低溫環(huán)境暖風(fēng)對(duì)改善人體舒適性的實(shí)驗(yàn)研究

(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400045)

美國(guó)供熱、制冷及空調(diào)協(xié)會(huì)(ASHRAE)將熱舒適定義為“一種對(duì)熱環(huán)境的滿意的主觀感受”[1]。Fanger[2]利用人體熱平衡模型提出了著名的 PMV預(yù)測(cè)指標(biāo)，其把影響人體熱感覺的因素分為6個(gè)部分：空氣溫度、輻射溫度、相對(duì)濕度、空氣流速、服裝熱阻及活動(dòng)量。其中，空氣流速對(duì)人體與外界環(huán)境的對(duì)流換熱以及對(duì)人體的吹風(fēng)感等方面都對(duì)人體的熱舒適起著十分重要的作用。目前，國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)與人體熱舒適進(jìn)行研究[3?9]。其中大多數(shù)都集中在中性和偏熱環(huán)境中對(duì)氣流的冷卻效果的研究：ASHARE標(biāo)準(zhǔn)中說(shuō)明了在中性和偏熱環(huán)境中提高風(fēng)速可以空氣溫度和輻射溫度升高進(jìn)行補(bǔ)償[1]；Edward等[10]提出了在偏熱環(huán)境中，室內(nèi)風(fēng)速與操作溫度形成的舒適區(qū)范圍；Candido等[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得出巴西自然通風(fēng)建筑中，不同操作溫度對(duì)應(yīng)的可接受風(fēng)速范圍；Marc等[12]對(duì)偏熱環(huán)境中不同局部送風(fēng)方式對(duì)人體熱舒適的影響進(jìn)行了研究，并提出了相關(guān)模型；這些研究的共同點(diǎn)都旨在維持人體熱舒適的同時(shí)降低空調(diào)的能耗。而偏冷環(huán)境中對(duì)風(fēng)速的研究主要考慮是空氣流動(dòng)造成吹風(fēng)感及人體產(chǎn)生的不舒適[1,13?16]，迄今為止，在暖氣流對(duì)低溫環(huán)境補(bǔ)償，改善人體熱舒適方面的研究非常少?，F(xiàn)今我國(guó)未集中供暖地區(qū)冬季室內(nèi)環(huán)境十分惡劣，人們生活環(huán)境的熱舒適性急需得到提高；但若大規(guī)模采用供熱或空調(diào)的形式，其建筑能耗勢(shì)必大幅度增加，將對(duì)我國(guó)能源供應(yīng)安全帶來(lái)極大的壓力[17]。因此，尋求一種既節(jié)能又能提高人體熱舒適性的供暖方式十分重要?；诖?，本文作者開展了對(duì)人體局部供暖風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究，探索這種局部采暖方式對(duì)人體舒適性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象均為身體健康的在校大學(xué)生，且均為自愿參與此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)3個(gè)工況中受試者的詳細(xì)信息見表1，其中每個(gè)工況男女比例均為1:1。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)于2011年1月在一個(gè)自然通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，共有3個(gè)工況，分別是在局部供暖風(fēng)階段從后方對(duì)受試者的頸部送風(fēng)，從前方對(duì)腹部送風(fēng)和對(duì)小腿送風(fēng)。受試者在實(shí)驗(yàn)開始前30 min進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室休息并適應(yīng)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)開始后，受試者靜坐于實(shí)驗(yàn)室中，10 min時(shí)填寫調(diào)查問(wèn)卷，之后開啟暖風(fēng)設(shè)備，15 min和30 min時(shí)再分別填寫調(diào)查問(wèn)卷。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)暖風(fēng)的參數(shù)和暖風(fēng)設(shè)備開啟前后的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試；暖風(fēng)參數(shù)的測(cè)試位置為人體附近0.1 m，高度對(duì)應(yīng)送風(fēng)部位；室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的測(cè)試高度為0.6 m。實(shí)驗(yàn)流程見圖1，暖風(fēng)參數(shù)見表2，暖風(fēng)設(shè)備開啟前后室內(nèi)環(huán)境參數(shù)見表 3。實(shí)驗(yàn)前受試者均可根據(jù)當(dāng)日實(shí)際氣候自由調(diào)節(jié)自己的服裝熱阻。

