基于個人舒適系統杭州住宅冬季熱舒適與能耗

陳淑琴， 陳 悅， 華 穎， 孔舒怡， 張彥彤， 王子煜， 劉佳琪， 徐怡寧

（1. 浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058；2. 浙江大學 平衡建筑中心，浙江 杭州 310058；3. 浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310058）

夏熱冬冷地區的氣候特點是夏季高溫悶熱，冬季陰冷潮濕，最冷月平均溫度為0～10℃、最熱月平均溫度為25～30℃，日平均溫度≤5℃的天數在0～90d 之間，日平均溫度≥25℃的天數在40～110d 之間[1］。該地區2000年以前建成的住宅建筑圍護結構熱工性能非常差，住宅室內熱環境惡劣[2-4］，居民對于室內熱環境的滿意度也較低[5-6］。隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，夏熱冬冷氣候區居民冬季供暖問題近年來越來越受到重視[7-9］。

夏熱冬冷地區住宅供暖設備和供暖方式也有明顯的自身特點。個人舒適系統指的是通過改善一個或多個身體部位的局部熱狀況來改善人體舒適度的系統或設備[10］，是夏熱冬冷地區住宅冬季普遍使用的供暖設備形式。冬季居民使用的PCS類型主要包括：紅外線取暖器、取暖椅、油汀、暖腳器、局部暖風機等。郭偲悅等[11］2014 年對上海的調查說明采用 “PCS” 和 “PCS+空調” 兩種模式進行供暖的比例高達80%。本課題組之前的研究發現[3］，當冬季室外溫度在12℃至14℃時，居民開始使用空調和PCS；當室外氣溫低于9℃，空調使用率開始超過PCS。

已有研究[12］證明，人體各部分對冷熱感覺的喜好不同，通過改善局部部位的熱舒適條件可以改善全身的熱舒適。盡管夏熱冬冷地區普遍使用PCS調節人體熱舒適，但目前PCS 作用下的冬季居民熱舒適特征研究非常少。同時，該地區住宅的供熱需求計算大多只針對空調能耗，基本沒有考慮PCS 的能耗。鑒于此，本文以杭州市住宅建筑為對象，通過問卷調研、入戶現場實測和能耗模擬，得出該地區PCS作用下的冬季住宅熱舒適特征和供暖能源需求，為確定該地區基于特定供暖設備下的住宅室內熱環境改善定量需求提供依據，對實現住宅室內熱環境的綠色營造和節能減排工作具有重要意義。

1 研究方法

1.1 季節劃分方法

首先獲取杭州市典型氣象年數據，進行季節劃分。根據《氣候季節劃分》（QX/T152—2012）[13］的規定確定杭州的冬季從11月下旬持續到次年2月下旬。統計分析杭州冬季每旬的平均氣溫值將冬季劃分成冬初冬末和嚴冬兩個時間段。其中冬初冬末包括11 月下旬、12 月上旬和2 月下旬，平均氣溫為5～10℃；嚴冬從12月中旬到次年2月中旬，平均氣溫為5℃以下[14］。

1.2 研究方法

本文研究方法如圖1 所示。供暖設備運行狀態和人體新陳代謝水平均會影響人體的熱舒適特征。首先通過問卷調研和聚類分析獲得杭州市住宅居民開窗、遮陽、空調供暖、PCS 供暖等典型熱環境組合調節模式；通過入戶現場測試獲得典型冬季典型供暖方式和居民活動狀態組合下的熱舒適區間；通過調研和統計分析獲得杭州典型住宅建筑形式，在此基礎上，模擬上述典型熱環境調節模式下的冬季室內熱環境和能耗；基于入戶現場實測得到的冬季典型供暖方式和居民活動狀態下的熱舒適區間，對臥室和客廳的冬季室內熱舒適情況進行評價。

圖1 本文研究方法Fig. 1 Research method of this paper

1.2.1 典型熱環境調節行為問卷調查及模式聚類

為揭示杭州市住宅居民典型熱環境組合調節行為方式（包括空調供暖、PCS 供暖、開窗及遮陽行為），于2020―2021 年冬初冬末和嚴冬分別發放調查問卷，采取隨機抽樣的方法在杭州市主城區進行問卷調研。問卷調研共回收樣本數量為240 份，其中冬初冬末112份、嚴冬128份。根據簡單隨機抽樣的樣本數量公式[15］，大規模問卷調研的樣本數量在95%置信度、10%抽樣誤差下至少需達到96 份，本次問卷調研的樣本量均已超過必須達到的樣本規模。

