側墻熱輻射對人體熱舒適的影響*

西安建筑科技大學 楊 柳 童媛媛 高斯如 史明洋 趙勝凱 翟永超

0 引言

在實際生活中，人們所處的建筑環境并不總是均勻的。當周圍的空氣溫度處在一個舒適的水平時，涼的墻壁或窗戶也可能會使人感到寒冷，同樣，溫暖的表面也可能使人感到溫暖。處于這種由冷熱表面產生的不對稱輻射造成的不均勻熱環境中，人們的熱反應與熱舒適不同于傳統的均勻環境。

Fanger等人提出了用來描述輻射場不對稱性的術語——不對稱輻射溫度Δtpr(即0.6 m高度受試者所在處微元面上下兩側平面輻射溫度之差)，并通過實驗研究確定了熱中性條件下熱頂棚輻射的舒適極限值，同時給出了冷、暖墻和冷、暖吊頂分別對應的不對稱輻射溫度設計限值[1-2]。McNall等人研究了在由冷墻、熱墻、冷頂棚和熱頂棚4種實驗工況組成的不對稱輻射熱環境下受試者的熱感覺及熱舒適情況，發現在不對稱輻射環境中，即使受試者的熱感覺為中性也表現出明顯的不舒適[3]。Olesen等人研究了中性條件下人體的不對稱輻射舒適極限值，并給出了熱地板設計限值[4-5]。Yen等人研究了熱墻體產生的不對稱輻射對人體熱舒適的影響，指出人體熱感覺會隨著不對稱輻射溫度的升高而增強[6]，但相關的參數閾值并未給出。傅俊萍等人實驗研究了輻射板壁溫度在夏季對室內熱環境及受試者熱舒適的影響，得出結論：夏季中性溫度SET為26.73 ℃[7]。以上研究主要關注輻射供暖、供冷的環境，為保持固定的平均輻射溫度，在升高輻射板溫度的同時降低空氣溫度，實驗時長也多為1～2 h。在實際建筑中，空氣溫度多采用固定的設定值，平均輻射溫度難以控制。以辦公建筑為例，人們常連續暴露于不對稱輻射環境中3～4 h或更長，現有研究難以反映人們的真實反應。

在不均勻環境中，由于人體不同部位處于不同熱環境中，各部位的熱感覺和熱舒適及皮膚溫度會有差異，從而影響全身的熱感覺和熱舒適。大量研究發現，局部熱感覺與整體熱感覺間存在相關關系，局部對整體的熱感覺具有不同程度的影響。Hensel等人提出熱感覺可表示成皮膚溫度、皮膚溫度的變化率和受刺激區域面積的函數[8]。Arens等人通過人體熱反應實驗，得到局部皮膚溫度與局部熱感覺、局部熱感覺與整體熱感覺之間的關系，并給出不同部位的影響權重[9-10]。張宇峰等人在研究局部熱暴露對人體熱反應的影響中發現，部位間熱感覺之差對整體不滿意率有顯著影響[11]。史明洋等人研究了不均勻冷輻射對人體熱舒適的影響，發現局部熱感覺、皮膚溫度隨暴露時長增加而降低，顯著影響整體熱感覺[12]。然而，關于不對稱輻射對人體局部熱感覺的影響、不對稱輻射下局部熱感覺與整體熱感覺之間關系的研究仍較少。

綜上，為了明確在熱輻射下的暴露時間對人體熱反應與熱舒適的影響、熱輻射舒適溫度限值及熱輻射下局部熱感覺與整體熱感覺之間的關系，本文進行了側墻熱輻射對人體局部熱舒適的影響研究，擬對中性環境溫度(26 ℃)、不同表面溫度熱墻、3 h暴露時長下，不均勻熱輻射對人體熱舒適的影響進行研究，以得到不均勻熱輻射環境中暴露時間對人體熱舒適的影響規律及人體局部與整體的熱反應規律，建立適用于相應環境下的人體熱舒適評價模型。

