基于室内空气控制系统控制下的人体热舒适研究

杨焱，左洪亮

（河南科技大学艺术与设计学院，河南 洛阳 471023）

随着社会的发展，空调在室内环境中的大量使用，仅仅调节温度高低已不足以满足人们对居住环境舒适度的需求，人们的需求正在逐步提高。人们大部分的时间是在室内度过的，无论从在家办公的工作效率还是个人身体健康方面，如今人们对室内空气质量会有更高的要求，从温度、湿度、新鲜度方面来讲，传统的空调、加湿器等家用电器已不足以满足人们对室内环境舒适度的要求。温度是室内环境中的一个重要因素，通常家庭中的空调设置因素会首先考虑温度的高低，是因为人体热舒适主要与周围环境温度的变化有关，但人体热舒适的个体差异也会比较大，比如，不同性别、体质、年龄都会造成很大的差异，根据国际标准化组织(ISO)制定的ISO 7730标准表明，室内比较适合的温度为20～26℃，即冬季满足20℃以上，夏季满足26℃以下；湿度也是室内环境中一个必不可少的因素，现有空调在夏季给人们带来凉意的同时，也会抽走一部分的水分，会造成室内很干燥，造成室内缺水严重，进而导致人体缺水，然后造成人体不适，室内的人会出现一些皮肤干燥、嘴唇干裂等现象，最终将会引发空调病，根据国际标准化组织(ISO)制定的ISO 7730标准表明，比较符合的室内环境的相对湿度大致为40%～60%；新鲜度也是室内环境中必须考虑的因素之一，由于室内环境是人们接触频繁、密切的环境之一，人们约有80%以上的时间是在室内度过的，与室内空气污染物的接触时间较多，良好的空气新鲜度发挥了巨大的重要性，不但可以满足人们的舒适性要求，还可以提高劳动效率。而空气新鲜度只与O2、CO2、空气负离子有关，那么空调房间就只需改变以上三者的浓度即可，这样就可以大大减少新风负荷。

1 室内环境研究与人体热舒适之间的关系

1.1 室内空气设备研究现状

20世纪以来，以空调为代表的各种室内控制技术飞速发展，为营造健康舒适室内环境提供可能，目前市场上的室内空气设备种类也比较多，如空调、空气净化器、空气净化设备与系统、空气加湿器、家用新风系统等，但从使用方式和

（1）空调。多数家庭中安装的空调类型主要为壁挂式和立柜式，且空调管道不美观，在空调使用方面，空调安装位置固定，在一些相对不常用的房间安装空调会造成资源浪费，如果不安装空调，又会影响后续的使用需求。并且大部分情况下，人们都是根据自己的主观感受对空调进行温度的调高调低，没有考虑真正的人体热舒适感觉。

（2）空气加湿器。容易造成细菌滋生以及污染物的出现，不太适合老年人等特殊人群使用，并且他们也不清楚它的具体用途。另外，由于地域气候的差异，北方相对来说比较干燥，使用加湿器的频率比较高，而南方更多的是进行除湿。总的来说，人们使用频率不高。

（3）空气净化设备与系统。空气净化设备是一种质交换的设备，空气净化的对象主要为新风（室外大大气尘）和回风（室内产尘），空气净化设备的分类主要包括一般净化、中等净化、超净净化，而一般净化为普通民用，目前人们使用频率较低。

（4）家用新风系统。目前很多家庭中对新风系统没有概念，不了解新风系统的使用原理，且认为安装过于麻烦，新风系统对于大部分人来说，更像是一个遥不可及的未知数，目前尚未普及使用。

1.2 室内空气控制系统研究现状

相对空调而言，室内空气控制系统对于室内环境的调控将更具有智能化、均衡性、全面性、人性化的特点，而不仅仅只是一个简单的产品设计，需要进行技术分析、系统方案分析、控制逻辑设计分析、硬件设计构思等过程，对此，国内外已经开展了不少相关研究研究，比如文献[2]在分析温度、湿度、风速、平均辐射温度四个热环境参数对PMV指数影响的基础上，基于人体舒适度模型的模糊控制，设计了一种室内舒适度控制器；文献[3]提出如何智能化地进行室内温度控制与空气质量保障之间的平衡工作非常重要，分析研究了如何利用信息化、数字化等现代技术改善机械通风换气装置等问题；文献[4]对人体舒适度指标PMV进行了分析,深入研究了影响人体舒适度的四个环境因素（温度、相对湿度、风速、平均辐射温度）和两个非环境因素（人体新陈代谢率、服装热阻）,并利用MATLAB 2015b编程仿真确定环境因素中的可控因素（温度、相对湿度、风速）对PMV的影响程度,为控制策略提供理论支持,设计了基于人体舒适度的空调房间控制系统。针对室内空气控制系统设计中的一个重要因素，即人体热舒适，需要对其进行具体的研究分析，以下将对人体热舒适通过实验和问卷的方式来进行具体分析，其中包括分析人体热舒适与热环境参数的关系分析，重点将从室内温度对于人体热舒适的影响关系进行分析。