問卷調查內容如表1所示，以了解冬季PCS、空調、開窗和遮陽的使用特征。

表1 問卷調查內容Tab.1 Survey contents

根據問卷調研數據，使用SPSS 軟件的k-means聚類方法對冬初冬末和嚴冬兩個時間段的居民熱環境調節行為進行聚類分析。每個時間段的聚類參數包括客廳和臥室的空調行為、開窗行為、遮陽行為以及PCS 使用行為。將每一樣本的空調行為、開窗行為、遮陽行為以及PCS 使用行為轉化成2 進制，即1代表開，0代表關，將最大迭代次數設定為100，根據數據集包含數據樣本的數量及數據集可壓縮性來確定簇數k，使k的取值滿足如下條件：k個分類相互之間具有顯著的差異性；簇數為k+1時，各分類的樣本存在重合的特征。

1.2.2 熱舒適特征入戶實測

為了確定冬季典型供暖方式下的居民熱舒適特征，進行入戶現場測試。冬季的入戶現場測試時間從2020 年11 月28 日到2021 年2 月25 日，所測試的天氣狀況均符合當地冬季典型氣候特征。

在杭州市主城區中選取能代表該區經濟水平的26個小區進行隨機抽樣，測試樣本量總計204份，回收有效樣本193份，其中男性80人（占41.5%），女性113人（占58.5%）。

為確定杭州居民在冬季典型供暖方式和居民活動狀態組合下的熱舒適特征，現場研究遵循客觀環境參數測試與主觀問卷調查相結合的原則。其中，客觀熱環境測試參數包括室內溫度、相對濕度、空氣流速、黑球溫度，并記錄入戶測試時的空調開啟情況、空調設定溫度、PCS 的功率及使用狀態、開窗狀態、窗簾內遮陽狀態。在房間中心點和人體附近（0.3m以內）布置室內溫濕度和黑球溫度測點，測點高度為0.6m。

為了獲得穩態熱舒適特征，實驗人員開始測試時被測對象至少已在房間內停留并保持了該活動狀態1h以上。主觀問卷調查內容主要包括：①空調及PCS 的使用習慣；②測試時的衣著，以及靜坐、打掃衛生等活動情況；③測試時的熱感覺。

通過上述測試和問卷，可以反映杭州市住宅在PCS作用下的熱環境和居民熱舒適特征。主觀問卷調查中熱感覺采用本領域內常用的七級評價指標（即－3 代表冷，－2 代表涼，－1 代表較涼，0 代表中性，1代表較暖，2代表暖，3代表熱）。通過入戶實測和問卷，可以反映杭州市住宅居民在典型供暖方式和活動狀態組合下的熱環境和熱舒適特征。

1.2.3 基于PCS 的典型住宅冬季室內熱舒適和能耗模擬預測方法

從房產網站（房天下、安居客等）獲取杭州市主城區的住房信息，得到住宅建筑樣本7 714棟。收集的樣本信息包括建成年代、建筑樓層、平面形式、單元數量、建筑面積。得出典型的住宅建筑特征為16層高層板式建筑，戶型為三室兩廳，每戶建筑面積為90～100㎡，2 個單元，一梯兩戶。結合以上特征，篩選出典型平面，作為本研究的典型建筑形式，見圖2。

圖2 典型建筑平面圖Fig.2 Typical architectural plan

2010 年建設部發布《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ134－2010，要求該地區住宅建筑性能達到節能率50%。上述典型建筑的建成年代在2010―2015年之間，因此圍護結構根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ134－2010 的規定進行設置。構造及熱工性能參數如表2所示。換氣次數為1 次·h-1，各朝向窗墻比為南北向0.4、東西向0.3。

表2 典型建筑的圍護結構構造及熱工性能參數Tab.2 Envelope structure and thermal performance parameters of typical buildings

