冷輻射不均勻環(huán)境中人體熱反應(yīng)評價模型

王昭俊，何亞男

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱)

由于嚴(yán)寒地區(qū)外窗、外墻等內(nèi)表面溫度低，環(huán)境輻射溫度不均勻，靠近外窗的人會明顯感覺到身體局部受到來自外窗表面的冷輻射［1］.由于冷輻射環(huán)境的不均勻性，人體各部位所受到的冷輻射程度不同，使人體各部位的熱感覺和熱舒適不同.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與無冷輻射的均勻環(huán)境相比，有冷輻射的不均勻環(huán)境中，人體的手部、小腿、手臂的熱感覺和整體熱感覺均有顯著性差異;有冷輻射的中性工況的整體熱感覺較無冷輻射的均勻工況時低，盡管前者室內(nèi)平均溫度高［2］.進(jìn)一步的研究表明，來自外窗的冷輻射會降低人體的皮膚溫度，進(jìn)而影響到人體熱感覺和熱舒適［3］.針對具有外窗冷輻射的不均勻環(huán)境的評價，F(xiàn)anger提出了PMV模型適用于評價均勻和穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境中人體的整體熱感覺［4］，而在非均勻環(huán)境中，全身熱中性并不等同于全身熱舒適，尚須考慮局部熱不舒適的影響［5］.MCNall等指出，在不對稱輻射環(huán)境中，雖然受試者全身熱感覺為中性，但全身熱舒適的比例低于均勻環(huán)境的比例［6］.說明不對稱輻射會降低人體的熱舒適性.文獻(xiàn)［7］認(rèn)為不同的全身熱狀態(tài)和局部熱感覺的組合對全身熱反應(yīng)有不同的影響.文獻(xiàn)［8-9］認(rèn)為整體熱舒適反應(yīng)并不是身體所有部位局部熱舒適反應(yīng)的累加，而是遵循“抱怨”模式，即最不舒適的身體部位對整體熱舒適的感知起決定性作用.在冷輻射環(huán)境中，人體的全身熱感覺不僅決定于環(huán)境參數(shù)，還取決于人體的局部熱感覺.因此，應(yīng)該研究局部熱感覺和全身熱感覺的關(guān)系，全身熱感覺與整體熱可接受度的關(guān)系，全身熱舒適與整體熱可接受度的關(guān)系，以便在冷輻射不均勻環(huán)境中控制對全身熱感覺影響程度最大的部位的熱水平狀態(tài)，建立冷輻射不均勻環(huán)境中人體熱反應(yīng)評價模型.

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在人工氣候室中完成，如圖1所示.該氣候室包括實(shí)驗(yàn)室A和實(shí)驗(yàn)室B.實(shí)驗(yàn)室A的溫度為10～30℃，通過電加熱器控制.實(shí)驗(yàn)室B的溫度為-20～-5℃.實(shí)驗(yàn)室的隔墻和窗可視為外墻和外窗.因此，實(shí)驗(yàn)室A是具有外墻、外窗冷輻射以及電加熱器采暖的不均勻熱環(huán)境.

圖1 實(shí)驗(yàn)室平面圖(mm)

為了考察冷輻射不均勻環(huán)境對人體熱感覺與熱舒適的影響，設(shè)計(jì)了兩個具有冷輻射的實(shí)驗(yàn)工況:稍涼工況和中性工況.室內(nèi)空氣溫度分別為19、22℃.為了對比研究，設(shè)計(jì)一種均勻工況，空氣溫度為20℃.3種工況實(shí)測的環(huán)境參數(shù)詳見文獻(xiàn)［2］.20名受試者身著冬季服裝，服裝熱阻平均值為1.02 clo.在對環(huán)境參數(shù)和受試者生理學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試的同時，對受試者的額頭、后背、手臂、手和小腿等部位的局部熱感覺和熱舒適，全身熱感覺和熱舒適以及熱可接受度進(jìn)行了主觀問卷調(diào)查.其中局部熱感覺和整體熱感覺采用ASHRAE的7點(diǎn)連續(xù)標(biāo)度［10］，局部熱舒適和整體熱舒適采用Zhang Hui的間斷標(biāo)度［2，8］.整體熱可接受度的調(diào)查采用6點(diǎn)標(biāo)度:完全不可接受(1)，中等不可接受(2)，有點(diǎn)不可接受(3)，有點(diǎn)可接受(4)，中等可接受(5)，完全可接受(6).

2 熱感覺評價模型

主成分分析法主要是利用降維的思想，在盡量減少損失信息的前提下將多個指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個互不相關(guān)的綜合指標(biāo)(主成分)的多元統(tǒng)計(jì)方法.采用該方法對具有冷輻射的兩個工況中的局部和全身熱感覺投票進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.得到基于各部位影響權(quán)重的具有外墻、外窗冷輻射以及電加熱器采暖不均勻環(huán)境中人體熱感覺評價模型為

式中:VTS為全身熱感覺投票，Vf為額頭熱感覺投票，Vb為后背熱感覺投票，Vh為手部熱感覺投票，Vl為小腿熱感覺投票，Va為手臂熱感覺投票.

