低溫環(huán)境下個性化送暖風供暖人體熱舒適研究

鄭楚渝 喻偉

重慶大學土木工程學院

我國華北地區(qū)村鎮(zhèn)冬季室內(nèi)熱環(huán)境比較惡劣，亟需改善[1-2]?；馉t火炕等傳統(tǒng)采暖方式不僅不能滿足居民熱舒適要求，還帶來室內(nèi)空氣污染和大氣污染的問題，而空調(diào)采暖會產(chǎn)生垂直溫差，給人體帶來“頭熱腳涼”的不舒適感[3-4]。Zhang 等人[5]提出了個性化熱舒適系統(tǒng)（PCS），PCS 可以通過輻射、傳導、對流的方式對人體進行局部供暖，消除了冷環(huán)境下人體的局部熱不舒適，對于人體在低溫環(huán)境下維持熱舒適具有極大潛力。但目前大多研究以較為中性的環(huán)境為背景，考慮到我國華北村鎮(zhèn)地區(qū)，非供暖房間室內(nèi)溫度較低，為探究在低溫環(huán)境下局部供暖對人體熱舒適的改善效果，本文針對送暖風的方式開展了對人體個性化供暖的實驗研究。

1 研究方法

1.1 實驗平臺

實驗在重慶大學人工氣候室開展，氣候室工作區(qū)各參數(shù)的控制范圍及精度為：干球溫度控制范圍為-5～40 ℃，控制精度±0.3 ℃（＜10 ℃，±0.5 ℃）；相對濕度控制范圍為10%～90%，控制精度±5%。風速通過變頻器從0.1～2 m/s 可調(diào)，控制精度0.3 m/s。本研究主要考慮落地扇氣流對人體舒適影響，故控制氣流速度小于0.1 m/s，整個環(huán)境無明顯氣流流動。實驗平臺具體示意圖如圖1 所示。

圖1 實驗平臺示意圖

1.2 受試者

本次實驗的實驗對象均為身體健康的在校大學生，且均為自愿參與此實驗。本實驗共選取受試者16名（8 男8 女），受試者數(shù)量參考文獻[6]。實驗受試者主要采用自愿方式招募，并給予一定酬勞。受試者要求無鼻炎、皮膚干燥綜合征以及其他冬季疾病，保證對熱舒適的真實反映。實驗期間受試者衣著統(tǒng)一服裝，服裝熱阻為1.34clo，該服裝熱阻則由實驗前期的調(diào)研得出。

1.3 調(diào)查問卷

實驗中對人體熱舒適、熱感覺、濕感覺、氣流感、對熱環(huán)境的滿意度、熱期望進行調(diào)查，同時還對受試者氣流的可接受程度以及期望風速進行調(diào)查。調(diào)查中使用的相關(guān)標尺見表1 和表2。

表1 主觀投票標尺

1.4 實驗工況

在實驗前期，筆者利用Energy Plus 模擬了鄭州、石家莊、太原、濟南、西安等華北寒冷地區(qū)典型城市在采暖期間非采暖房間的室內(nèi)溫濕度，得出溫度大致在3℃～15 ℃內(nèi)波動，濕度大致在30%～50%內(nèi)波動，考慮到村鎮(zhèn)供暖需求較城市低，15 ℃的室內(nèi)溫度下村鎮(zhèn)居民有可能不需要進行供暖，因此確定溫度水平（3 ℃、7 ℃、11 ℃）和濕度水平（30%、50%）。實驗6 種背景溫濕度工況詳見表2。

表2 背景溫濕度工況表

1.5 實驗流程

實驗前受試者在準備間靜坐休息。實驗開始后，受試者進入實驗間并保持靜坐狀態(tài)適應環(huán)境，15 min后填寫熱舒適調(diào)查問卷。然后開啟暖風機高暖風檔位，之后的5 min、10 min、15 min、20 min、40 min、60 min分別填寫熱舒適調(diào)查問卷，關(guān)閉暖風機。

2 結(jié)果

2.1 熱感覺與熱舒適

圖2 和圖3 分別展示了6 個工況下，暖風供暖時受試者的熱感覺投票和熱舒適投票變化。如圖所示，在適應階段受試者TSV＜-1，TCV≥1.5，這說明人體處于低溫環(huán)境中，在很短的時間內(nèi)就會產(chǎn)生明顯的冷感覺和不舒適感。

圖2 不同工況下熱感覺投票變化

圖3 不同工況下熱舒適投票變化

開啟暖風機后的20 分鐘內(nèi)受試者熱感覺明顯得到提高（配對t 檢驗，p＜0.05），此時受試者TSV＞-0.5。與此同時，受試者不舒適感覺明顯下降，TCV＜1。在隨后的40 分鐘內(nèi)，受試者熱感覺先呈下降趨勢然后又再次提高。然而，筆者對20 min、40 min、60 min 的熱感覺投票進行方差分析，并發(fā)現(xiàn)沒有顯著差異。這表明，在開啟暖風機20 min 內(nèi)，受試者熱感覺逐步達到穩(wěn)定。

