非均匀环境下不同空调形式对人体热舒适的影响

刘昆俐， 李念平， 阿勇嘎， 张稳

(湖南大学土木工程学院， 长沙 418200)

热环境评价标准的制定通常旨在保证均匀稳定的热环境中人体舒适度良好[1]，实际由于太阳辐射、冷窗效应、不同形式的空调等因素的存在，建筑环境的均匀性无法保证，由于人体的局部皮肤温度变化因环境不均匀程度而异[2]，同时非均匀环境中辐射源强度与人员特征会影响人体可接受的最大辐射不对称度[3-4]，因此研究者针对非均匀工况下的环境评价指标和人体热舒适进行了探究。Zhou等[5]提出不同类型辐射环境中，人体可接受的不对称辐射温度极值不同。Arens等[6-7]、Zhang等[8]提出非均匀环境下人体局部-全身热舒适遵循“抱怨模式”，即全身热舒适由身体最不舒适部位的热反应所决定。王昭俊等[9]、徐云艳[10]发现冷窗引起的不对称辐射环境中人体热舒适由小腿决定，仍遵循“抱怨模式”。Tian等[11]发现使用顶板辐射加空调新风系统对人体上半身舒适度有显著提高，可见有必要研究非均匀环境下人体局部和整体的热舒适特性及其改善。

相较于传统空调末端，辐射空调系统因其具有通风速率低[11]、能效比高[12]、消除垂直温差[13-14]、减少污染[15]等优势而获得青睐，逐渐应用于对人体局部热舒适的改善[11]。此外，人员的主动行为调节也能提升人体舒适度[16-17]，当室内人员变温需求产生差异时，可以使用个人舒适系统(personal comfort system，PCS)进行调节，个人舒适系统通过改善身体局部热状况来改善人体舒适度[18]，即使背景温度未达到舒适范围时，人员也能在非均匀环境中达到热中性状态[19]，从而扩宽中性温度区间，节能效果显著[20]。然而，这些研究大部分采用对流空调控制背景温度，在采用辐射空调的非均匀环境中增加PCS改善人体热舒适的研究较少。

因此，在对流空调作为基本空调形式的基础上，现使用辐射空调及PCS对人体进行调节，以此得到冬季非均匀环境下不同空调形式和PCS对人体热舒适的影响。

1 实验

1.1 实验环境和受试者

实验在湖南大学建筑节能与绿色建筑研究的中心气候实验室中进行，实验室平面布置图和内部房间测点布置分别见图1和图2。实验室由房间1、房间2组成，均为2.2 m(宽)×3.5 m(长)×3 m(高)，两房间之间由一扇保温隔热门进行连接。两房间均有风机盘管空调系统，在地板、天花板均设有辐射板，可实现独立控制。

图1 实验室整体平面布置图Fig.1 The overall layout of the laboratory

招募20名健康的在校研究生，受试者男女比例1∶1，具体生理特征参数如表1所示。所有受试者穿着服装热阻约为1 clo(1 clo=0.155 m·K/W)的服装参加实验，包括内衣、内裤、薄外套、裤子、袜子和运动鞋。实验期间受试者在室内静坐，进行轻办公活动，如阅读、写作等，代谢率接近1.1 met[1 met=4.184 kJ/(kg·h)]。

图2 实验室内部房间测点平面布置图Fig.2 The layout of measuring points in the inner room

表1 受试者生理特征参数Table 1 Anthropometric data of subjects

1.2 实验方法

1.2.1 实验参数

实验期间人员静坐于距窗1.5 m处，需测量的环境参数包括壁面温度、室内空气温度、相对湿度、空气流速、黑球辐射温度，其中壁面温度测点布置见图2，具体设备及参数见表2。

文献[21]研究表明，冬季非均匀环境下皮肤温度采集需n个测点，故采用Colin Houdals的“十点法”经验公式加权计算，计算公式为

Tms=0.06Tf1+0.12Tc+0.08Tu+0.12Ta+

0.06Tl+0.05Th+0.19Tt+0.13Tg+

0.07Tf2+0.12Tb

(1)

式(1)中：Tms为平均皮肤温度；Tf1为额头温度；Tc为胸部温度；Tu为上臂温度；Ta为腹部温度；Tl为小臂温度；Th为手背温度；Tt为大腿前侧温度；Tg为小腿前侧温度；Tf2为足部温度；Tb为肩胛部温度；温度单位均为 ℃。

表2 实验仪器型号及测量参数Table 2 Experimental apparatus model and parameters

1.2.2 实验流程和工况

实验在长沙冬季(2021年1月)进行，针对中性环境下不同空调形式和个人舒适系统(带靠背的加热座椅)对人体热舒适的影响，因此共设计了6个工况，每个工况20人次，风速≤0.1 m/s，每个房间温湿度保持相对恒定。

