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China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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加热座垫对人体热舒适影响研究

  • 作者:
  • a同济大学机械与能源工程学院 b清华大学建筑技术科学系 宋磊a 陈威铭b 周翔a 张静思a 张旭a
  • 发布时间:
  • 2019-07-08

宋磊a  陈威铭b  周翔a  张静思a  张旭a
a同济大学机械与能源工程学院    b清华大学建筑技术科学系

    【摘  要】个性化舒适系统是一种可以让人员自由调控所处位置处的局部微环境的供冷供热系统,可以提高人员对建筑环境的满意率,减少空调采暖系统能耗。本研究将加热座垫与座椅结合,组成一种个性化舒适系统。为了探究加热座垫对人体热舒适的影响效果,通过实验收集了10名受试者在不同环境温度(12、14、16、18和20℃)下的局部热感觉(头部、躯干、上肢和下肢)、整体热感觉、热舒适、热可接受度等问卷投票。实验结果表明:在环境温度偏离热中性时,加热座垫能有效提升受试者热舒适和对环境的满意率。在环境温度16℃时,使用加热座垫能够满足人员的热舒适需求,拓展了舒适温度区间。

    【关键词】加热座垫 热舒适 个性化舒适系统 办公环境

    【基金项目】 “十三五”国家重点研发计划“建筑全性能联合仿真平台内核开发”(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

    随着经济的发展和生活水平的提高,人们对室内环境的舒适需求越来越高。传统空调旨在创造一个均匀一致的热环境,很难满足人们差异性的需求。近些年,个性化舒适系统(Personal Comfort System,简称PCS)得到国内外许多研究者的关注。与传统空调相比,个性化舒适系统通过使用少量的能量直接加热或冷却人体周围的局部环境,可以有效减少传统采暖空调系统能耗,同时满足人员对热环境的差异性需求。

    泰国研究者Atthajariyakul等人[1]提出使用小型风扇辅助空调来实现热舒适和节能,结果表明使用小型风扇可使空调设定点温度提高至28℃。Zhai等人[2]研究了热湿环境中空气流动对人员热舒适和感知空气品质的影响,结果显示在室内温度30℃、相对湿度60%时风扇仍然可以满足人员的热舒适需求。Huang等人[3]的研究也得到相似的结论,并且给出了不同室内温度使用小风扇时对应的最佳风速。Pasut等人[4]使用一种通风加热座椅,通过热对流和热传导的方式可使受试者在16~29℃的环境中维持热舒适状态。Watanabe等人[5]对通风座椅的研究表明,通风座椅能维持受试者热舒适状态的室温上限是30℃。除了小风扇和通风加热座椅,部分学者对暖脚器暖手器的加热效果进行了研究。Zhang等人[6]对暖脚器的使用效果在办公环境中进行了现场调研,结果表明房间采暖的设定温度从21.1℃降低至18.9℃,采暖节能量可以达到38~75%。Oi等人[7]对暖脚器在汽车环境中的作用进行了研究,结果表明热感觉为中性时使用暖脚器可使操作温度降低3℃,结合加热座椅可降低6℃。还有一些研究指出了个性化舒适系统的节能效果。节能原理是通风装置可以在维持人体热舒适的情况下提高空调系统的设定温度[8-14]。当设定温度提高2.5~6℃时,节能量从4%到51%不等。当增加设定温度并减小送风量时,可达到最高节能量51%[14]。

    本文在选取市场上易得的办公用加热座垫作为一种新型个体舒适装置,通过受试者实验探究加热座垫的加热效果,研究加热座垫对人体热舒适的影响效果,给出加热座垫适用的环境温度范围,为分析个性化舒适系统的节能潜力提供研究基础。

1 实验介绍

    1.1实验装置

    实验中使用的加热座垫如图1所示,靠背区域和坐垫区域通过直接导热的方式加热。座垫从1档至6档功率逐渐增大,受试者可以通过遥控器进行调节,各个档位对应的功率如表1所示。


    1.2实验地点

    实验房间为上海地区某会议室,布置如图2所示,尺寸为6.8m4.6m。房间内布置有5个装有加热座垫的实验工位和一个室内环境参数监测点。

    实验中使用的测量仪器如下:

    1)WSZY-1天建华仪温湿度自记仪,量程-20~80℃;

    2)BN-150-45 KIMO黑球温度计,量程-50~200℃;

    3)FB-1 天建华仪热球式风速仪,量程0~10 米/秒;