以問卷調研數據聚類得到的住戶典型熱環境調節組合模式（空調、開窗、遮陽）作為輸入參數，利用Design Builder 模擬軟件進行模擬計算，輸出結果為空調系統作用下的冬季能耗和室內逐時溫度。

根據調研得到的客廳和臥室PCS 逐時使用率，認為該棟建筑中相應比例的住戶使用PCS，根據平均功率和使用時間可以計算得出單位面積的PCS能耗?？偰芎臑榭照{能耗與PCS能耗的總和。

2 研究結果

2.1 冬季典型供暖方式聚類

問卷調研共回收樣本數量為240份，其中冬初冬末112份、嚴冬128份。性別和年齡分布如表3所示。

表3 各季節問卷被試者的性別和年齡分布

調查樣本的性別比例接近，年齡段涵蓋20～50歲，根據問卷調研結果，得出居民的典型在室規律：8：00―12：00、15：00―22：00 在客廳，其中15：00―16：00 進行家務勞動，其余時間為看電視、閱讀等靜坐狀態，13：00―14：00 及23：00 至次日7：00 在臥室睡覺。

對問卷調研的空調、開窗、遮陽及PCS使用數據進行多次聚類發現，當k取值為3時，滿足聚類要求。從而得到三類典型模式。圖3a～3h分別為冬初冬末客廳和臥室的典型熱環境組合調節模式聚類結果。圖中縱坐標為使用率/開啟率，三條曲線分別代表聚類的三種結果。三類模式的樣本數量分別是47，22和43。由圖可知，模式1傍晚（17：00―20：00）客廳空調使用頻率較高，但最高僅為30%，臥室空調夜間睡前開啟，最高使用率為40%；客廳白天開窗，臥室全天較低頻率開窗；客廳臥室均為白天較高頻率拉開窗簾，開窗簾的概率高于50%，夜間關閉窗簾；PCS僅中午和傍晚使用且使用率低于20%。模式2客廳各時刻空調使用率均低于10%，臥室夜間（21：00―次日6：00）使用空調；客廳和臥室均為白天高頻率開窗且打開窗簾；PCS傍晚使用率最高，為20%。模式3客廳臥室的空調均為較低頻率開啟，各時刻均低于30%；客廳和臥室均為較低頻率開窗，開窗率低于40%；客廳全天較高頻率打開窗簾，臥室白天開啟窗簾，夜間關閉窗簾；臥室白天高頻率使用PCS。

圖3 冬初冬末典型熱環境組合調節模式Fig. 3 Typical combination regulation mode of thermal environment in early and late winter

圖4分別為嚴冬客廳和臥室的典型供暖方式聚類結果，圖中縱坐標為使用率/開啟率，三條曲線分別代表聚類的三種結果。三類模式的樣本數量分別是19，54，55。由圖可知，模式1白天（8：00―22：00）客廳空調高頻率開啟，最高時刻可達到89%，夜間臥室空調高頻率開啟，其中23：00―次日6：00 開啟率為100%；客廳臥室均為白天較低頻率開窗，所有時刻開窗率均低于55%；客廳臥室白天較高頻率拉開窗簾，開窗簾的概率高于80%，夜間關閉窗簾；PCS僅傍晚使用且使用率低于40%。模式2、3客廳臥室的空調均為較低頻率開啟，各時刻均低于30%。模式2 客廳臥室均為白天（8：00―18：00）開窗且拉開窗簾；客廳白天8：00―22：00較高頻率使用PCS，使用率在57%～96%之間。模式3客廳和臥室均為較低頻率開窗，開窗率低于40%；客廳全天較高頻率打開窗簾，臥室白天開啟窗簾，夜間關閉窗簾；臥室白天高頻率使用PCS。

圖4 嚴冬典型熱環境組合調節模式Fig. 4 Typical combination regulation mode of thermal environment in severe winter

