低温环境暖风对改善人体舒适性的实验研究

(重庆大学 城市建设与环境工程学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆，400045)

美国供热、制冷及空调协会(ASHRAE)将热舒适定义为“一种对热环境的满意的主观感受”[1]。Fanger[2]利用人体热平衡模型提出了著名的 PMV预测指标，其把影响人体热感觉的因素分为6个部分：空气温度、辐射温度、相对湿度、空气流速、服装热阻及活动量。其中，空气流速对人体与外界环境的对流换热以及对人体的吹风感等方面都对人体的热舒适起着十分重要的作用。目前，国内外已有大量学者对室内空气流动与人体热舒适进行研究[3−9]。其中大多数都集中在中性和偏热环境中对气流的冷却效果的研究：ASHARE标准中说明了在中性和偏热环境中提高风速可以空气温度和辐射温度升高进行补偿[1]；Edward等[10]提出了在偏热环境中，室内风速与操作温度形成的舒适区范围；Candido等[11]通过现场调研得出巴西自然通风建筑中，不同操作温度对应的可接受风速范围；Marc等[12]对偏热环境中不同局部送风方式对人体热舒适的影响进行了研究，并提出了相关模型；这些研究的共同点都旨在维持人体热舒适的同时降低空调的能耗。而偏冷环境中对风速的研究主要考虑是空气流动造成吹风感及人体产生的不舒适[1,13−16]，迄今为止，在暖气流对低温环境补偿，改善人体热舒适方面的研究非常少。现今我国未集中供暖地区冬季室内环境十分恶劣，人们生活环境的热舒适性急需得到提高；但若大规模采用供热或空调的形式，其建筑能耗势必大幅度增加，将对我国能源供应安全带来极大的压力[17]。因此，寻求一种既节能又能提高人体热舒适性的供暖方式十分重要。基于此，本文作者开展了对人体局部供暖风的实验研究，探索这种局部采暖方式对人体舒适性的影响。

1 实验方法

1.1 实验对象

本次实验的实验对象均为身体健康的在校大学生，且均为自愿参与此项实验。实验3个工况中受试者的详细信息见表1，其中每个工况男女比例均为1:1。

1.2 实验流程

实验于2011年1月在一个自然通风的实验室中进行，共有3个工况，分别是在局部供暖风阶段从后方对受试者的颈部送风，从前方对腹部送风和对小腿送风。受试者在实验开始前30 min进入实验室休息并适应环境。实验开始后，受试者静坐于实验室中，10 min时填写调查问卷，之后开启暖风设备，15 min和30 min时再分别填写调查问卷。在实验过程中，对暖风的参数和暖风设备开启前后的室内环境参数进行了测试；暖风参数的测试位置为人体附近0.1 m，高度对应送风部位；室内环境参数的测试高度为0.6 m。实验流程见图1，暖风参数见表2，暖风设备开启前后室内环境参数见表 3。实验前受试者均可根据当日实际气候自由调节自己的服装热阻。

表1 受试者信息(平均值±标准差)Table 1 Information of subjects (mean±standard deviation)

图1 实验流程Fig.1 Experimental process

表2 不同工况暖风参数(平均值±标准差)Table 2 Parameters of warm airflow in different setting conditions (mean±standard deviation)

1.3 测试仪器

实验对空气干球温度、相对湿度和空气流速进行了测量。其中采用干湿球温湿度计(DHM2)测量室内干球温度和相对湿度，仪器精度如：温度为±0.1 ℃，相对湿度为±2%；采用热线式风速仪(Testo 425)测量室内空气流速，仪器精度为±0.05 m/s。

1.4 调查问卷

实验中对人体热感觉、潮湿感、气流感、对热环境的可接受程度进行调查，同时还对受试者气流的可接受程度以及期望风速进行调查。调查中使用的相关标尺见表4。

表3 室内环境参数(平均值±标准差)Table 3 Indoor environmental parameters (mean±standard deviation)