实验分为过渡阶段和试验阶段，分别在实验房间1和2中进行。流程图如图3所示，具体流程如下。

(1)过渡阶段为20 min，在过渡阶段开始和结束时分别填写一份问卷。

(2)实验阶段为30 min，进入实验间2时填写第一份问卷，之后每隔10 min填写一次，若该阶段有PCS时，前10 min受试者不能调节PCS，后20 min受试者可自由调节PCS。

每个工况的温度都设为20 ℃，工况1～工况3的空调形式分别为对流空调、辐射地板和辐射吊顶，且不使用PCS；工况4～工况6的空调形式分别为对流空调、辐射地板和辐射吊顶，使用PCS。

1.2.3 主观问卷

实验的问卷调查主要包括局部和全身热感觉(thermal sensation votes， TSV)、局部和全身热舒适(thermal comfort votes， TCV)、热可接受度(thermal acception votes， TAV)和热愉悦感，问卷收集采用问卷星完成。主观问卷调查投票标尺划分如图4所示。

图3 实验具体流程Fig.3 Experimental procedures

图4 主观问卷投票标尺Fig.4 Subjective questionnaire voting scale

1.2.4 非均匀环境评价指标

不对称辐射温度Δtpr是室内两个相对壁面的平板辐射温度之差的最大值，能反映室内不同方向的热环境不对称程度。根据参考文献[22]，平板辐射温度可以采用定义法进行计算，两平面间的角系数计算参考ASHRAE手册(2009)，见式(2)。垂直不对称辐射温度是上下方向辐射温度之差，水平不对称辐射温度是所有水平方向不对称辐射温度之差的最大值。

(2)

式(2)中：Ti(i=1，2，…，N)为围护结构内表面的温度， ℃；Fp-i(i=1，2，…，N)为两平面间的角系数。

根据参考文献[9-10]，室内不对称辐射来源主要是垂直方向，因此3种空调形式下垂直不对称辐射温度Δtpr-v计算结果见表3。

表3 三种空调形式下垂直不对称辐射温度计算值Table 3 Vertical asymmetric radiation temperature values at room center under the three conditions

2 实验结果与分析

2.1 不同空调形式下不使用PCS的参数

研究不同形式空调下人体热舒适特性及改善，对工况1～工况3(对流-辐射地板-辐射吊顶)实验阶段进行分析。

2.1.1 环境参数

各设定空调温度的实验环境参数如表4所示，所测得的平均环境温度(0.6 m高)与设定的环境温度相近，实验环境中其余相关参数的控制良好。

表4 具体实验环境参数Table 4 The experimental parameters of experiments

2.1.2 皮肤温度

经检验，工况1～工况3各部位皮肤温度差异性较显著(P<0.05)。图5所示为3个工况下各部位和平均皮肤温度。

稳定后工况1～工况3的平均皮肤温度差别不大，分别是32.7、32.7、32.6 ℃。局部皮肤温度存在差异，与工况1(对流)相比，工况2(辐射地板)小腿和足部平均温度分别提升0.6 ℃和1.0 ℃，工况3(辐射吊顶)小臂和手背平均温度则提升0.9 ℃和0.8 ℃。可见辐射地板对于局部皮肤温度改善集中在下半身，辐射吊顶主要是针对上半身皮肤温度有改善作用。

2.1.3 整体热感觉-热舒适

通过对不同空调形式下人体主观热反应进行评价，评测室内环境舒适度。图6所示为工况1～工况3人体主观反应比较结果图。

由图6可知，三种工况下热感觉投票TSV均小于0，介于“不冷也不热”和“有点冷”之间，说明三种工况下整体热感觉偏冷，全身热舒适投票介于“没感觉”和“有点舒适”之间，热可接受度投票TAV介于“勉强可接受”至“可以接受”之间，其中工况3(辐射吊顶)的热感觉和热舒适投票值最大，人体舒适度最高，这是因为人体核心区热感觉得到改善，进而影响全身舒适度。当热感觉为中性偏冷时，人员仍感到舒适，说明人员对于微冷环境有一定的耐受力。

图6 三种工况下人体主观热反应比较图Fig.6 Overall comparison of the thermal responses under three conditions

图5 三种工况下皮肤温度图Fig.5 Skin temperatures during the experimental process under three conditions

图7 三种工况下TSV百分比堆积条形图Fig.7 TSV during the experimental process under three conditions