2.2 居民熱舒適狀況與室內環境的關系

現場測試中，居民使用的PCS類型包括小太陽、暖風機、油汀和其他各種加熱設備，其比例為42.2%、26.3、21.4%及10.1%。由于空調和PCS的運行狀態和人體的活動狀態均會影響人體的熱舒適特征，因此，根據實測結果將設備運行分為無設備、使用空調、使用PCS三類。人員活動狀態可歸納為靜坐和家務勞動兩類。結合設備運行和人員活動類型，共計 “無設備+靜坐” 、 “空調+靜坐” 、 “PCS+靜坐” 、 “無設備+家務勞動” 、 “空調+家務勞動” 、 “PCS+家務勞動” 6種組合，采用溫度頻率法擬合出平均熱感覺（yMTS）與室內溫度的關系式，令yMTS=0，可以得出不同建筑冬季典型供暖方式和人員活動狀態下的中性溫度，令yMTS=±0.5，可以得出不同建筑冬季典型供暖方式和人員活動狀態下的舒適溫度區間，見表4。其中，6 種組合下的服裝熱阻值均根據《民用建筑室內熱濕環境評價標準》GB-T 50785-2012附錄C查詢獲得單件服裝熱阻計算得出該狀態下總服裝熱阻平均值，新陳代謝量根據該標準附錄B取值?？梢缘贸?“無設備+靜坐” 、 “空調+靜坐” 、 “PCS+靜坐” 、 “無設備+家務勞動” 、 “空調+家務勞動” 、 “PCS+家務勞動” 6 種工況下的中性溫度分別是17.3、18.8、16.4、15.7、15.7、13.9℃，舒適溫度區間分別是14.3～20.3℃、17.1～20.5℃、14.4～18.4℃、13.7～17.8℃、13.3～18.1℃、11.0～16.9℃。這些熱舒適區間低于ASHRAE 55-2017 標準，是由于居民長期的生活環境與生活習慣使得他們對于冬季的寒冷環境具有一定的適應性。與《民用建筑室內熱濕環境評價標準》GB-T 50785-2012（以下簡稱 “標準” ）相比也存在差異，標準中將室內環境分為人工冷熱源和非人工冷熱源環境。對人工冷熱源室內環境，因為冬季居民服裝熱阻＞1.0clo，標準中采用圖示法進行評價，可知當人體代謝率為1.0met～1.3met 時，Ⅱ級舒適區的體感溫度范圍約為19～24℃。本文的舒適區間以空氣溫度為指標，在 “空調+靜坐” 情況下，舒適溫度區間為17.1～20.5℃，按照標準附錄D 折算為體感溫度為16.7～20.2℃。標準中人工冷熱源指的是空調環境，沒有涉及到居民使用PCS 的情況，也未規定人體代謝率較高（如 “無設備+勞動” 、 “空調+勞動” 、 “PCS+勞動” 工況）時的舒適溫度區間。對非人工冷熱源室內環境評價的Ⅱ級舒適區為體感溫度16～30℃，根據標準附錄D可知，此時體感溫度可近似等于空氣溫度，即冬季熱舒適的下限為16℃，本文得出的冬季 “無設備+靜坐” 工況下熱舒適區間為14.3～20.3℃，略低于標準。這是由于標準對于夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區均采用了相同的舒適區間，在一定程度上無法準確反映某一地區如杭州市特定條件下的居民熱舒適特征。

本文采取大樣本問卷調研的方法，熱舒適評價使用居民熱感覺投票這一指標，數據來源于作者住宅現場測試特定設備運行方式（空調、PCS 或無設備）和居民活動情況（靜坐、家務勞動）下的實驗結果，可以較準確的反映當地居民在住宅內的熱舒適情況。對于同一種人員行為，無設備時的舒適區間最寬，使用空調或PCS縮小了熱舒適區間，降低了居民的熱適應性。例如，在靜坐時，不使用設備時居民可以接受的溫度下限為14.3℃，使用PCS和空調后，這一數值分別提高了0.1℃和2.8℃。另外，入戶實測發現，PCS的平均功率為837W。