表4 热环境调查标尺Table 4 Scales used to measure subjective response to environmental variables

2 结果与讨论

2.1 热感觉

图2 不同送风部位热感觉投票变化(平均值±标准差)Fig. 2 Change of thermal sensation vote(mean±standard deviation)

图2所示为在3个工况下人体热感觉投票(TSV)的变化。由图2可见：10 min时的TSV小于−0.85，此时室内为自然通风状态，人体处于一个冷不舒适的状态；开启暖风设备后，15 min时受试者的热感觉投票显著提高(p＜0.01)，TSV均大于−0.5；30 min时受试者热感觉投票有小幅的提高，但并不显著(p＞0.05)。结果表明：3个部位的局部供暖风对改善人体的热舒适性都有较好的效果，热感觉对局部送风的响应较快，且不随送风时间变化。

2.2 湿感觉

图3所示为3个工况下人体湿感觉投票(HSV)的变化。由图3可见：实验开始时受试者的湿感觉处于一个较中性的状态，局部送风后，受试者的湿感觉投票显著降低(p＜0.01)，随着暴露时间的增加，干燥感越来越强，30 min时腹部送风工况的HSV小于−1，大部分人感觉到干燥。结果表明：3个部位的局部送风对人体的湿感觉均有影响，湿感觉随着暴露时间逐步降低，干燥带来的不舒适感在对腹部送风时最为明显。

图3 不同送风部位湿感觉投票变化(平均值±标准差)Fig. 3 Change of humidity sensation vote(mean±standard deviation)

2.3 气流感

图4所示为3个工况下人体气流感投票(MSV)的变化。由图4可见：暖风设备的开启后，受试者开始感受到气流的影响；30 min时颈部和腹部送风工况气流带来的影响越来越大，腹部送风工况的 MSV接近1，气流带来的不舒适感明显；小腿送风工况人体对气流的感觉变化不显著(p＞0.1)，30 min时的MSV小于0.5，气流感处于一个可接受的范围。结果表明：在开始送风设备后，对颈部和腹部送风时人体可以明显的感觉到气流带来的影响，而对小腿送风时气流对人体影响不大。

图4 不同送风部位气流感投票变化(平均值±标准差)Fig. 4 Change of air movement vote(mean±standard deviation)

图5～7所示分别为3个工况中受试者对气流可接受的百分比。可见：在10 min时，3个工况人员对气流的可接受投票都集中在 0，此时，大部分人对气流处于一个最满意的状态。15 min时，投票为0的百分比有所降低，投票为1的增加，已有受试者感到气流偏大，但0投票的人员仍占大多数。30 min时，颈部和腹部送风工况的曲线较之前均有偏离，占大多数的投票已由0变成了1，此时大多数的受试者已感觉到气流的影响，并且出现了2的投票，已有受试者对气流过大表示不可接受；而小腿送风工况中30 min时的投票与15 min时的情况类似，投票为0的受试者依然占据大多数，气流对受试者的影响较小。结果表明，颈部和腹部送风工况人员对气流的可接受度是随着暴露时间逐渐降低的，而小腿送风工况中人体对气流有较好的可接受度，感觉气流恰好的受试者始终占到50%以上。

图5 颈部送风工况气流可接受百分比Fig. 5 Air movement acceptability when warm airflow applied to neck

图6 腹部送风工况气流可接受百分比Fig. 6 Air movement acceptability when warm airflow applied to waist calf

图7 小腿送风工况气流可接受百分比Fig. 7 Air movement acceptability when warm airflow applied to calf

2.4 热环境可接受度

图8所示为在3个工况下，人体对热环境可接受度的变化。由图8可见：10 min时人员对热环境的可接受程度都不高，均低于70%；暖风设备开启后可接受度显著提高， 15 min的可接受度提高了10%～30%，其中对腹部和小腿送风的改善比较明显，可接受度达到了85%以上；30 min时的可接受度，颈部和腹部送风工况显著降低，基本回到了10 min的水平，小腿送风工况则变化不大，保持在80%以上。结果表明：局部暖风设备短时间可提高人体对热环境的可接受度，但在长时间的暴露中，只有对小腿送风才能起到较好的改善效果，而对颈部和腿部送风并不能有效地提高可接受度。

