農(nóng)村地區(qū)座椅輔助供暖方式下人體熱反應(yīng)的變化規(guī)律

田健， 王美萍， 田琦， 張玲

( 太原理工大學 土木工程學院， 山西 太原 030024 )

近年來，在國家各項鼓勵政策的保障下，“煤改電”項目取得了顯著進展，其中低溫空氣源熱泵采暖技術(shù)[1]更以其高效和環(huán)保節(jié)能得到推廣使用.然而，對于經(jīng)濟條件較弱的農(nóng)村地區(qū)的大部分家庭而言，每年的取暖費仍舊較高，只能通過降低室內(nèi)溫度來減少該項費用.因此，輔助供暖成為農(nóng)居環(huán)境中一種有效的取暖手段.與傳統(tǒng)供暖方式需要對整個室內(nèi)空間加熱來滿足人體熱舒適相比，個性化供暖系統(tǒng)[2-3]通過少量的能量直接加熱人體周圍的局部環(huán)境，在提高熱舒適的同時，有效降低了供暖能耗，環(huán)保節(jié)能性顯著.

Brooks等[4]發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度低至5 ℃時，加熱座椅仍能使人體軀干和大腿保持較高溫度，全身熱感覺保持在微涼之上，全身熱舒適也要高于稍有不適.這說明使用座椅供暖可以提高人體對冷環(huán)境的適應(yīng)能力.宋磊等[5]對受試者在不同背景溫度下的整體熱感覺、整體熱舒適和整體熱可接受度的投票數(shù)據(jù)進行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)使用加熱座墊能在保證環(huán)境溫度偏離熱中性的一定前提下，較大程度地提升受試者的熱舒適和對背景環(huán)境的整體滿意率.此外，一些學者們開發(fā)研究了新型的座椅供暖系統(tǒng)，如Pasut等[6-7]研究使用了一種室內(nèi)通風加熱座椅，對受試者在16～29 ℃環(huán)境下的熱感覺和熱舒適投票進行分析，發(fā)現(xiàn)該座椅顯著地提升了受試者的熱感覺和熱舒適，同時還可以有效改善對室內(nèi)空氣質(zhì)量的接受程度；張宇峰等[8-9]開發(fā)了一種可變溫座椅系統(tǒng)，研究表明使用該可變溫座椅能夠提高人體對熱環(huán)境的可接受程度，受試者90%可接受溫度范圍為16.0～28.9 ℃，對比均勻熱環(huán)境可接受溫度范圍21.5～26.6 ℃，下限擴展5.5 ℃，上限擴展2.3 ℃.

目前，關(guān)于座椅供暖的熱舒適研究大多側(cè)重于對人體熱感覺、熱舒適，以及熱可接受度等3個熱反應(yīng)指標的獨立分析研究，對相互之間的影響和聯(lián)系研究相對較少；同時，熱舒適分析大多圍繞主觀熱反應(yīng)展開，缺少客觀指標來做進一步的分析和完善.本文提出一種低功率座椅輔助供暖的方式，通過主觀實驗的方式，分析加熱前后熱反應(yīng)的變化趨勢，并運用統(tǒng)計學理論分析熱感覺、熱舒適和熱可接受度三個熱反應(yīng)指標之間的相互關(guān)系；同時，將平均皮膚溫度作為客觀評價指標，綜合主觀熱反應(yīng)和客觀指標，提出適用于座椅供暖非均勻穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的熱舒適預測評價模型.

圖1 座椅供暖示意圖(單位：mm)Fig.1 Seat heating diagram (unit: mm)

1 實驗介紹

1.1 實驗裝置

靠背和坐墊區(qū)域以通電導熱的方式加熱，各區(qū)域內(nèi)溫控加熱墊尺寸為450 mm×450 mm，可通過變檔進行無級調(diào)溫.圖1為座椅供暖示意圖.實驗過程中，受試者可根據(jù)自身需要進行多檔位自由調(diào)節(jié).各檔位對應(yīng)的加熱功率，如表1所示.表1中：P為加熱功率.

