不同溫度下立式塔扇吹風(fēng)時人體熱反應(yīng)變化

孫星維 端木琳 李祥立 孫冰 于天嬋

大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部

0 引言

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高，維持更為舒適的室內(nèi)環(huán)境顯得越來越重要，人們對建筑環(huán)境的要求也越來越高[1]，為了既能滿足熱舒適需求又能節(jié)約能耗，在夏季，采用吹風(fēng)形式增加人體散熱，減少人們對溫度依賴則越來越有意義。Huang Li[2]進(jìn)行調(diào)研時也曾指出電風(fēng)扇因?yàn)榄h(huán)保、低成本、給人清新的感覺而被人們廣泛接受。

為了提高對風(fēng)扇的應(yīng)用，國內(nèi)外已有一些風(fēng)速對人體熱反應(yīng)的影響探究，主要采用的風(fēng)扇形式以搖頭扇[3-5]和吊扇[7-8]為主，其中一部分研究還給出了在溫度升高時人體可接受的風(fēng)速限值。近年來，立式塔扇受到越來越多的人的歡迎，這類風(fēng)扇增強(qiáng)了風(fēng)扇的安全便捷性，其渦旋貫流風(fēng)道[9]的設(shè)計(jì)，使其吹風(fēng)更為柔和自然，且更為穩(wěn)定和節(jié)能。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

本研究模擬了辦公室前方吹風(fēng)的環(huán)境，采用立式塔扇于正前方吹風(fēng)，針對均勻環(huán)境送風(fēng)情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)在大連理工大學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)1 號樓人工環(huán)境小室進(jìn)行，人工環(huán)境氣候室長7.5 m，寬5.6 m，高3.6 m，如圖1 所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)中北墻，東墻和屋頂采用的材料為彩色鋼板聚苯乙稀泡沫板，西墻和南墻為透明的有機(jī)玻璃，地面是架空地板。為了避免實(shí)驗(yàn)過程中房間溫度有過大波動，希望實(shí)驗(yàn)空間不要過大，實(shí)驗(yàn)之前在房間中部布置一厚實(shí)的布簾，可以將小室分割成兩個面積相等的空間。在實(shí)驗(yàn)過程中，待房間加熱到一定溫度時，將布簾拉上，只在小室一側(cè)的空間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室處于地下，陽光很少照射到，因而可以忽略太陽輻射的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與測點(diǎn)布置

采用四點(diǎn)法對房間的溫濕度進(jìn)行測量，布置方法見圖1。測量房間溫度時溫濕度自計(jì)議的布置高度為0.6 m，另外在受試者所處位置0.1 m、0.6 m、1.1 m 高度處各布置一個溫濕度自計(jì)議。對于風(fēng)速進(jìn)行測試時，考慮到風(fēng)速變化較為敏感，且受試者動作等會影響測量結(jié)果，因此事先對風(fēng)速進(jìn)行測試，即調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)級和位置，之后測量受試者處的風(fēng)速大小，測試時連續(xù)測試十分鐘求得平均值，即為該處的實(shí)際風(fēng)速。

實(shí)驗(yàn)前開啟空氣源熱泵機(jī)組，通過地板散流器對環(huán)境溫度進(jìn)行控制，此時測量受試者所處位置的風(fēng)速，可以長期保持在0.02 m/s 以內(nèi)，因此本實(shí)驗(yàn)可以忽略地板送風(fēng)口產(chǎn)生的風(fēng)速對受試者的影響。人工環(huán)境氣候室的空氣溫度與濕度的控制精度為±0.5 ℃，控制的對象為背景環(huán)境。實(shí)驗(yàn)使用立式塔扇進(jìn)一步控制風(fēng)速，風(fēng)速變化范圍為0～2 m/s。實(shí)驗(yàn)期間不對環(huán)境濕度進(jìn)行控制，只在每個工況下記錄當(dāng)前濕度。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與受試者

實(shí)驗(yàn)儀器的選用以滿足測量精度為原則，根據(jù)JGJ/T 347-2014《建筑熱環(huán)境測試方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)》[10]所規(guī)定的測試儀器基本要求進(jìn)行選擇，實(shí)驗(yàn)用儀器參數(shù)信息如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用儀器參數(shù)信息

本實(shí)驗(yàn)在大連理工大學(xué)隨機(jī)招募健康受試者，共56 人參與了實(shí)驗(yàn)，均為大連理工大學(xué)在讀本科生或研究生，受試者基本信息如下：

