冬季室內(nèi)熱環(huán)境與被褥微氣候的匹配

王興衛(wèi)，劉艷峰，宋聰，李凈

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安 710055)

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冬季室內(nèi)熱環(huán)境與被褥微氣候的匹配

王興衛(wèi)，劉艷峰，宋聰，李凈

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安 710055)

摘要：冬季睡眠狀態(tài)下，室內(nèi)熱環(huán)境與被褥微氣候分別對(duì)人體頭部和被覆軀體的熱感覺(jué)造成直接影響。為了分析兩個(gè)熱環(huán)境的匹配關(guān)系以滿足睡眠人體的熱舒適水平，實(shí)驗(yàn)在不同的室內(nèi)溫度下，調(diào)節(jié)被褥微氣候溫度，測(cè)試了受試者的皮膚溫度，并記錄了熱感覺(jué)和熱可接受水平。研究結(jié)果表明：睡眠狀態(tài)下，相比于室內(nèi)熱環(huán)境，人體熱感覺(jué)對(duì)被褥微氣候更敏感；此外，通過(guò)分析室內(nèi)熱環(huán)境和被褥微氣候分別與整體熱感覺(jué)和整體不滿意率的關(guān)系，得到了睡眠熱環(huán)境舒適區(qū)間。

關(guān)鍵詞：熱環(huán)境； 微氣候；熱舒適； 匹配

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(guān)[1-2]。在睡眠熱環(huán)境研究領(lǐng)域，大多數(shù)學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)等方法研究特定床褥系統(tǒng)熱阻下室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)于睡眠熱舒適及睡眠質(zhì)量的影響[3-7]，然而,當(dāng)床褥系統(tǒng)熱阻變化時(shí)是否適用未作說(shuō)明；常方圓[8]通過(guò)分析睡眠環(huán)境人體熱舒適方程，得出了室內(nèi)溫度、床褥系統(tǒng)總熱阻、人體熱舒適度三者之間的定量關(guān)系，但是該研究并未對(duì)人體生理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；文獻(xiàn)[9-10]采用客觀生理參數(shù)測(cè)量結(jié)合主觀問(wèn)卷調(diào)查的方法對(duì)睡眠熱環(huán)境進(jìn)行了研究，指出冬季睡眠時(shí)舒適的室內(nèi)溫度為23 ℃，并且指出對(duì)受試者采用主觀調(diào)查的方式比熱感覺(jué)預(yù)測(cè)模型得到的結(jié)果更具有實(shí)際價(jià)值，但上述研究均未涉及被褥微氣候?qū)θ梭w睡眠熱舒適的影響。當(dāng)人體覆蓋被褥時(shí)，被褥將室內(nèi)熱環(huán)境與被褥微氣候隔絕開(kāi)來(lái)，使被褥微氣候溫度高于室內(nèi)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(nèi)熱環(huán)境[11-14]。基于人體局部熱需求差異對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境與被褥微氣候進(jìn)行匹配研究，不僅可以更精確地評(píng)價(jià)睡眠熱環(huán)境，同時(shí)也為夜間采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的確定提供了理論依據(jù)。

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方法，在不同工況下測(cè)試受試者皮膚溫度，同時(shí)，以問(wèn)卷的形式調(diào)查受試者對(duì)熱環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)，針對(duì)頭部和被覆軀體對(duì)睡眠熱環(huán)境的不同需求，研究室內(nèi)熱環(huán)境和被褥微氣候的匹配關(guān)系。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)室布置

實(shí)驗(yàn)在一套西安地區(qū)非供暖民居中進(jìn)行，該場(chǎng)地為實(shí)驗(yàn)提供了典型且真實(shí)的冬季住宅室內(nèi)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。

圖1　實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地平面圖Fig.1　 Laboratory

1.2受試者

受試者為12名健康男性，均為在校學(xué)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(xí)慣良好，飲食和作息時(shí)間較為規(guī)律；此外，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)受試者進(jìn)行了相關(guān)培訓(xùn)：實(shí)驗(yàn)前無(wú)刺激性飲食和劇烈運(yùn)動(dòng)等可能引起代謝發(fā)生劇烈變化的活動(dòng)。正式實(shí)驗(yàn)前，讓受試者熟悉實(shí)驗(yàn)流程、調(diào)查問(wèn)卷內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等。