2.3 室內熱環境模擬結果

根據表4中的熱舒適溫度區間判斷白天熱舒適狀況，即根據某時段下居民處于靜坐或活動狀態和該時段所采用的供暖方式（空調或PCS），對應表3中6 種組合工況冬季典型供暖方式的熱舒適區間，判斷該時段是否達到熱舒適要求。夜間熱舒適的判斷標準依據文獻確定，冬季居民處于睡眠狀態的熱舒適區間為11.2～18.8℃[17］。對于冬季夜間使用PCS 的情況，上述入戶實測發現[14］使用PCS 后室內溫度平均升高2.7℃，因此將模擬得出的夜間室溫增加2.7℃，再根據冬季睡眠熱舒適區間11.2～18.8℃判斷是否達到舒適。舒適區間占比為客廳和臥室在室時間內（8：00—12：00、15：00—22：00 在客廳，13：00—14：00及23：00—次日7：00在臥室）滿足舒適區間的小時數占對應房間在室總小時數的比例。表5統計了該典型建筑冬初冬末的空調+PCS作用下客廳和主臥室內熱舒適指標。模式1、3 的客廳、臥室空調使用率相近，模式1 客廳開窗頻率遠高于模式3，因此，模式1 的客廳在室平均溫度和客廳在室舒適時間占比低于模式3?？梢?，對于該典型建筑，冬初冬末的室內熱環境受開窗影響較大，調整開窗遮陽行為可使室內舒適時間占比提高。模式2客廳白天基本不使用空調，因此客廳舒適時間占比僅為43.21%。三種模式下臥室熱環境質量均較好，同時夜間熱舒適室溫范圍較寬，較低頻率使用空調也可達到99%以上的時間滿足熱舒適。

表5 典型建筑冬初冬末的客廳和主臥室內熱舒適情況Tab.5 thermal comfort situation in living rooms and bedrooms of the typical building in early and late winter

表6統計了該典型建筑嚴冬的客廳和主臥室內熱舒適指標?？梢?，在嚴冬季空調行為對室溫的影響極大。模式1 空調客廳和臥室的開啟率均為最高，因此在三種模式中平均溫度最高，客廳空調在傍晚16：00―22：00使用率達到最高，可明顯看出溫度較白天升高。臥室夜間空調使用率在80%以上，因此臥室溫度較高。居民采用模式1（空調開啟率較高）時客廳和臥室分別有83.74%和97.56%的時間達到熱舒適，明顯高于模式2 和3。采用模式2 和3時客廳在室平均室溫僅為10～14℃左右，滿足熱舒適條件的時間占比相對較小，分別為47.95%和57.53%；臥室空調使用率所有時刻均低于40%，在室平均溫度僅為14.05℃和12.88℃，僅有84.32%和76.10%的時間可以滿足熱舒適需求。

表6 典型建筑嚴冬的客廳和主臥室內熱舒適情況Tab.6 Thermal comfort situation in living rooms and bedrooms of typical building in severe winter

2.4 能耗模擬結果

以典型建筑形式進行建模，以問卷調研數據聚類得到的住戶典型熱環境調節組合模式（空調、開窗、遮陽）作為輸入參數，利用Design Builder模擬軟件進行模擬計算，可輸出冬季空調能耗。PCS 能耗可根據調研得到的客廳和臥室PCS逐時使用率以及現場測試得到的取暖器平均功率計算。

表7 為典型建筑分別在采用3 種熱環境組合調節模式時冬初冬末能耗模擬結果。模式1、3空調使用頻率接近，因此典型建筑在模式1和模式3作用下的空調能耗也相近。模式2的客廳空調使用率較低但臥室夜間空調使用率較高，可達到60%以上，因此在3 種模式中空調能耗最高，達到1.53kWh·m-2。PCS 能耗在0.30～0.53 kWh·m-2之間?？偰芎脑?.07～1.93 kWh·m-2之間。結合3 種模式的比例（47：22：43），采用加權平均的方式得出該典型建筑在冬初冬末的能耗強度是1.28 kWh·m-2，冬初冬末季節戶均能耗為126.97 kWh·戶-1。

表7 典型建筑冬初冬末能耗模擬結果（kWh·m-2）Tab.7 Simulation results of energy consumption of typical buildings in early and late winter(kWh·m-2)

表8為典型建筑分別在采用三種典型行為時嚴冬能耗模擬結果。模式2、3 空調使用率很低，因此空調能耗較低，僅為2.58～2.95 kWh·m-2，但此兩種模式下PCS 使用時間較長，PCS 能耗達到9.06～11.00 kWh·m-2。模式1 客廳白天使用空調、臥室夜間使用空調，空調能耗為12.89 kWh·m-2，PCS 能耗為1.66 kWh·m-2。嚴冬建筑的總能耗水平在12.01～14.56 kWh·m-2之間。結合三種模式的比例（19：54：55），采用加權平均的方式得出該典型建筑在嚴冬的能耗強度是13.06 kWh·m-2，嚴冬季節戶均能耗為1 295.55 kWh·戶-1。