由式(1)可見，手部、小腿和手臂的系數(shù)相等，說明這3個部位對全身熱感覺的影響程度相同.額頭的系數(shù)最小，說明額頭的熱感覺對全身熱感覺的影響最不明顯.Crawshaw等認(rèn)為人的臉部、背部和胸部對冷感覺最敏感［11］.張宇峰等也認(rèn)為臉部、胸部和背部的熱感覺對人體全身熱感覺的影響權(quán)重更大［7］.在本實(shí)驗(yàn)中，受試者背對外窗而坐，在2個工況中頭部和背部的溫度都較高，頭部和背部的熱感覺也最高.由于受試者身著冬季較厚的服裝，無法測試胸部皮膚溫度，故未對該部位的熱感覺進(jìn)行調(diào)查.實(shí)驗(yàn)中手臂、手部和小腿的熱感覺較低.現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果也表明靠窗組受試者的腿部感到最冷，其次為手部和后背［1］.

具有冷輻射的不均勻環(huán)境中基于各部位影響權(quán)重的人體熱感覺評價模型反映了冷輻射環(huán)境中人體全身熱感覺與局部熱感覺的關(guān)系，即用某環(huán)境下的人體局部熱感覺計(jì)算得到的全身熱感覺來評價冷輻射環(huán)境.該評價模型在全身熱感覺為稍涼至中性的范圍內(nèi)適用.

3 熱可接受度評價模型

在局部熱暴露條件下，全身熱感覺偏離熱中性，或部位間熱感覺之差大于0都會造成人體對環(huán)境熱不滿意率的增加［12］.在局部熱暴露條件下，二者可能同時出現(xiàn).這種情況下，受試者對熱環(huán)境可接受程度的判斷是感知全身熱感覺和部位間熱感覺之差的綜合結(jié)果.同樣，人體對冷輻射環(huán)境的熱可接受度也依賴于局部和全身的熱感覺.

由中性工況和稍涼工況中的熱感覺分析可知，在具有冷輻射的不均勻環(huán)境中，人體各部位間的熱感覺投票存在較大的差異［2］.張宇峰［12］提出采用部位間的熱感覺之差最大值來評價非均勻環(huán)境.丁千茹［13］采用部位間熱感覺之差的最大值對局部熱可接受度進(jìn)行回歸，得到了較好的相關(guān)性.

整體熱可接受度V與部位間熱感覺之差最大值x的關(guān)系如圖2所示.

圖2 整體熱可接受度與部位間熱感覺之差最大值的關(guān)系

通過線性回歸，得到采用部位間熱感覺之差最大值x來評價具有外墻、外窗冷輻射以及電加熱器采暖不均勻環(huán)境中整體熱可接受度的模型為

線性相關(guān)系數(shù)R2=0.628 2，說明部位間熱感覺之差的最大值與熱可接受度有良好的線性關(guān)系.隨著部位間熱感覺之差的最大值的增加，即各部位間的局部熱感覺的差異性增加，熱可接受度降低.當(dāng)x=0時，V=5.3，介于“中等可接受”和“完全可接受”之間.當(dāng)x＞1.3時，V＜4，即當(dāng)部位間熱感覺之差的最大值大于1.3標(biāo)度時，人體對熱環(huán)境“不可接受”.

4 評價模型分析

4.1熱感覺評價模型

Zhang Hui［8］、張宇峰［12］和丁千茹［13］的研究都是針對動態(tài)送風(fēng)引起的不均勻環(huán)境，通過對單一部位的冷刺激或熱刺激，得到全身熱感覺與局部熱感覺的關(guān)系.Zhang Hui［8］采用的影響權(quán)重定義為暴露部位的熱感覺每變化一個標(biāo)度單位，所引起的全身熱感覺改變的單位數(shù).指出頭部、臉部、背部、盆骨等部位的熱感覺不如全身熱感覺對環(huán)境變化敏感;胸部、手臂和腿部等部位與全身熱感覺對環(huán)境變化的敏感程度一樣.可見，Zhang Hui給出的是穩(wěn)態(tài)和動態(tài)環(huán)境中單一部位熱感覺變化時，局部熱感覺與全身熱感覺的關(guān)系，而非各部位同時變化時，局部熱感覺與全身熱感覺的關(guān)系式.

張宇峰［12］采用的影響因子與Zhang Hui的一致，得到臉部、胸部、背部和下半身對全身熱感覺的影響權(quán)重分別為0.21、0.24、0.25和0.30.但其局部刺激區(qū)域劃分較大，忽略了肢體末端(如手、手臂、小腿等)的熱反應(yīng)特性.

丁千茹［13］采用主成分回歸方法，將不同部位刺激下的影響權(quán)重進(jìn)行平均而得到各部位同時受刺激時的全身熱感覺評價模型.模型中頭部、背部和胸部的影響權(quán)重大于胳膊、手、腿、腳的權(quán)重.

