活動(dòng)狀態(tài)變化下溫度與氣流對(duì)人體熱舒適的影響

趙勝凱，楊柳，翟永超

0 引言

人們通常會(huì)通過(guò)步行、騎車或公共交通等方式到達(dá)辦公室、地鐵站、商場(chǎng)或其他建筑中，然而他們從室外到達(dá)建筑內(nèi)的活動(dòng)狀態(tài)和熱舒適需求與長(zhǎng)期靜坐人群不同[1]。因此，在恢復(fù)期間可能會(huì)感到不舒適。這些場(chǎng)景常發(fā)生在室外到室內(nèi)的過(guò)渡空間，如酒店大堂、商場(chǎng)和辦公樓的過(guò)渡空間，也可能會(huì)發(fā)生在建筑的辦公空間。如何使這些空間滿足人員的熱舒適需求是具有挑戰(zhàn)性的，且以往所采用的方法往往會(huì)產(chǎn)生能源和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

這個(gè)問(wèn)題在夏季尤為突出，當(dāng)人們進(jìn)入建筑內(nèi)，由于室外高溫暴露和代謝率提高而產(chǎn)生的熱量必須通過(guò)皮膚與外界環(huán)境發(fā)生熱交換。然而，人在室外步行時(shí)產(chǎn)生的氣流進(jìn)入建筑后會(huì)顯著降低，當(dāng)人靜坐后會(huì)導(dǎo)致皮膚溫度和出汗量的激增，由此產(chǎn)生的不適可能會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。在此期間，人們可能會(huì)抱怨不舒適并大幅調(diào)節(jié)恒溫器以降低室內(nèi)空氣溫度使其快速達(dá)到舒適狀態(tài)。因此，室內(nèi)會(huì)維持在較低的空氣溫度下，超過(guò)人員的熱過(guò)渡期，在增加建筑耗冷量的同時(shí)會(huì)使人員產(chǎn)生冷不舒適。現(xiàn)有的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 55[2]和ISO 7730[3]通常只關(guān)注穩(wěn)態(tài)下的人體熱舒適，依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行建筑室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)，并不能確保人們?cè)谶M(jìn)入建筑后的過(guò)渡期能快速有效地獲得舒適。

在活動(dòng)狀態(tài)變化下，已有相關(guān)的研究驗(yàn)證了增加氣流和降低空氣溫度[4]的方式可以改善人體的熱舒適。Bourdakis[5]等人的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于自行車或步行通勤到達(dá)建筑空間，夏季溫度應(yīng)降至20～21.5 ℃，顯著低于ASHRAE 55[2]的舒適建議。然而，降低室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度將增加能源成本和預(yù)測(cè)控制的復(fù)雜性，當(dāng)只使用空氣溫度來(lái)消除體熱時(shí)，主觀舒適度和生理反應(yīng)都會(huì)慢得多[6]。消除體熱的環(huán)境控制方式存在差別，研究表明增加空氣流動(dòng)比降低溫度更有效[7]，在偏暖的環(huán)境下增加空氣流動(dòng)也可以顯著改善人們的熱舒適[8-9]。

然而，目前對(duì)于代謝率下降引起的轉(zhuǎn)變過(guò)程中人體舒適需求的潛在機(jī)制，以及如何高效地恢復(fù)和維持人體熱舒適的研究還不夠充分。使用冷卻空氣調(diào)節(jié)會(huì)覆蓋人員使用的大面積空間，但那些未經(jīng)歷熱瞬變的人群并不需要冷卻。相反，空氣流動(dòng)可以引導(dǎo)到更小的區(qū)域，不會(huì)使長(zhǎng)時(shí)間待在建筑內(nèi)的人員感覺(jué)過(guò)冷。因此，本研究探討了夏季人體從室外到達(dá)建筑空間后空氣溫度和氣流的耦合作用對(duì)人體熱舒適的影響，并進(jìn)一步量化了建筑室內(nèi)空氣溫度和氣流的組合，研究成果可為節(jié)能的建筑室內(nèi)環(huán)境控制策略提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 受試者