2.2 濕感覺

圖4 為6 個工況下受試者的濕感覺投票變化。由圖可知，在適應階段，受試者的濕感覺基本處于中性狀態(tài)。

圖4 不同工況下濕感覺投票變化

開啟暖風機的20 min 內(nèi)，濕感覺投票明顯下降（配對t 檢驗，p＜0.05），筆者同樣對隨后的40 分鐘內(nèi)的濕感覺投票進行分析，但沒有發(fā)現(xiàn)明顯差異。同時筆者發(fā)現(xiàn)，整個實驗過程中，受試者濕感覺投票基本在±0.5 內(nèi)，即HSV∈（-0.5，+0.5），這表明低溫低濕環(huán)境下暖風機供暖不會造成受試者干燥的不適感。

2.3 氣流感覺

圖5 展示了6 個工況下受試者的氣流感投票變化。由圖知，受試者氣流感在適應階段基本處于適中狀態(tài)，即MSV∈（-0.5，+0.5）。在開啟暖風機20 min 內(nèi)，氣流感投票值稍有下降，但是差異不顯著（配對t 檢驗，p＞0.05），而且隨后的40 min 內(nèi)受試者氣流感投票通過方差分析沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異，這說明，開啟暖風機前后受試者氣流感變化不明顯。

圖5 不同工況下氣流感覺投票變化

2.4 熱環(huán)境滿意度

圖6 展示了6 個工況下受試者對熱環(huán)境的滿意度。在0 min 時，受試者對環(huán)境的滿意度較低，超過60%的受試者投票值小于0，甚至在工況3、4、5、6 中有約20%左右的受試者對熱環(huán)境很不滿意（投票值為-2）。供暖20 min 后，受試者滿意度稍有提高，投票值小于0 的比例下降了7%～20%。供暖40 min 后，熱環(huán)境滿意度明顯提高，投票值大于等于0 的比例比0 min 時提高了30%～50%，比20 min 時提高了約20%。其中，工況1、2、5、6 下投票值為1 的比例均超過30%，最高可達69%。60 min 時，受試者對熱環(huán)境的滿意度略有下降，工況1、3、6 下投票值大于等于0 的比例下降了16%。同時，筆者發(fā)現(xiàn)，無論是何種工況，都沒有出現(xiàn)受試者感到很滿意（投票值為2）的狀態(tài)，反而隨著供暖時長的增加，受試者對熱環(huán)境的滿意度卻下降了，分析其原因，可能是因為長時間暴露在暖風中可感空氣品質(zhì)會下降。

圖6 不同工況下熱環(huán)境滿意度分布變化

3 討論

在本研究中，受試者短時內(nèi)暴露在低溫環(huán)境中會產(chǎn)生明顯的冷感覺和不舒適感，由于處在低溫環(huán)境下，受試者對熱環(huán)境的滿意度較低，但濕感覺和氣流感均處于較為適中的狀態(tài)。當開啟暖風機20 min 后，受試者熱感覺明顯提高，不舒適感明顯下降（TSV＞-0.5，TCV＜1），對熱環(huán)境的滿意度也稍有提高，而且受試者熱感覺在供暖前20 min 內(nèi)達到穩(wěn)定。但在40 min 時，受試者對熱環(huán)境的滿意度較之前明顯提高，對熱環(huán)境感到滿意的受試者占比達到峰值。而在60 min 時，受試者對熱環(huán)境的滿意度略有下降。在供暖風前后，受試者濕感覺和氣流感均在±0.5 內(nèi)，全程處于較為適中的狀態(tài)。綜上所述，在低溫環(huán)境中局部送暖風供暖能在短時內(nèi)有效地改善人體的熱舒適，但長時間暴露在暖風中，人體熱舒適改善效率會下降。

快速改善熱舒適這個優(yōu)點，使得個性化送暖風供暖在我國華北村鎮(zhèn)地區(qū)的居住建筑具有較強適用性，這是因為居住建筑中部分房間如客廳、餐廳等，住戶經(jīng)常走動，逗留時間沒有規(guī)律，此時若使用個性化送暖風供暖，可以達到人來即開，即開即熱，人走即關(guān)，節(jié)能環(huán)保的效果。

針對長時間暴露在暖風中，人體熱舒適改善效率會下降這個缺點，筆者認為對設備進行動態(tài)優(yōu)化策略是一個有效的解決辦法。清華大學趙榮義[7]指出：熱舒適存在于動態(tài)過程中，舒適是忍受不舒適過程的解脫狀態(tài)，它不能持久存在，一段時間后會轉(zhuǎn)化為另一不舒適過程，或兩者趨于無差別狀態(tài)?；诖耍P者認為對暖風的供暖溫度和氣流組織進行適當?shù)恼{(diào)整，可以給人體制造一定的熱刺激，避免長時間暴露在暖風中熱舒適改善效率降低的缺點，但這個想法的有效性還需要后續(xù)更多的實驗來進行驗證。

4 結(jié)論

1）暖風供暖的方式能在短時間內(nèi)將人體舒適狀態(tài)從不舒適（TSV＜-1，TCV≥1.5）改善到一個較為適中的狀態(tài)（TSV＞-0.5，TCV＜1）。

2）在供暖風前后，受試者濕感覺和氣流感投票均在±0.5 內(nèi)，人體濕感覺和氣流感一直處于較為適中的狀態(tài)。

3）在暖風供暖的前期，隨著熱環(huán)境的改善，人體對熱環(huán)境的滿意度得到一定程度的提升，但長時間暴露在暖風中，熱環(huán)境滿意度會下降。