1）性別：男23 人，女32 人；

2）夏季長居環(huán)境：空調(diào)5 人，無空調(diào)50 人；

3）冬季長居環(huán)境：暖氣53 人，火爐/火炕0 人，空調(diào)0 人，無2 人；

4）年齡：平均值為20.5 歲，最大值26 歲，最小值18 歲；

5）身高：平均值為168.9 cm，最大值155 cm，最小值187 cm；

6）體重：平均值為60 kg，最大值85 kg，最小值是45 kg。

受試者中，男生23 名，女生32 名，年齡在18～26歲之間。考慮到熱經(jīng)歷的影響，對冬夏兩季受試者家中空氣調(diào)節(jié)方式也進(jìn)行了調(diào)查。要求受試者在實(shí)驗(yàn)前一天不得飲酒、飲咖啡、服藥，保證正常飲食和睡眠，以確保測試期間身體狀況良好。受試者參與實(shí)驗(yàn)當(dāng)天無劇烈運(yùn)動且正常著裝。每位受試者至少保證參加某一溫度工況下所有風(fēng)速變化工況，實(shí)驗(yàn)時間約為130 min。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中規(guī)定的舒適性空調(diào)室內(nèi)供冷設(shè)計(jì)溫度范圍24～28 ℃，考慮到本實(shí)驗(yàn)的目的是在夏季減少室內(nèi)溫度的降低、通過風(fēng)速實(shí)現(xiàn)對其的擬補(bǔ)，本實(shí)驗(yàn)則以24～30 ℃為溫度范圍設(shè)定工況，每2 ℃一個工況。風(fēng)速共設(shè)定7 個工況，風(fēng)速值在0～2 m/s 之間，具體工況見表2。其中以每個溫度為一個大工況，每位受試者參與一次實(shí)驗(yàn)即表示參與某個溫度工況下7 個風(fēng)速變化全過程，并填寫過程中的熱感覺及吹風(fēng)感。

表2 風(fēng)速級及時間安排

受試者進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前，調(diào)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度，達(dá)到需要的實(shí)驗(yàn)工況。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之后，首先保持靜坐30 min 來使自己達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時向受試者說明實(shí)驗(yàn)需知信息，填寫受試者個人基本信息，包括姓名、性別、身高、年齡、體重、具體著裝、一定時間段內(nèi)的活動狀態(tài)、長居環(huán)境及地點(diǎn)、情緒、有無病史等。

之后，調(diào)節(jié)風(fēng)速至指定數(shù)值，在該環(huán)境溫度下穩(wěn)定15 min[2]后，受試者填寫熱感覺調(diào)查問卷，記錄當(dāng)前熱感覺投票值TSV、熱舒適投票值TCV、熱可接受度投票值TAV、干濕度感覺、吹風(fēng)感、對風(fēng)速的可接受度等，本文主要就熱感覺和吹風(fēng)感進(jìn)行分析，其具體標(biāo)尺見表3[12]。同時記錄室內(nèi)環(huán)境參數(shù)及人體皮膚溫度，包括溫度，相對濕度，迎面風(fēng)速，黑球溫度，室外溫度，受試者手背及額頭皮膚溫度。各個溫度工況下，除調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度到指定工況外，其余的流程是相同的，時間安排如表2 所示。

表3 熱感覺調(diào)查問卷標(biāo)尺

為了方便實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時調(diào)節(jié)環(huán)境溫度穩(wěn)定在指定溫度下后，完成該溫度下所有受試者的實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行下一個溫度工況。其中，24 ℃和30 ℃溫度工況下15 個受試者參與實(shí)驗(yàn)，26 ℃和28 ℃溫度工況下30 個受試者參與實(shí)驗(yàn)。其中，部分受試者參與了四個溫度下的全部實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各因素的相關(guān)性分析

對于熱感覺以及吹風(fēng)感，除了環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速會對其產(chǎn)生影響外，人體的生理參數(shù)、服裝熱阻等也會對熱感覺及吹風(fēng)感產(chǎn)生影響，因此，這里先來分析各個影響因素對熱感覺及吹風(fēng)感的影響程度。