1.3床褥系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)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(diào)溫電熱毯。睡眠期間受試者著同一服裝，熱阻為0.61 clo。實(shí)驗(yàn)采用TR-72ui自計(jì)式溫度塊測(cè)得室內(nèi)、外空氣溫度和相對(duì)濕度，溫度測(cè)量精度為±0.3 ℃、量程為0～50 ℃，濕度測(cè)量精度為±5%，量程為10%～95%；Pt1000熱電偶測(cè)試建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度，精度為±0.1 ℃，量程為-100.00～+100.00 ℃；ZRQF-F30風(fēng)速儀測(cè)得室內(nèi)風(fēng)速，精度為±0.03 m/s，量程為0～+20 m/s；ibutton(型號(hào)DS1922L)測(cè)量人體皮膚溫度，ibutton(型號(hào)DS1923)測(cè)量被褥微氣候溫度，精度均為±0.5 ℃，量程均為-40～85 ℃；除風(fēng)速采用不定時(shí)測(cè)量外，其余參數(shù)記錄時(shí)間間隔均為5 min，且所有儀器使用前均進(jìn)行了精確度校準(zhǔn)。

1.4皮膚溫度及被褥微氣候溫度的測(cè)量方法

采用10點(diǎn)法測(cè)定人體皮膚溫度，各個(gè)部位的權(quán)重系數(shù)為其表面積占全身表面積的百分比[16]。基于上述皮膚溫度測(cè)點(diǎn)及權(quán)重系數(shù)確定方法，分別討論被覆軀體和頭部皮膚溫度測(cè)定。在測(cè)量被覆軀體皮膚溫度時(shí)，將每個(gè)部位表面積占被覆軀體總面積的百分比作為各自的權(quán)重系數(shù)，被覆軀體測(cè)點(diǎn)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(duì)應(yīng)權(quán)重系數(shù)分別為：0.128、0.128、0.128、0.085、0.064、0.053、0.202、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(jiǎn)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(nèi)表面溫度相等。因此，被褥微氣候溫度的計(jì)算可類比于人體平均皮膚溫度，在被覆軀體皮膚溫度各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的被褥內(nèi)表面位置布置相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，采用面積加權(quán)平均的計(jì)算方法。

被褥微氣候溫度的具體測(cè)試方法如下：在胸上側(cè)、背下側(cè)、腹上側(cè)、肩側(cè)、腹側(cè)、大腿側(cè)、大腿上側(cè)、小腿上側(cè)、腳側(cè)對(duì)應(yīng)的被褥內(nèi)表面布置測(cè)點(diǎn)?；谝陨戏治?，被褥微氣候溫度的加權(quán)系數(shù)與被覆軀體皮膚溫度計(jì)算加權(quán)相同，各部分對(duì)應(yīng)權(quán)重系數(shù)分別為：0.128、0.128、0.128、0.085、0.064、0.053、0.202、0.138、0.074。

1.5調(diào)查問(wèn)卷設(shè)計(jì)

調(diào)查問(wèn)卷主要內(nèi)容是受試者對(duì)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)，采用ASHRAE[17]7級(jí)熱感覺(jué)投票進(jìn)行評(píng)價(jià)，熱可接受度采用斷裂標(biāo)尺法[18]，分4個(gè)等級(jí)(+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(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.6實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)要求受試者22:00到達(dá)實(shí)驗(yàn)室，安靜休息30 min，適應(yīng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地?zé)岘h(huán)境；22:30將ibutton(型號(hào)DS1922L)粘貼于人體皮膚表面相應(yīng)部位，室內(nèi)空氣溫濕度及被褥微氣候溫度等測(cè)試儀器按時(shí)開(kāi)啟；23:00受試者處于平躺狀態(tài)，開(kāi)始進(jìn)入睡眠狀態(tài)；次日早晨7:00受試者被實(shí)驗(yàn)組織者叫醒，在其起床前，實(shí)驗(yàn)組織者記錄其對(duì)熱環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)。之后兩晚，保持室內(nèi)空氣溫度不變，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前用電熱毯對(duì)被褥微氣候進(jìn)行低檔和偏高檔加熱，其余步驟不變。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)不同工況下受試者熱環(huán)境評(píng)價(jià)值采用均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析的檢驗(yàn)水準(zhǔn)為0.05；局部熱感覺(jué)對(duì)整體熱感覺(jué)的影響權(quán)重根據(jù)影響因子法[20]進(jìn)行推導(dǎo)。