2 人体热舒适实验分析

2.1 人体生理客观参数分析

人体舒适度是指人体皮肤和组织内部有很多感受器官，能够感受到肌体内外的环境变化，并通过神经系统对感受到的变化产生反应，并且人体在不同的外界环境影响下，皮肤、眼、神经等器官因受环境刺激而产生不同的感觉，经过大脑神经系统整合后形成的总体感觉的适宜或不适宜程度。本次研究的主要是室内环境，在此情况下，主要分析的是人体皮肤对环境刺激产生的不同热感觉，即人体舒适度主要表现为室内人体热舒适（HTC）。而人体皮肤温度、心率变异性、新陈代谢率、脑电波、肌电、排汗率与人体热舒适具有较好的生理相关性，具备作为人体热舒适客观评价指标的生理基础，其中人体平均皮肤温度和新陈代谢率是两个重要的生理因素，平均皮肤温度反映热舒适程度的灵敏性较高，具备较高的可靠性，而且其测量与计算较简单，可作为1个有效的客观指标来评价不同热环境下的人体热舒适程度。

而PMV指标是丹麦的范格尔（Franger）教授提出的综合了空气温度、空气相对湿度、空气流动速度、平均辖射湿度、服装热阻和人体的新陈代谢率等6个因素的一种热舒适性评价方法。自从Fanger教授提出了PMV指标，作为全面性的热舒适评价指标，已被广泛应用于各种环境中人体的热舒适值计算，PMV值对应的热感觉关系如表1所示。

表1 PMV值对应的热感觉

2.2 人体热舒适的主观评价以及客观测量分析

选取20名健康受试者，男女不等，无任何心血管疾病和传染性疾病，且在测试前一天未服用酒、咖啡、药物，未进行剧烈运动，保持良好、充足的睡眠。测试房间内通风正常良好，受试者穿着舒适，为减少外界环境对受试者的影响，受试者到达实验室后，静坐休息15分钟。实验正式开始前，测量实验室房间内的空气温度、湿度、风速数据，并做好数据记录。

本次主观投票主要是采用问卷的形式，包括受试者对不同室内环境进行的热感觉投票(TSV)及热舒适度投票(TCV)。采用ashrae/iso七点热感觉量表进行热感觉评分，分别为热(+3)、暖(+2)、微暖(+1)、中性(0)、微凉(-1)、凉(-2)和冷(-3)。由于热舒适与热感觉存在分离的现象，因此在实验研究人体热反应时除了热感觉投票(TSV)，往往也设置评价热舒适程度的热舒适投票(TCV)：不可忍受。

室内相对湿度和风速因实验条件有限，分别设计为30%和0.01m/s,设置几组温度梯度数据，分别为：19℃，20.5℃，22℃,23.5℃,25℃,26.5℃，28℃，根据上面所说的平均皮肤温度可作为1个有效的客观指标来评价稳态热环境下的人体热舒适程度，设置不同温度参数之后，需静坐等待10min，测量人体8个部分的皮肤温度，包括前额、左肩胛、左上胸、左上臂、左前臂、左手、左前大腿、左后小腿的温度，然后根据相关公式计算平均皮肤温度，进行主观问卷投票，以及通过室内环境、很不舒适、不舒适、稍不舒适、舒适。每位受试者根据自身的实际情况进行投票。参数的测量，进行PMV数值的计算，从而了解不同环境参数下人体热舒适的相关情况，每次设置不同参数后，重复以上操作。实验所需仪器如表2所示。

表2 实验参数测量所需仪器

根据美国加州大学伯克利分校建筑环境中心CBE热舒适计算工具计算分别对应19℃、20.5℃、22℃、23.5℃、25℃、26.5℃、28℃的PMV值。受试者基本上统一着装，服装热阻约为1.0clo,实验过程中受试者处于静坐状态，根据美国供热致冷空调工程师协会中的参考值，人体代谢率统一取参考值1.0met,室内相对湿度约为30%RH,空气流速约为0.01m/s，统计结果如下表格，基本与上面所设计的主观问卷投票结果相一致（见表3）。