本次實(shí)驗(yàn)共招募了35 名（17 男，18 女）在校大學(xué)生作為受試者，每個(gè)受試者需參加全部實(shí)驗(yàn)工況。受試者穿著實(shí)驗(yàn)室提供的長(zhǎng)袖襯衣和長(zhǎng)褲，以及受試者的內(nèi)衣、鞋和短襪，為夏季空調(diào)環(huán)境中人員的典型著裝，其服裝熱阻值約為0.6 clo[2]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了更好地控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境，我們選擇在西安建筑科技大學(xué)人工氣候室進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室平面布置如圖1 所示。該實(shí)驗(yàn)共由3 個(gè)房間組成，分別為房間A、B、C，旨在模擬人在夏季通勤后進(jìn)入建筑空間過(guò)程中不同階段的代謝率和熱環(huán)境變化情況。房間A 的尺寸為4.8m×3.6m×3.3m（長(zhǎng)×寬×高），采用分體式空調(diào)控制室內(nèi)的溫濕度，能夠滿足實(shí)驗(yàn)的精度要求。房間B 的尺寸為3.0m×2.1m×2.4m，房間C的尺寸為4.5m×3.9m×2.6m，均能夠進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，空氣溫度控制精度為±0.2℃，相對(duì)濕度控制精度為±5%。本實(shí)驗(yàn)主要研究溫度和氣流對(duì)人體熱舒適的影響，因此房間C 采用了頂部孔板送風(fēng)、下部地板回風(fēng)的方式控制室內(nèi)空氣流動(dòng)，實(shí)驗(yàn)室未開啟風(fēng)扇時(shí)基本無(wú)氣流。

1 實(shí)驗(yàn)室平面布置

為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)房間溫度預(yù)先進(jìn)行設(shè)定。房間A 設(shè)定為26℃/50%；房間B 設(shè)定為30℃/50%，以模擬夏季室外的高溫環(huán)境；房間C 共有6 個(gè)實(shí)驗(yàn)工況，分別為24℃、26℃、28℃、24℃+風(fēng)扇、26℃+風(fēng)扇、28℃+風(fēng)扇。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，我們對(duì)所有的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了隨機(jī)化設(shè)置。在有風(fēng)扇的工況下，受試者從房間B 回到房間C 后可隨時(shí)通過(guò)遙控器調(diào)節(jié)風(fēng)扇的檔位大小。氣流的高度約為1.0m 并吹到受試者胸部。風(fēng)扇共有32 個(gè)檔位，風(fēng)速范圍為0.3～1.5m/s，有效功率范圍為1.7～17W。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

圖2 展示了本次實(shí)驗(yàn)的流程圖。在開始實(shí)驗(yàn)前，受試者將接受問(wèn)卷培訓(xùn)，更換實(shí)驗(yàn)室提供的統(tǒng)一服裝，并粘貼皮溫紐扣。為避免之前的影響，受試者先在房間A（26℃/50%）靜坐30min，期間每10min填寫一次主觀調(diào)查問(wèn)卷；然后進(jìn)入房間B（30℃/50%）以40 步/min 的速率進(jìn)行15min 的上下臺(tái)階，模擬人在室外通勤時(shí)的活動(dòng)強(qiáng)度，在開始運(yùn)動(dòng)前和結(jié)束運(yùn)動(dòng)后填寫兩次問(wèn)卷；最后受試者進(jìn)入房間C 進(jìn)行60min 的靜坐辦公來(lái)恢復(fù)，恢復(fù)期間的前5min 以1min/次的頻率填寫問(wèn)卷，5～20min 以3min/次的頻率填寫問(wèn)卷，20～60min 以10min/次的頻率填寫問(wèn)卷，共需填寫15 次。

2 實(shí)驗(yàn)流程

1.4 測(cè)試參數(shù)和實(shí)驗(yàn)儀器

1.4.1 物理環(huán)境參數(shù)

實(shí)驗(yàn)期間對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試高度分別為0.1m、0.6m、1.1m?？諝鉁囟群拖鄬?duì)濕度使用HOBO UX100-003，精度為±0.2℃。黑球溫度使用了天建華儀HQZY-1，精度為±0.3℃。實(shí)驗(yàn)前對(duì)風(fēng)扇不同檔位的風(fēng)速使用WFWZY-1 儀器進(jìn)行了測(cè)試，風(fēng)速測(cè)試范圍為0.05～5m/s，精度為±0.05m/s。物理環(huán)境參數(shù)測(cè)試結(jié)果均滿足實(shí)驗(yàn)要求。

1.4.2 生理參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了代謝率、核心溫度和皮膚溫度。從中選取9 名受試者佩戴COSMED K5 進(jìn)行代謝率的測(cè)試。測(cè)試在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間受試者的代謝率變化，測(cè)試原理是通過(guò)呼吸面罩采集受試者的CO2產(chǎn)生量和O2消耗量，通過(guò)方程（1）～（3）計(jì)算得到受試者代謝率[10]。

