近年来, 夏热冬冷地区的供暖问题受到越来越多的人关注。成都位于我国夏热冬冷地区, 冬季有供暖需求。但集中供暖在该地区并未推行, 原因是供暖能耗高, 投资大, 热网铺设影响城市规划、交通和居民出行[1]。所以目前成都地区都采用分散式供暖方式, 每户家庭根据自己需求、经济情况选择适合的供暖方式。提高夏热冬冷地区居住建筑冬季室内舒适度是亟待解决的问题 ⁽¹⁾ , 选择合适的末端和运行方式至关重要。分体式空调价格较低、使用简单、维护容易, 可实现以房间为单位的分散控制, 自主调节, 能效和经济性较好[2], 在夏热冬冷地区使用率很高。唐曦等人通过问卷调研得到的2013—2015年夏热冬冷地区不同供暖末端的比例及发展趋势表明, 越来越多的家庭采用辐射末端, 并有更多的家庭希望采用辐射末端[3-5]。

居住建筑供暖末端形式和运行模式的不同, 均会导致较大的能耗差别。唐曦等人的调查结果表明:成都地区热泵 (分体式空调, 以下均称热泵) 使用家庭有29.2%的居民感觉室内微凉或者凉, 主要是因为热泵间歇性使用;而采用地板供暖的用户, 其年均供暖天数比采用热泵的用户长30d左右[3]。另外根据文献[3]的能耗模拟结果, 使用热泵的用户运行能耗比地板供暖用户少85.6%。周翔等人对上海地区 (同样为夏热冬冷地区) 的热泵住户和燃气壁挂炉+地板供暖住户进行了热舒适和能耗调查测试, 发现热泵住户能耗均值为4kW·h/ (m²·a) , 折合费用约为2元/ (m²·a) , 而燃气壁挂炉+地板供暖住户的天然气供暖能耗折合等效标准煤耗量约为7.5kg/ (m²·a) , 折合费用高达15.4元/ (m²·a) [6]。李楠通过大量问卷调查, 回归分析发现空调开启时间对住宅供暖能耗影响最大[7];朱理通过对杭州地区的调研, 回归分析发现人员结构、温度设定值和空调作息 (开启时间) 对供暖能耗有显著影响[8];Chen等人在重庆地区进行了问卷调查, 回归分析发现建筑朝向、建造时间、年收入、室内热环境满意度、建筑面积、楼层、家庭人数、供暖设备数量、使用时长和效率对冬季建筑能耗影响显著[9]。

巨大的能耗带来的是温暖的室内环境。但也有研究指出, 夏热冬冷地区冬季住宅居民的实际感受并不能用PMV直接衡量, TSV (主观感受) 值大于PMV值[10-12]。结合热适应模型[4,13-15]可以分析得出, 夏热冬冷地区已经习惯较冷环境的居民可能不需要更温暖的室内环境。因此本研究提出一个问题:以提高能耗的代价去营造持续温暖的室内环境, 能给居民带来实际上的舒适度提升吗?或者说这样做值得吗?

本研究从实际冬季测试出发, 入户调研了夏热冬冷地区成都市不同供暖末端的客观环境、居民的主观感受, 以及对应的能耗。比较不同末端的冬季室内客观环境 (主要指温度、相对湿度) 差异、能耗差别所造成的舒适度差异;同时对比相同末端、不同能耗下的舒适度差异。从而尝试去回答是否有必要通过提高能耗来营造更温暖的室内环境这个问题。

2016年1—3月, 在成都地区选择了2幢高层公寓 (分别为22层和27层) 共10户住宅进行调研。2幢建筑物均建成于2010年后, 围护结构传热系数为1.6 W/ (m²·K) , 窗户传热系数为5.5W/ (m²·K) 。每户于客厅和卧室1.0 m高度处安装温湿度自记仪和黑球温度自记仪, 其中温湿度自记仪的放置保证与电视等热源有一定距离, 而黑球温度自记仪的放置保证不受电视等的辐射, 记录时间间隔为10 min, 并向每户发放一定数量的主观问卷, 要求被调查者在测试仪器附近填写, 并注明填写地点及时间。问卷主要分为两部分———客观环境感觉和满意率。热感觉投票采用ASHRAE 7级标度表示, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3分别表示冷、凉、微凉、中性、微暖、暖和热。

由于本研究的研究对象有辐射供暖末端, 在该末端热环境中人体与环境有辐射换热, 因此本研究对各个家庭的操作温度进行对比分析。根据ASHRAE标准[16], 操作温度的定义为:在一个空气与壁面 (黑体) 温度均为t_o的环境中, 人与环境的对流和辐射换热量之和等于在实际非均匀环境中的值, 那么t_o即为该实际环境的操作温度。从另一个角度来解释, 操作温度是指空气温度和平均辐射温度的加权平均, 在风速小于0.1m/s的环境中, 空气温度和平均辐射温度的权重各为0.5。

