基于個(gè)人舒適系統(tǒng)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(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；2. 浙江大學(xué) 平衡建筑中心，浙江 杭州 310058；3. 浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310058）

夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)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(shù)在0～90d 之間，日平均溫度≥25℃的天數(shù)在40～110d 之間[1］。該地區(qū)2000年以前建成的住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能非常差，住宅室內(nèi)熱環(huán)境惡劣[2-4］，居民對(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境的滿意度也較低[5-6］。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，夏熱冬冷氣候區(qū)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(qū)住宅供暖設(shè)備和供暖方式也有明顯的自身特點(diǎn)。個(gè)人舒適系統(tǒng)指的是通過改善一個(gè)或多個(gè)身體部位的局部熱狀況來改善人體舒適度的系統(tǒng)或設(shè)備[10］，是夏熱冬冷地區(qū)住宅冬季普遍使用的供暖設(shè)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(fēng)機(jī)等。郭偲悅等[11］2014 年對(duì)上海的調(diào)查說明采用 “PCS” 和 “PCS+空調(diào)” 兩種模式進(jìn)行供暖的比例高達(dá)80%。本課題組之前的研究發(fā)現(xiàn)[3］，當(dāng)冬季室外溫度在12℃至14℃時(shí)，居民開始使用空調(diào)和PCS；當(dāng)室外氣溫低于9℃，空調(diào)使用率開始超過PCS。

已有研究[12］證明，人體各部分對(duì)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(qū)普遍使用PCS調(diào)節(jié)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(shí)，該地區(qū)住宅的供熱需求計(jì)算大多只針對(duì)空調(diào)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(duì)象，通過問卷調(diào)研、入戶現(xiàn)場實(shí)測和能耗模擬，得出該地區(qū)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(qū)基于特定供暖設(shè)備下的住宅室內(nèi)熱環(huán)境改善定量需求提供依據(jù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)住宅室內(nèi)熱環(huán)境的綠色營造和節(jié)能減排工作具有重要意義。

1 研究方法

1.1 季節(jié)劃分方法

首先獲取杭州市典型氣象年數(shù)據(jù)，進(jìn)行季節(jié)劃分。根據(jù)《氣候季節(jié)劃分》（QX/T152—2012）[13］的規(guī)定確定杭州的冬季從11月下旬持續(xù)到次年2月下旬。統(tǒng)計(jì)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(yán)冬兩個(gè)時(shí)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(yán)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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和人體新陳代謝水平均會(huì)影響人體的熱舒適特征。首先通過問卷調(diào)研和聚類分析獲得杭州市住宅居民開窗、遮陽、空調(diào)供暖、PCS 供暖等典型熱環(huán)境組合調(diào)節(jié)模式；通過入戶現(xiàn)場測試獲得典型冬季典型供暖方式和居民活動(dòng)狀態(tài)組合下的熱舒適區(qū)間；通過調(diào)研和統(tǒng)計(jì)分析獲得杭州典型住宅建筑形式，在此基礎(chǔ)上，模擬上述典型熱環(huán)境調(diào)節(jié)模式下的冬季室內(nèi)熱環(huán)境和能耗；基于入戶現(xiàn)場實(shí)測得到的冬季典型供暖方式和居民活動(dòng)狀態(tài)下的熱舒適區(qū)間，對(duì)臥室和客廳的冬季室內(nèi)熱舒適情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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

1.2.1 典型熱環(huán)境調(diào)節(jié)行為問卷調(diào)查及模式聚類

為揭示杭州市住宅居民典型熱環(huán)境組合調(diào)節(jié)行為方式（包括空調(diào)供暖、PCS 供暖、開窗及遮陽行為），于2020―2021 年冬初冬末和嚴(yán)冬分別發(fā)放調(diào)查問卷，采取隨機(jī)抽樣的方法在杭州市主城區(qū)進(jìn)行問卷調(diào)研。問卷調(diào)研共回收樣本數(shù)量為240 份，其中冬初冬末112份、嚴(yán)冬128份。根據(jù)簡單隨機(jī)抽樣的樣本數(shù)量公式[15］，大規(guī)模問卷調(diào)研的樣本數(shù)量在95%置信度、10%抽樣誤差下至少需達(dá)到96 份，本次問卷調(diào)研的樣本量均已超過必須達(dá)到的樣本規(guī)模。

