中國城鎮供熱協會



2021年5月12日,由中國城鎮供熱協會、中展智奧(北京)國際展覽有限公司、法蘭克福展覽(上海)有限公司主辦的“中國國際暖通高峰論壇——碳達峰碳中和與清潔供熱綠色發展國際峰會”在北京新國展盛大召開。

會上清華大學建筑學院教授朱穎心作了關于“室內熱環境與人體的舒適健康”的主題演講。她介紹了世界各國室內冬季采暖溫度發展趨勢,通過對北京、上海等集中供暖與壁掛爐采暖用戶的調查以及“長期逗留恒溫環境健康不健康”的實驗總結提出,應盡量避免長期逗留在熱中性的熱環境中,冬季經常的輕度冷暴露有益于健康;居住者擁有對環境的感知控制力將有效提高其對室內環境質量的滿意度,同時有助于降低建筑能耗;人體的熱適應能力導致需求的舒適室內溫度不同,南北方、城市與農村建筑應具有不同的采暖溫度標準;采用局部采暖的設備將有助于在改善熱舒適的同時降低采暖能耗。




我給大家談談能源需求側的問題,我們可以從這張PPT上看到,全世界各個國家供熱溫度都在逐年不斷變化,我們中國目前南方室內自采暖的溫度有十幾度,如果沒有自采暖溫度會更低,北方大概在20度上下,比如哈爾濱溫度上升的歷史過程,室內溫度已經都到了22度以上,這是哈工大教授歷年調研的結果。

我們南方供暖的溫度未來會往什么方向去?這是一個問題。很多人認為現在室內供暖溫度越高越舒適,是生活水平高的體現,我今天的報告要回答這樣一些問題。

眾所周知,南北方因為淮河流域的北和南,有集中供暖區和非集中供暖區,集中供暖區的溫度經常會到22度以上,淮河以南,因為長江流域經濟非常的發達,實際上家家戶戶都有自采暖設備,自采暖的溫度都在15度以下,去年寒假我組織了一些冬冷地區的學生在自己家里調查自己的供暖、熱泵、空調或者各種采設備的情況,也得到了類似的結論。


很明顯有室內熱適應問題,我們曾經對北京和上海兩個地區的人群進行了實驗,一個是在清華大學人工氣候室,一個是在上海建科院的人工氣候室,兩組都是年輕男性20~30歲之間,服裝是統一帶過去的,每一組5人,有30人左右,我們發現任何一個相同的溫度下,上海組的人熱感覺投票都比北京的高,北京感覺到更冷,我們實驗的溫度從12度一直到20度,在熱舒適投票方面,每一個相同的溫度下,北京組都覺得更不舒適。

我們可以看到,在相同熱感覺條件下,北京組跟上海組的人體感、溫度在相同情況下溫度相差了2.5度,這叫氣候熱適應的作用。

我們又做了現場調查,北京的集中供暖和壁掛爐供暖下用戶的情況。

左下角圖可以看到他們的熱感覺投票,任何一個溫度下,壁掛爐的用戶投票都比集中供暖的要高,他們的體感要高,更暖和。眾所周知,壁掛爐的用戶是可以調自己是室溫的,而集中供暖是調不了自己室溫的。

右圖我們可以看到集中供暖的人的服裝熱阻在任何溫度下不怎么調,而壁掛爐供暖的人把服裝熱阻調的很積極,在溫度高于19度時,壁掛爐的人明明穿的衣服要比集中供暖的要少,但是他感覺還是比集中供暖的更暖和。所以我們發現,壁掛爐能有自動調節之后,他們就會覺得對室溫的滿意度就高,覺得更暖和了,能源費用也節省40%以上,這是北京的情況。

我還有一些學生對上海市集中供暖和分散供暖用戶進行了調查,分散用戶供暖基本用的是分體空調器熱泵,個別自己有壁掛爐,調查結果依然發現:分散采暖和集中供暖相比,分散采暖依然感覺到更暖和。我們對比一下他們的熱感覺投票,±0是不冷不熱,±0.5是有那么一點點冷和熱,那么所以±0.5以內在我們國家標準里認為都是舒適區,可以看到集中供暖的舒適區在上海是大于18度,北京是大于20度。