将温湿度自记仪和黑球温度自记仪测得的数据进行汇总, 得到室内环境的操作温度, 分别统计3种不同末端的室内热环境, 统计结果绘制于ASHRAE标准的冬季热舒适区间图中, 该热舒适区间是指在服装热阻为0.5~1.0clo, 代谢率为1.0~1.3met下, PMV为-0.5~0.5的区间。

燃气壁挂炉基本上连续运行, 但是设定温度有差异。例如:用户1的设定温度较低, 为17℃, 使得室温基本上控制在16~18℃之间;而用户2~4的设定温度较高, 为21℃, 室温基本高于18℃的供暖设计下限。用户2~4的舒适区达标率均较高, 分别约为52%, 74%, 98%。如图1所示。

采用燃气壁挂炉+散热器的2个用户运行模式均为连续运行, 设定温度高, 其中用户1设定温度为20℃, 用户2设定温度为22℃。高的设定温度导致舒适区达标率较高, 其中用户1达标率约为64%, 用户2达标率约为82%。如图2所示。

热泵用户运行模式都是间歇运行, 但是不同用户使用习惯不同, 热环境特征也不同。例如:用户1和用户4热泵使用频率不高, 且开启时设定温度不高 (最高不超过18℃) ;用户2基本不开启热泵, 室内温度较低, 维持在9~15℃;用户3开启热泵频繁, 且设定温度较高 (22~26℃) , 人在室内时开启热泵的时间约占40%, 其舒适区达标率约为34%。如图3所示。

本章旨在探究真实情况下 (包括运行模式、着装量等) 不同供暖末端的热舒适情况, 由于地板供暖、散热器连续运行, 而热泵间歇运行, 因此对于燃气壁挂炉+地板供暖用户和燃气壁挂炉+散热器用户, 在供暖末端运行时进行了主观问卷调研;对于热泵用户, 在热泵未开启时和开启时均进行了主观问卷调研。调研时受访者的衣着不作任何要求。

共发放问卷200份, 回收有效问卷95份, 其中燃气壁挂炉+地板供暖用户50份, 燃气壁挂炉+散热器用户19份, 热泵用户26份。问卷样本量较少, 但是反映的主观感受结论比较鲜明。热感觉的调研结果如图4所示。地板供暖用户中, 有20%感觉微凉, 55%感觉适中, 23%感觉微暖, 只有2%感觉暖, 整体热感觉偏中性;散热器用户中, 12.5%感觉微凉, 37.5%感觉适中, 25%感觉微暖, 25%感觉暖, 整体热感觉偏暖;热泵用户中, 66%感觉适中, 16%感觉微暖, 13%感觉微凉, 剩下5%感觉暖和热, 整体热感觉适中。

热环境满意率统计结果如图5所示。散热器用户中, 14%感觉适中, 86%感觉满意;地板供暖用户中, 52%感觉适中, 48%感觉满意;热泵用户中, 36%感觉适中, 60%感觉满意, 4%感觉不满意。

热泵用户问卷填写时对应的热环境状态点如图6所示。在实际问卷调研过程中, 热泵未开启时室内热环境现状较差, 但是主观结果显示受访居民对未开启热泵的冷环境能够接受, 这可能是居民的自我满足造成的。不同的家庭、不同的经济条件都有可能产生这样的自我满足, 包括增加衣着量、经济条件较差、相对于原来的状况有所改善等原因, 虽然环境温度低, 甚至低于了12℃的卫生学下限温度[17], 但是居住者也能够接受。热泵开启时, 由于吹风感、未及时减衣物等原因, 造成了居住者的过热抱怨, 而图4中热泵用户感觉热的投票和图5中热泵用户不满意的投票正是在热泵开启时完成的。

通过主观问卷调研发现, 在该研究中, 不同末端形式下的热感觉相似, 大部分感觉适中, 有小部分感觉微凉或微暖。

将客观环境和主观问卷调研结果进行对比发现:客观环境的舒适区达标率并不是很高, 甚至有的用户舒适区达标率几乎为0;但是主观热感觉都倾向于适中, 且几乎没有不满意率。由此可以认为, 夏热冬冷地区居民可能对冬季室内较冷的环境有一种自我满足, 不同的家庭、经济条件都有可能产生这样的心理预期, 加上相对于原来的状况有所改善, 使得对较冷的室内环境没有不满意率。因此直接用热舒适区和客观环境去评价居民的热舒适可能不合适。