問卷調(diào)查內(nèi)容如表1所示，以了解冬季PCS、空調(diào)、開窗和遮陽的使用特征。

表1 問卷調(diào)查內(nèi)容Tab.1 Survey contents

根據(jù)問卷調(diào)研數(shù)據(jù)，使用SPSS 軟件的k-means聚類方法對(duì)冬初冬末和嚴(yán)冬兩個(gè)時(shí)間段的居民熱環(huán)境調(diào)節(jié)行為進(jìn)行聚類分析。每個(gè)時(shí)間段的聚類參數(shù)包括客廳和臥室的空調(diào)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(diào)行為、開窗行為、遮陽行為以及PCS 使用行為轉(zhuǎn)化成2 進(jìn)制，即1代表開，0代表關(guān)，將最大迭代次數(shù)設(shè)定為100，根據(jù)數(shù)據(jù)集包含數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量及數(shù)據(jù)集可壓縮性來確定簇?cái)?shù)k，使k的取值滿足如下條件：k個(gè)分類相互之間具有顯著的差異性；簇?cái)?shù)為k+1時(shí)，各分類的樣本存在重合的特征。

1.2.2 熱舒適特征入戶實(shí)測

為了確定冬季典型供暖方式下的居民熱舒適特征，進(jìn)行入戶現(xiàn)場測試。冬季的入戶現(xiàn)場測試時(shí)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(dāng)?shù)囟镜湫蜌夂蛱卣鳌?/p>

在杭州市主城區(qū)中選取能代表該區(qū)經(jīng)濟(jì)水平的26個(gè)小區(qū)進(jìn)行隨機(jī)抽樣，測試樣本量總計(jì)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(dòng)狀態(tài)組合下的熱舒適特征，現(xiàn)場研究遵循客觀環(huán)境參數(shù)測試與主觀問卷調(diào)查相結(jié)合的原則。其中，客觀熱環(huán)境測試參數(shù)包括室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、空氣流速、黑球溫度，并記錄入戶測試時(shí)的空調(diào)開啟情況、空調(diào)設(shè)定溫度、PCS 的功率及使用狀態(tài)、開窗狀態(tài)、窗簾內(nèi)遮陽狀態(tài)。在房間中心點(diǎn)和人體附近（0.3m以內(nèi)）布置室內(nèi)溫濕度和黑球溫度測點(diǎn)，測點(diǎn)高度為0.6m。

為了獲得穩(wěn)態(tài)熱舒適特征，實(shí)驗(yàn)人員開始測試時(shí)被測對(duì)象至少已在房間內(nèi)停留并保持了該活動(dòng)狀態(tài)1h以上。主觀問卷調(diào)查內(nèi)容主要包括：①空調(diào)及PCS 的使用習(xí)慣；②測試時(shí)的衣著，以及靜坐、打掃衛(wèi)生等活動(dòng)情況；③測試時(shí)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(huán)境和居民熱舒適特征。主觀問卷調(diào)查中熱感覺采用本領(lǐng)域內(nèi)常用的七級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（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(shí)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(dòng)狀態(tài)組合下的熱環(huán)境和熱舒適特征。

1.2.3 基于PCS 的典型住宅冬季室內(nèi)熱舒適和能耗模擬預(yù)測方法

從房產(chǎn)網(wǎng)站（房天下、安居客等）獲取杭州市主城區(qū)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(shù)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(gè)單元，一梯兩戶。結(jié)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(shè)部發(fā)布《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ134－2010，要求該地區(qū)住宅建筑性能達(dá)到節(jié)能率50%。上述典型建筑的建成年代在2010―2015年之間，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ134－2010 的規(guī)定進(jìn)行設(shè)置。構(gòu)造及熱工性能參數(shù)如表2所示。換氣次數(shù)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(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工性能參數(shù)Tab.2 Envelope structure and thermal performance parameters of typical buildings

以問卷調(diào)研數(shù)據(jù)聚類得到的住戶典型熱環(huán)境調(diào)節(jié)組合模式（空調(diào)、開窗、遮陽）作為輸入?yún)?shù)，利用Design Builder 模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，輸出結(jié)果為空調(diào)系統(tǒng)作用下的冬季能耗和室內(nèi)逐時(shí)溫度。

