随着生活水平的提高, 室内环境的舒适性成为人们关注的焦点。传统空调所创造的室内环境已经难以满足人们多样的需求[1]。近些年, 个性化舒适系统 (personal comfort system, PCS) 得到了许多研究者的关注[2-4]。与传统空调相比, PCS适合于不同需求的人群;通过只加热或冷却人体周围的局部空间代替整个房间的方式, 可以有效地减少传统空调的能源消耗, 因此也扩展了房间内空调的温度设定区间[2,4-5]。

　　 Zhang等人研究了加热、制冷汽车座椅对环境可接受温度范围的影响, 结果显示, 加热、制冷座椅能拓宽受试者对车内的可接受温度范围, 向上拓宽6.4℃, 向下拓宽9.3℃[6]。Pasut等人使用一种加热座椅, 通过直接导热的方式使受试者在16℃的环境中维持热舒适;其制冷座椅能在环境温度为29℃时维持人体热中性和高舒适水平[7]。He等人对火桶的调研表明, 这种传统的个人取暖器具可以将背景环境的可接受温度下降至9.2℃[3];随后的实验结果也表明, 即使在9℃的环境中, 也有80%的受试者觉得可以接受[8]。在Boerstra等人的研究中[9], 将环境温度维持在28℃附近, 使用桌面风扇也可以达到ASHRAE 55-2010所建议的90%可接受度的标准[10], 并且受试者的热舒适随着对风扇的个人调节而上升。He等人的实验也得到了相似的结论, 并且发现局部风速达到2.3m/s时可接受温度能拓展到30℃[11]。何梅玲等人在热湿工况下对工位辐射制冷系统进行了研究, 相比于传统空调, 这种系统在28, 30℃时仍能维持人体热舒适[12-14]。Zhang等人对暖脚器进行了长时间的研究, 结果表明使用暖脚器来维持人体热舒适能有效地减少传统空调的能源消耗[2]。根据Zhang等人关于大量PCS研究的综述[4], 与传统空调相比, PCS在拓展舒适温度区间和节能方面都有不同程度的优势。

　　 从上述研究中可以看出, 个性化舒适系统夏季多采用强制对流的方式达到制冷效果[7,9,11,13], 冬季以直接导热的方式为主[2,6];现有研究中的个性化设备并未得到广泛应用, 尤其是供暖设备。本文提出的工位辐射供暖末端适用于现有间隔式的办公室环境, 采用辐射的方式, 提供一个相对均匀的局部供暖环境[15-18]。研究通过实验获得了受试人员在低温环境中使用工位辐射供暖末端时的局部和整体热感觉, 并与对流环境进行对比, 旨在确定这种辐射供暖末端在低温环境中对人体热感觉的提升效果。

　　 实验房间的布置如图1所示, 房间尺寸为4.3m×2.7 m, 中间由隔板隔开, 分为A, B两区。A区为适应区 (方便工作人员采集受试者个人与着装信息) , 只设置了普通工位桌 (长×宽×高为1.2m×0.6m×0.8m) ;B区为实验区 (所有工况的实验均在此工位进行) , 在工位两侧添加了辐射供暖末端, 末端尺寸为宽0.6m、高1.0m, 位于坐姿受试者正侧面, 以工位桌边为界, 平分宽为0.6m的辐射末端 (如图1B区所示) , 以保证坐姿使用者处于辐射末端的正面供暖区域内;C点为室内环境参数测量点。实验工位两侧设置辐射末端, 使用时末端表面温度为60℃;实验中使用另外一套独立的空调系统来控制实验房间的热环境参数。

　　 实验中使用的测量仪器如下:

　　 1) TSI 8347热式风速仪, 测量室内风速, 测量范围为0~20m/s, 测量精度为±3%;

　　 2) TR-72i温湿度测试仪, 测量室内干球温度和相对湿度, 测量范围为0~50℃, 10%~90%, 测量精度为±5%;

　　 3) TR-102黑球温度测量仪, 测量室内黑球温度, 测量精度为±0.2℃;

　　 4) 辐射末端温度通过贴片式铂电阻Pt100进行测量, 并接入无纸记录仪实时监测。

　　 本次实验共有24名受试人员, 均在长沙或相似气候区 (夏热冬冷地区) 生活超过2年。男生、女生各12名, 年龄 (22.5±1.24) 岁, 身高 (1.70±0.14) m, 体质量 (60.3±4.47) kg, BMI (身体质量指数) (21.0±1.66) kg/m², 所有受试者在实验期间身体健康状况良好。根据标准ASHRAE 55-2010[10], 受试人员穿着标准冬季服装参加实验, 服装热阻约为1.0clo, 其中上装 (针织衫+薄毛衣+厚单排扣外套) 热阻约为0.70clo, 下装 (内衬裤+厚外裤) 热阻约为0.21clo, 鞋袜 (厚袜+厚底运动鞋) 热阻约为0.09clo。