表1 受試者信息(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 1 Information of subjects (mean±standard deviation)

圖1 實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Experimental process

表2 不同工況暖風(fēng)參數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 2 Parameters of warm airflow in different setting conditions (mean±standard deviation)

1.3 測(cè)試儀器

實(shí)驗(yàn)對(duì)空氣干球溫度、相對(duì)濕度和空氣流速進(jìn)行了測(cè)量。其中采用干濕球溫濕度計(jì)(DHM2)測(cè)量室內(nèi)干球溫度和相對(duì)濕度，儀器精度如：溫度為±0.1 ℃，相對(duì)濕度為±2%；采用熱線式風(fēng)速儀(Testo 425)測(cè)量室內(nèi)空氣流速，儀器精度為±0.05 m/s。

1.4 調(diào)查問(wèn)卷

實(shí)驗(yàn)中對(duì)人體熱感覺、潮濕感、氣流感、對(duì)熱環(huán)境的可接受程度進(jìn)行調(diào)查，同時(shí)還對(duì)受試者氣流的可接受程度以及期望風(fēng)速進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查中使用的相關(guān)標(biāo)尺見表4。

表3 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 3 Indoor environmental parameters (mean±standard deviation)

表4 熱環(huán)境調(diào)查標(biāo)尺Table 4 Scales used to measure subjective response to environmental variables

2 結(jié)果與討論

2.1 熱感覺

圖2 不同送風(fēng)部位熱感覺投票變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig. 2 Change of thermal sensation vote(mean±standard deviation)

圖2所示為在3個(gè)工況下人體熱感覺投票(TSV)的變化。由圖2可見：10 min時(shí)的TSV小于?0.85，此時(shí)室內(nèi)為自然通風(fēng)狀態(tài)，人體處于一個(gè)冷不舒適的狀態(tài)；開啟暖風(fēng)設(shè)備后，15 min時(shí)受試者的熱感覺投票顯著提高(p＜0.01)，TSV均大于?0.5；30 min時(shí)受試者熱感覺投票有小幅的提高，但并不顯著(p＞0.05)。結(jié)果表明：3個(gè)部位的局部供暖風(fēng)對(duì)改善人體的熱舒適性都有較好的效果，熱感覺對(duì)局部送風(fēng)的響應(yīng)較快，且不隨送風(fēng)時(shí)間變化。

2.2 濕感覺

圖3所示為3個(gè)工況下人體濕感覺投票(HSV)的變化。由圖3可見：實(shí)驗(yàn)開始時(shí)受試者的濕感覺處于一個(gè)較中性的狀態(tài)，局部送風(fēng)后，受試者的濕感覺投票顯著降低(p＜0.01)，隨著暴露時(shí)間的增加，干燥感越來(lái)越強(qiáng)，30 min時(shí)腹部送風(fēng)工況的HSV小于?1，大部分人感覺到干燥。結(jié)果表明：3個(gè)部位的局部送風(fēng)對(duì)人體的濕感覺均有影響，濕感覺隨著暴露時(shí)間逐步降低，干燥帶來(lái)的不舒適感在對(duì)腹部送風(fēng)時(shí)最為明顯。

圖3 不同送風(fēng)部位濕感覺投票變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig. 3 Change of humidity sensation vote(mean±standard deviation)

2.3 氣流感

圖4所示為3個(gè)工況下人體氣流感投票(MSV)的變化。由圖4可見：暖風(fēng)設(shè)備的開啟后，受試者開始感受到氣流的影響；30 min時(shí)頸部和腹部送風(fēng)工況氣流帶來(lái)的影響越來(lái)越大，腹部送風(fēng)工況的 MSV接近1，氣流帶來(lái)的不舒適感明顯；小腿送風(fēng)工況人體對(duì)氣流的感覺變化不顯著(p＞0.1)，30 min時(shí)的MSV小于0.5，氣流感處于一個(gè)可接受的范圍。結(jié)果表明：在開始送風(fēng)設(shè)備后，對(duì)頸部和腹部送風(fēng)時(shí)人體可以明顯的感覺到氣流帶來(lái)的影響，而對(duì)小腿送風(fēng)時(shí)氣流對(duì)人體影響不大。