根據(jù)調(diào)研得到的客廳和臥室PCS 逐時(shí)使用率，認(rèn)為該棟建筑中相應(yīng)比例的住戶使用PCS，根據(jù)平均功率和使用時(shí)間可以計(jì)算得出單位面積的PCS能耗?？偰芎臑榭照{(diào)能耗與PCS能耗的總和。

2 研究結(jié)果

2.1 冬季典型供暖方式聚類

問卷調(diào)研共回收樣本數(shù)量為240份，其中冬初冬末112份、嚴(yán)冬128份。性別和年齡分布如表3所示。

表3 各季節(jié)問卷被試者的性別和年齡分布

調(diào)查樣本的性別比例接近，年齡段涵蓋20～50歲，根據(jù)問卷調(diào)研結(jié)果，得出居民的典型在室規(guī)律：8：00―12：00、15：00―22：00 在客廳，其中15：00―16：00 進(jìn)行家務(wù)勞動(dòng)，其余時(shí)間為看電視、閱讀等靜坐狀態(tài)，13：00―14：00 及23：00 至次日7：00 在臥室睡覺。

對(duì)問卷調(diào)研的空調(diào)、開窗、遮陽及PCS使用數(shù)據(jù)進(jìn)行多次聚類發(fā)現(xiàn)，當(dāng)k取值為3時(shí)，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(huán)境組合調(diào)節(jié)模式聚類結(jié)果。圖中縱坐標(biāo)為使用率/開啟率，三條曲線分別代表聚類的三種結(jié)果。三類模式的樣本數(shù)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(diào)使用頻率較高，但最高僅為30%，臥室空調(diào)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(guān)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(shí)刻空調(diào)使用率均低于10%，臥室夜間（21：00―次日6：00）使用空調(diào)；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(diào)均為較低頻率開啟，各時(shí)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(guān)閉窗簾；臥室白天高頻率使用PCS。

圖3 冬初冬末典型熱環(huán)境組合調(diào)節(jié)模式Fig. 3 Typical combination regulation mode of thermal environment in early and late winter

圖4分別為嚴(yán)冬客廳和臥室的典型供暖方式聚類結(jié)果，圖中縱坐標(biāo)為使用率/開啟率，三條曲線分別代表聚類的三種結(jié)果。三類模式的樣本數(shù)量分別是19，54，55。由圖可知，模式1白天（8：00―22：00）客廳空調(diào)高頻率開啟，最高時(shí)刻可達(dá)到89%，夜間臥室空調(diào)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(shí)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(guān)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(diào)均為較低頻率開啟，各時(shí)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(guān)閉窗簾；臥室白天高頻率使用PCS。

圖4 嚴(yán)冬典型熱環(huán)境組合調(diào)節(jié)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(nèi)環(huán)境的關(guān)系