　　 实验共设有7个工况, 包括4个对照工况和3个实验工况, 具体情况见表1。环境温度为14, 16, 18℃时各设有对照组与实验组, 对照组用于与同一背景温度下使用工位辐射供暖末端的情况进行对比;20℃作为GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》[19]对国内办公室供暖的设计温度, 此环境温度下只设置对照组, 与所有实验组形成对比, 以便分析工位辐射供暖末端对于维持更低温度下舒适性的实际效果。研究中的变量未涉及相对湿度与室内风速, 为减少其变化对人体热感觉的影响, 根据ASHRAE 55-2010[10]与GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》[19], 将相对湿度控制在50%左右, 室内风速控制在0.10m/s以下。

　　 受试人员到达实验室后, 先在适应区静坐20min, 并协助实验人员填好相关信息, 工作人员对实验问卷的填写与等级划分进行讲解。然后转移至实验区 (计时0 min) , 从第10 min开始填写问卷, 每间隔10min填一张问卷, 共4张问卷, 单次实验时长60 min。受试者在实验过程中可以交谈、看书或使用电脑等以模拟办公室的工作环境, 但不能谈及实验的相关内容。问卷中的热感觉投票值 (TSV) 采用7个等级的衡量标准[3,8,11,20-21], 具体划分情况见表2。

　　 各工况下的实测环境参数如表3所示, 各工况下测得的平均环境温度 (0.6m高) 与设定的环境温度相近;并且相对湿度测量值 (50.7%±2.7%) 基本符合设定湿度, 实际风速测量值 (0.08±0.02m/s) 也在设定范围内, 实验环境相关参数控制良好。

　　 头部热感觉平均值随时间的变化如图2所示。在同一环境温度中, 实验组头部的热感觉明显高于对照组。在使用工位辐射供暖末端以后, 所有实验组的头部热感觉都稳定在0附近, 没有低于-0.1的, 头部热感觉都接近热中性。而在不使用工位辐射供暖末端的情况下, 除了环境温度为18, 20℃时受试者头部处于较为舒适的状态, 环境温度为14, 16℃时, 受试者的头部热感觉均随着受试时间的增加而降低, 最终接近-0.4。

　　 受试者躯干的动态热感觉如图3所示, 所有实验组受试者躯干的热感觉均稳定在0附近。在未使用工位辐射供暖末端的情况下, 当环境温度为18, 20℃时受试者躯干的热感觉才稳定在0附近;环境温度为14℃时, 受试者躯干的热感觉随受试时间的增加而降低, 但冷感不强, 接近-0.2。虽然在各种环境温度下, 受试者躯干热感觉在使用工位辐射供暖末端前后的变化没有头部明显, 但是各实验组的躯干热感觉稳定时均会略高于相应对照组的实验结果。

　　 受试者上肢的动态热感觉如图4所示。相对于各环境温度下的对照组工况, 在使用工位辐射供暖末端后, 上肢热感觉的均值都有明显的上升, 比头部和躯干热感觉的变化更明显。对照组工况中, 在环境温度为18, 20℃时, 受试者上肢热感觉接近热中性;但在14℃时, 上肢热感觉均值一直随受试时间的增加而降低, 最终接近-0.6。在使用工位辐射供暖末端后, 受试者上肢的冷感都有明显的改善。16, 18℃时实验组的上肢热感觉最终稳定在0~0.1之间, 处于热中性附近;14℃时的上肢热感觉也从对照组的-0.6附近上升至-0.1附近。

　　 受试者下肢的热感觉随时间的变化如图5所示。与受试者其他局部相对比, 下肢的冷感最强。环境温度为14, 16℃且不使用工位辐射供暖末端时, 下肢的热感觉均随受试时间的增加而持续下降, 16℃时热感觉最终下降到-0.9, 14℃时热感觉最低下降到-1.4附近;在使用工位辐射供暖末端的工况中, 受试者下肢的热感觉都有明显的上升, 14℃时上升到-0.5, 16℃时上升到-0.2~-0.1之间。18℃时对照组受试者下肢冷感不明显, 使用工位辐射供暖末端后, 下肢热感觉提升不大;与20℃的对照组工况相比, 下肢热感觉均值相差不大, 差值最大在0.2以内。