图8 不同送风部位人体对热环境的可接受百分比Fig. 8 Change of acceptability of thermal environment

造成人体对热环境不可接受的原因如表5所示。由表5可见：在10 min时，3个工况中造成人员不可接受的主要原因都是冷。15 min时由于冷造成的不可接受百分比下降，而由于气流过大造成的不可接受百分比增加，但都在15%以下。30 min时，腹部和小腿送风工况中已没有由于冷而对环境不可接受的受试者；对颈部和腹部送风中气流过大造成人员不可接受的百分比继续增加，达到25%，而对小腿送风中气流过大造成的不可接受百分比只有 9%；由于腹部和小腿的送风是从人体正面进行，一部分对热环境不可接受的原因是干燥，这种情况在腹部送风中比较 明显。

2.5 不良反应

实验过程中持续的气流冲击给人体造成了一些不良反应，包括头晕恶心、呼吸受阻或不畅。图9所示为在3个工况下，人体产生不良反应的人员比例。由图9可见：随暴露时间的增加，不良反应的比例上升，颈部和腹部送风工况带来的不良反应较大，在30 min时超过了25%的人群，小腿送风工况在30 min时感觉到不适的人员低于15%，环境相对来说较好。

2.6 讨论

在自然工况中，热环境处于一个偏冷的状态，TSV小于−0.85，大多数人对热环境表示不满意。在开启局部暖风设备后，人体的热感觉有一个较大的改善，TSV大于−0.5，并随着暴露时间的增加，TSV逐步接近于0，人体处于一个热舒适的状态。但在暖风暴露的同时，干燥和气流给人体带来了不舒适感。这些不舒适感在短期的暴露中并不明显。因此，在开始暖风设备5 min时，人体感觉整体热环境得到了很大改善，人体对热环境的可接受程度得到很大提高。但随着暴露时间的增加，这些不舒适感逐步开始显现，对腹部送风使得35%的受试者由于感到干燥而对热环境不满意；对颈部和腹部送风使大部分人员感到气流冲击感带来的不舒适，造成其对热环境不可接受；说明对颈部和腹部的送风方式虽对热感觉进行了改善，但在其他方面使人体产生了新的不适，人员对热环境的可接受程度也与未送风时的接近，且送风后气流的持续作用造成超过25%的人群出现了晕恶心、呼吸受阻或不畅等不良症状，因此，实质上并没有达到改善人体舒适性的效果。对小腿送风在改善了人体的热感觉的同时，只有少数人员感受到气流和干燥的影响(＜15%)，人员对热环境的可接受程度大大提高，绝大多数人员表示对热环境满意，可以作为一种局部供暖的方式以提高人体的舒适性。

表5 不同工况下热不可接受原因统计表Table 5 Thermal unacceptable reason in different setting Conditions %

图9 不同送风部位人体产生不良反应百分比Fig. 9 Percentage of subjects who feel unwell in different conditions

3 结论

(1) 对局部供暖风的方式能将人体由一个较冷的状态(TSV小于−0.85)提高到一个适中的状态(TSV为0)，可以有效地改善人体热感觉。

(2) 局部供暖风会使人体感到一定的干燥和气流而带来的不舒适感，气流冲击还可能使人产生头晕恶心、呼吸受阻或不畅等不良反应。

(3) 人在长时间暴露中，对颈部和腹部供暖风带来的不舒适感和不良反应都较显著，对人体舒适性的改善作用不大。对小腿供暖风能提高人体对热环境的可接受程度，有效地改善人体的舒适性，可以作为一种局部调节的手段。

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