李?。?4］采用多元線性回歸方法研究局部熱感覺與全身熱感覺的關(guān)系.認(rèn)為頭頸部對全身熱感覺的影響權(quán)重最大，上半身次之，下半身最小.

而本文的研究結(jié)果與文獻(xiàn)［13-14］不同，其原因是由于實(shí)驗(yàn)條件不同.文獻(xiàn)［13-14］中的非均勻環(huán)境是由于向人體上部吹冷風(fēng)所致，故而頭部、背部和胸部的影響權(quán)重大.而本實(shí)驗(yàn)環(huán)境的非均勻性是由于外窗、外墻冷輻射和電加熱器采暖導(dǎo)致的，室內(nèi)存在較大的溫度梯度［2］.人體腳踝處空氣溫度低，而頭部空氣溫度高.因此，腿部的影響權(quán)重大于頭部的權(quán)重.

在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，全身熱感覺與局部熱感覺之間的關(guān)系各有差異，難以得到統(tǒng)一的全身熱感覺評價模型.因此當(dāng)采用全身熱感覺評價室內(nèi)熱環(huán)境時，要注意模型的適用條件.Zhang Hui、張宇峰和丁千茹得到的評價模型適用于由吹風(fēng)引起的非均勻環(huán)境，而本文得到的基于各部位影響權(quán)重的人體熱感覺評價模型適用于評價具有外墻、外窗冷輻射以及電加熱器采暖的不均勻環(huán)境.

4.2 全身熱感覺與熱可接受度

在具有冷輻射的不均勻工況中，全身熱感覺與熱可接受度的關(guān)系如圖3所示.由于本實(shí)驗(yàn)工況的平均熱感覺為稍涼和中性，因此熱感覺投票的最大值為1.由圖3可知，當(dāng)熱感覺為-3時，對應(yīng)的熱可接受度為“完全不可接受”.當(dāng)熱感覺投票為中性時，熱可接受度從“中等不可接受”變化至“完全可接受”.當(dāng)熱感覺投票接近于稍暖時，熱可接受度的范圍為“有點(diǎn)可接受”至“完全可接受”，均在“可接受”的范圍內(nèi).圖中的回歸方程為

式中:V為整體熱可接受度，y為全身熱感覺投票.相關(guān)系數(shù)R2=0.413 9，說明整體熱可接受度與全身熱感覺沒有相關(guān)性，這與丁千茹的結(jié)論［13］一致.說明在具有冷輻射的非均勻環(huán)境中，整體熱可接受度是人們對全身熱感覺和局部熱感覺的綜合感知，不能僅用全身熱感覺來評價具有冷輻射的非均勻環(huán)境的熱可接受度.

圖3 整體熱可接受度與全身熱感覺的關(guān)系

4.3 全身熱舒適與熱可接受度

分析稍涼工況和中性工況的全身熱舒適投票和對應(yīng)的全身熱可接受度，得到可接受程度與全身熱舒適的關(guān)系，如圖4所示，其回歸方程為

式中:V為整體熱可接受度，z為全身熱舒適投票.線性相關(guān)系數(shù)R2=0.629 2，表示整體熱可接受度與全身熱舒適有良好的線性關(guān)系.這與張宇峰等的研究結(jié)果一致［15］.說明具有冷輻射的非均勻環(huán)境中，可采用全身熱舒適來評價整體熱可接受度.

圖4 整體熱可接受度與全身熱舒適的關(guān)系

令V=6，求得z=1.5;令V=4，求得z=0.07.即當(dāng)人體的全身處于“舒適”和“非常舒適”時，人體對熱環(huán)境“完全可接受”;當(dāng)全身處于“有點(diǎn)舒適”時，人體對熱環(huán)境“有點(diǎn)可接受”.

在具有冷輻射的不均勻熱環(huán)境中，全身熱舒適與全身熱可接受度具有很好的相關(guān)性.而全身熱感覺與熱可接受度出現(xiàn)分離.因?yàn)樵诶漭椛洳痪鶆驘岘h(huán)境下，即使全身熱感覺為中性，人體某些部位可能受來自外窗和外墻冷輻射的影響而感到不適，從而影響人體對熱環(huán)境的整體熱可接受度.

5 結(jié)論

1)建立了基于各部位影響權(quán)重的、適用于具有外窗和外墻冷輻射以及電加熱器采暖的不均勻熱環(huán)境的人體熱感覺評價模型.

2)部位間熱感覺之差的最大值與熱可接受度有良好的線性關(guān)系，可采用部位間的熱感覺之差最大值來評價冷輻射非均勻熱環(huán)境中熱可接受度.

3)整體熱可接受度與全身熱感覺不具有很好的相關(guān)性，不能僅采用全身熱感覺來評價冷輻射非均勻熱環(huán)境的熱可接受度.

4)整體熱可接受度與全身熱舒適有良好的線性關(guān)系，冷輻射非均勻熱環(huán)境中可采用全身熱舒適來評價整體熱可接受度.

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