1 研究方法

在西安建筑科技大學建筑學院的人工氣候實驗室進行實驗。實驗室由受控小室A和B組成，A室尺寸為3.0 m×2.4 m×2.1 m(長×寬×高)，B室尺寸為4.5 m×3.9 m×2.6 m(長×寬×高)，兩室之間通過保溫隔熱的門連接。空氣溫度由獨立的空氣處理設備控制，空氣經空調箱處理后，從穿孔板吊頂送入室內，由架空穿孔地板回風，形成靜壓活塞流，確保室內熱環境參數均勻分布。壁面(B室)的溫度由U形管道水循環控制，輻射水管分別安裝在地板、天花板及墻面a、b、c的表面，所有墻面溫度均按面積加權的平均值計算。圖1a顯示了人工氣候室的布置，圖1b顯示了各壁面溫度和空氣溫度。為確保控制精確，實驗過程中對實驗室內物理環境參數進行監測，儀器精度與測試方法(見表1)均滿足ISO 7726:1998標準[13]的要求。實驗室內采用乳白色墻紙裝飾，地面鋪地毯，家具布置類似辦公室環境，以消除對受試者心理的影響，見圖1c。

表1 測試儀器參數

圖1 人工氣候室

1.1 受試者

招募了24名(12男、12女)身體健康的大學生作為受試者(基本信息見表2)，每位受試者參加全部實驗工況。根據ISO 7730:2005[14]，受試者統一穿著服裝熱阻為0.6 clo的夏季標準服裝參加實驗，包括薄長袖襯衣、薄長褲及受試者自己的內衣和鞋襪。辦公椅為塑料網椅，其增加的服裝熱阻可忽略不計。

表2 受試者基本信息

1.2 實驗控制及工況

共設計了5個墻面溫度工況。墻面a設計的溫度分別為26、28、31、34、37 ℃，其余壁面溫度與空氣溫度保持一致(26 ℃)，26 ℃中性均勻工況作為對照組。4名受試者相對于墻面a的角系數相同(0.3)，中間2名受試者距墻面a的暴露距離為0.7 m，兩側2名受試者距墻面a的暴露距離為0.5 m。所有工況設定情況具體見表3。

表3 實驗工況

1.3 主觀問卷與生理測試

實驗前對所有受試者進行背景調查，包括受試者的基礎數據及生活習慣。實驗中，受試者按要求重復填寫主觀問卷，內容包括全身熱可接受度、全身與局部熱感覺和熱舒適(見圖2)。

圖2 主觀問卷(部分)

生理測試包括皮膚溫度測量和心率測量。測量皮膚溫度采用紐扣式溫度自記儀(iButton)(精度為±0.2 ℃，量程為-40～85 ℃)，測量時間間隔為10 s)，并用醫用膠帶貼于受試者相應部位皮膚表面，皮膚溫度測量位置為胸、左右上臂、左右大腿、左右小腿、左右手和左右腳11個點，具體見圖3。通過測得的局部皮膚溫度，利用加權法可求得平均皮膚溫度[15]，計算公式如下：

(1)

注：t8、t9、t10、t11分別為左手、右手、左腳、右腳的皮膚溫度。圖3 皮膚溫度測點

為保證實驗數據的精確度，心率測量設備采用Polar H10，測量時間間隔為1 s。實驗時，實驗工作人員將心率胸帶綁于受試者胸前，具體測點見圖3。

1.4 實驗步驟

為確保實驗結果的準確性，所有受試者確保在實驗前無劇烈運動、正常飲食和充足睡眠。受試者提前到達實驗室更換服裝并佩戴測試儀器，隨后進入實驗艙。實驗流程如圖4所示，每組實驗進行3.5 h，受試者首先進入A室靜坐30 min，以消除實驗前熱經歷的影響，隨后進入B室靜坐180 min，并每間隔10 min填寫一次電子問卷，每位受試者每組工況共填寫19次問卷；實驗過程中連續測量受試者的皮膚溫度與心率。

圖4 實驗流程

1.5 統計分析方法

采用軟件Graphpad Prism7進行顯著性差異分析，得到各影響因素間的顯著性結果。若P<0.05，則該因素間具有顯著性差異。回歸分析同樣采用軟件Graphpad Prism7，對受試者數據進行線性回歸。