右邊這個圖可以看到20度用對著集中供暖的用戶的-0.5這條線。

再看分散采暖,壁掛爐和空調的用戶。上海大于12度,從這張圖中可以看到上海分散供暖什么溫度它都是舒適的,把這條延長線往左邊,我們可以延長到12度,才碰到-0.5,所以我們覺得上海大概12度都沒有抱怨,剛過去的寒假調查中也是這樣的,而北京是分散供暖大于16度才行。

這實際上又反映了一個環境控制權對人熱感覺的影響。

我們做了一些心理實驗,我有個博士生做了5個工況,從偏熱工況、不冷不熱、中性工況,到偏冷工況,這個實驗是先讓受試者,比如說最底下21度房間里呆著,他穿夏天的衣服,21度就覺得有點冷,停留大概20分鐘,然后就告訴他手邊有一個調節按鈕可以調節,你調了就可以達到你需要的不冷不熱了,那么他就調了,實際上空調系統壓根沒有反應,那么20分鐘之后才調到他要的溫度,我們把前面這20分鐘叫做無感知控制,黃色的這塊,假的調節,叫做有感有感知控制,但實際上沒有動,但是溫度是一樣的。

結果可以看到,右邊這張圖熱感覺是這樣的,紅色的有冷有熱5個工況,那么紅色的部分是無感知控制的部分,然后綠色是騙他說你可以調,有感知控制了,實際上溫度沒有變,你們可以看它都往中心那條線上,不管冷熱都往中線靠,左邊綠色的上面是熱舒適度高,那么舒適感都提高了,這就反映出來一個什么?

感知控制這種心理因素對熱感覺的影響是正面的。所以有自動調自主調控力,它是對改善你的感覺是有幫助的,對滿意度有幫助,所以我們做一個解析,人一旦具有對環境有可感知控制力,無論使用還是不使用,那么它對環境的滿意度容忍度也大大的提高了,心理上消除了對未知變化的焦慮。

第二點是在生理上,人體本身是具有熱應激能力的,對這個環境的容忍度是很大的,那么如果它是被外力高度控制的這樣的熱環境的話,反而削弱了他的容忍程度了。

那么長期逗留在熱中性環境,比如冬天很暖和的環境對人體健康有什么影響?

我們人所共知的基本理念:舒適不等于健康,躺著舒適,但不健康,所以我們是要鍛煉,那么在熱環境領域是不是也有類似的這么一個情況?

2012年我們發表過一篇論文,做了一個對供冷的實驗,長期逗留恒溫環境健康還是不健康?選了兩組人,一組人是空調組,都是畢業本科以上的學歷,畢業了之后做了白領的工作,24小時恨不得都是空調環境,家里、車上都有空調;另一組人是在空調環境每天不超過兩個小時下的,兩組都是10人,我們實驗方法就是放到人工氣候室里,一個房間里放26度放一小時,然后再讓他們進到36度的環境里,待一小時,同時進行各種主觀投票和生理檢驗,包括心率、血壓、皮溫、體重,體重主要是測出汗率,還有對他們進行取血量。

結果是這樣的,首先左邊這一部分,上下熱感覺投票和熱舒適度投票,你可以發現他們一進到36度高溫環境里,空調組的人對比非空調組的人感到更不舒適,然后他們熱舒適感也更差,中間這一部分,你可以看到,進到高溫環境里,非空調組的皮溫就抬上去了,空調組的皮溫是緩慢上升的,所以它就很難對抗偏熱的環境,胸足溫差也是一樣,進入到偏熱環境之后,空調組的人胸足溫差就大,肢端的溫度抬不上來,所以散熱就不好。最右邊的反映了一個是出汗率,一個心率變異性。出汗率我們可以看到任何一個BMI組里面非空調組的人,出汗率都比空調組的出汗率要高,說明他的熱調節能力強。心率變異性也看到了,代表的是交感神經的緊張程度,我們看見非空調組的人進到偏熱環境他并不緊張,心率變性數沒有什么太大變化,而空調組的人一進到36度這個環境馬上就升上去了。

關鍵的還有血液中的熱應激蛋白 HSP70,那么HSP70的它的血液中的濃度高,表示它的熱應激能力強。

左邊這一組是10個人的兩次抽血的檢驗結果,是非空調組的,右邊的是空調組的,很明顯空調組的平均的值只有非空調組的2/3,這個結果就反映了長時間逗留在恒溫環境中,會導致人體的熱應激能力退化,他沒有外界的冷熱刺激,它應激能力就退化了,其實這是不健康的。