對各個因素進(jìn)行偏相關(guān)分析，來確定對熱感覺和吹風(fēng)感預(yù)測時的自變量，表4 為主要影響因素及相關(guān)系數(shù)，可以看出，風(fēng)速和溫度是影響熱感覺及吹風(fēng)感的主要因素，因此這里主要是進(jìn)一步研究風(fēng)速和溫度對熱感覺及吹風(fēng)感的影響。

表4 偏相關(guān)分析結(jié)果

在此之前，首先對服裝熱阻進(jìn)行分析，由于實(shí)驗(yàn)為夏季工況，受試者多為短袖或短裙類著裝，范圍在0.17～0.63 clo 之間，參考PMV 的計(jì)算公式[13]，其對熱感覺的影響可以忽略。

溫度和風(fēng)速變化下，人體的熱感覺（TSV）和吹風(fēng)感（DS）均會發(fā)生變化，風(fēng)速的增加會在一定程度上降低熱感覺，但是也會使人產(chǎn)生吹風(fēng)感。考慮到溫度和風(fēng)速的同時影響，這里將溫度和風(fēng)速一起進(jìn)行分析。對同一工況下所有樣本求取標(biāo)準(zhǔn)差，可以得出，熱感覺的標(biāo)準(zhǔn)差在（-1.1，1.1）范圍內(nèi)，吹風(fēng)感的標(biāo)準(zhǔn)差在（-0.63，0.63）范圍內(nèi)，可見，采用主觀問卷調(diào)查的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，相同環(huán)境下不同個體的熱感覺存在一定差異，但是均在可接受范圍內(nèi)。

2.2 熱感覺及吹風(fēng)感的預(yù)測方法

為了給出熱感覺（TSV）和吹風(fēng)感（DS）的預(yù)測方法，繪制散點(diǎn)圖。圖2～3 給出了不同溫度和不同風(fēng)速下個體熱感覺（TSV）的變化情況，圖4～5 給出了不同溫度和不同風(fēng)速下個體吹風(fēng)感（DS）的變化情況。

圖2 風(fēng)速對熱感覺的影響

圖3 溫度對熱感覺的影響

圖4 風(fēng)速對吹風(fēng)感的影響

圖5 溫度對吹風(fēng)感的影響

可以看出，熱感覺除了隨著溫度的降低而降低外，也會隨著風(fēng)速的增加而降低。另一方面，溫度的升高會減少吹風(fēng)感，但是在實(shí)驗(yàn)中，吹風(fēng)感采用的是斷裂標(biāo)尺，圖4～5 的點(diǎn)存在一定的重合，為了更好地反映熱感覺，吹風(fēng)感隨溫度及風(fēng)速的變化情況，這里將各個工況下的個體熱感覺及個體吹風(fēng)感求取平均值，各個工況下的平均熱反應(yīng)的變化情況如圖6～7。

圖6 不同溫度下熱感覺（TSV）的變化情況（平均熱反應(yīng)）

圖7 不同溫度下吹風(fēng)感（DS）的變化情況（平均熱反應(yīng)）

從圖6～7 可以看出，當(dāng)風(fēng)速增大到1 m/s 左右后，對熱感覺的影響逐漸減少。風(fēng)速對熱感覺的影響，在溫度較低的環(huán)境中下降地更為明顯。針對夏季工況，降低溫度可以降低人體的熱感覺，但是由于降低溫度會導(dǎo)致能耗的升高及辦公室部分人員的不適應(yīng)，因此可以考慮通過部分風(fēng)速的升高來降低人體的熱感覺。然而，風(fēng)速的升高又會導(dǎo)致吹風(fēng)感的增加，吹風(fēng)感過高時人體會感到不適。因此，風(fēng)速不能無限制的增大，本研究依據(jù)已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出吹風(fēng)感限值參考，希望能夠在合理范圍內(nèi)應(yīng)用風(fēng)速。以圖6～7 為基礎(chǔ)，采用線性插值法給出DS＜1（有輕微的吹風(fēng)感）及DS＜2（有明顯的吹風(fēng)感）時不同溫度下風(fēng)速的限值作為參考，見表5。

表5 吹風(fēng)感＜1 及吹風(fēng)感＜2 時的風(fēng)速限值

在此基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)給出了吹風(fēng)感及熱感覺的預(yù)測方法。根據(jù)圖6～7 分布特征，同時結(jié)合以往的研究[14-17]，這里認(rèn)為熱反應(yīng)變化與溫度變化呈線性關(guān)系。假設(shè)溫度和風(fēng)速不存在共線性的影響，觀察圖2～7 分布特征，決定對風(fēng)速與TSV、DS 的關(guān)系進(jìn)行線性回歸或指數(shù)回歸。采用個體熱感覺及吹風(fēng)感數(shù)據(jù)，按照選定的函數(shù)類型進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表6 所示。