1.2 實驗環(huán)境

實驗房間尺寸(長×寬×高)為8.6 m×4.0 m×3.4 m，如圖2所示.空調(diào)機組用來控制室內(nèi)溫度到所需水平. 為避免空調(diào)機組對人體造成的吹風感影響實驗結(jié)果的準確性，機組的條形送風口朝上設(shè)置，以使送風氣流貼于天花板，避免直接吹向人體，并在實驗過程中用帆布在靠近機組的受試者一側(cè)進行遮擋.實驗區(qū)域為兩個裝有加熱座墊的實驗工位和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測量點.實驗使用的測量儀器有：FLUKE 971型溫濕度檢測儀，量程為-20～60 ℃，精度為±0.5 ℃；QN02-BD-Ⅱ-604型數(shù)字皮溫計，測量范圍為-50～199.9 ℃，測量誤差為(1±0.002) ℃；ST400型紅外測溫儀，量程為-32～390 ℃，精度為±1.5 ℃；QDF-6型數(shù)字風速儀，量程為0～30 m·s-1，精度≤3%.

表1 各檔位加熱功率表Tab.1 Each heating power

圖2 實驗房間布置圖(單位：mm)Fig.2 Experimental room layout (unit: mm)

1.3 受試者

1.4 實驗工況及方法

實驗設(shè)有3個工況，室內(nèi)環(huán)境溫度分別為14，16，18 ℃.環(huán)境溫度控制主要為自然室溫結(jié)合空調(diào)微調(diào).每次實驗提前打開空調(diào)系統(tǒng)對房間環(huán)境進行預處理，將室內(nèi)溫度控制到所需水平，并在實驗過程中保持室溫相對穩(wěn)定；然后，對室內(nèi)環(huán)境工況實時記錄.

采用問卷調(diào)查獲取受試者整體熱感覺、整體熱舒適和整體熱可接受度的熱投票值.熱感覺投票采用ASHRAE 7級標尺，熱舒適投票采用He等[10]提出的等級劃分方法，熱可接受度投票采用最初用于室內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)查的可視化模擬標尺[11]，如表2所示.

表2 熱反應(yīng)投票標尺Tab.2 Thermal reaction voting scale

平均皮膚溫度[12]可以真實表達整體皮膚溫度的變化趨勢，也可以直觀有效地反映人體在不同熱環(huán)境下熱感覺的變化情況.目前，適用于偏冷環(huán)境中平均皮膚溫度的計算方法有8點法、10點法和12點法，其中Hardy-Dubois 8點法[13]由于設(shè)計有據(jù)，實驗方便和計算簡便，為人們廣泛使用.相應(yīng)計算式為

文中依據(jù)該方法將人體劃分為背部、大腿、胸部、額頭、前臂、后臂、小腿和手背共8個區(qū)域，在實驗過程中利用熱電偶溫度傳感器，實時采集記錄各部位溫度變化情況.圖3為實驗現(xiàn)場情況圖.

圖3 實驗現(xiàn)場情況圖Fig.3 Experiment site

實驗中每種工況測試包括15 min的穩(wěn)定期、30 min的適應(yīng)期，以及30 min的暴露期.穩(wěn)定期是為了減少實驗前外界環(huán)境及代謝率對受試者的影響，要求受試者在實驗開始前在20 ℃的房間停留15 min，達到熱中性穩(wěn)定狀態(tài)；適應(yīng)期是為了受試者進入實驗房間于實驗工位就坐，不進行座椅供暖以適應(yīng)實驗室環(huán)境，并在3種環(huán)境溫度下開始熱反應(yīng)投票，對局部皮膚溫度實時記錄；暴露期是為了受試者使用加熱座椅進行局部供暖，期間可根據(jù)自身需要進行多檔位自由調(diào)節(jié)，同時進行熱反應(yīng)投票和局部皮膚溫度實時測量記錄.

在適應(yīng)期和暴露期內(nèi)，受試者均從第5分鐘開始填寫熱反應(yīng)問卷，同時對身體各部位進行皮膚溫度測量記錄；每隔5 min進行一次問卷填寫和溫度記錄，所有工況下每個人共有36份問卷.受試者在實驗期間保持靜坐，可以進行普通閱讀和交談，但不允許交流與實驗相關(guān)的內(nèi)容.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)環(huán)境

實驗區(qū)域不同工況室內(nèi)溫度實測值，如表3所示.受試者所處環(huán)境區(qū)域和壁面溫度分布均勻，風速保持在0.1 m·s-1內(nèi)，受試者無吹風感.

表3 不同實驗工況下室內(nèi)溫度實測值Tab.3 Indoor temperature measured values under different experimental conditions (℃)

利用SPSS 22.0分析受試者在3種工況下的整體熱感覺、整體熱舒適和整體熱可接受度投票結(jié)果，經(jīng)S-W檢驗驗證投票結(jié)果服從正態(tài)分布；同時，對各個時間段內(nèi)熱反應(yīng)投票值進行方差分析，確定受試者在適應(yīng)期和暴露期熱反應(yīng)均在30 min內(nèi)達到穩(wěn)態(tài).