其中，M為代謝率，單位為W/m2；RQ為呼吸商，無(wú)量綱；VCO2和VO2為CO2產(chǎn)生量和O2消耗量，單位為L(zhǎng)/h；EE為代謝當(dāng)量；Adu為體表面積，單位為m2。

核心溫度采用TEMP SENSOR HT150002 核心體溫膠囊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試精度為±0.1℃。皮膚溫度Tsk測(cè)量采用iButton-DS1922L，精度為±0.5℃，測(cè)量位置為上臂、胸、大腿和小腿，平均皮膚溫度計(jì)算采用Ramanthan 方法[11]：

1.5 主觀問(wèn)卷

該研究使用電子問(wèn)卷對(duì)受試者的主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行收集，問(wèn)卷標(biāo)尺如圖3 所示，受試者可以在標(biāo)尺的任一位置進(jìn)行填寫。熱感覺(jué)投票在ASHRAE 55[2]七級(jí)標(biāo)尺的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了“（+4）非常熱”和“（-4）非常冷”。熱舒適投票采用斷裂標(biāo)尺，“（-4）非常不舒適”至“（-0.1）有點(diǎn)不舒適”為不舒適范圍，“（+0.1）有點(diǎn)舒適”至“（+4）非常舒適”為舒適范圍。

3 主觀問(wèn)卷標(biāo)尺

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 生理反應(yīng)

2.1.1 代謝率與核心溫度

圖4 為受試者代謝率和核心溫度隨時(shí)間的變化情況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中代謝率的瞬態(tài)變化值從1.1met 升至4.4met 再降回1.1met。在房間B 運(yùn)動(dòng)階段，代謝率在3min 內(nèi)迅速升高至穩(wěn)定水平，運(yùn)動(dòng)結(jié)束回到房間C 靜坐后，在5min 內(nèi)恢復(fù)到運(yùn)動(dòng)前的代謝水平，說(shuō)明人體活動(dòng)量變化對(duì)代謝率的影響是迅速的。在房間A 靜坐時(shí)核心溫度穩(wěn)定在37.3℃，運(yùn)動(dòng)5min 后上升至37.6℃，回到房間C 靜坐后核心溫度開始下降，但在60min 的靜坐期間未能恢復(fù)到初始值狀態(tài)。

4 代謝率和核心溫度逐時(shí)變化

2.1.2 皮膚溫度

圖5 展示了受試者平均皮溫隨時(shí)間的變化情況。在房間A 靜坐30min 后，皮溫穩(wěn)定在33.6℃；進(jìn)入房間B 開始運(yùn)動(dòng)15min 后平均皮溫上升至34.5±0.6℃。在房間C 靜坐時(shí)，無(wú)風(fēng)扇的工況下皮溫維持在較高水平約5min 后開始下降；有風(fēng)扇工況下，當(dāng)受試者開啟風(fēng)扇后皮溫迅速下降并逐漸穩(wěn)定。在相同溫度下，有風(fēng)扇和無(wú)風(fēng)扇工況下皮溫存在顯著差異（p<0.05），有風(fēng)扇工況下皮溫低0.5℃，其中24℃+風(fēng)扇工況下皮溫下降最快、穩(wěn)定值最低（32.9±0.6℃）；而28℃工況下皮溫下降最慢、穩(wěn)定值最高（34.4±0.5℃），表明增大空氣流速可加快皮膚表面蒸發(fā)散熱和對(duì)流換熱。

5 皮膚溫度逐時(shí)變化

2.2 全身熱感覺(jué)

圖6 展示了受試者熱感覺(jué)投票（Thermal Sensation Vote，簡(jiǎn)稱TSV）隨時(shí)間的變化情況。在房間A靜坐結(jié)束后，受試者的TSV 為中性，進(jìn)入到房間B 后受試者的TSV 升高至1.1（微暖），15min 的運(yùn)動(dòng)結(jié)束后TSV 增加至3.0±0.5（熱）。進(jìn)入房間C 后TSV 迅速下降。與相同溫度下無(wú)風(fēng)扇的工況相比，可調(diào)節(jié)氣流工況能夠快速降低受試者的TSV，并在前11min、17min 和60min 存在顯著差異（無(wú)風(fēng)扇vs 有風(fēng)扇），且在有可控氣流的工況下，受試者TSV 恢復(fù)熱中性的時(shí)間顯著縮短。在無(wú)風(fēng)扇工況下，回到房間C后受試者的皮溫出現(xiàn)了延遲現(xiàn)象，而受試者在進(jìn)入房間C 后的TSV 和TCV 則迅速發(fā)生了變化。

