宋磊^a  陳威銘^b  周翔^a  張靜思^a  張旭^a
a同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院    b清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系

    【摘  要】個性化舒適系統(tǒng)是一種可以讓人員自由調(diào)控所處位置處的局部微環(huán)境的供冷供熱系統(tǒng)，可以提高人員對建筑環(huán)境的滿意率，減少空調(diào)采暖系統(tǒng)能耗。本研究將加熱座墊與座椅結(jié)合，組成一種個性化舒適系統(tǒng)。為了探究加熱座墊對人體熱舒適的影響效果，通過實驗收集了10名受試者在不同環(huán)境溫度（12、14、16、18和20℃）下的局部熱感覺（頭部、軀干、上肢和下肢）、整體熱感覺、熱舒適、熱可接受度等問卷投票。實驗結(jié)果表明：在環(huán)境溫度偏離熱中性時，加熱座墊能有效提升受試者熱舒適和對環(huán)境的滿意率。在環(huán)境溫度16℃時，使用加熱座墊能夠滿足人員的熱舒適需求，拓展了舒適溫度區(qū)間。

    【關(guān)鍵詞】加熱座墊 熱舒適 個性化舒適系統(tǒng) 辦公環(huán)境

    【基金項目】 “十三五”國家重點研發(fā)計劃“建筑全性能聯(lián)合仿真平臺內(nèi)核開發(fā)”（2017YFC0702202）

Abstract:Personal Comfort System(PCS) has potential to improve the occupant satisfaction to indoor environment and reduce air-conditioning energy consumption. This study proposes a new type of personal comfort system which combines heating cushions with workstations. Some experiments were conducted at four ambient temperatures(12\14\16\18\20℃)in an office room. Ten subjects participated in the tests. They were given chairs with heating cushions and voted thermal sensation and thermal comfort every 5mins. The results indicate that heating cushion can effectively improve the subject's thermal comfort and satisfaction to the environment when the ambient temperature deviates from thermal neutral. At an ambient temperature of 16°C, a heating cushion satisfies occupants’ thermal comfort and expands the temperature range for comfort.   
Keywords:heating cushion, thermal comfort, personal comfort system, office environment

0 引言

    隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，人們對室內(nèi)環(huán)境的舒適需求越來越高。傳統(tǒng)空調(diào)旨在創(chuàng)造一個均勻一致的熱環(huán)境，很難滿足人們差異性的需求。近些年，個性化舒適系統(tǒng)（Personal Comfort System，簡稱PCS）得到國內(nèi)外許多研究者的關(guān)注。與傳統(tǒng)空調(diào)相比，個性化舒適系統(tǒng)通過使用少量的能量直接加熱或冷卻人體周圍的局部環(huán)境，可以有效減少傳統(tǒng)采暖空調(diào)系統(tǒng)能耗，同時滿足人員對熱環(huán)境的差異性需求。

    泰國研究者Atthajariyakul等人[1]提出使用小型風(fēng)扇輔助空調(diào)來實現(xiàn)熱舒適和節(jié)能，結(jié)果表明使用小型風(fēng)扇可使空調(diào)設(shè)定點溫度提高至28℃。Zhai等人[2]研究了熱濕環(huán)境中空氣流動對人員熱舒適和感知空氣品質(zhì)的影響，結(jié)果顯示在室內(nèi)溫度30℃、相對濕度60%時風(fēng)扇仍然可以滿足人員的熱舒適需求。Huang等人[3]的研究也得到相似的結(jié)論，并且給出了不同室內(nèi)溫度使用小風(fēng)扇時對應(yīng)的最佳風(fēng)速。Pasut等人[4]使用一種通風(fēng)加熱座椅，通過熱對流和熱傳導(dǎo)的方式可使受試者在16~29℃的環(huán)境中維持熱舒適狀態(tài)。Watanabe等人[5]對通風(fēng)座椅的研究表明，通風(fēng)座椅能維持受試者熱舒適狀態(tài)的室溫上限是30℃。除了小風(fēng)扇和通風(fēng)加熱座椅，部分學(xué)者對暖腳器暖手器的加熱效果進(jìn)行了研究。Zhang等人[6]對暖腳器的使用效果在辦公環(huán)境中進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)果表明房間采暖的設(shè)定溫度從21.1℃降低至18.9℃，采暖節(jié)能量可以達(dá)到38~75%。Oi等人[7]對暖腳器在汽車環(huán)境中的作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明熱感覺為中性時使用暖腳器可使操作溫度降低3℃，結(jié)合加熱座椅可降低6℃。還有一些研究指出了個性化舒適系統(tǒng)的節(jié)能效果。節(jié)能原理是通風(fēng)裝置可以在維持人體熱舒適的情況下提高空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)定溫度[8-14]。當(dāng)設(shè)定溫度提高2.5~6℃時，節(jié)能量從4%到51%不等。當(dāng)增加設(shè)定溫度并減小送風(fēng)量時，可達(dá)到最高節(jié)能量51%[14]。