現(xiàn)場測試中，居民使用的PCS類型包括小太陽、暖風(fēng)機(jī)、油汀和其他各種加熱設(shè)備，其比例為42.2%、26.3、21.4%及10.1%。由于空調(diào)和PCS的運(yùn)行狀態(tài)和人體的活動(dòng)狀態(tài)均會(huì)影響人體的熱舒適特征，因此，根據(jù)實(shí)測結(jié)果將設(shè)備運(yùn)行分為無設(shè)備、使用空調(diào)、使用PCS三類。人員活動(dòng)狀態(tài)可歸納為靜坐和家務(wù)勞動(dòng)兩類。結(jié)合設(shè)備運(yùn)行和人員活動(dòng)類型，共計(jì) “無設(shè)備+靜坐” 、 “空調(diào)+靜坐” 、 “PCS+靜坐” 、 “無設(shè)備+家務(wù)勞動(dòng)” 、 “空調(diào)+家務(wù)勞動(dòng)” 、 “PCS+家務(wù)勞動(dòng)” 6種組合，采用溫度頻率法擬合出平均熱感覺（yMTS）與室內(nèi)溫度的關(guān)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(dòng)狀態(tài)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(dòng)狀態(tài)下的舒適溫度區(qū)間，見表4。其中，6 種組合下的服裝熱阻值均根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB-T 50785-2012附錄C查詢獲得單件服裝熱阻計(jì)算得出該狀態(tài)下總服裝熱阻平均值，新陳代謝量根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)附錄B取值?？梢缘贸?“無設(shè)備+靜坐” 、 “空調(diào)+靜坐” 、 “PCS+靜坐” 、 “無設(shè)備+家務(wù)勞動(dòng)” 、 “空調(diào)+家務(wù)勞動(dòng)” 、 “PCS+家務(wù)勞動(dòng)” 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(qū)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(qū)間低于ASHRAE 55-2017 標(biāo)準(zhǔn)，是由于居民長期的生活環(huán)境與生活習(xí)慣使得他們對(duì)于冬季的寒冷環(huán)境具有一定的適應(yīng)性。與《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB-T 50785-2012（以下簡稱 “標(biāo)準(zhǔn)” ）相比也存在差異，標(biāo)準(zhǔn)中將室內(nèi)環(huán)境分為人工冷熱源和非人工冷熱源環(huán)境。對(duì)人工冷熱源室內(nèi)環(huán)境，因?yàn)槎揪用穹b熱阻＞1.0clo，標(biāo)準(zhǔn)中采用圖示法進(jìn)行評(píng)價(jià)，可知當(dāng)人體代謝率為1.0met～1.3met 時(shí)，Ⅱ級(jí)舒適區(qū)的體感溫度范圍約為19～24℃。本文的舒適區(qū)間以空氣溫度為指標(biāo)，在 “空調(diào)+靜坐” 情況下，舒適溫度區(qū)間為17.1～20.5℃，按照標(biāo)準(zhǔn)附錄D 折算為體感溫度為16.7～20.2℃。標(biāo)準(zhǔn)中人工冷熱源指的是空調(diào)環(huán)境，沒有涉及到居民使用PCS 的情況，也未規(guī)定人體代謝率較高（如 “無設(shè)備+勞動(dòng)” 、 “空調(diào)+勞動(dòng)” 、 “PCS+勞動(dòng)” 工況）時(shí)的舒適溫度區(qū)間。對(duì)非人工冷熱源室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)的Ⅱ級(jí)舒適區(qū)為體感溫度16～30℃，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)附錄D可知，此時(shí)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(shè)備+靜坐” 工況下熱舒適區(qū)間為14.3～20.3℃，略低于標(biāo)準(zhǔn)。這是由于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)均采用了相同的舒適區(qū)間，在一定程度上無法準(zhǔn)確反映某一地區(qū)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(diào)研的方法，熱舒適評(píng)價(jià)使用居民熱感覺投票這一指標(biāo)，數(shù)據(jù)來源于作者住宅現(xiàn)場測試特定設(shè)備運(yùn)行方式（空調(diào)、PCS 或無設(shè)備）和居民活動(dòng)情況（靜坐、家務(wù)勞動(dòng)）下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以較準(zhǔn)確的反映當(dāng)?shù)鼐用裨谧≌瑑?nèi)的熱舒適情況。對(duì)于同一種人員行為，無設(shè)備時(shí)的舒適區(qū)間最寬，使用空調(diào)或PCS縮小了熱舒適區(qū)間，降低了居民的熱適應(yīng)性。例如，在靜坐時(shí)，不使用設(shè)備時(shí)居民可以接受的溫度下限為14.3℃，使用PCS和空調(diào)后，這一數(shù)值分別提高了0.1℃和2.8℃。另外，入戶實(shí)測發(fā)現(xiàn)，PCS的平均功率為837W。