表8 典型建筑嚴冬能耗模擬結果（kWh·m-2）Tab.8 Simulation results of energy consumption of typical buildings in severe winter (kWh·m-2)

本文的模擬結果基于杭州市典型住宅建筑和熱環境調節行為的典型模式，無法與具體某一棟建筑的能耗結果進行對比驗證，但是典型建筑冬季能耗強度為13.34 kWh·m-2，與已有的夏熱冬冷地區住宅采暖能耗研究結果一致[18-24］，如武茜[17］通過調查得出，杭州市居民采暖空調用電量為11.1 kWh·m-2；朱榮鑫等[18］計算杭州市采暖能耗值在8.99～24.22 kWh·m-2之間；李哲對夏熱冬冷地區（蘇州和上海）使用非中央空調的居民冬季采暖能耗調查顯示，采暖電耗在14.7kWh·（m2a）-1以內[19］；清華大學建筑節能研究中心的研究[20］表明夏熱冬冷地區冬季采暖能耗普遍分布在10 kWh·（m2a）-1以內，并對位于上海的住宅進行了模擬，控制溫度為14～22℃，采暖耗電量為4～28 kWh·m-2[21］。王悅等人通過研究表明，2012 年南方城鎮住宅采暖能耗為15.26 kWh·m-2[22］，重 慶 家 庭 冬 季 采 暖 用 電 主 要 集 中 在0～400kWh之間，少數家庭采暖用電量在400～800kWh之間，個別家庭超過了1 000kWh；調研住房平均為70㎡，單位面積采暖能耗為0～11.43 kWh·m-2，個別超過14.29 kWh·m-2[23］。因此可以認為模擬結果具有可信性。

3 結論

本文以杭州地區住宅為研究對象，通過入戶實測揭示了典型供暖模式和居民活動狀態的組合工況下冬季住宅熱舒適特征；通過問卷調研和聚類分析，得出了杭州市居民在冬初冬末和嚴冬的典型熱環境調節模式；在此基礎上，選取杭州市最典型的一類住宅建筑類型，基于典型熱環境調節模式（空調、開窗、遮陽和PCS 使用）和不同供暖方式和活動狀態下的熱舒適特征，模擬分析現行冬季典型供暖方式下的冬季供暖能源需求和室內熱舒適現狀，得出以下結論：

（1）通過聚類分析，得出了杭州市居民在冬初冬末和嚴冬的典型熱環境調節模式。

（2）冬季 “無設備+靜坐” 、 “空調+靜坐” 、 “PCS+靜坐” 、 “無設備+家務勞動” 、 “空調+家務勞動” 、 “PCS+家務勞動” 六種工況下的中性溫度分別是17.3、18.8、16.4、15.7、15.7、13.9℃，舒適溫度區間分別是14.3～20.3℃、17.1～20.5℃、14.4～18.4℃、13.7～17.8℃、13.3～18.1℃、11.0～16.9℃。

（3）該典型建筑在冬初冬末的能耗強度是1.28 kWh·m-2，在嚴冬的能耗強度是13.06 kWh·m-2。冬季室內熱舒適水平受熱環境調節模式影響較大，客廳在室舒適時間占比在43.74%～80.21%之間，臥室夜間在室舒適時間占比均為70%以上。

由于篇幅所限，本文僅選取了2001―2015 年間建成的最典型的一類住宅建筑進行分析，在今后的研究中可采取本文的研究方法，選取更多典型建筑類型進行PCS 作用下的熱環境和能耗現狀分析，為確定該地區基于自身特定供暖設備下的住宅室內熱環境改善定量需求提供依據。

作者貢獻聲明：

陳淑琴：思路確定、方法指導、論文撰寫修改、經費獲??；

陳悅：問卷調研、數據處理、聚類分析、入戶測試、性能模擬、論文撰寫；

華穎、孔舒怡、張彥彤、王子煜、劉佳琪、徐怡寧：入戶測試。