    本文在選取市場上易得的辦公用加熱座墊作為一種新型個體舒適裝置，通過受試者實驗探究加熱座墊的加熱效果，研究加熱座墊對人體熱舒適的影響效果，給出加熱座墊適用的環(huán)境溫度范圍，為分析個性化舒適系統(tǒng)的節(jié)能潛力提供研究基礎(chǔ)。

1 實驗介紹

    1.1實驗裝置

    實驗中使用的加熱座墊如圖1所示，靠背區(qū)域和坐墊區(qū)域通過直接導(dǎo)熱的方式加熱。座墊從1檔至6檔功率逐漸增大，受試者可以通過遙控器進(jìn)行調(diào)節(jié)，各個檔位對應(yīng)的功率如表1所示。

    1.2實驗地點

    實驗房間為上海地區(qū)某會議室，布置如圖2所示，尺寸為6.8m?4.6m。房間內(nèi)布置有5個裝有加熱座墊的實驗工位和一個室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測點。

    實驗中使用的測量儀器如下：

    1）WSZY-1天建華儀溫濕度自記儀，量程-20~80℃；

    2）BN-150-45 KIMO黑球溫度計，量程-50~200℃；

    3）FB-1 天建華儀熱球式風(fēng)速儀，量程0～10 米／秒；

    1.3 受試者

    本次實驗共有10名受試者（男女各5名），年齡22~26歲，身高1.67±0.09m，BMI（身體質(zhì)量指數(shù)）21.7±2.4，所有受試者在實驗期間身體狀況良好。

    1.4 實驗工況及方式

    實驗設(shè)有5個工況，環(huán)境溫度為12、14、16、18、20℃。由于實驗地點為實際辦公建筑，環(huán)境溫度控制主要為自然室溫結(jié)合空調(diào)微調(diào)，具體情況見表2。

    每組實驗分為5個30min的實驗階段，如圖4所示。受試者到達(dá)實驗房間后先在實驗工位靜坐30min，填寫身高、體重、年齡等基本信息，稱為適應(yīng)階段。隨后實驗正式開始（計時0min）第一、二、三、四階段加熱座墊狀態(tài)分別為關(guān)、強制一檔（一檔一直開）、一檔自由調(diào)節(jié)（受試者可以調(diào)節(jié)座墊關(guān)或一檔）、多檔自由調(diào)節(jié)（受試者可以調(diào)節(jié)座墊關(guān)或選擇任意加熱檔位）。每組實驗中，四個階段順序隨機打亂。從第5min開始填寫熱舒適問卷，每隔5min填寫一次問卷，共24份問卷。受試者在實驗過程中可以使用計算機、看書或相互交談以模擬辦公環(huán)境，但不能談?wù)搶嶒炏嚓P(guān)內(nèi)容。