图8 三种工况下TCV百分比堆积条形图Fig.8 TCV during the experimental process under three conditions

2.1.4 局部热感觉-热舒适

图7所示为工况1～工况3局部热感觉投票(TSV)百分比的统计结果，局部热感觉投票差异性较显著(P<0.05)。

暴露在不同的非均匀环境中，人体局部热感觉不同。与工况1(对流)相比，工况2(辐射地板)小腿和足部热感觉投票为“有点冷”的人员比例下降了1%、3%，工况3(辐射吊顶)小臂和手背热感觉投票为“有点冷”的比例均下降了1%。

图8所示为工况1～工况3局部热舒适投票(TCV)的百分比结果图，局部热舒适投票差异显著(P<0.05)。

当某部位热舒适投票在“有点不舒适”及以下时，认为人员该部位对所处热环境不满意。与工况1(对流)相比，工况2(辐射地板)小腿和足部不满意比例下降了12%、17%，工况3(辐射吊顶)小臂和手背不满意比例分别下降了5%、8%。不同类型的辐射不对称环境对人体上下半身热感觉影响不一致，导致确定整体热舒适时，人体各部位的权重系数不同，进而会影响人员对于热环境的评价。

综上，辐射吊顶改善小臂和手背热感觉和热舒适效果明显，辐射地板改善小腿和足部的热感觉和热舒适。

2.2 不同空调形式下使用PCS前后的参数

研究使用PCS后对人体热舒适影响，选取工况4～工况6(对流-辐射地板-辐射吊顶)的实验阶段进行分析。

2.2.1 皮肤温度

经检验，发现使用PCS前后局部皮肤温度之间存在差异性(P<0.05)。三种空调形式下有无PCS(加热座椅)前后皮肤温度的变化如图9所示。

从图9可知，不同空调形式下整体皮肤温度在使用PCS后分别提升了0.2 ℃(对流)、0.1 ℃(辐射地板)、0.1 ℃(辐射吊顶)。局部皮肤温度使用PCS后提升最显著部位分别是大腿(对流)、小臂(辐射地板)、大腿(辐射吊顶)，分别升高了0.4、0.5、0.4 ℃。

图9 三种空调形式下皮肤温度图Fig.9 Skin temperatures during the experimental process under three air-conditioning forms

可见通过加热座椅可直接加热躯干及躯干附近，以此提升人体局部皮肤温度和热感觉。

2.2.2 热感觉和热舒适

图10所示为三种空调形式下主观反应比较图。图10(a)中，足部在三种空调形式下均是最冷部位，且投票具有显著差异性(P<0.05)。使用PCS后，只有辐射地板的TSV平均值升高，对流与辐射吊顶空调TSV平均值降低，因为当空调对人体热感觉的影响强于PCS的改善效果时，局部热感觉投票值会随时间下降。图10(b)中，全身热感觉和热舒适投票平均值在使用PCS后均得到提高，在辐射地板空调中使用PCS对全身热感觉提升最显著，人体热舒适则在对流空调组合PCS时改善效果最好。

图10 三种空调形式下足部和全身主观热反应比较图Fig.10 Comparisons of the feet and overall thermal responses under three air-conditioning forms

2.2.3 期望温度

取人员在各工况最后2次投票的期望温度(preferred temperature， PT)平均值进行分析，得出三种空调形式下人员使用PCS前后期望温度变化图，见图11。不同空调形式下，使用PCS前后期望温度分别下降0.5 ℃(对流)、1.0 ℃(辐射地板)、0.5 ℃(辐射吊顶)。可见在辐射地板中使用PCS降低人员期望温度值效果最显著。

图11 三种工况下人员的期望温度变化Fig.11 Thermal preference under three conditions

3 讨论

3.1 非均匀环境下近窗侧与远窗侧对比

将表3中三种空调形式下垂直不对称辐射温度Δtpr-v分为3个温度区间：7～9 ℃、9～11 ℃、11～13 ℃，分别对应对流空调、辐射地板空调、辐射吊顶空调，由2.2.2节中足部是最冷部位，因此对不同Δtpr-v下距窗1.25 m(近窗侧)、1.75 m(远窗侧)以及全体(包含近窗侧和远窗侧)受试者进行分析，经检验，发现不同位置处人员足部皮肤温度之间存在差异性(P<0.05)。图12与图13分别为三种空调形式下不同位置人员足部皮肤温度和热感觉投票比较图。

三种空调形式下远窗侧足部皮肤温度和热感觉投票值均高于近窗侧，因为离窗越近，所受外墙外窗冷辐射更强[10，23]，不对称辐射感的增强会使人体热感觉投票值下降；全体人员足部皮肤温度和热感觉投票值在辐射地板空调中最高，辐射吊顶工况下全体人员足部热感觉最冷，这是因为辐射吊顶空调产生的热流集中在房间的中上部区域，而辐射地