表6 熱感覺及吹風(fēng)感的回歸結(jié)果

對線性回歸和對數(shù)回歸的擬合優(yōu)度進(jìn)行比較，對吹風(fēng)感和可接受度進(jìn)行預(yù)測均選用線性回歸。

在夏季室內(nèi)溫度下，可以適當(dāng)提高風(fēng)速，且在辦公室環(huán)境中，可以通過不同工位前方風(fēng)速的差異調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)個體熱感覺的差異化調(diào)節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證及確定系數(shù)的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)后期，25 ℃、27 ℃、29 ℃下又各邀請了3～4名受試者參與了實(shí)驗(yàn)，這部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。圖8～9 為27 ℃下熱感覺和吹風(fēng)感的驗(yàn)證情況。

圖8 TSV 的驗(yàn)證情況（27 ℃）

圖9 DS 的驗(yàn)證情況（27 ℃）

為了說明該預(yù)測方法的優(yōu)劣。本研究采用確定系數(shù)來對因變量變化的可靠程度進(jìn)行評估。確定系數(shù)的具體方程式如式（1），其中，SSE（Sum of Squares for Error）表示殘差平方和，SST（Sum of Squares for total）表示總離差平方和。

R 取值范圍為0～1，R 越接近于1，表示擬合優(yōu)度越大，自變量對因變量的解釋程度越高，即自變量引起的變動占總變動的百分比越高。表7 為確定系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。對于TSV 的預(yù)測，R2=68.4%，這表示在本研究中溫度和風(fēng)速可以解釋68.4%的熱感覺的變化。同樣地對于DS 的預(yù)測，R2=65.7%，表示溫度和風(fēng)速可以解釋65.7%的吹風(fēng)感的變化。

表7 確定系數(shù)的計(jì)算

在這里要說明一下，風(fēng)速和溫度只是所有影響因素中相關(guān)系數(shù)較大的兩個因素，并不能解釋所有的吹風(fēng)感和熱感覺的變化，在本次研究中，風(fēng)速和溫度兩個因素引起的熱感覺的變動占熱感覺所有變動的68.4%，引起的吹風(fēng)感的變動占吹風(fēng)感總變動的65.7%。由于人體的主觀參數(shù)不僅僅受到溫度和風(fēng)速的影響，也會和其他客觀參數(shù)、人自身身體情況、主觀意識、心理狀態(tài)等相關(guān)聯(lián)。后期應(yīng)用中，可以以表6 為基礎(chǔ)，結(jié)合不同人群的特點(diǎn)和使用習(xí)慣，通過自學(xué)習(xí)來不斷地進(jìn)行修正。

3 結(jié)論

本研究通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)改變室內(nèi)背景溫度和立式塔扇吹風(fēng)風(fēng)速，來研究人體主觀熱反應(yīng)的變化情況。在對所有影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析后，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度和風(fēng)速是影響人體熱感覺和吹風(fēng)感的主要原因。因此重點(diǎn)對風(fēng)速和溫度對人體熱感覺（TSV）、吹風(fēng)感（DS）的影響進(jìn)行了定性的分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)速能夠在一定程度上對熱感覺產(chǎn)生很大的影響，因此熱感覺的結(jié)果需要考慮溫度和風(fēng)速的綜合效應(yīng)。在夏季辦公環(huán)境下，適當(dāng)提高風(fēng)速，同時提高室內(nèi)溫度，可以在一定程度上減少環(huán)境供冷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。同時，辦公室采用工位的差異化風(fēng)速既可以抵消部分溫度升高的影響，也可以調(diào)節(jié)個體對環(huán)境要求的差異性。另一方面，溫度和風(fēng)速的變化僅僅可以解釋68.4%的熱感覺的變化以及65.7%的吹風(fēng)的變化，其余部分受到其他環(huán)境參數(shù)、人體的生理參數(shù)、主觀意識等的影響，在后期實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中需要根據(jù)不同人群的特點(diǎn)和使用習(xí)慣不斷地進(jìn)行修正。