圖4 不同送風(fēng)部位氣流感投票變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig. 4 Change of air movement vote(mean±standard deviation)

圖5～7所示分別為3個(gè)工況中受試者對(duì)氣流可接受的百分比?？梢姡涸?0 min時(shí)，3個(gè)工況人員對(duì)氣流的可接受投票都集中在 0，此時(shí)，大部分人對(duì)氣流處于一個(gè)最滿意的狀態(tài)。15 min時(shí)，投票為0的百分比有所降低，投票為1的增加，已有受試者感到氣流偏大，但0投票的人員仍占大多數(shù)。30 min時(shí)，頸部和腹部送風(fēng)工況的曲線較之前均有偏離，占大多數(shù)的投票已由0變成了1，此時(shí)大多數(shù)的受試者已感覺到氣流的影響，并且出現(xiàn)了2的投票，已有受試者對(duì)氣流過(guò)大表示不可接受；而小腿送風(fēng)工況中30 min時(shí)的投票與15 min時(shí)的情況類似，投票為0的受試者依然占據(jù)大多數(shù)，氣流對(duì)受試者的影響較小。結(jié)果表明，頸部和腹部送風(fēng)工況人員對(duì)氣流的可接受度是隨著暴露時(shí)間逐漸降低的，而小腿送風(fēng)工況中人體對(duì)氣流有較好的可接受度，感覺氣流恰好的受試者始終占到50%以上。

圖5 頸部送風(fēng)工況氣流可接受百分比Fig. 5 Air movement acceptability when warm airflow applied to neck

圖6 腹部送風(fēng)工況氣流可接受百分比Fig. 6 Air movement acceptability when warm airflow applied to waist calf

圖7 小腿送風(fēng)工況氣流可接受百分比Fig. 7 Air movement acceptability when warm airflow applied to calf

2.4 熱環(huán)境可接受度

圖8所示為在3個(gè)工況下，人體對(duì)熱環(huán)境可接受度的變化。由圖8可見：10 min時(shí)人員對(duì)熱環(huán)境的可接受程度都不高，均低于70%；暖風(fēng)設(shè)備開啟后可接受度顯著提高， 15 min的可接受度提高了10%～30%，其中對(duì)腹部和小腿送風(fēng)的改善比較明顯，可接受度達(dá)到了85%以上；30 min時(shí)的可接受度，頸部和腹部送風(fēng)工況顯著降低，基本回到了10 min的水平，小腿送風(fēng)工況則變化不大，保持在80%以上。結(jié)果表明：局部暖風(fēng)設(shè)備短時(shí)間可提高人體對(duì)熱環(huán)境的可接受度，但在長(zhǎng)時(shí)間的暴露中，只有對(duì)小腿送風(fēng)才能起到較好的改善效果，而對(duì)頸部和腿部送風(fēng)并不能有效地提高可接受度。

圖8 不同送風(fēng)部位人體對(duì)熱環(huán)境的可接受百分比Fig. 8 Change of acceptability of thermal environment

造成人體對(duì)熱環(huán)境不可接受的原因如表5所示。由表5可見：在10 min時(shí)，3個(gè)工況中造成人員不可接受的主要原因都是冷。15 min時(shí)由于冷造成的不可接受百分比下降，而由于氣流過(guò)大造成的不可接受百分比增加，但都在15%以下。30 min時(shí)，腹部和小腿送風(fēng)工況中已沒有由于冷而對(duì)環(huán)境不可接受的受試者；對(duì)頸部和腹部送風(fēng)中氣流過(guò)大造成人員不可接受的百分比繼續(xù)增加，達(dá)到25%，而對(duì)小腿送風(fēng)中氣流過(guò)大造成的不可接受百分比只有 9%；由于腹部和小腿的送風(fēng)是從人體正面進(jìn)行，一部分對(duì)熱環(huán)境不可接受的原因是干燥，這種情況在腹部送風(fēng)中比較 明顯。