2.2 整體熱反應(yīng)變化趨勢

根據(jù)受試者在適應(yīng)期和暴露期內(nèi)的熱反應(yīng)投票結(jié)果繪制箱線圖，對座椅加熱前后整體熱感覺、整體熱舒適和整體熱可接受度進行討論和分析.受試者從適應(yīng)期到暴露期內(nèi)的整體熱感覺投票(TSV)與整體熱舒適投票(TCV)的分布趨勢，如圖4，5所示.圖4，5中：ten為環(huán)境溫度.

各個工況下熱反應(yīng)投票的具體變化情況，如表4所示.表4中：ten為環(huán)境溫度.

表4 各工況下熱感覺與熱舒適變化Tab.4 Thermal sensation and thermal comfort variations under various working conditions

從表4可知：座椅供暖在提升熱感覺的同時也在改善受試者的熱舒適，并且環(huán)境溫度越低改善程度越好.在適應(yīng)期的熱投票值受背景工況影響較大，溫度越低熱投票值越低；而在暴露期內(nèi)的熱投票值比較接近，說明受試者在使用座椅供暖達到熱反應(yīng)穩(wěn)態(tài)后，受背景工況的影響較小.

為了更加直觀地分析受試者對熱環(huán)境接受程度的變化情況，使用熱環(huán)境不滿意率(PD)來表示，與熱可接受度投票(TAV)值之間的關(guān)系為

(2)

圖6 熱環(huán)境不滿意率Fig.6 Thermal environment dissatisfaction rate

各個工況下熱環(huán)境不滿意率(PD)的具體變化情況，如表5所示.熱環(huán)境不滿意率(PD)在座椅供暖前后的分布結(jié)果，如圖6所示.

表5 各工況下熱環(huán)境不滿意率變化情況Tab.5 Thermal environment dissatisfaction rate under various working conditions

從表5和圖6可知：座椅供暖可以顯著降低受試者對偏冷環(huán)境的不滿意率，提高對偏冷環(huán)境的可接受程度，同時環(huán)境溫度偏離舒適環(huán)境越多，改善程度越明顯.

2.3 整體熱反應(yīng)相互關(guān)系

(a) 整體熱感覺與整體熱舒適

(b) 整體熱感覺與整體熱可接受度 (c) 整體熱舒適與整體熱可接受度圖7 均勻熱環(huán)境下整體熱反應(yīng)相互關(guān)系Fig.7 Overall thermal reaction correlation under uniform thermal environment

2.3.1 均勻熱環(huán)境(適應(yīng)期) 在適應(yīng)期內(nèi)，受試者不進行座椅供暖，背景為均勻熱環(huán)境工況，討論整體熱感覺投票(TSV)、整體熱舒適投票(TCV)和整體熱可接受度投票(TAV)之間的相互關(guān)系，如圖7所示.圖7中每個點代表在所有工況下某一時刻受試者的熱反應(yīng)投票均值.從圖7可知：3種熱反應(yīng)指標之間呈現(xiàn)出較強的線性相關(guān)關(guān)系(R2>0.9).這表明在均勻熱環(huán)境中，整體熱感覺、整體熱舒適和整體熱可接受度密切相關(guān).因此，可以采用熱感覺作為指標來評價一個熱環(huán)境的可接受和舒適狀況，這也驗證了以往在均勻熱環(huán)境中的研究成果.

(a) 整體熱感覺與整體熱舒適

(b) 整體熱感覺與整體熱可接受度 (c) 整體熱舒適與整體熱可接受度圖8 非均勻熱環(huán)境下整體熱反應(yīng)相互關(guān)系Fig.8 Overall thermal reaction correlation under non-uniform thermal environment

2.3.2 非均勻熱環(huán)境(暴露期) 暴露期內(nèi)房間熱環(huán)境與適應(yīng)期相同，同時使用座椅進行局部加熱，由此形成了非均勻熱環(huán)境.在此工況下討論整體熱感覺投票(TSV)、整體熱舒適投票(TCV)和整體熱可接受度投票(TAV)之間的關(guān)系，如圖8所示.圖8(a)，(b)中直線代表圖7對應(yīng)均勻熱環(huán)境下3種熱反應(yīng)之間的相互關(guān)系.從圖8中可知：與均勻熱環(huán)境中3種熱反應(yīng)得到的線性關(guān)系相比，整體熱感覺與整體熱舒適、整體熱可接受度出現(xiàn)分離，其關(guān)系呈現(xiàn)離散狀態(tài)；而熱舒適與熱可接受度仍能呈現(xiàn)較強的線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.96).從圖8中還可知：在整體熱感覺投票值相同的前提下，受試者在不均勻熱環(huán)境中的整體熱舒適和整體熱可接受度較均勻熱環(huán)境下要低.說明在偏冷的非均勻環(huán)境下，整體熱舒適和整體熱可接受度除了受整體熱感覺的影響，還受到其他因素的影響.

