室外环境人体热舒适评价

刘蔚巍，邓启红，连之伟

（1-中南大学能源科学与工程学院，长沙 410083；2-上海交通大学制冷及低温工程研究所，上海 200240）

室外环境人体热舒适评价

刘蔚巍*1，邓启红1，连之伟2

（1-中南大学能源科学与工程学院，长沙 410083；2-上海交通大学制冷及低温工程研究所，上海 200240）

介绍了室外人体热舒适的影响因素，并分析了现有室外人体热舒适评价方法的局限性。在此基础上提出了一个能更全面合理地反映室外热舒适机理的新评价模型：“热生理－适应” 模型。这一新评价模型的建立将为准确评价及预测不同室外环境下人体的热舒适奠定理论基础。

室外热环境；热舒适；热适应；热生理参数

0 前言

随着我国城市经济的迅速发展，城市人口不断增加，而城市规模的扩张却相对有限。由此形成的高密度人口、建筑和交通使得城市热环境不断恶化（如城市热岛效应），给人们的生命和健康造成极大危害[1]。

室外热环境对人体形成的过度热应力（thermal stress）是造成危害的一个重要原因[2,3]。人体在室外环境的热舒适程度作为反映热应力强度的有效指标而受到重视[2,4]。营造适应人体热舒适需求的室外热环境，对于缓解不利气候对人体健康的冲击、提高人们的城市生活品质、促进城市经济的发展都有着极其重要的意义。

随着人们对城市环境热舒适的日益重视，针对此方面的研究正逐渐成为国际热舒适领域的重要方向。室外环境人体热舒适（以下简称“室外热舒适”）的准确评价是深入开展室外热舒适研究的基础，同时也是对室外热环境合理评判与优化的关键。本文针对现有室外热舒适评价方法的局限性，提出了一个能更全面合理地反映室外热舒适机理的新评价模型：“热生理－适应”模型。

1 室外热舒适影响因素

影响室外热舒适因素可归纳为两方面：热环境因素和热适应因素。两方面因素对人体热舒适的影响途径如图1所示。

图1 室外热舒适的影响因素

1.1 热环境因素

由图1可见，室外热环境通过与人体之间的热交换使人体产生热生理反应，而热生理反应是形成人体热感觉的关键因素[5]。

室外热环境参数主要包括环境温度、湿度、风速、太阳辐射。不同于室内环境，这四个参数的变化范围较广，其中太阳辐射对室外热舒适有着较为重要的影响。

气候是导致室外热环境形成及变化的驱动力，而城市物理结构则决定了热环境的时空变化特征。

1.2 热适应因素

人们对室外热环境的热适应包括物理适应（physical adaptation）、生理适应（physiological adaptation）和心理适应（psychological adaptation）三种方式[6]。不同的热适应方式对热舒适的作用由图1可见。其中，物理适应并不直接改变人体热舒适，而是通过改变周围热环境（interactive adaptation）或调整自身状态（reactive adaptation）作用于人体的热生理反应。生理适应又称为生理习服（physiological acclimatization），其影响一般并不明显[6]。心理适应包含的因素较多[7]，且都直接作用于人体的热舒适感觉，现场调查结果为此提供了充分的证据[6,8-10]。

2 现有室外热舒适评价方法及局限性

热舒适评价模型可分为两类：经验模型和机理模型。经验模型一般采用回归分析方法建立人体热感觉与热环境参数之间的函数关系式。这类模型计算简单，但适用范围具有较大的局限性，而且不能反映热舒适机理。机理模型一般基于人体热平衡方程或关键热生理参数来建立人体热感觉与热环境参数的关系。机理模型由于机理性强、适用性好而成为研究的热点和前沿。

2.1 热生理模型

对于室外热环境，机理模型自然也成为评价其热舒适性的首选。目前主要的方法是沿用基于人体热平衡的室内热舒适评价生理模型（Fanger 的PMV模型）[11,12]。然而，应用于室外热环境时PMV模型的评价结果与实测结果往往存在较大偏差[8,13,14]。这表明，针对室内热舒适建立的热生理模型不适合直接应用于室外热环境舒适性的评价，因为室外热环境参数较室内热环境具有更广的变化范围，而且室内、外环境中人体的心理适应存在较大差异[15]。