2.5 不良反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)的氣流沖擊給人體造成了一些不良反應(yīng)，包括頭暈惡心、呼吸受阻或不暢。圖9所示為在3個(gè)工況下，人體產(chǎn)生不良反應(yīng)的人員比例。由圖9可見：隨暴露時(shí)間的增加，不良反應(yīng)的比例上升，頸部和腹部送風(fēng)工況帶來(lái)的不良反應(yīng)較大，在30 min時(shí)超過(guò)了25%的人群，小腿送風(fēng)工況在30 min時(shí)感覺到不適的人員低于15%，環(huán)境相對(duì)來(lái)說(shuō)較好。

2.6 討論

在自然工況中，熱環(huán)境處于一個(gè)偏冷的狀態(tài)，TSV小于?0.85，大多數(shù)人對(duì)熱環(huán)境表示不滿意。在開啟局部暖風(fēng)設(shè)備后，人體的熱感覺有一個(gè)較大的改善，TSV大于?0.5，并隨著暴露時(shí)間的增加，TSV逐步接近于0，人體處于一個(gè)熱舒適的狀態(tài)。但在暖風(fēng)暴露的同時(shí)，干燥和氣流給人體帶來(lái)了不舒適感。這些不舒適感在短期的暴露中并不明顯。因此，在開始暖風(fēng)設(shè)備5 min時(shí)，人體感覺整體熱環(huán)境得到了很大改善，人體對(duì)熱環(huán)境的可接受程度得到很大提高。但隨著暴露時(shí)間的增加，這些不舒適感逐步開始顯現(xiàn)，對(duì)腹部送風(fēng)使得35%的受試者由于感到干燥而對(duì)熱環(huán)境不滿意；對(duì)頸部和腹部送風(fēng)使大部分人員感到氣流沖擊感帶來(lái)的不舒適，造成其對(duì)熱環(huán)境不可接受；說(shuō)明對(duì)頸部和腹部的送風(fēng)方式雖對(duì)熱感覺進(jìn)行了改善，但在其他方面使人體產(chǎn)生了新的不適，人員對(duì)熱環(huán)境的可接受程度也與未送風(fēng)時(shí)的接近，且送風(fēng)后氣流的持續(xù)作用造成超過(guò)25%的人群出現(xiàn)了暈惡心、呼吸受阻或不暢等不良癥狀，因此，實(shí)質(zhì)上并沒有達(dá)到改善人體舒適性的效果。對(duì)小腿送風(fēng)在改善了人體的熱感覺的同時(shí)，只有少數(shù)人員感受到氣流和干燥的影響(＜15%)，人員對(duì)熱環(huán)境的可接受程度大大提高，絕大多數(shù)人員表示對(duì)熱環(huán)境滿意，可以作為一種局部供暖的方式以提高人體的舒適性。

表5 不同工況下熱不可接受原因統(tǒng)計(jì)表Table 5 Thermal unacceptable reason in different setting Conditions %

圖9 不同送風(fēng)部位人體產(chǎn)生不良反應(yīng)百分比Fig. 9 Percentage of subjects who feel unwell in different conditions

3 結(jié)論

(1) 對(duì)局部供暖風(fēng)的方式能將人體由一個(gè)較冷的狀態(tài)(TSV小于?0.85)提高到一個(gè)適中的狀態(tài)(TSV為0)，可以有效地改善人體熱感覺。

(2) 局部供暖風(fēng)會(huì)使人體感到一定的干燥和氣流而帶來(lái)的不舒適感，氣流沖擊還可能使人產(chǎn)生頭暈惡心、呼吸受阻或不暢等不良反應(yīng)。

(3) 人在長(zhǎng)時(shí)間暴露中，對(duì)頸部和腹部供暖風(fēng)帶來(lái)的不舒適感和不良反應(yīng)都較顯著，對(duì)人體舒適性的改善作用不大。對(duì)小腿供暖風(fēng)能提高人體對(duì)熱環(huán)境的可接受程度，有效地改善人體的舒適性，可以作為一種局部調(diào)節(jié)的手段。

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