表3 不同室内温度对应的PMV值以及热感觉

2.3 实验结果分析

（1）环境参数结果分析。室内环境参数的测试结果如下，表4对环境参数进行了描述性统计分析，包括测试数据的平均值和标准方差。

表4 环境参数结果分析

（2）主观问卷结果分析。主观问卷包括热感觉评价投票和热舒适评价投票，调查结果如下，受试者在冬季正常穿着的情况下，在19～23℃的温度区间，大部分受试者是感到凉或者微凉的，甚至在极低的温度19℃以下是感觉到冷的，而在23～25℃绝大部分受试者感觉中性，由于体质、体型不同，有少数受试者在23.5℃时感觉是微凉的，还有部分受试者在25℃时已经感觉到微暖，而在25～28℃大部分受试者的感觉是微暖或者暖，由于个人差异或者服装热阻的影响结果略微不同。对于热舒适评价投票，受试者在19～23℃的温度区间是感到稍不舒适的，23℃以上普遍感觉到舒适，温度过高如28℃以上会有不舒适感，在这样的温度环境下待久了会有燥热感。

（3）室内温度变化对皮肤温度的影响。实验中随着温度的升高，即由偏冷环境向偏暖环境变化时，受试者的8个部位皮肤表面温度均逐渐上升，平均皮肤温度也呈现近似线性上升的趋势。结果如图1所示。

图1 不同环境温度下人体平均皮肤温度的变化

3 基于人体热舒适的室内空气控制系统设计研究

人们长期处于空调房间内，由于传统空调的恒温控制，容易造成室内外温差过大，进出室内外会有明显的温度差异，且温度设置或高或低已不能满足人们的人体舒适度要求。根据之前的人体热舒适实验结果分析，不同环境温度下人体热舒适感觉是不一致的，并且人们对室内空气控制系统的需求可概括为以下几点：空气温度控制功能、空气湿度控制功能和新鲜度控制功能，这些基础功能的实现方式是通过硬件设备；为了使空气控制设备所实现的基础功能更好地满足人体生理和心理需求，提升室内家居生活质量，则需要通过控制软件来实现。

室内空气控制系统主要应该由硬件和硬件控制两个部分组成，功能执行硬件和数据采集硬件两个部分，根据功能需求，控制器数据采集功能主要实现室内常见污染气体浓度以及温湿度的检测，并将检测数据反馈给控制器，除了环境数据采集，还需要包括人体数据采集，白天状态时，可以通过智能手环等穿戴产品进行采集，可随时检测到人体生理数据的变化过程，同时连接移动客户端即手机APP来随时查询数据；当夜晚状态时，通过床上或床头上的传感器检测人体睡眠状态，心率状态，以及生理状态，同时传感器把数据反馈给控制器进行温度、湿度、新鲜度的调节，让人们可以有更加舒服的睡眠状态。总的来说，各种空气控制设备相互配合形成一个空气控制工作组，根据人们在不同时间、不同生理状态下进行自我调节，并符合人体热舒适需求。空气控制系统的控制方式采用可人为干涉的智能控制，可以在人体主观感受与环境参数不相符合的情况下进行人为调节。在能效尽可能最大化、资源节约的基础上，提高各种空气控制模块的工作效率以及与其他方面空气控制模块的配合度，进而为人们准确地提供最佳的室内空气质量。

4 结语

本文通过实验、问卷的方法，从人体热舒适的角度，进行客观测量和主观评价两方面的热舒适分析，主观评价和平均皮肤温度有所不一致，比如，随着室内温度的上升，平均皮肤温度也逐渐上升，但人体却仍感觉是舒适的状态，这是由于不能仅靠单一的皮肤温度来预测人体热感觉和热舒适，还要考虑其他因素，相关文献表示，心率变异性、新陈代谢率、脑电波、排汗率与人体热舒适具有较好的生理相关性具备作为人体热舒适评价指标的生理基础。通过客观测量分析和计算计算，根据人体生理参数和环境参数进行实时调控，也可进行人为调控，从生理和心理两个方面真正满足人体热舒适的需求，从而针对人体热舒适的室内空气控制系统设计研究需要满足以下需求：使产品更加具有人性化设计的特点，全方面地考虑人们的生理以及心理特征，以给人们提供更加舒适的生活环境。