6 熱感覺(jué)投票逐時(shí)變化

2.3 全身熱舒適

圖7 展示了受試者熱舒適投票（Thermal Comfort Vote，簡(jiǎn)稱TCV）隨時(shí)間的變化情況。在房間A 靜坐30min 后，受試者TCV 平均值為2.33（介于“舒適”和“非常舒適”之間）；進(jìn)入到30℃的環(huán)境中，TCV 降為0.95（介于“剛剛舒適”和“舒適”之間），經(jīng)過(guò)15min 的運(yùn)動(dòng)后TCV 降至-1.83（介于“剛剛不舒適”和“不舒適”之間）。在所有實(shí)驗(yàn)工況中，受試者進(jìn)入房間C 后TCV 立刻上升。與相同溫度下無(wú)風(fēng)扇的工況相比，在有可控氣流的工況下能夠快速改善受試者的熱舒適投票。26℃+風(fēng)扇和28℃+風(fēng)扇工況下，受試者恢復(fù)熱舒適的時(shí)間比24℃更快，再次說(shuō)明增加氣流能夠迅速使受試者達(dá)到熱舒適狀態(tài)。

2.4 氣流調(diào)節(jié)

圖8 顯示了受試者進(jìn)入房間C 后，風(fēng)扇開啟率和風(fēng)速調(diào)節(jié)隨時(shí)間的變化情況。受試者在房間C 靜坐的前30min 內(nèi)，24℃和26℃工況下風(fēng)速調(diào)節(jié)大小基本一致。當(dāng)受試者達(dá)到熱舒適狀態(tài)時(shí)，24℃+風(fēng)扇工況下風(fēng)速緩慢減小并穩(wěn)定在0.20±0.29m/s；而26℃+風(fēng)扇工況下風(fēng)速穩(wěn)定在0.34±0.34m/s。在28℃+風(fēng)扇工況下，受試者的風(fēng)速調(diào)節(jié)與另外兩個(gè)工況存在顯著差異，在進(jìn)入房間C 風(fēng)速略微下降，但仍維持在較高風(fēng)速水平下，穩(wěn)定值為0.62±0.34m/s，這說(shuō)明在28℃的溫度下，受試者需要更大的氣流以加快汗液的蒸發(fā)來(lái)維持自身的熱舒適水平。

8 風(fēng)扇開啟率和風(fēng)速逐時(shí)變化

3 討論

3.1 時(shí)效性與舒適性分析

本研究探討了夏季通勤后代謝率升高引起的短時(shí)熱經(jīng)歷對(duì)人體熱舒適的影響，既有溫度差別造成的熱經(jīng)歷，也有代謝率變化造成的熱經(jīng)歷。研究結(jié)果表明，在夏季通勤后回到室內(nèi)，降低空氣溫度能在一定程度上縮短恢復(fù)熱舒適的時(shí)間，特別是溫度從28℃（60min 達(dá)到舒適）降至26℃（19min 達(dá)到舒適）時(shí)。從表1 可以看出，增加空氣流速比降低溫度更有效，28℃+風(fēng)扇工況下人員恢復(fù)熱中性的時(shí)間為8min，比24℃工況下提前了5min。

表1 不同工況下人員恢復(fù)熱舒適的時(shí)長(zhǎng)及氣流調(diào)節(jié)

表2 列出了其他學(xué)者研究中人體TSV 恢復(fù)熱中性的時(shí)間。與Goto T[12]、Fukai[4]和Sudo M[13]相比，本研究中受試者TSV 恢復(fù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，這可能是因?yàn)楸狙芯恐写x率更高（4.4met），而在前述研究中代謝率分別為3.4met、3.8met 和2.5met，因此在本研究中受試者需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)消除運(yùn)動(dòng)過(guò)程中體內(nèi)蓄存的熱量。Zhang[14]的研究發(fā)現(xiàn)，人從熱到中性環(huán)境的突變過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)冷感超越，這是由于皮膚上殘留的汗液蒸發(fā)導(dǎo)致的。但本實(shí)驗(yàn)的所有工況中都未觀察到冷感超越現(xiàn)象，這可能是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)后受試者體內(nèi)蓄熱，熱量與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致TSV 在一定時(shí)間內(nèi)仍處于偏熱狀態(tài)。即使室內(nèi)設(shè)定溫度為24℃，人體也需要13min 才能達(dá)到舒適狀態(tài)，因?yàn)槿梭w向周圍散熱的量不足以抵消體內(nèi)所蓄熱量。因此，在夏季通勤后人到達(dá)26℃的環(huán)境中，較長(zhǎng)時(shí)間仍不能使人達(dá)到舒適狀態(tài)。Gagge[15]的研究發(fā)現(xiàn)，人體的不舒適主要取決于汗液的影響，并且不舒適程度與代謝率和空氣溫度高低有很大的關(guān)系。在本研究中，受試者運(yùn)動(dòng)15min 后出汗量達(dá)到最大，熱不舒適程度也達(dá)到最高。

