冬季室內熱環(huán)境與被褥微氣候的匹配

王興衛(wèi) 劉艷峰 宋聰 李凈

摘要：冬季睡眠狀態(tài)下，室內熱環(huán)境與被褥微氣候分別對人體頭部和被覆軀體的熱感覺造成直接影響。為了分析兩個熱環(huán)境的匹配關系以滿足睡眠人體的熱舒適水平，實驗在不同的室內溫度下，調節(jié)被褥微氣候溫度，測試了受試者的皮膚溫度，并記錄了熱感覺和熱可接受水平。研究結果表明：睡眠狀態(tài)下，相比于室內熱環(huán)境，人體熱感覺對被褥微氣候更敏感；此外，通過分析室內熱環(huán)境和被褥微氣候分別與整體熱感覺和整體不滿意率的關系，得到了睡眠熱環(huán)境舒適區(qū)間。

關鍵詞：熱環(huán)境； 微氣候；熱舒適； 匹配

中圖分類號：TU241.4

文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2016）02-0091-06

Abstract：The indoor thermal environment and bed climate directly affect the sleeping thermal comfort of human head and the covered body， respectively. In order to analyze the matching relationship between the two thermal environment so as to meet the bodys sleep thermal comfort level， the skin temperature of the subjects and the thermal sensation and thermal acceptability level of the subjects were recorded with various temperatures of bed climate and indoor temperatures. The results show that the thermal sensation is more sensitive to bed climate than to the indoor thermal environment during sleep. In addition， the comfortable range of thermal sleep environment is obtained through analyzing the relationship between the sleeping thermal environment and the subjective evaluations for partial and overall human body.

Keywords： thermal environment； bed climate； thermal comfort； matching

睡眠是人類生活中不可或缺的一部分，良好的睡眠熱環(huán)境與人體健康息息相關[1-2]。在睡眠熱環(huán)境研究領域，大多數(shù)學者采用實驗等方法研究特定床褥系統(tǒng)熱阻下室內熱環(huán)境對于睡眠熱舒適及睡眠質量的影響[3-7]，然而，當床褥系統(tǒng)熱阻變化時是否適用未作說明；常方圓[8]通過分析睡眠環(huán)境人體熱舒適方程，得出了室內溫度、床褥系統(tǒng)總熱阻、人體熱舒適度三者之間的定量關系，但是該研究并未對人體生理參數(shù)進行測量；文獻[9-10]采用客觀生理參數(shù)測量結合主觀問卷調查的方法對睡眠熱環(huán)境進行了研究，指出冬季睡眠時舒適的室內溫度為23 ℃，并且指出對受試者采用主觀調查的方式比熱感覺預測模型得到的結果更具有實際價值，但上述研究均未涉及被褥微氣候對人體睡眠熱舒適的影響。當人體覆蓋被褥時，被褥將室內熱環(huán)境與被褥微氣候隔絕開來，使被褥微氣候溫度高于室內熱環(huán)境溫度，睡眠熱舒適首先受到被褥微氣候的影響，其次是室內熱環(huán)境 [11-14]。基于人體局部熱需求差異對室內熱環(huán)境與被褥微氣候進行匹配研究，不僅可以更精確地評價睡眠熱環(huán)境，同時也為夜間采暖室內設計溫度的確定提供了理論依據(jù)。

筆者通過實驗研究的方法，在不同工況下測試受試者皮膚溫度，同時，以問卷的形式調查受試者對熱環(huán)境的主觀評價，針對頭部和被覆軀體對睡眠熱環(huán)境的不同需求，研究室內熱環(huán)境和被褥微氣候的匹配關系。

1 實驗設計

1.1 實驗室布置

實驗在一套西安地區(qū)非供暖民居中進行，該場地為實驗提供了典型且真實的冬季住宅室內熱環(huán)境工況。其中主臥室平面尺寸為4.3 m×2.8 m；客廳平面尺寸為5.6 m×3.0 m，如圖1所示。

1.2 受試者

受試者為12名健康男性，均為在校學生（年齡24.5±0.6歲，身高171.4±2.5 cm，體重63.9±2.8 kg），睡眠習慣良好，飲食和作息時間較為規(guī)律；此外，實驗開始前，對受試者進行了相關培訓：實驗前無刺激性飲食和劇烈運動等可能引起代謝發(fā)生劇烈變化的活動。正式實驗前，讓受試者熟悉實驗流程、調查問卷內容、實驗注意事項等。