這是供冷的,我們再來看供暖的,給大家展示的是荷蘭熱生理的教授的研究成果,他在2009年發表了一篇引用率非常高的文章,他提出了人體內其實有兩種脂肪,一種是白色脂肪,一種是褐色脂肪,白色脂肪與肥胖癥和2型糖尿病是密切相關的,而棕色脂肪可以促進人體的代謝散熱,而這個棕色脂肪在北極熊企鵝身上很多,在人類的嬰兒身上也不少,但是成長之后就會慢慢的退化掉。

我們可以看到左下角這兩張圖掃描圖,左邊這張圖是長期處于不冷不熱的環境的人群的掃描,右圖是適應偏冷或偏熱環境的人群,右圖上的人陰影黑色陰影的部分比較多,實際上這就是他的體內的褐色脂肪,左圖的人身上基本褐色脂肪都退化了。

他提出一個觀點就是舒適能夠使人體節省能量,那么輕微的不舒適可以刺激代謝率增加,大家要想減肥的話都希望自己的身體的代謝率提高,那么如果你處于偏離舒適的環境溫度中,你的棕色脂肪它的含量就會被刺激的提高,來促進你的代謝率提高,然后同時消耗體內的白色脂肪,這樣降低患肥胖癥的風險。

右下角這張圖展示人在裸體的站立的時候,他的舒適溫度在28~32度。那么如果經常經過冷訓練的人,他的熱舒適區往左移,熱訓練的人往右移,他的代謝率也會改變偏離舒適區標準代謝率,可以看到舒適區的代謝率是最低的,那偏冷的時候代謝率就會提高,偏熱也會提高,偏熱提高的少,偏冷的時候會提高多,為了維持你的體溫恒定。

那么他做了一個輕度冷暴露實驗,選擇了兩組受試者,環境溫度14~15度,每天暴露6小時暴露10天,身體穿的還是夏裝,在溫度下肯定是冷的,那么所有的人在剛實驗的時候就投票,你可以看到很不舒適,然后訓練了10天之后,他對這個環境能接受了,說明這些人經過訓練都能接受偏冷環境了。有兩組人,一組人是偏瘦體型的年輕人,九女八男,實驗結果是體內的褐色脂肪都增加了,由下圖可以展示。身體的產熱量增加了10~20%。第二組人是8位男性, 肥胖導致的糖尿病患者,發現他們血液中的胰島素的敏感性也顯著增加了,所以他得出這樣的結論,應該把輕度冷暴露激活體內褐色脂肪的方法,作為治療2型糖尿病和肥胖代謝并發癥的新方法。

另外他指出這種方法應該融入我們的日常生活,作為一種鍛煉方式,有利于預防肥胖癥和2型糖尿病,并保持應對極端環境的能力。

這些研究結果我們可以還看到有一些旁證,有一篇文章講的目標跟我說的不一樣,但是他的材料我們覺得是可以作為旁證。這篇文章發表在美國科學院報,2013年一篇關于淮河兩岸供暖和非供暖區人群健康的調查,這篇文章發表后5年后他又發表了一篇文章,調查數據是差不多的,作者包括北大、清華的兩個經管學院多名作者合作的,他們選取淮河南北供暖區,非供暖區150公里以內的地區,他們認為在這個地區兩個地區氣候文化、教育、食品、習俗、建筑、衣著等等條件都是類似的,唯一的區別就是北岸是集中供暖區,南岸是非集中供暖區,他發現南岸居民的預期平均壽命比北岸居民要長5年左右,后來他在過幾年后他發表在一篇論文,他發現南岸大概比北岸壽命長5.5年左右,但是它的結論是這樣的,它認為北岸是因為有燃煤供暖,導致北岸室外冬季懸浮顆粒物的濃度比南岸高,那么達到了北岸是每立方米550微克,南岸的354微克,相差將近200每立方米微克。他認為這是導致的,實際上你看數據,都是污染濃度很高,但是他認為有無室內供暖是對于健康的正面影響是正面的。