2 實驗結(jié)果與分析

    受試者整體熱感覺分布如圖5所示。對各個環(huán)境溫度下所有受試者數(shù)據(jù)進(jìn)行配對T檢驗判斷座墊不同加熱狀態(tài)對熱感覺的影響是否有顯著性差異（P>0.05，表示無顯著性差異；0.01<P<0.05，表示顯著性差異；P<0.01，表示極顯著性差異），檢驗結(jié)果如表格3所示。

    由加熱座墊關(guān)和強制一檔兩個階段熱感覺投票對比可得到座墊的加熱效果：在環(huán)境溫度12~20℃時，不使用加熱座墊時熱感覺投票值集中分布在“-1.5~0”（微涼至中性）之間，使用加熱座墊可以使熱感覺投票值提高0.5左右分布在“-1~0”附近。在環(huán)境溫度12~20℃時，座墊狀態(tài)關(guān)和強制一檔的熱感覺投票有極顯著性差異，說明使用加熱座墊對提高人體熱感覺有一定作用。由加熱座墊強制一檔、一檔自由調(diào)節(jié)對照，并未觀察到自由調(diào)節(jié)手段對受試者的心理產(chǎn)生積極暗示從而影響人體熱感覺的現(xiàn)象。相比于一檔自由調(diào)節(jié)，多檔自由調(diào)節(jié)消耗更多的能量但對人員熱感覺影響并非一直顯著。

    圖6給出了四個不同實驗工況下的熱舒適投票結(jié)果，并標(biāo)注了處于熱舒適狀態(tài)的百分比（熱舒適率）。同樣給出了各個環(huán)境溫度下顯著性分析結(jié)果，如表格5所示。

    加熱座墊能夠改善受試者的熱舒適。環(huán)境溫度12~14℃時，使用加熱座墊對熱舒適的改善極為顯著；在環(huán)境溫度16~20℃時，加熱座墊對熱舒適的提高并不顯著。說明實驗條件越偏離熱中性環(huán)境，改善效果越明顯。但在環(huán)境溫度16℃時，熱舒適率從66%提高至81%；環(huán)境溫度18℃時，環(huán)境滿意率從82%提高至92%；環(huán)境溫度20℃時，環(huán)境滿意率從90%提高至97%。

    受試者在每個實驗工況下的環(huán)境接受度如圖7所示。與熱舒適結(jié)論相似，使用加熱座墊可以顯著提高受試者對環(huán)境的接受度，實驗條件偏離舒適環(huán)境越多，改善效果越明顯。在環(huán)境溫度12、14℃時，即使使用加熱座墊熱可接受率只有50%~70%；在環(huán)境溫度16~20℃時，使用加熱座墊可使接受率提高至80%~100%。

    由實驗數(shù)據(jù)做出熱可接受率-溫度的關(guān)系曲線，如圖8所示。根據(jù)ASHRAE 55[15]，室內(nèi)環(huán)境應(yīng)滿足滿意率不低于80%。結(jié)合上述對受試者熱感覺熱舒適投票以及接受度分析可知，當(dāng)環(huán)境溫度低至16℃時使用加熱座墊能滿足受試者的熱舒適需求。

    實驗中受試者同樣進(jìn)行了局部熱感覺（背部、臀部和大腿、臉部、胸部、腹部、手臂、小腿、手、腳）投票，結(jié)果如圖9所示。

    在同一環(huán)境溫度中，使用加熱座墊時與座墊直接接觸的臀部大腿熱感覺明顯高于不使用座墊的熱感覺，集中分布在“+1”（微暖）附近。而由于受試者辦公時背部不會一直和座椅靠背接觸，所以使用加熱座墊時背部熱感覺改善效果不及臀部大腿。其余沒有和加熱座墊直接接觸的部位，是否使用加熱座墊局部熱感覺沒有明顯變化。各個環(huán)境溫度下，所有實驗組受試者的臉和軀干（胸、腹）熱感覺均穩(wěn)定在0附近，手部和腳部的熱感覺隨環(huán)境溫度變化較大。在環(huán)境溫度12~14℃時，受試者手部和腳部的熱感覺集中分布在“-1.5~-1”（涼-微涼）之間；在環(huán)境溫度16~20℃時，熱感覺集中分布在“-0.5~0”（微涼-中性）之間。結(jié)合對受試者整體熱感覺的分析，可以推斷出在偏冷環(huán)境中，手部和腳部較敏感，其局部的熱感覺對整體熱感覺影響最大。因此在環(huán)境溫度12~14℃時，可考慮個性化舒適系統(tǒng)中加入暖腳器、暖手器等。