2 研究結果

2.1 物理參數

通過監測室內熱環境物理參數，發現實驗室物理環境控制精準，符合實驗設計要求，實驗過程中各物理參數較穩定，各工況測試平均值見表4。

表4 實測物理參數

2.2 熱感覺

圖5顯示了各工況下受試者全身熱感覺逐時變化情況。由圖5可以看出：各工況下受試者熱感覺均隨時間推移呈下降趨勢，暴露180 min后，各工況下受試者熱感覺分別下降了0.41、0.49、0.47、0.10、0.49，變化顯著(P<0.000 1)；受試者熱感覺受不對稱輻射影響明顯(P<0.000 1)，不對稱輻射溫度越高，熱感覺投票值越高。

圖5 不同工況下全身熱感覺的逐時變化

圖6顯示了各工況下受試者身體局部熱感覺在暴露時間τ為60、120、180 min時的情況。由圖6可以看出：隨時間的推移，局部熱感覺與整體熱感覺變化一致，均顯著降低(P<0.000 1)，其中背部熱感覺投票值最低，其次為臉部和上臂；暴露180 min后，在26 ℃均勻環境下，背部熱感覺投票值降低最多；在熱輻射下，胸部及上臂和大腿熱感覺投票值降低最多。

2.3熱舒適

圖7顯示了不同工況下受試者全身熱舒適的逐時變化情況。由圖7可以看出：各工況下受試者熱舒適隨時間推移呈上升趨勢，包括26 ℃均勻環境；隨暴露時間的增加，各工況間熱舒適投票差異減小，暴露180 min后，各工況受試者均為“舒適”，變化顯著(P<0.000 1)。

圖7 不同工況下全身熱舒適的逐時變化

圖8顯示了受試者在暴露時間為60、120、180 min時局部熱舒適投票的變化情況。由圖8可知：各局部熱舒適程度隨時間推移顯著提高(P<0.000 1)；暴露時間為60 min時，各工況下上半身各部位間熱舒適差異較大；暴露時間為120 min時，各工況下下半身各部位間熱舒適差異較大；下半身(大腿、小腿)熱舒適變化滯后于上半身，但在180 min結束后，各部位熱舒適投票趨近一致。

2.4 熱可接受度

圖9顯示了各工況下受試者熱可接受度的逐時變化情況。由圖9可知：受試者熱可接受度隨時間推移呈上升趨勢；不對稱輻射溫度對熱可接受度影響明顯，但隨著暴露時間增加，影響變弱；當暴露時間小于60 min時，熱可接受度投票值隨不對稱輻射溫度的升高而明顯增大；此后，隨暴露時間增加，各工況間的熱可接受度差異逐漸減小；當暴露時間大于120 min時，各工況熱可接受度趨于一致。

圖9 不同工況下熱可接受度的逐時變化

2.5 皮膚溫度

圖10顯示了受試者平均皮膚溫度隨時間的變化。由圖10可知：平均皮膚溫度受不對稱輻射溫度影響明顯，各工況間差異隨暴露時間增加而增大；在26 ℃均勻環境及不對稱輻射溫度較低的情況下，平均皮膚溫度隨時間推移呈下降趨勢，在Δtpr=6.3 ℃及Δtpr= 8.6 ℃時，平均皮膚溫度全程保持穩定。

圖10 不同工況下平均皮膚溫度的逐時變化

圖11顯示了各工況下近墻側與遠墻側的局部平均皮膚溫度(tsk)在暴露時間為60、120、180 min時的變化情況。由圖11可知：受試者近墻側的局部皮膚溫度僅在上臂處隨時間的推移略有上升，其余各部位均隨時間的推移逐漸降低，但變化均不顯著(P>0.05)；該側受試者局部皮膚溫度隨不對稱輻射溫度的升高逐漸升高，但僅在180 min時工況1(Δtpr=0 ℃)與工況5(Δtpr=8.6 ℃)的上臂處皮膚溫度具有差異(P<0.05)；受試者遠墻側局部皮膚溫度均隨時間的推移逐漸降低，但差異不顯著(P>0.05)，隨不對稱輻射溫度的升高無顯著變化；側向不對稱輻射對受試者遠離墻面身體各部位皮膚溫度的影響較小。