图12 三种空调形式不同位置人员足部皮肤温度对比图Fig.12 Comparisons of the feet skin temperature of human at different positions under three air-conditioning forms

图13 三种空调形式不同位置人员足部热感觉 投票对比图Fig.13 Comparisons of the feet TSV of human at different positions under three air-conditioning forms

板空调产生的热流可以抵消人体下半身所在环境中的部分垂直温差来提升局部的热感觉与热舒适。

3.2 非均匀环境下热感觉评价模型

不同工况下，同一部位对全身热感觉的相关性不同[8]，因此有必要分析工况1～工况3局部对全身的热感觉影响权重。参考李念平等[24]的局部与整体回归模型，采用多元逐步回归法消除局部热感觉的共线性，进行分析，回归模型结果如下。

工况1：

TSV=1.356TSVc-1.249TSVb+0.331TSVh+

1.155TSVt-0.041

(3)

工况2：

TSV=0.465TSVc+0.456TSVu-0.096

(4)

工况3：

TSV=0.458TSVb+0.519TSVu+0.423TSVt+

0.028

(5)

式中：TSVc为胸部热感觉投票值；TSVu为上臂热感觉投票值；TSVh为手背热感觉投票值；TSVt为大腿前侧热感觉投票值；TSVb为肩胛部热感觉投票值。

从式(3)～式(5)可知，工况1(对流)中，胸部、肩胛部、手背、大腿的影响权重较大，工况2(辐射地板)中权重较大的是胸部和上臂，工况3(辐射吊顶)中影响权重较大的部位有肩胛部、上臂、大腿，说明可通过引入辐射空调来改善局部和整体的热感觉与热舒适。本实验结果与之前研究比较见表5。可以看出，工况2、3得出上臂在辐射工况下权重最大的结论与李念平等[24]一致，其他结果因空调形式、设定温度的工况及实验强度等因素而不同。

3.3 PCS对人体热舒适的改善

图14为不同垂直不对称辐射温度下使用PCS前后热感觉提升最显著部位主观反应比较图。在7～9 ℃、9～11 ℃、11～13 ℃ 3个温度范围内使用PCS前后热感觉提升最显著部位分别是肩胛部、腹部和大腿，可见，加热椅通过改善直接加热部位的热感觉与热舒适来削弱其他部位的不适感[26]。

表5 局部对整体热感觉影响权重文献比较Table 5 Literature comparison of the weight of local influence on overall thermal sensation

图14 不同不对称辐射温度下使用PCS前后热感觉提升最显著部位主观反应图Fig.14 Subjective responses of the most significant part of the TSV with the presence of PCS under different asymmetric radiation temperatures

3.4 PCS节能分析

根据加州伯克利大学给出的不同设定温度下空调系统平均节能率可知，每降低1 ℃空调设定温度，可节约10%左右的能源，由2.2.3节分析可知，在辐射地板中使用PCS降低人员热期望值可达1 ℃左右，若根据人员热期望值调控空调设定温度值，可节能10%左右。

4 结论

通过对非均匀环境不同空调形式下对人体热舒适的影响进行研究，得出以下结论。

(1)在不同空调形式下，平均皮肤温度基本相同，局部皮肤温度与热舒适有所差异。相较于对流空调，辐射吊顶对小臂、手背以及全身热感觉与热舒适改善效果最好，辐射地板则对小腿和足部的热感觉和热舒适改善效果最好。

(2)不同空调形式下局部热感觉对整体热感觉影响权重不同。对流空调中胸部、肩胛部、手背、大腿对全身热感觉的影响权重较大，辐射地板系统中影响权重较大的是胸部和上臂，辐射吊顶中影响权重较大的部位有肩胛部、上臂、大腿。

(3)将3种空调形式下垂直不对称辐射温度Δtpr-v分为3个温度区间：7～9 ℃、9～11 ℃、11～13 ℃，不使用PCS时远窗侧人员最冷部位(足部)皮肤温度和热感觉投票值均高于近窗侧，且全体人员足部皮肤温度和热感觉投票值在辐射地板空调中最高；使用PCS后3个温度范围内热感觉提升最显著部位分别是肩胛部、腹部和大腿。

(4)3种空调形式下，使用PCS对辐射地板空调中最冷部位(足部)的热感觉提升最显著；同时，PCS可以降低人员的热期望，在辐射地板组合PCS时，期望温度值变化最大，降低1 ℃左右，可节约10%的能源。