2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境工況

實(shí)驗(yàn)設(shè)定室內(nèi)空氣溫度為3、6、9、12、15、18 ℃，實(shí)際工況下室內(nèi)操作溫度分別為3.6、5.8、9.2、11.5、15.0、19.7 ℃，相對(duì)濕度的變化范圍為30%～60%，風(fēng)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(gè)調(diào)節(jié)水平。

2.2局部熱感覺(jué)與局部皮膚溫度

人體皮膚溫度是反應(yīng)人體熱舒適的重要生理指標(biāo)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(huì)感到極大的不舒適，因此，有必要找出局部熱感覺(jué)與局部皮膚溫度的關(guān)系，頭部和被覆軀體與各自皮膚溫度的關(guān)系如圖2所示。

圖2　局部熱感覺(jué)與局部皮膚溫度的關(guān)系Fig.2　The relationship between local thermal sensation and local skin

由圖2可知，局部熱感覺(jué)與局部皮膚溫度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，局部皮膚溫度可以較好地表示局部熱感覺(jué)；此外，對(duì)比兩個(gè)局部熱感覺(jué)與各自皮膚溫度關(guān)系曲線的斜率可知，當(dāng)熱感覺(jué)均變化一個(gè)單位時(shí)，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(jué)隨其皮膚溫度的變化，被覆軀體熱感覺(jué)隨其皮膚溫度變化更敏感。

2.3被覆軀體熱感覺(jué)對(duì)整體熱感覺(jué)及頭部熱感覺(jué)的影響

采用9.2、11.5、15.0 ℃ 3組工況所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行影響因子及權(quán)重的確定。

(1)

(2)

由式(1)、式(2)得

(3)

根據(jù)影響因子的定義

(4)

(5)

故有

(6)

式(1)～(6)各變量的下標(biāo)中：H表示頭部；B表示被覆軀體；W表示全身；WS表示被褥未加熱時(shí)全身狀態(tài)；HS表示被褥未加熱時(shí)頭部狀態(tài)；BS表示被褥未加熱時(shí)被覆軀體狀態(tài)；WE表示被褥加熱后全身狀態(tài)；HE表示被褥加熱后頭部狀態(tài)；BE表示被褥加熱后被覆軀體狀態(tài)。ωH為頭部熱感覺(jué)占整體熱感覺(jué)權(quán)重；ωB為被覆軀體熱感覺(jué)占整體熱感覺(jué)權(quán)重；fB-H為被覆軀體對(duì)頭部熱感覺(jué)的影響因子；fB-W為被覆軀體對(duì)全身熱感覺(jué)的影響因子。根據(jù)影響因子的定義，被覆軀體熱感覺(jué)變化值與全身熱感覺(jué)變化值關(guān)系如圖3所示。

圖3　被覆軀體熱感覺(jué)對(duì)全身熱感覺(jué)的影響因子Fig.3　The impact factor of thermal sensation of covered body on the whole

由圖3可知，被覆軀體熱感覺(jué)變化值與全身熱感覺(jué)變化值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系；fB-W約為0.92，同理得fB-H約為0.54，又局部熱感覺(jué)對(duì)整體熱感覺(jué)影響權(quán)重之和為1，代入計(jì)算可得ωB=0.82，ωH=0.18。

2.4睡眠熱環(huán)境舒適溫度

考慮到局部熱感覺(jué)之間的相互影響，筆者研究局部熱感覺(jué)與局部環(huán)境溫度關(guān)系時(shí)，保證其余部位處于舒適狀態(tài)。將局部熱感覺(jué)投票在-1到1之間視為舒適，則局部熱感覺(jué)與局部環(huán)境溫度的關(guān)系如圖4所示。

圖4　局部熱感覺(jué)與局部環(huán)境溫度的關(guān)系Fig.4　The relationship between local thermal sensation and local ambient

由圖4可知，保持其他部位處于舒適狀態(tài)時(shí)，局部熱感覺(jué)和局部環(huán)境溫度存在較好的線性關(guān)系，可以根據(jù)局部環(huán)境溫度很好地預(yù)測(cè)局部熱感覺(jué)；此外，對(duì)比兩個(gè)局部熱感覺(jué)與各自環(huán)境溫度關(guān)系曲線的斜率可知，當(dāng)熱感覺(jué)均變化一個(gè)單位時(shí)，室內(nèi)操作溫度需改變6.8 ℃，被褥微氣候溫度僅需改變2.4 ℃；表明睡眠狀態(tài)下，相比于頭部熱感覺(jué)隨室內(nèi)操作溫度的變化，被覆軀體熱感覺(jué)隨被褥微氣候溫度的變化更敏感。