表2 其他學(xué)者研究中熱中性恢復(fù)時(shí)間

3.2 環(huán)境控制策略

研究結(jié)果表明，僅通過(guò)降溫來(lái)消除活動(dòng)時(shí)體內(nèi)產(chǎn)生的熱量，人達(dá)到熱舒適狀態(tài)有很強(qiáng)的滯后性，增加室內(nèi)空氣流速比降低空氣溫度更有效。以風(fēng)扇開啟的速度v為因變量，以靜坐時(shí)長(zhǎng)t和環(huán)境溫度Ta為自變量進(jìn)行多因素線性回歸，得到了活動(dòng)狀態(tài)變化后不同時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，空氣溫度和氣流速度的關(guān)系式，即v=0.08×Ta-0.008×t-1.3 (R2=0.9)。并對(duì)風(fēng)速與時(shí)間、風(fēng)速與溫度分別進(jìn)行T-test 檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)P<0.0001，可以證明v與Ta和t均有顯著的相關(guān)性。圖9 給出了不同環(huán)境溫度與空氣流速的組合方式，在保證人們熱舒適的同時(shí)降低了建筑的冷負(fù)荷。

9 風(fēng)速與環(huán)境溫度和時(shí)間的關(guān)系

該研究結(jié)果對(duì)建筑的設(shè)計(jì)和使用具有重要的實(shí)際意義，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，增加空氣流動(dòng)可以使人達(dá)到舒適狀態(tài)，并且不會(huì)使長(zhǎng)期靜坐不動(dòng)的人感到過(guò)涼。其次，在偏暖的室內(nèi)溫度下增加空氣流動(dòng)同樣可以使人達(dá)到舒適狀態(tài)，同時(shí)減少能量的損失。因此，針對(duì)此研究成果給出了不同空間環(huán)境參數(shù)的設(shè)計(jì)建議：在過(guò)渡空間中，建議保持室內(nèi)空氣溫度在26～28℃，濕度控制在50%，環(huán)境風(fēng)速控制在0.6～0.8m/s。在建筑的主要使用空間中，建議保持室內(nèi)空氣溫度在25～28℃，環(huán)境風(fēng)速不低于0.3m/s，并可使用個(gè)性化風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

（1）活動(dòng)狀態(tài)變化后，增加空氣流速可以快速消除人體內(nèi)的蓄熱量，且增加氣流使人體與周圍環(huán)境發(fā)生的對(duì)流和蒸發(fā)散熱比降溫效果更好。

（2）活動(dòng)狀態(tài)變化后，24℃、26℃和28℃工況下受試者所調(diào)節(jié)的風(fēng)速緩慢減小并最終穩(wěn)定在0.20m/s、0.34m/s 和0.62m/s。受試者對(duì)氣流的需求與室內(nèi)溫度和恢復(fù)時(shí)間有顯著的相關(guān)性，通過(guò)多因素線性回歸得到方程：v=0.08×Ta-0.008×t-1.3。

（3）活動(dòng)狀態(tài)變化后，氣流在消除體內(nèi)蓄熱方面效果顯著，可以在建筑空間適當(dāng)提高空氣設(shè)定溫度并提高環(huán)境空氣流速，分區(qū)控制室內(nèi)熱環(huán)境。在建筑的過(guò)渡空間中，建議空氣溫度保持在26～28℃之間，環(huán)境風(fēng)速控制在0.6～0.8m/s 左右；在建筑的主要使用空間中，可設(shè)置個(gè)性化調(diào)節(jié)氣流，空氣溫度保持在25～28℃之間，環(huán)境風(fēng)速不低于0.3m/s。