較大。

　　3.2 與標準和先前研究結果對比

　　將本文研究結果與GB 50736—2012進行比較，確定不同供暖模式下的舒適溫度范圍，見表5。標準中對流供暖模式下室內溫度設定為18~24℃，輻射供暖可比對流供暖低2℃。從表5可以看出：對流供暖模式下有40.2%的室內溫度超過了標準上限，且受試者熱感覺投票在偏暖側的比例達到了60%，說明在對流供暖模式下辦公建筑的室內溫度存在嚴重的過熱現象；2種供暖模式下中性溫度均在標準范圍內；在對流供暖模式下，80%的可接受溫度范圍下限比標準高0.9℃，說明輻射供暖模式下室內設定溫度比對流供暖低2 ℃的規定不適用于寒冷氣候區的辦公建筑；對流供暖模式下室內空氣溫度幾乎都超過20℃，因此直接法無法獲得可接受溫度范圍的下限，將TSV等于-0.5時對應的溫度作為對流供暖模式溫度下限，即18.6℃，這與夏嬋等人的研究結果（冬季空調供暖時的室內舒適區溫度范圍下限為18.9℃）較為一致。從實際需求和調研結果綜合考慮，輻射供暖模式下室內空氣溫度不低于16.9℃，對流供暖模式下室內設定空氣溫度不低于18.6℃即可。

　　受試者的舒適溫度范圍可為不同地區不同供暖模式下室內溫度設定提供參考。表6顯示了本文研究結果與其他學者研究結果的對比。結果表明，不同氣候區不同供暖模式下人的中性溫度和舒適溫度范圍不同。總體而言，對流供暖模式下室內中性溫度總是高于輻射供暖，輻射供暖模式下室內設定溫度可低于對流供暖。對于冬季供暖建筑來說，室內設定溫度對于建筑節能非常重要，因此應根據氣候區和供暖模式設定不同的供暖溫度。

　　3.3 節能潛力與控制策略

　　辦公建筑室內供暖溫度的設定值對受試者的舒適度和建筑能耗都有影響。研究表明，寒冷氣候區冬季供暖溫度降低2℃（從22℃降為20℃），可減少30%的終端供暖能耗。從TAV和TCV結果可以發現，受試者在較寬的室內溫度范圍內有較高的可接受度，說明受試者的舒適溫度范圍較寬。從TSV結果來看，超50%的TSV在偏暖側。輻射供暖和對流供暖模式下分別有15.3%和40.2%的室內溫度超過了標準規定的舒適溫度范圍的上限，從行為調節投票結果中發現有15%的受試者會打開窗戶，可以證明冬季辦公建筑存在室內過熱問題。

　　在輻射供暖模式下，只要室內溫度不低于16.9℃，受試者可接受百分比在80%以上。由于調研的對流供暖模式的辦公建筑室內溫度較高，無法得到受試者舒適溫度的下限，但當室內溫度過高時，受試者不可接受的比例會上升，因此，應降低對流供暖辦公建筑中的設定溫度。輻射供暖模式下室內溫度不低于16.9℃、對流供暖模式下室內溫度不低于18.6℃時，可以滿足大部分人的熱舒適需求。值得注意的是，2種供暖模式下的室內相對濕度均較低，受試者濕度偏好的調查結果顯示，超過60%的人群希望增大室內相對濕度（見圖4f）。因此，在提供舒適溫度的同時，也應增大室內相對濕度。

　　4.結論

　　通過現場調研，比較了輻射供暖和對流供暖模式下室內熱環境和人體熱舒適需求的差異性。通過對1120份調研數據的分析，得到以下結論：

　　1） 室內熱環境受供暖模式的影響。對流供暖模式下室內平均溫度和豎直溫差顯著高于輻射供暖模式，2種供暖模式下室內相對濕度均顯著低于舒適濕度范圍，CO2平均體積分數均低于1000×10-6。

　　2） 對流供暖模式下超過50%的受試者的TSV在偏暖側，說明室內存在過熱現象。2種供暖模式下TAV和TCV的分布相似，受試者對室內熱環境均有較高的熱舒適和熱可接受度。

　　3） 輻射供暖和對流供暖模式下受試者的中性溫度分別為17.4℃和20.4℃。輻射供暖模式下80%可接受溫度下限為16.9℃，對流供暖模式下可接受溫度上限為24.8℃。

　　4） 在既滿足人體熱舒適需求又節能的前提下，建議寒冷氣候區辦公建筑輻射供暖溫度不低于16.9℃，對流供暖溫度不低于18.6℃。