    1.3 受试者

    本次实验共有10名受试者(男女各5名),年龄22~26岁,身高1.67±0.09m,BMI(身体质量指数)21.7±2.4,所有受试者在实验期间身体状况良好。

    1.4 实验工况及方式

    实验设有5个工况,环境温度为12、14、16、18、20℃。由于实验地点为实际办公建筑,环境温度控制主要为自然室温结合空调微调,具体情况见表2。

    每组实验分为5个30min的实验阶段,如图4所示。受试者到达实验房间后先在实验工位静坐30min,填写身高、体重、年龄等基本信息,称为适应阶段。随后实验正式开始(计时0min)第一、二、三、四阶段加热座垫状态分别为关、强制一档(一档一直开)、一档自由调节(受试者可以调节座垫关或一档)、多档自由调节(受试者可以调节座垫关或选择任意加热档位)。每组实验中,四个阶段顺序随机打乱。从第5min开始填写热舒适问卷,每隔5min填写一次问卷,共24份问卷。受试者在实验过程中可以使用计算机、看书或相互交谈以模拟办公环境,但不能谈论实验相关内容。

2 实验结果与分析

    受试者整体热感觉分布如图5所示。对各个环境温度下所有受试者数据进行配对T检验判断座垫不同加热状态对热感觉的影响是否有显著性差异(P>0.05,表示无显著性差异;0.01<P<0.05,表示显著性差异;P<0.01,表示极显著性差异),检验结果如表格3所示。

    由加热座垫关和强制一档两个阶段热感觉投票对比可得到座垫的加热效果:在环境温度12~20℃时,不使用加热座垫时热感觉投票值集中分布在“-1.5~0”(微凉至中性)之间,使用加热座垫可以使热感觉投票值提高0.5左右分布在“-1~0”附近。在环境温度12~20℃时,座垫状态关和强制一档的热感觉投票有极显著性差异,说明使用加热座垫对提高人体热感觉有一定作用。由加热座垫强制一档、一档自由调节对照,并未观察到自由调节手段对受试者的心理产生积极暗示从而影响人体热感觉的现象。相比于一档自由调节,多档自由调节消耗更多的能量但对人员热感觉影响并非一直显著。


    图6给出了四个不同实验工况下的热舒适投票结果,并标注了处于热舒适状态的百分比(热舒适率)。同样给出了各个环境温度下显著性分析结果,如表格5所示。

    加热座垫能够改善受试者的热舒适。环境温度12~14℃时,使用加热座垫对热舒适的改善极为显著;在环境温度16~20℃时,加热座垫对热舒适的提高并不显著。说明实验条件越偏离热中性环境,改善效果越明显。但在环境温度16℃时,热舒适率从66%提高至81%;环境温度18℃时,环境满意率从82%提高至92%;环境温度20℃时,环境满意率从90%提高至97%。

    受试者在每个实验工况下的环境接受度如图7所示。与热舒适结论相似,使用加热座垫可以显著提高受试者对环境的接受度,实验条件偏离舒适环境越多,改善效果越明显。在环境温度12、14℃时,即使使用加热座垫热可接受率只有50%~70%;在环境温度16~20℃时,使用加热座垫可使接受率提高至80%~100%。

    由实验数据做出热可接受率-温度的关系曲线,如图8所示。根据ASHRAE 55[15],室内环境应满足满意率不低于80%。结合上述对受试者热感觉热舒适投票以及接受度分析可知,当环境温度低至16℃时使用加热座垫能满足受试者的热舒适需求。




    实验中受试者同样进行了局部热感觉(背部、臀部和大腿、脸部、胸部、腹部、手臂、小腿、手、脚)投票,结果如图9所示。

    在同一环境温度中,使用加热座垫时与座垫直接接触的臀部大腿热感觉明显高于不使用座垫的热感觉,集中分布在“+1”(微暖)附近。而由于受试者办公时背部不会一直和座椅靠背接触,所以使用加热座垫时背部热感觉改善效果不及臀部大腿。其余没有和加热座垫直接接触的部位,是否使用加热座垫局部热感觉没有明显变化。各个环境温度下,所有实验组受试者的脸和躯干(胸、腹)热感觉均稳定在0附近,手部和脚部的热感觉随环境温度变化较大。在环境温度12~14℃时,受试者手部和脚部的热感觉集中分布在“-1.5~-1”(凉-微凉)之间;在环境温度16~20℃时,热感觉集中分布在“-0.5~0”(微凉-中性)之间。结合对受试者整体热感觉的分析,可以推断出在偏冷环境中,手部和脚部较敏感,其局部的热感觉对整体热感觉影响最大。因此在环境温度12~14℃时,可考虑个性化舒适系统中加入暖脚器、暖手器等。

3 结论

    本文通过实验研究了加热座垫作为个性化舒适装置对人体热感觉的影响,主要结论如下:

    1)使用加热座垫能有效提高人员的热舒适和对环境的接受度。但加热座垫档位(功率)不同对热感觉影响影响并不显著。

    2)当环境温度低于16℃时,使用加热座垫可以使受试者达到热中性状态并且满足受试者对环境的满意率不低于80%。

    3)与其余身体部位相比,使用加热座垫主要提高臀部和大腿的热感觉,环境温度低于16℃时,可考虑使用暖手器或暖脚器。

参考文献:

    [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].

    备注:本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期(第21届暖通空调制冷学术年会文集)。
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