　　 受试者整体的动态热感觉如图6所示。对照组与相应实验组之间的实验数据相差明显, 工位辐射供暖末端对提升人体整体热感觉有一定作用。在不使用工位辐射供暖末端时, 环境温度越低, 受试者整体热感觉越低, 14℃时受试者整体热感觉稳定在-1.4~-1.2之间, 受试者冷感最强;16℃时整体热感觉稳定在-1.0附近, 受试者冷感明显;18, 20℃时的实验结果相差0.2左右, 受试者冷感不强, 终值稳定在-0.2~0左右。使用工位辐射供暖末端后, 14, 16℃时受试者整体热感觉上升明显, 14℃时整体热感觉提升到-0.2附近;16℃时受试者热感觉达到热中性, 与20℃的对照组稳定时的数据点重合。

　　 结合上述对受试者局部与整体的动态热感觉分析可知:工位辐射供暖末端在低温环境中能明显提升受试者热感觉;即使环境温度低至16℃时, 工位辐射供暖末端也能保证受试者的热舒适。

　　 从上面的分析可以看出, 在使用工位辐射供暖末端以后, 受试者各局部与整体热感觉变化趋势基本一致, 但在反应程度上存在明显的差异。为了研究在这种供暖模式下, 受试者各局部热感觉对整体热感觉的影响程度, 采用多元逐步回归法分析。这种方法可以定量地确定有重要影响的个体部位并排除无关紧要的部位[22], 并且在前人的研究中也有所运用[20-21]。回归模型的方程如下:

　　 式中OTS为整体热感觉 (overall thermal sensation) ;C_i为个体部位i (头部、躯干、上肢、下肢的编号依次为1, 2, 3, 4) 的局部热感觉对整体热感觉的影响系数;LTS_i为个体部位i的局部热感觉 (local thermal sensation) ;C₀为任意常数。

　　 使用IBM SPSS Statistics进行多元逐步回归分析, 模型建立过程中的各项参数如表4所示。模型1中第一次引进自变量LTS₃ (极显著性) , LTS₁, LTS₂, LTS₄作为剔除变量, 但是变量LTS₄对因变量OTS的影响呈极显著性水平, 并且与因变量OTS的偏相关达到了0.469, 所以应该将其作为自变量引入模型方程, 得到模型2。2个模型中LTS₁, LTS₂的显著性水平概率均大于0.10, 不属于显著变量, 故不能引入模型方程。

　　 模型2回归标准化残差直方图如图7所示, 回归标准化残差基本呈正态分布, 这也满足经典回归模型的基本假设之一 (随机误差呈正态分布) 。表5给出了模型2共线性诊断与模型决定系数。从表5可以看出:模型共线性诊断中最大条件索引值6.921未大于10, 并且方差比例最大值0.61未接近1, 这表明模型2中不存在严重的多重共线性;模型决定系数R²为0.933, 接近1, 表明模型2回归拟合效果较好。

　　 多元逐步回归结果如表6所示, C₀, LTS₃与LTS₄的显著性水平概率值都小于0.050, 采用非标准化系数得到回归方程为OTS=0.037+1.628×LTS₃+0.323LTS₄。回归模型的数据表明, 在工位辐射供暖末端的模式下, 上肢的热感觉对整体的热感觉影响最大, 其次是下肢, 头部和躯干的影响可以忽略不计。

　　 表7给出了稳态热感觉方差与配对t检验结果。表7显示, 相对于对照组, 所有实验组各部位稳态热感觉投票方差都会有不同程度的减小, 使用工位辐射供暖末端后稳态投票比较集中。根据多元逐步回归分析, 在使用工位辐射供暖末端的模式下, 受试者上肢热感觉变化对整体热感觉变化的影响因子最大, 其次是下肢, 所以下面将结合配对t检验的结果 (见表7) , 对受试者上肢、下肢及整体稳态的热感觉进行分析, 以确定工位辐射供暖末端的供暖效果。

　　 受试者上肢稳态热感觉分布如图8所示 (气泡越大, 投票值占比越大) 。当环境温度为14, 16℃时, 各实验组与对照组的实验结果之间存在极显著差异 (配对t检验见表7, P为配对t检验对应值:P<0.01, 极显著差异;0.01<P<0.05, 显著差异;P>0.05, 无显著差异) 。环境温度为18℃时, 使用工位辐射供暖末端前后上肢热感觉也存在显著差异 (P<0.05) 。14℃时, 对照组在“0”处的投票值占比只有54%, 实验组上升到83%;16℃时, 相比于对照组, 实验组上肢热感觉在“0”处的投票值占比提升了29%。从图8可以看出:在使用工位辐射供暖末端的情况下, 即使环境温度为16℃, 上肢稳态的热感觉投票值分布接近于20℃的对照组工况。