3 討論

3.1 熱輻射環境下暴露時間對人體熱舒適的影響

受試者各工況下的熱感覺隨暴露時間的增加逐漸下降并趨近于中性，熱舒適程度與熱可接受度隨之增加。與文獻[12]的側墻冷輻射實驗結果“熱反應隨暴露時間增加而下降”不同，原因是冷輻射下受試者熱感覺隨時間推移偏離中性，而熱輻射下受試者熱感覺趨近于中性。

圖12顯示了各工況下受試者心率的逐時變化情況。由圖12可知，各工況下心率隨時間的推移逐漸下降并趨于穩定，不對稱輻射對心率無影響。研究證明，心率與人體的新陳代謝率存在明顯正相關關系，心率作為新陳代謝率的預測指標已被寫入ISO 8996：2004[16]標準。心率隨時間推移下降，受試者的代謝產熱可能隨之減少，導致熱感覺下降。

圖12 各工況下心率的逐時變化

圖13顯示了暴露時間為60、120、180 min時受試者局部熱不舒適百分比與不對稱輻射的關系。由圖13可知：局部熱不舒適百分比隨不對稱輻射溫度升高而增大，但增大的速率不同；暴露時間影響受試者對不對稱輻射的敏感性，暴露時間越長，受試者對不對稱輻射越不敏感。ASHRAE標準[17]基于Fanger實驗[1-2]建議取5%的局部不舒適百分比確定不對稱輻射溫度上限值，得到中性環境下熱墻不對稱輻射溫度限值為25 ℃。本實驗得到的不對稱輻射溫度限值在不同暴露時間下分別為1.7 ℃(60 min)、1.9 ℃(120 min)、4.4 ℃(180 min)，遠低于ASHRAE標準[17]、ISO標準[14]與Fanger實驗結果[1-2]。Fanger實驗[1-2]是在中性環境下進行的，在提高側墻表面溫度時降低空氣溫度以保持受試者熱中性，且暴露時間僅為30 min，受試者可能未達到穩定狀態。本實驗更為貼近實際建筑環境，室內空氣溫度與其余表面溫度均為26 ℃，實驗時間為180 min，期間各工況下受試者全身熱感覺逐漸下降并保持在中性與稍暖之間，這可能是不同于Fanger實驗結果的原因。當室內存在不對稱輻射時，若通過降低空氣溫度與壁面溫度來提高人體舒適程度是不易實現且不節能的。對于長時間逗留房間，建議在前120 min內提供可調節風扇等個性化設備，增加對流散熱提高人體舒適程度。隨著暴露時間增加，人體的熱感覺降低，對不對稱輻射的敏感性降低，人體達到舒適。對于短時逗留房間，可以降低空氣溫度以補償壁面溫度升高產生的熱作用，但從節能的角度出發，建議增加個性化熱舒適設備提高人體舒適程度。

圖13 不同暴露時間下局部熱不舒適百分比與不對稱輻射溫度的關系

3.2 熱輻射環境下整體與局部熱感覺的關系

文獻[9]研究發現身體各部位的熱感覺對整體熱感覺會有不同程度影響。局部對整體熱感覺的影響權重和影響因子均能較好地反映局部熱感覺與整體熱感覺之間的關系[9-10]。利用主成分分析法，對整體熱感覺與局部熱感覺進行多元回歸，得到側墻熱輻射下整體熱感覺與局部熱感覺的回歸方程，見式(2)，其相關系數R2=0.898，表明局部熱感覺與整體熱感覺之間具有較強的線性相關關系。

TSVw=0.194TSVf+0.172TSVc+0.191TSVb+0.207TSVab+0.180TSVa+

0.194TSVt+0.216TSVl-0.118

(2)