2.5室內(nèi)操作溫度與被褥微氣候溫度的匹配

由2.3節(jié)和2.4節(jié)的分析可知全身熱感覺(jué)與ta及tb關(guān)系為

TSVW=-10.614 3+0.026 5 ta+0.345 9 tb

(7)

式中：TSVW為全身熱感覺(jué)。

將整體熱可接受度投票小于0視為不滿意，當(dāng)不滿意百分比PPD≤26%時(shí)，熱環(huán)境認(rèn)為是可接受的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，局部環(huán)境溫度ta、tb分別與PPD呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，且均存在不同溫度值對(duì)應(yīng)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(biāo)時(shí)，采用橢圓拋物面函數(shù)對(duì)ta、tb與PPD三者關(guān)系進(jìn)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(guān)系；橢圓拋物面函數(shù)長(zhǎng)、短軸數(shù)值之差可體現(xiàn)人體對(duì)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。

圖5　睡眠熱環(huán)境舒適區(qū)間Fig.5　The comfortable zone of the sleeping thermal

由圖5可知，當(dāng)TSVW一定時(shí)，室內(nèi)操作溫度與被褥微氣候溫度成反比；PPD從內(nèi)到外呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。TSVW在-1到1之間并非都能滿足熱舒適，比如：室內(nèi)操作溫度為0 ℃時(shí)，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(duì)應(yīng)著不同的PPD，反之，同一PPD也對(duì)應(yīng)著不同的TSVW，比如：當(dāng)TSVW為1時(shí)，PPD可能為25%、15%或者10%。在該舒適區(qū)域中，室內(nèi)操作溫度最低約為6.0 ℃，低于室內(nèi)舒適溫度區(qū)間下限約1.0 ℃，此時(shí)，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(duì)應(yīng)的室內(nèi)操作溫度分別為28.5 ℃和11.0 ℃，但是此時(shí)人體依舊是可接受的；由此可知，即使局部熱感覺(jué)偏離熱中性較大，整體也可保持一個(gè)舒適狀態(tài)。

當(dāng)室內(nèi)操作溫度取本次實(shí)驗(yàn)最高溫度20.0 ℃時(shí)，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(shí)滿足PPD與TSVW的要求。

3結(jié)論

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

2)在睡眠狀態(tài)下，室內(nèi)熱中性溫度約為14.0 ℃，舒適的室內(nèi)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(jué)隨室內(nèi)操作溫度的變化，被覆軀體熱感覺(jué)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(nèi)熱環(huán)境與被褥微氣候的熱環(huán)境參數(shù)，當(dāng)TSVW一定時(shí)，室內(nèi)操作溫度與被褥微氣候溫度成反比關(guān)系；TSVW在-1到1之間并非都能滿足熱舒適。

4)對(duì)于冬季睡眠熱舒適而言，室內(nèi)操作溫度最低約為6.0 ℃，此時(shí)被褥微氣候溫度約為30.0 ℃；當(dāng)室內(nèi)操作溫度取實(shí)驗(yàn)最高溫度20.0 ℃時(shí)，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)

Matching of indoor thermal environment and bed climate in Winter

Wang Xingwei, Liu Yanfeng, Song Cong, Li Jing

(Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055)

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 body’s 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

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.02.012

收稿日期：2015-08-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51378411)；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2014KCT-01)

作者簡(jiǎn)介：王興衛(wèi)(1989-)，男，主要從事建筑熱環(huán)境調(diào)節(jié)與節(jié)能研究，(E-mail)547989250@qq.com。

中圖分類號(hào)：TU241.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764(2016)02-0091-06

劉艷峰(通信作者)，男，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)liuyanfeng@xauat.edu.cn。

Received:2015-08-01

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 51378411);The Key Scientific and Technological Innovation Team Project of Shaanxi Province(No. 2014KCT-01)

Author brief：Wang Xingwei (1989- ), main research interest:building thermal environment and energy saving,(E-mail) 547989250@qq.com.

Liu Yanfeng (corresponding author), professor, doctor supervisor, (E-mail) liuyanfeng@xauat.edu.cn.