在本次调研中, 用户在自己选择的供暖末端形式、供暖策略下, 对室内热环境均是可以接受的。连续供暖环境中的满意率较高, 而间歇供暖环境中的不满意率也很低。实测结果表明所调研的居民普遍能接受现有的供暖状态。

获取燃气壁挂炉+地板供暖用户和燃气壁挂炉+散热器用户的每月燃气费账单, 以及热泵用户的每月额外供暖电费, 取联合循环效率为55%[18], 根据标准热值换算成标准煤耗量, 得到3种末端每月单位面积标准煤耗量的分布, 如图7所示。

燃气壁挂炉+地板供暖用户和燃气壁挂炉+散热器用户的供暖能耗远大于热泵用户, 而地板供暖和散热器用户自身能耗差别很大。地板供暖用户供暖能耗高的达3.49kg/ (m²·月) , 低的仅有1.39kg/ (m²·月) ;散热器用户供暖能耗高的达5.87kg/ (m²·月) , 低的为2.29kg/ (m²·月) 。下面对能耗差别和满意度差别进行对比。

首先对比分析辐射末端和对流末端。地板供暖与散热器用户的平均能耗为2.58kg/ (m²·月) , 约为热泵用户能耗 (0.32kg/ (m²·月) ) 的8倍, 主要是因为所调研用户的热泵是间歇性使用的。但是通过问卷调查分析发现, 不同末端用户的满意度差别不大, 住户对自己选择的现有居住环境都较为接受, 不满意率较低, 热泵用户的不满意率仅为5%。

其次比较相同末端不同运行情况下的满意度差别。对于地板供暖用户1与地板供暖用户4, 从室内环境参数可以看出, 用户1控制温度较低, 用户4控制温度较高, 两者的标准煤耗量分别为1.60kg/ (m²·月) 与3.32kg/ (m²·月) , 差别较大。但是2户的满意率差别不大:用户4 (高能耗) 的调研结果表明, 46%感觉适中, 54%感觉满意;用户1 (低能耗) 的调研结果显示, 56%感觉适中, 44%感觉满意;两者均没有不满意率。

本次调研得到的热泵用户和燃气壁挂炉+地板供暖用户的能耗水平与周翔等人[6]的调研结果相差不大, 如表1所示。燃气壁挂炉+地板供暖用户的能耗远大于热泵用户, 但是两者的不满意率差别不大。

通过对本研究的案例进行分析, 对不同供暖末端而言, 不同的供暖形式、使用方式造成的能耗差别很大, 最多相差7倍, 但是主观上的满意率却没有明显的差别。

同样, 对于相同的供暖末端但不同的使用习惯, 本研究发现高温工况运行和中低温工况运行造成的能耗差别较大, 最多相差1倍, 但是主观上的满意率没有明显差别。

因此在本研究的案例基础上得到初步猜想, 即能耗高低与满意率高低可能不存在显著相关性, 这需要进一步通过案例调研来证实。

1) 本次入户调研发现, 成都地区冬季住宅室内温度在5~22℃之间, 住户热感觉和不同末端的能耗等客观数据与一些文献的调研结果相似;住户整体热感觉适中;燃气壁挂炉+地板供暖等辐射末端用户的能耗较大, 高达6.6kg/ (m²·a) , 是热泵用户能耗的8倍左右。

2) 本研究中被调查的居民, 在自己选择的空调末端形式、供暖策略下, 普遍都比较满意, 主观调研结果几乎没有不满意率。结合客观环境, 尽管室内环境满足热舒适区间的比例不高, 甚至有的热泵用户热舒适区间达标率为0, 但是可能由于居民对冬季较冷的室内环境有一种自我满足, 使得不满意率较低。直接用客观环境和热舒适区间去评价住宅居民的热舒适可能不太准确。主观问卷样本量相对较少, 需要后续进一步调研验证。

3) 对于不同供暖末端, 采用热泵供暖的用户, 其能耗相对较低, 仅为0.32kg/ (m²·月) , 是燃气壁挂炉+散热器和燃气壁挂炉+地板供暖用户平均供暖能耗 (2.58kg/ (m²·月) ) 的12.5%, 但是满意率没有明显差别。在居民自己选择的不同末端形式下, 不满意率已经很低, 因此高能耗供暖末端可能不能带来满意率的显著改善。

4) 对于相同末端采用不同运行方式的情况而言, 例如燃气壁挂炉+地板供暖用户有高温运行工况和中低温运行工况, 两者实际环境温度有2℃的差异, 这导致能耗相差1倍之多, 而通过问卷调研发现两者满意度相差不大。在相同供暖末端的不同运行策略下, 高能耗运行可能不会带来满意度的提升。