2.3 室內(nèi)熱環(huán)境模擬結(jié)果

根據(jù)表4中的熱舒適溫度區(qū)間判斷白天熱舒適狀況，即根據(jù)某時(shí)段下居民處于靜坐或活動(dòng)狀態(tài)和該時(shí)段所采用的供暖方式（空調(diào)或PCS），對(duì)應(yīng)表3中6 種組合工況冬季典型供暖方式的熱舒適區(qū)間，判斷該時(shí)段是否達(dá)到熱舒適要求。夜間熱舒適的判斷標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)文獻(xiàn)確定，冬季居民處于睡眠狀態(tài)的熱舒適區(qū)間為11.2～18.8℃[17］。對(duì)于冬季夜間使用PCS 的情況，上述入戶實(shí)測發(fā)現(xiàn)[14］使用PCS 后室內(nèi)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(jù)冬季睡眠熱舒適區(qū)間11.2～18.8℃判斷是否達(dá)到舒適。舒適區(qū)間占比為客廳和臥室在室時(shí)間內(nèi)（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(qū)間的小時(shí)數(shù)占對(duì)應(yīng)房間在室總小時(shí)數(shù)的比例。表5統(tǒng)計(jì)了該典型建筑冬初冬末的空調(diào)+PCS作用下客廳和主臥室內(nèi)熱舒適指標(biāo)。模式1、3 的客廳、臥室空調(diào)使用率相近，模式1 客廳開窗頻率遠(yuǎn)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(shí)間占比低于模式3?？梢?，對(duì)于該典型建筑，冬初冬末的室內(nèi)熱環(huán)境受開窗影響較大，調(diào)整開窗遮陽行為可使室內(nèi)舒適時(shí)間占比提高。模式2客廳白天基本不使用空調(diào)，因此客廳舒適時(shí)間占比僅為43.21%。三種模式下臥室熱環(huán)境質(zhì)量均較好，同時(shí)夜間熱舒適室溫范圍較寬，較低頻率使用空調(diào)也可達(dá)到99%以上的時(shí)間滿足熱舒適。

表5 典型建筑冬初冬末的客廳和主臥室內(nèi)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(tǒng)計(jì)了該典型建筑嚴(yán)冬的客廳和主臥室內(nèi)熱舒適指標(biāo)?？梢?，在嚴(yán)冬季空調(diào)行為對(duì)室溫的影響極大。模式1 空調(diào)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(diào)在傍晚16：00―22：00使用率達(dá)到最高，可明顯看出溫度較白天升高。臥室夜間空調(diào)使用率在80%以上，因此臥室溫度較高。居民采用模式1（空調(diào)開啟率較高）時(shí)客廳和臥室分別有83.74%和97.56%的時(shí)間達(dá)到熱舒適，明顯高于模式2 和3。采用模式2 和3時(shí)客廳在室平均室溫僅為10～14℃左右，滿足熱舒適條件的時(shí)間占比相對(duì)較小，分別為47.95%和57.53%；臥室空調(diào)使用率所有時(shí)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(shí)間可以滿足熱舒適需求。

表6 典型建筑嚴(yán)冬的客廳和主臥室內(nèi)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(jié)果

以典型建筑形式進(jìn)行建模，以問卷調(diào)研數(shù)據(jù)聚類得到的住戶典型熱環(huán)境調(diào)節(jié)組合模式（空調(diào)、開窗、遮陽）作為輸入?yún)?shù)，利用Design Builder模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，可輸出冬季空調(diào)能耗。PCS 能耗可根據(jù)調(diào)研得到的客廳和臥室PCS逐時(shí)使用率以及現(xiàn)場測試得到的取暖器平均功率計(jì)算。

表7 為典型建筑分別在采用3 種熱環(huán)境組合調(diào)節(jié)模式時(shí)冬初冬末能耗模擬結(jié)果。模式1、3空調(diào)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(diào)能耗也相近。模式2的客廳空調(diào)使用率較低但臥室夜間空調(diào)使用率較高，可達(dá)到60%以上，因此在3 種模式中空調(diào)能耗最高，達(dá)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(jié)合3 種模式的比例（47：22：43），采用加權(quán)平均的方式得出該典型建筑在冬初冬末的能耗強(qiáng)度是1.28 kWh·m-2，冬初冬末季節(jié)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(jié)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(shí)嚴(yán)冬能耗模擬結(jié)果。模式2、3 空調(diào)使用率很低，因此空調(diào)能耗較低，僅為2.58～2.95 kWh·m-2，但此兩種模式下PCS 使用時(shí)間較長，PCS 能耗達(dá)到9.06～11.00 kWh·m-2。模式1 客廳白天使用空調(diào)、臥室夜間使用空調(diào)，空調(diào)能耗為12.89 kWh·m-2，PCS 能耗為1.66 kWh·m-2。嚴(yán)冬建筑的總能耗水平在12.01～14.56 kWh·m-2之間。結(jié)合三種模式的比例（19：54：55），采用加權(quán)平均的方式得出該典型建筑在嚴(yán)冬的能耗強(qiáng)度是13.06 kWh·m-2，嚴(yán)冬季節(jié)戶均能耗為1 295.55 kWh·戶-1。