上述結(jié)果與張宇峰等[14]和胡鵬超[15]的研究結(jié)果相似.由此可知，在非均勻熱環(huán)境中，僅根據(jù)熱感覺去評價熱環(huán)境的可接受和舒適狀況已經(jīng)不再合理，此時在非均勻熱環(huán)境中整體熱舒適更適合表達人體對熱環(huán)境滿意的程度.因此，文中繼續(xù)探討非均勻熱環(huán)境中，除整體熱感覺之外影響整體熱舒適的其他因素.

2.4 熱感覺不均勻度

在問卷調(diào)查的實驗過程中，同時考察記錄了受試者11個身體部位(額頭、胸部、背部、腹部、前臂、后臂、手背、臀部、大腿、小腿及腳部)熱感覺的變化情況.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非均勻熱環(huán)境下，絕大多數(shù)受試者反應(yīng)在進行座椅供暖的過程中，受到熱刺激的身體部位(背部、臀部和大腿)與未受到熱刺激的部位明顯感到熱感覺分布不均勻.受試者身體的熱感覺不均勻度，可能是整體熱感覺與熱舒適和熱可接受度出現(xiàn)分離的原因.考慮到人體在感知身體各個部位的冷熱不均時最強烈的感受來自于最熱和最冷兩個部位之差，故選取身體部位間熱感覺之差的最大值(ΔTSVmax)作為衡量熱感覺不均勻度的參數(shù).

文中研究的重點是探討人體在座椅供暖非均勻熱環(huán)境中整體熱反應(yīng)的變化規(guī)律，關(guān)于局部熱感覺的變化趨勢在這里不進行詳細分析，只根據(jù)各部位熱感覺之差最大值計算得到暴露期各個時間段對應(yīng)的整體熱感覺不均勻度，與整體熱舒適進行擬合分析.兩者之間的關(guān)系，如圖9所示.

圖9 熱感覺不均勻度與整體熱舒適Fig.9 Thermal sensation unevenness and overall thermal comfort

由圖9可知:熱感覺不均勻度與全身熱舒適有較強的線性關(guān)系(R2=0.872).當熱感覺不均勻度較小時，對應(yīng)的全身熱舒適與均勻環(huán)境下的熱舒適投票值相差較小，且隨著熱感覺不均勻度的增加，整體熱舒適也在顯著下降.由此可見，熱感覺不均勻度在很大程度上解釋了非均勻環(huán)境下熱感覺與熱舒適和熱可接受度出現(xiàn)分離的情況.

2.5 熱舒適預測評價模型

由上述分析可知，整體熱感覺與熱感覺不均勻度(身體部位間熱感覺之差的最大值)是影響受試者在非均勻熱環(huán)境下熱舒適和可接受程度的兩個重要因素，受試者的整體熱舒適是感知兩個熱反應(yīng)指標的綜合結(jié)果.鑒于對受試者整體熱舒適投票(TCV)、整體熱感覺投票(TSV)和熱感覺不均勻度熱投票(ΔTSVmax)的數(shù)據(jù)分析，假設(shè)前者與后兩者滿足線性回歸關(guān)系，符合線性關(guān)系的適配性條件，即整體熱感覺與熱感覺不均勻度對整體熱舒適具有顯著影響.利用回歸模型[16]進行三者相關(guān)關(guān)系的研究，建立含有兩個自變量的回歸模型，即

TCV=β0+β1TSV+β2ΔTSVmax+e.

(3)

式(3)中：β0為常數(shù)項；β1，β2為回歸系數(shù)；e為隨機誤差.文中主要討論整體熱感覺與熱感覺不均勻度對整體熱舒適的影響狀況，其他未加考慮的因素(包括隨機因素)所產(chǎn)生的影響忽略不計，因此式(3)可簡化為經(jīng)驗回歸方程，即

TCV=β0+β1TSV+β2ΔTSVmax.