考虑到人体运动时与室外热环境之间的换热特点，Brown和Gillespie等人在对Fanger 的人体热平衡模型进行修正的基础上，建立了另一个热生理模型 COMFA[16,17]。该模型进一步将某一室外环境中的实测热感觉与人体内的热积累（heat budget）关联来对热舒适进行评价与预测。然而，当应用到不同季节或地点的室外环境时，COMFA模型的评价结果与实测结果仍有明显偏差[17,18]。除了模型自身的计算误差，一个重要原因是没有考虑室外环境下的心理热适应对热舒适的显著影响[17,18]。

可见，虽然热生理反应是影响热舒适的关键因素，但由于心理适应的存在，描述热生理反应的机理模型还不足以为室外环境人体热舒适提供充分可靠的评价结果。

2.2 热适应模型

考虑到热适应的影响，一些研究基于现场调查的结果，直接将室外热环境指标与实测热感觉关联，建立二者之间的回归方程[13,19]，作为室外热舒适评价模型（热适应模型）。如表1 所示，室外热适应模型体现了不同地区或气候下热适应对室外热舒适的影响。但由于不能反映热舒适的生理机理，它们属于经验模型，只适用于特定的地区或气候条件。

综上所述，对室外环境人体热舒适的合理评价需要考虑热生理反应和心理适应的共同作用。现有的评价模型，无论是热生理模型还是热适应模型，都存在较大的局限性。

表1 不同地区室外环境PET指标与热感觉的关系[13,19]（室外热适应模型）

3 室外热舒适“热生理-适应”评价模型

为改善现有室外热舒适评价模型的局限性，本文提出将心理适应的影响定量引入热生理机理模型，建立基于关键热生理参数的室外环境人体热舒适评价模型。这将是新的机理模型，即“热生理－适应模型”。

3.1 模型原理

室外热舒适“热生理－适应”评价模型的原理如图2所示。该模型将由热生理反应引起的热感觉定义为基础热感觉，将由心理适应对基础热感觉的影响定义为适应因子。热生理模块用来描述基础热感觉与关键热生理参数的定量关系（稳态与动态），这是整个评价模型的基础。热适应模块应用适应因子定量化心理适应对基础热感觉的影响。热舒适模块建立热感觉－热舒适－热可接受度之间的定量关系。通过这三个模块最终实现对室外环境下人体热舒适的评价。

热生理参数和适应因子的运用使得该模型较现有的热舒适评价模型能更全面合理地反映室外环境人体热舒适机理，因而具有更为广泛的应用范围。之所以基于热生理参数而非人体热积累来描述热生理机理，是因为基础热感觉与热生理参数之间的关系更为明确和直接，若包括较多的输入参数（如热积累量计算）反而可能会产生较大的误差。而且实际应用时，热生理参数值既可通过实测直接获得，也可采用热调节模型的计算值。

图2 室外热舒适的热生理-适应评价模型原理图

3.2 实现方法

建立室外热舒适“热生理－适应”评价模型的主要方法如下：

（1）开展气候室实验（大温度范围），获得人体基础热感觉与关键热生理参数的定量关系；

（2）进行室外环境实验，获得人体在室外热环境的生理与心理热反应规律；

（3）基于（2）的结果，分析心理适应对室外热舒适的影响机制，确定适应因子；

（4）建立评价模型，并进行验证与修正。

4 结论

现有的室外热舒适评价模型，无论是热生理模型还是热适应模型，都存在较大局限性。室外热舒适“热生理－适应”评价模型考虑了热生理反应和心理适应的共同作用，较目前的评价模型能更全面合理地反映室外环境人体热舒适机理。这一新评价模型的建立将为准确评价及预测不同室外环境下人体的热舒适奠定理论基础，进而为营造健康、舒适的室外热环境提供可靠的理论依据。

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Evaluation of Human Thermal Comfort in Outdoor Environment

LIU Wei-wei1, DENG Qi-hong1, LIAN Zhi-wei2
(1- School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410083;2- Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030)

The factors influencing outdoor thermal comfort were introduced. And the limitations of existing evaluation models were analyzed. Further, a new evaluation model of outdoor thermal comfort, thermal physiological - adaptation model, was proposed. The model can provide an important basis for predicting and evaluating human thermal comfort in various outdoor environments.

Outdoor thermal environment; Thermal comfort; Thermal adaptation; Thermal physiology

*刘蔚巍（1980－），男，副教授，博士。研究方向：热环境与人体热舒适及健康。联系地址：湖南省长沙市岳麓区中南大学本部校区能源科学与工程学院，邮编：410083。联系电话：0731-88877175。Email：wliu@mail.csu.edu.cn。

中南大学自由探索计划（2011QNZT094）

本论文优选自中国制冷学会2011年学术年会论文。