式中TSVw為全身熱感覺；TSVf為臉部熱感覺；TSVc為胸部熱感覺；TSVb為背部熱感覺；TSVab為腹部熱感覺；TSVa為上臂熱感覺；TSVt為大腿熱感覺；TSVl為小腿熱感覺。

由此得到各部位熱感覺對整體熱感覺的影響權重，由大到小依次為:小腿(0.216)、腹部(0.207)、臉部(0.194)、大腿(0.194)、背部(0.191)、上臂(0.180)和胸部(0.172)，其中小腿影響權重最大，胸部最小。

同樣，對整體熱舒適與局部熱舒適進行主成分分析法多元回歸，得到回歸方程，見式(3)，相關系數R2=0.825，表明局部熱舒適與整體熱舒適具有較強的線性相關關系。各部位熱舒適對整體熱舒適的影響權重由大到小依次為：背部(0.219)、胸部(0.207)、大腿(0.170)、小腿(0.163)、上臂(0.158)和臉部(0.123)。

TCVw=0.123TCVf+0.207TCVc+0.219TCVb+0.158TCVa+0.170TCVt+

0.163TCVl+0.035

(3)

式中TCVw為全身熱舒適；TCVf為臉部熱舒適；TCVc為胸部熱舒適；TCVb為背部熱舒適；TCVa為上臂熱舒適；TCVt為大腿熱舒適；TCVl為小腿熱舒適。

3.3 熱輻射環境下皮膚溫度與熱感覺的關系

研究發現，人體的皮膚溫度與熱感覺相關[18-19]。Arens等人通過研究得出，當平均皮膚溫度在29～34 ℃范圍內變化時，全身熱感覺與平均皮膚溫度間呈現出較好的線性關系[10]。表5給出了實驗中受試者局部平均熱感覺與局部皮膚溫度的線性回歸關系式(TSV=atsk+b)中的各參數。由各回歸方程的回歸系數R2可知，僅受試者大腿與小腿右側和平均熱感覺與對應皮膚溫度具有較好的線性關系外，受試者身體其他部位及全身熱感覺與皮膚溫度之間均無線性相關關系(R2較小)。由各回歸關系式的斜率a可知，受試者大腿熱感覺隨相應部位皮膚溫度的變化率較高。令TSV=0，得到相應部位中性皮膚溫度，受試者全身中性平均皮膚溫度為32.8 ℃，大腿中性平均皮膚溫度為33.4 ℃，小腿為32.5 ℃。全身中性平均皮膚溫度約為33 ℃，受試者整體與局部的中性皮膚溫度與其所處實驗環境及方式無關。同時，從表5可以看出，上半身中性皮膚溫度比全身中性皮膚溫度高，而下半身中性皮膚溫度比全身中性皮膚溫度低。

表5 各部位平均熱感覺與皮膚溫度的線性回歸關系

本文研究了側墻熱輻射環境下暴露時間對人體心理和生理反應的影響，得到不同暴露時間下人體的不對稱輻射舒適溫度限值，并對比國際現行標準，給出符合中國實際情況的室內環境設計參數。本研究僅設定了一個室內溫度，當側墻溫度升高時，平均輻射溫度隨之升高，因此受試者可能不處于熱中性。后續研究應增加室內溫度工況，排除全身熱感覺對不對稱輻射敏感性的影響。考慮到室內空氣流速對人體熱舒適的影響，增加空氣流速實驗，得到更加節能的室內環境設計策略。

4 結論

1) 隨著受試者在不均勻輻射環境中暴露時間的增加，受試者熱感覺逐漸降低并趨近中性，熱舒適度和熱可接受度逐漸增大，平均皮膚溫度無顯著變化。

2) 在暴露時間為60、120、180 min時，5%局部熱不舒適的不對稱輻射溫度限值分別為1.7、1.9、4.5 ℃。建議在人們進入不對稱環境的前120 min內提供可調節風扇等個性化設備，增加對流散熱，提高人體舒適程度。

3) 建立了適用于中性環境溫度下側墻熱輻射環境的人體熱感覺、熱舒適評價模型。其中小腿和腹部對整體熱感覺影響較大，小腿和大腿對整體熱感覺和熱舒適影響均較大。