(4)

將所有背景工況暴露期內(nèi)整體熱感覺投票值、熱感覺不均勻度計算值，以及整體熱舒適投票值進行統(tǒng)計整理； 然后，利用SPSS 22.0對其進行多元線性回歸分析，可得到回歸方程中的常數(shù)項及回歸系數(shù)估計值，如表6所示.由表6可知：顯著性水平均小于0.05，這表明整體熱感覺與熱感覺不均勻度對整體熱舒適具有顯著影響，原假設(shè)成立.

表6 回歸系數(shù)估計值Tab.6 Regression coefficient estimated values

將求得的回歸系數(shù)估計值代入式(4)，求得最終的回歸模型為

TCV=0.616+0.193TSV-0.293ΔTSVmax.

(5)

該模型判定系數(shù)R2=0.896，表示自變量可以解釋因變量89.6%的變化.為驗證在座椅供暖非均勻熱環(huán)境下的適用性，繼續(xù)對15名受試者進行新一輪的主觀熱反應(yīng)投票實驗，獲取暴露期內(nèi)受試者整體及局部熱感覺投票值和整體熱舒適投票值；然后，將各時間段內(nèi)整體熱感覺投票值與熱感覺不均勻度計算值代入式(5)得到整體熱舒適預測值，并與實驗實測值進行比較，結(jié)果如圖10所示.

圖10 模型驗證Fig.10 Model validation

從圖10可知：回歸模型計算得到的預測值與實驗實測值有較好的對應(yīng)關(guān)系，R2=0.903，數(shù)值上保持一致，預測效果較好.因此，對于偏冷環(huán)境下座椅供暖形成的非均勻熱環(huán)境可以使用整體熱感覺與熱感覺不均勻度來對整體熱舒適進行預測和評價.

圖11 平均皮膚溫度與整體熱感覺Fig. 11 Mean skin temperature and overall thermal sensation

基于上述在主觀熱反應(yīng)投票基礎(chǔ)上分析和研究得到的熱舒適預測評價模型，將平均皮膚溫度作為客觀評價指標，進一步探討非均勻穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下整體熱感覺與平均皮膚溫度的關(guān)系.對熱舒適評價模型做進一步的延伸和完善，將暴露期穩(wěn)態(tài)工況下測得的身體部位的皮膚溫度經(jīng)式(1)進行換算處理，得到對應(yīng)的平均皮膚溫度，并與整體熱感覺進行擬合分析，結(jié)果如圖11所示.圖11中：tskin為皮膚溫度.

座椅供暖穩(wěn)態(tài)工況下，整體熱感覺與平均皮膚溫度之間的線性擬合關(guān)系為

TSV=0.433tskin-14.298.

(6)

判定系數(shù)R2=0.916，擬合效果較好，對回歸方程進行顯著性檢驗，顯著性水平小于0.05，表明平均皮膚溫度對整體熱感覺影響顯著，得到的方程有效.在此基礎(chǔ)上綜合主觀熱反應(yīng)與客觀生理指標，提出了座椅供暖非均勻穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下熱舒適預測評價模型為

(7)

式(7)中：TCV為整體熱舒適投票；TSV為整體熱感覺投票；ΔTSVmax為熱感覺不均勻度；tskin為平均皮膚溫度.

3 結(jié)論

文中分析了偏冷環(huán)境下座椅供暖對人體熱舒適的影響，驗證了在農(nóng)村地區(qū)使用座椅輔助供暖方式的可行性.從主觀熱反應(yīng)與客觀生理指標出發(fā)，圍繞整體熱感覺、熱感覺不均勻度和平均皮膚溫度對整體熱舒適進行了具體分析，得到了預測評價模型.

1) 使用座椅供暖能有效提高整體熱感覺與熱舒適，降低熱不滿意率，同時實驗環(huán)境溫度偏離舒適環(huán)境越多，改善程度越明顯.

2) 在均勻熱環(huán)境中整體熱感覺、整體熱舒適和整體熱可接受度三者密切相關(guān)，呈現(xiàn)較強的線性關(guān)系；在非均勻熱環(huán)境中熱感覺與熱舒適、熱可接受度出現(xiàn)分離，在熱感覺保持中性的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)熱感覺不均勻度是導致熱感覺出現(xiàn)分離的原因.

3) 以整體熱舒適作為評價指標，以整體熱感覺與熱感覺不均勻度作為影響因素做多元線性回歸分析，同時引入平均皮膚溫度作為客觀評價指標，得到熱舒適預測評價模型.經(jīng)驗證，該模型預測效果較好，可用于座椅供暖穩(wěn)態(tài)工況下的熱舒適性預測研究.