所以他認為導致南岸本案與預期壽命損失的原因就是因為空氣污染比南邊的高,但是我們可以看到前面教授的研究結果,如果經常輕度冷暴露對健康的影響是正面的。

由于沒有直接的證據,所以我也讓我的學生在剛過去的冬天做了一些調查。

選取的是夏熱冬冷地區的一個城市,這個城市有集中供暖小區,絕大部分地方都是非集中供暖,有個別的集中供暖小區,那么新建的商品樓也不是集中供暖的,這兩個小區進行了一些調查,首先它對 b城區就是沒有集中供暖地區測了他們的室內室溫,而集中供暖小區室溫基本都在20度以上,非集中供暖小區什么情況?大家可以看到這6戶人家。

調查了4天,左邊這個圖就是這6戶人家的室溫室曲線,除了有紅線的這家的溫度會開空調一天會開到25度以上,其他平均值基本都在15度左右,很多都是15度以下,非常有趣,但是他們自己覺得可以,那么又做了一些對這片地區的人進行了問卷調查,回答調查問卷有341人,年齡大概在從20多歲到50多歲,男女的各占一半,上面這張圖是他們的室溫,你覺得你們家里供暖不管集中供暖也好,分散供暖也好,怎么一個情況?那么TSV大于等于0的是偏暖的,TSV小于0的是偏冷的,可以看到自報告糖尿病患病率的差異啊,室溫比較低的人家他們自報告的糖尿病的患病率少,自報告室溫高的糖尿病患病率的更高。下面這張圖是集中供暖和非集中供暖兩個區,很明顯的也是非集中供暖區的糖尿病的患病率要更低一些,而集中供暖區的要更高。

其實這就印證了前面教授的做的實驗,當然我們的數據還不多,未來我們會收集更多的數據,可能需要跟疾控中心來進行合作才行。

最后我們來看一看關于供暖形式的問題,日本到現在常用的傳統個性化的供暖設備,桌面下面有個電采暖器,過去是燒炭的,后來就變成電采暖了,到現在還用。三大都市圈東京、名古屋、大阪都是相當于我國的夏熱冬冷地區,沒有集中供暖,都是自采暖,很多人家的室溫都非常低,用的這個采暖設備他們接受的室內溫度都在8~14度,跟咱們南方也差不多,我自己也試驗過這個東西的使用,但我這個東西不是那種,先說說我的辦公室。

我的辦公室是這么一個灰磚樓,這個樓是1923年磚混結構,沒有做過保溫改造,窗戶做過改造,做了一個普通雙層玻璃的鋁合金窗框,我的辦公室大概是20平米。

我采用了這樣的個人的個體局部采暖,把腿可以放進去,上面就拿一條毛巾搭著膝蓋。冬季日間陽光好時,不采暖溫度也可以達到15度左右,我采用這種足部電采暖足夠維持我的熱舒適,底板的電功率有十幾瓦我不用,那么側幫的電功率它有幾檔,我常用到38~93這一檔,即便就算我用93瓦這一檔,相當于我每平米4.65度電,我就拿4.65度電用熱泵的話供熱量不過是每平米14瓦,遠低于咱們北京采暖的耗熱量了。

就算我一冬季我一半時間去辦公室,因為我間歇教室辦公,我用400個小時的話,一平米采用不到兩度電,對于間歇使用的辦公室節能效果其實是非常顯著的,而且關鍵它的舒適性是頭涼腳暖,所以把我這個辦公室我一般都不采暖,我采暖的話也溫度弄得很低,供一點我就關了。

那么我們可以有我的學生也做過一些模擬,對于在不同的地區室內溫度的設定溫度,和空調采暖能耗之比的關系,縱坐標是耗熱量、耗冷量的節能率。我們可以看到如果在北京地區,比如說我從22度降到16度作為供暖設定值的話它,它的熱負荷下會下降68%,其實是非常有意義的。

所以我得到的結論是這樣,首先應盡量避免長期逗留在熱中性的熱環境中,那么冬季經常進行一些輕度的暴露,但是得有一定的時間,經常連續性的輕度冷暴露是有益于健康的,居住者如果擁有對環境的感知控制力,對暖通空調系統感知控制力,將有效提高它對室內環境質量的滿意度,同時也有助于降低建筑能耗。所以獨立調控非常重要。

第三,人體的熱適應力導致需求時的舒適室溫是不一樣的,北京農村建筑我也調查過,因為生活和生產形態,在家里穿的衣服很多出出進進,所以室溫也不宜過高,所以城市與農村建筑應該具有不同的采暖溫度標準。

最后我的建議是采用局部采暖的設備,將有助于在改善熱舒適的同時又降低采暖能耗好。謝謝。


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