表8 典型建筑嚴(yán)冬能耗模擬結(jié)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(jié)果基于杭州市典型住宅建筑和熱環(huán)境調(diào)節(jié)行為的典型模式，無法與具體某一棟建筑的能耗結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，但是典型建筑冬季能耗強(qiáng)度為13.34 kWh·m-2，與已有的夏熱冬冷地區(qū)住宅采暖能耗研究結(jié)果一致[18-24］，如武茜[17］通過調(diào)查得出，杭州市居民采暖空調(diào)用電量為11.1 kWh·m-2；朱榮鑫等[18］計(jì)算杭州市采暖能耗值在8.99～24.22 kWh·m-2之間；李哲對(duì)夏熱冬冷地區(qū)（蘇州和上海）使用非中央空調(diào)的居民冬季采暖能耗調(diào)查顯示，采暖電耗在14.7kWh·（m2a）-1以內(nèi)[19］；清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心的研究[20］表明夏熱冬冷地區(qū)冬季采暖能耗普遍分布在10 kWh·（m2a）-1以內(nèi)，并對(duì)位于上海的住宅進(jìn)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(zhèn)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(shù)家庭采暖用電量在400～800kWh之間，個(gè)別家庭超過了1 000kWh；調(diào)研住房平均為70㎡，單位面積采暖能耗為0～11.43 kWh·m-2，個(gè)別超過14.29 kWh·m-2[23］。因此可以認(rèn)為模擬結(jié)果具有可信性。

3 結(jié)論

本文以杭州地區(qū)住宅為研究對(duì)象，通過入戶實(shí)測揭示了典型供暖模式和居民活動(dòng)狀態(tài)的組合工況下冬季住宅熱舒適特征；通過問卷調(diào)研和聚類分析，得出了杭州市居民在冬初冬末和嚴(yán)冬的典型熱環(huán)境調(diào)節(jié)模式；在此基礎(chǔ)上，選取杭州市最典型的一類住宅建筑類型，基于典型熱環(huán)境調(diào)節(jié)模式（空調(diào)、開窗、遮陽和PCS 使用）和不同供暖方式和活動(dòng)狀態(tài)下的熱舒適特征，模擬分析現(xiàn)行冬季典型供暖方式下的冬季供暖能源需求和室內(nèi)熱舒適現(xiàn)狀，得出以下結(jié)論：

（1）通過聚類分析，得出了杭州市居民在冬初冬末和嚴(yán)冬的典型熱環(huán)境調(diào)節(jié)模式。

（2）冬季 “無設(shè)備+靜坐” 、 “空調(diào)+靜坐” 、 “PCS+靜坐” 、 “無設(shè)備+家務(wù)勞動(dòng)” 、 “空調(diào)+家務(wù)勞動(dòng)” 、 “PCS+家務(wù)勞動(dòng)” 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(qū)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(qiáng)度是1.28 kWh·m-2，在嚴(yán)冬的能耗強(qiáng)度是13.06 kWh·m-2。冬季室內(nèi)熱舒適水平受熱環(huán)境調(diào)節(jié)模式影響較大，客廳在室舒適時(shí)間占比在43.74%～80.21%之間，臥室夜間在室舒適時(shí)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(jìn)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(jìn)行PCS 作用下的熱環(huán)境和能耗現(xiàn)狀分析，為確定該地區(qū)基于自身特定供暖設(shè)備下的住宅室內(nèi)熱環(huán)境改善定量需求提供依據(jù)。

作者貢獻(xiàn)聲明：

陳淑琴：思路確定、方法指導(dǎo)、論文撰寫修改、經(jīng)費(fèi)獲?。?/p>

陳悅：問卷調(diào)研、數(shù)據(jù)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。