3 結(jié)論

    本文通過實驗研究了加熱座墊作為個性化舒適裝置對人體熱感覺的影響，主要結(jié)論如下：

    1）使用加熱座墊能有效提高人員的熱舒適和對環(huán)境的接受度。但加熱座墊檔位（功率）不同對熱感覺影響影響并不顯著。

    2）當(dāng)環(huán)境溫度低于16℃時，使用加熱座墊可以使受試者達(dá)到熱中性狀態(tài)并且滿足受試者對環(huán)境的滿意率不低于80%。

    3）與其余身體部位相比，使用加熱座墊主要提高臀部和大腿的熱感覺，環(huán)境溫度低于16℃時，可考慮使用暖手器或暖腳器。

參考文獻(xiàn)：

    [1] Atthajariyakul S, Lertsatittanakorn C. Small fan assisted air conditioner for thermal comfort and energy saving in Thailand[J]. Energy Conversion & Management, 2008, 49(10):2499-2504.
    [2] Zhai Y, Zhang H, Zhang Y, et al. Comfort under personally controlled air movement in warm and humid environments[J]. Building & Environment, 2013, 65(88):109-117.
    [3] Huang L, Ouyang Q, Zhu Y, et al. A study about the demand for air movement in warm environment[J]. Building & Environment, 2013, 61(61):27-33.
    [4] Pasut W, Zhang H, Arens E, et al. Energy-efficient comfort with a heated/cooled chair: Results from human subject tests[J]. Building & Environment, 2015, 84:10-21.
    [5] Watanabe S, Shimomura T, Miyazaki H. Thermal evaluation of a chair with fans as an individually controlled system[J]. Building & Environment, 2009, 44(7):1392-1398.
    [6] Oi H, Yanagi K, Tabata K, et al. Effects of heated seat and foot heater on thermal comfort and heater energy consumption in vehicle.[J]. Ergonomics, 2011, 54(8):690-9.
    [8] Zhang H, Arens E, Kim D E, et al. Comfort, perceived air quality, and work performance in a low-power task–ambient conditioning system[J]. Building & Environment, 2010, 45(1):29-39.
    [9] Makhoul A, Ghali K, Ghaddar N. Desk fans for the control of the convection flow around occupants using ceiling mounted personalized ventilation[J]. Building & Environment, 2013, 59(59):336-348.
    [10] Makhoul A, Ghali K, Ghaddar N. Thermal comfort and energy performance of a low-mixing ceiling-mounted personalized ventilator system[J]. Building & Environment, 2013, 60(1):126-136.
    [11] Chakroun W, Ghaddar N, Ghali K. Chilled ceiling and displacement ventilation aided with personalized evaporative cooler[J]. Energy & Buildings, 2011, 43(11):3250-3257.    
    [12] Ghaddar N, Ghali K, Chakroun W. Evaporative cooler improves transient thermal comfort in chilled ceiling displacement ventilation conditioned space[J]. Energy & Buildings, 2013, 61(3):51-60.
    [13] Pan C S, Chiang H C, Yen M C, et al. Thermal comfort and energy saving of a personalized PFCU air-conditioning system[J]. Energy & Buildings, 2005, 37(5):443-449.
    [14] Schiavon S, Melikov A K. Energy saving and improved comfort by increased air movement[J]. Energy & Buildings, 2008, 40(10):1954-1960.
    [15] ANSI/ASHRAE, Standard 55-2010, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineering, Atlanta, GA, 2010. [J].

    備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會文集）。
              版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。