1.3 床褥系統(tǒng)及實驗儀器

實驗選用木板床與棉墊組合及居民冬季常用的被褥系統(tǒng)，熱阻約為3.73 clo[15]；電熱毯為可調溫電熱毯。睡眠期間受試者著同一服裝，熱阻為0.61 clo。實驗采用TR-72ui自計式溫度塊測得室內、外空氣溫度和相對濕度，溫度測量精度為±0.3 ℃、量程為0～50 ℃，濕度測量精度為±5%，量程為10%～95%；Pt1000熱電偶測試建筑圍護結構內壁面溫度，精度為±0.1 ℃，量程為-100.00～+100.00 ℃；ZRQF-F30風速儀測得室內風速，精度為±0.03 m/s，量程為0～+20 m/s；ibutton（型號DS1922L）測量人體皮膚溫度，ibutton（型號DS1923）測量被褥微氣候溫度，精度均為±0.5 ℃，量程均為-40～85 ℃；除風速采用不定時測量外，其余參數(shù)記錄時間間隔均為5 min，且所有儀器使用前均進行了精確度校準。

1.4 皮膚溫度及被褥微氣候溫度的測量方法

采用10點法測定人體皮膚溫度，各個部位的權重系數(shù)為其表面積占全身表面積的百分比[16]?；谏鲜銎つw溫度測點及權重系數(shù)確定方法，分別討論被覆軀體和頭部皮膚溫度測定。在測量被覆軀體皮膚溫度時，將每個部位表面積占被覆軀體總面積的百分比作為各自的權重系數(shù)，被覆軀體測點為：左胸、左背、腹部、右上臂、左前臂、右手手背、右大腿上、右小腿上、右腳腳面，各部分對應權重系數(shù)分別為：0.128、0.128、0.128、0.085、0.064、0.053、0202、0.138、0.074。頭部皮膚溫度以臉頰部皮膚溫度表示。

人體與被褥之間的微氣候物理模型作如下簡化：被褥將人體包裹，所形成的被褥微氣候視為人體等比例放大的空氣夾層。由于該空氣夾層厚度較小，其空氣溫度視為與被褥內表面溫度相等。因此，被褥微氣候溫度的計算可類比于人體平均皮膚溫度，在被覆軀體皮膚溫度各測點對應的被褥內表面位置布置相應測點，采用面積加權平均的計算方法。

被褥微氣候溫度的具體測試方法如下：在胸上側、背下側、腹上側、肩側、腹側、大腿側、大腿上側、小腿上側、腳側對應的被褥內表面布置測點。基于以上分析，被褥微氣候溫度的加權系數(shù)與被覆軀體皮膚溫度計算加權相同，各部分對應權重系數(shù)分別為：0.128、0.128、0.128、0.085、0.064、0.053、0202、0.138、0.074。

1.5 調查問卷設計

調查問卷主要內容是受試者對熱環(huán)境的評價，采用ASHRAE[17] 7級熱感覺投票進行評價，熱可接受度采用斷裂標尺法[18]，分4個等級（+1明顯可接受、+0.01剛好可接受、-0.01剛好不可接受、-1明顯不可接受）進行評價。

1.6 實驗流程

實驗要求受試者22：00到達實驗室，安靜休息30 min，適應實驗場地熱環(huán)境；22：30將ibutton（型號DS1922L）粘貼于人體皮膚表面相應部位，室內空氣溫濕度及被褥微氣候溫度等測試儀器按時開啟；23：00受試者處于平躺狀態(tài)，開始進入睡眠狀態(tài)；次日早晨7：00受試者被實驗組織者叫醒，在其起床前，實驗組織者記錄其對熱環(huán)境的主觀評價。之后兩晚，保持室內空氣溫度不變，在實驗開始前用電熱毯對被褥微氣候進行低檔和偏高檔加熱，其余步驟不變。

2 實驗結果及分析

對不同工況下受試者熱環(huán)境評價值采用均值與標準偏差進行分析，受試者整晚的皮膚溫度和被褥微氣候溫度取平均值[19]；對實驗數(shù)據(jù)進行t檢驗，數(shù)據(jù)分析的檢驗水準為0.05；局部熱感覺對整體熱感覺的影響權重根據(jù)影響因子法[20]進行推導。

2.1 實驗環(huán)境工況

實驗設定室內空氣溫度為3、6、9、12、15、18 ℃，實際工況下室內操作溫度分別為3.6、5.8、9.2、115、15.0、19.7 ℃，相對濕度的變化范圍為30%～60%，風速在0.15 m/s以下。其中在9.2、11.5、15.0 ℃工況下，被褥微氣候溫度均有3個調節(jié)水平。