　　 受试者下肢稳态热感觉分布如图9所示。当环境温度为14, 16℃时, 对照工况的下肢稳态热感觉投票值大都集中在“-1”处, 在使用工位辐射供暖末端后, 下肢热感觉投票值大多数集中在“0”处, 前后实验数据存在极显著差异 (P<0.01) 。当环境温度为18℃时, 下肢稳态热感觉变化虽然没有前2个环境温度明显, 但实验组与对照组的结果之间也存在显著差异 (P<0.05) ;且18℃的实验组工况下, 觉得下肢不冷不热的受试者人数占比略大于20℃对照组此感觉的人数占比。

　　 受试者整体稳态热感觉分布如图10所示。与下肢的稳态热感觉分布类似, 当环境温度为14, 16℃时, 对照组的整体稳态热感觉投票值分布集中在“-1”处, 实验组的整体热感觉明显上升, 大多数集中在“0”处, 实验组与对照组之间存在极显著差异 (P<0.01) 。与20℃的对照组相比 (100%的受试者认为此环境不冷不热) , 在使用工位辐射供暖末端的情况下, 当环境温度为18℃时, 有80%的受试者的整体稳态热感觉投票值为不冷不热, 有20%左右的受试者觉得此受试环境有点热;当环境温度为16℃时, 100%的受试者觉得受试环境不冷不热;当环境温度为14℃时, 认为受试环境不冷不热的受试者占比也有75%左右。

　　 结合上述对部分局部与整体稳态热感觉的分析可知, 配合使用工位辐射供暖末端, 即使环境温度下降到16℃, 也能让100%的受试者的整体热感觉上升至热中性, 在保证人体热舒适的同时, 拓展了冬季舒适温度区间。在较低的环境温度中, 工位辐射供暖末端对人体热感觉的提升有明显的作用。

　　 2.3节多元逐步回归分析的结果显示:上肢与下肢的热感觉变化对整体热感觉的影响较大, 躯干的影响最小。办公环境中, He等人对局部-整体热感觉回归模型的分析结果表明, 手、腿、足部热感觉对整体热感觉存在重要影响, 躯干的影响可以忽略不计[21], 这与本文研究结果基本一致。而Cui等人对飞机客舱环境中回归模型的研究显示, 头部热感觉对整体热感觉的影响不容忽视[22]。飞机客舱与办公环境在空间尺寸与运动状态上存在明显区别, 气流组织与热环境分布不同, 可能是造成这2种不同环境中的局部-整体热感觉回归模型存在一定差异的原因。

　　 本文回归结果显示躯干对整体热感觉影响可忽略不计, 并且根据2.2节对躯干热感觉的分析可知:躯干热感觉最小值也在-0.2以上;使用工位辐射供暖末端前后, 躯干热感觉在-0.2~0.2之间, 变化并不明显, 分析原因在于人员冬季上装较厚 (上装热阻0.70clo) , 导致工位辐射供暖末端对躯干热感觉影响不大。后续实验可对辐射末端的布置进行合理优化, 减少不必要的能耗损失。

　　 工位辐射供暖末端在16℃的环境中也能维持人体热舒适, 降低了冬季背景区空调的设定温度。现有能耗模拟软件未能添加个性化辐射末端, 所以根据加州伯克利大学针对个性化舒适系统对空调节能率的分析[4-5,12,23], 空调设定温度每下降1℃, 能耗下降10%左右, 如图11所示。使用工位辐射供暖末端能使空调设定温度从20℃下降到16℃, 由图中趋势可知, 建筑空调能耗的降低率约为20%~30%。

　　 1) 使用工位辐射末端供暖, 能有效提升受试者的局部热感觉;与身体其他部位相比, 上肢和下肢的热感觉提升较为明显。

　　 2) 与传统对流空调相比, 在16℃的环境下, 使用工位辐射供暖末端后, 受试者整体热感觉处于中性水平, 其舒适性得到了显著改善。

　　 3) 当环境温度为14, 16℃时, 工位辐射供暖末端能明显改善受试者热舒适, 但在18℃时, 工位辐射供暖末端对人体热舒适的改善效果不明显。

　　 4) 工位辐射供暖末端在维持人体热舒适的同时还拓宽了冬季可接受温度范围, 具有降低建筑空调能耗的潜力。