2.2 局部熱感覺與局部皮膚溫度

人體皮膚溫度是反應人體熱舒適的重要生理指標之一。局部皮膚溫度也有一定的限值，低于或者高于該值，人體會感到極大的不舒適，因此，有必要找出局部熱感覺與局部皮膚溫度的關系，頭部和被覆軀體與各自皮膚溫度的關系如圖2所示。

由圖2可知，局部熱感覺與局部皮膚溫度呈現(xiàn)較好的線性關系，局部皮膚溫度可以較好地表示局部熱感覺；此外，對比兩個局部熱感覺與各自皮膚溫度關系曲線的斜率可知，當熱感覺均變化一個單位時，頭部皮膚溫度變化2.9 ℃，被覆軀體皮膚溫度僅變化0.7 ℃。表明睡眠狀態(tài)下，相比于頭部熱感覺隨其皮膚溫度的變化，被覆軀體熱感覺隨其皮膚溫度變化更敏感。

將整體熱可接受度投票小于0視為不滿意，當不滿意百分比PPD≤26%時，熱環(huán)境認為是可接受的。實驗結果表明，局部環(huán)境溫度ta、tb分別與PPD呈現(xiàn)二次多項式函數(shù)關系，且均存在不同溫度值對應相同不滿意百分比的現(xiàn)象；因此，將ta與tb分別作為橫、縱坐標時，采用橢圓拋物面函數(shù)對ta、tb與PPD三者關系進行擬合。此外，橢圓拋物面函數(shù)可以更加直觀地表現(xiàn)出ta與tb的匹配關系；橢圓拋物面函數(shù)長、短軸數(shù)值之差可體現(xiàn)人體對ta與tb的敏感度差異。綜合考慮TSVW與PPD可得睡眠熱環(huán)境舒適區(qū)域如圖5所示，其中斜線代表TSVW，橢圓曲線代表PPD。

由圖5可知，當TSVW一定時，室內操作溫度與被褥微氣候溫度成反比；PPD從內到外呈現(xiàn)遞增趨勢。TSVW在-1到1之間并非都能滿足熱舒適，比如：室內操作溫度為0 ℃時，雖然TSVW可能滿足要求，但是超出了PPD的可接受范圍。在睡眠熱環(huán)境舒適區(qū)域中，TSVW和PPD不是同步的，同一TSVW對應著不同的PPD，反之，同一PPD也對應著不同的TSVW，比如：當TSVW為1時，PPD可能為25%、15%或者10%。在該舒適區(qū)域中，室內操作溫度最低約為6.0 ℃，低于室內舒適溫度區(qū)間下限約1.0 ℃，此時，被褥微氣候溫度約為30.0 ℃；被褥微氣候溫度最低及最高分別約為25.5 ℃和33.0 ℃，超出其舒適溫度區(qū)間上下各約1.0 ℃，對應的室內操作溫度分別為28.5 ℃和11.0 ℃，但是此時人體依舊是可接受的；由此可知，即使局部熱感覺偏離熱中性較大，整體也可保持一個舒適狀態(tài)。

當室內操作溫度取本次實驗最高溫度20.0 ℃時，被褥微氣候溫度不低于26.0 ℃，不高于32.0 ℃。綜上可知，整體熱舒適必須同時滿足PPD與TSVW的要求。

3 結 論

1）睡眠狀態(tài)下，相比于頭部熱感覺隨其皮膚溫度的變化，被覆軀體熱感覺隨其皮膚溫度變化更為敏感。

2）在睡眠狀態(tài)下，室內熱中性溫度約為14.0 ℃，舒適的室內操作溫度區(qū)間約為7.0～21.0 ℃；被褥微氣候熱中性溫度約為30.0 ℃，舒適的被褥微氣候溫度區(qū)間約為27.0～32.0 ℃；此外，相比于頭部熱感覺隨室內操作溫度的變化，被覆軀體熱感覺隨被褥微氣候溫度的變化更為敏感。

3）得到了基于人體局部熱需求差異的睡眠熱環(huán)境舒適區(qū)間。該舒適區(qū)間綜合考慮了室內熱環(huán)境與被褥微氣候的熱環(huán)境參數(shù)，當TSVW一定時，室內操作溫度與被褥微氣候溫度成反比關系；TSVW在-1到1之間并非都能滿足熱舒適。

4）對于冬季睡眠熱舒適而言，室內操作溫度最低約為6.0 ℃，此時被褥微氣候溫度約為30.0 ℃；當室內操作溫度取實驗最高溫度20.0 ℃時，被褥微氣候溫度不低于26.0 ℃且不高于32.0 ℃。

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（編輯 胡英奎）