燈暖浴霸環境下浴室人員熱感覺研究

胡星 楊啟航 陳子悅 馮婧穎 廖春暉

1 重慶大學土木工程學院

2 重慶大學公共管理學院

0 引言

隨著人們對生活品質要求的提高，在夏熱冬冷地區，越來越多的家庭在浴室中安裝浴霸來緩解冬天洗澡時的寒冷感。常見的浴霸主要有燈暖和風暖兩種，都存在頭熱腳冷、溫度分布不均的問題。鑒于燈暖應用較廣，且溫度不均勻問題更為突出，本文對燈暖浴霸環境下浴室人員的熱舒適性進行研究。

針對穩態空調環境種人員的熱舒適性問題，已有較成熟的理論。1967 年，丹麥的Fanger 教授在堪薩斯州立大學的實驗數據基礎上，將熱環境、熱舒適相關的主客觀變量進行歸納，提出了人體熱平衡方程式。1970 年，Fanger 把人體熱平衡方程式和ASHRAE 七點標度相結合，提出了了被廣泛使用至今的PMV-PPD 模型，并被編入國際標準ISO7730[1-2]。基于該模型，國內外學者對冬季供暖[3]，自然通風[4]，夏季供冷[5]以及輻射環境[6]下室內人員的整體或局部熱感覺進行了研究，發現PMV-PPD 模型具有一定的局限性。為了完善熱舒適模型，針對非空調環境，Fanger 引入期望因子e，對PMV 模型進行了修正。此外，姚潤明，李百戰和R.de Dear 等提出的APMV 模型，以及Humphreys 和Nicol提出的nPMV模型[7]，都對PMV-PPD 模型進行了修正，試圖彌補其不足。

采用燈暖浴霸進行取暖的浴室，一般空間較狹小，且伴有間歇噴水等現象，所營造的熱濕環境特殊，浴室內人員的熱感覺與常規環境有較大差異。目前針對燈暖浴霸浴室人員熱舒適的研究還比較少，因此，本文針對某安裝有燈暖浴霸的浴室，通過實驗測試和問卷調查的方法，研究冬季浴室內的熱環境狀況及人員的局部和整體實際熱感覺，并與PMV 模型，ePMV模型和nPMV 模型的預測結果相比較，提出適用于燈暖浴霸浴室環境的熱感覺預測方法。

1 浴霸環境下浴室人員熱感覺實驗

1.1 實驗概述

為得到人員在浴霸環境下浴室中的局部和整體冷熱感覺，以及測定對應環境中對PMV 產生影響的各個參數，選取了重慶市一個帶浴霸浴室的出租房作為實驗室，并隨機選取了5 名身體健康、無主觀感知障礙的在校大學生（其中男性四名，女性一名）為受試人員，在同一天進行了冷熱感測試及環境參數的測量。實驗室的平面圖見圖1，該浴室面積約2.8 m2，地板距吊頂2.1 m，壁面4 所在墻體外側為公寓走道，壁面3、5、6 所在墻體外側均在該出租房內。淋浴區設置在浴室一角（即圖中陰影區，也是實驗時的人員活動區），與浴室其他空間用可推開玻璃門作為隔斷。為了計算各個階段的PMV 值以及分析浴室的熱環境，測定了以下環境參數：浴室內垂直溫度分布、濕度、風速、平均輻射溫度（測黑球溫度并折算）、各壁面溫度（壁面溫度的測試忽略各向異性，測點取在各壁面的中心，各壁面標號見圖1、圖2）。在測定過程中，受試人員進入浴室進行熱感覺問卷調查。測環境參數所用的儀器見表1，各儀器測點位置見圖1，由于儀器的探頭均需避水，因此溫濕度自動記錄儀，手持氣象站和黑球溫度計均放置在玻璃門外，但實驗過程中均保持玻璃門敞開，可近似認為浴室內各點濕度和平均輻射溫度相同，同高度的空氣干球溫度水平分布也近似為均勻分布。浴室垂直溫度的各測定點高度如圖2 所示，從上到下分別代表人體頭部，軀干和手臂，腿部，腳部所在的高度。實驗設置兩個工況，分別為浴霸開啟兩盞燈和四盞燈，記為工況一和工況二，其他條件均一致。

表1 試驗儀器及測量范圍

圖1 實驗室平面圖

圖2 垂直溫度測點示意圖

1.2 實驗過程

測定了浴霸關閉、浴霸開啟后穩定、打開熱水穩定、關水后1 min 后的環境參數，以計算人員在測試時，處在不同熱環境下的PMV 值。為了準確地得到人員在實驗室內的整體和局部熱感覺，要求受試人員在到達實驗場地后先保持靜坐30 min，再進入浴室自行脫衣并開始測試，分別在浴霸工況穩定并脫衣后、處于熱水中穩定后，關閉熱水15 秒后以及擦干身體后四個階段調查整體和局部的冷熱感，實驗流程見圖3。實驗的各個階段均由受試人員按TSV 七級分度指標[8]口頭描述冷熱感（包括整體，頭部，軀干，手臂，腿部和腳部的冷熱感），也就是圖中的Q1～Q4 環節，由浴室外的實驗人員進行記錄。

圖3 實驗流程圖

2 實驗結果

2.1 室內外環境參數

在實驗進行時，實驗室室外溫度為19.6°C，濕度為56.0%。室內垂直溫度分布、各壁面的溫度分別如圖4、5 所示。可以看出在浴霸關閉時浴室內就存在垂直溫差，但溫度梯度很小，最大垂直溫差為2.3°C。當開啟浴霸后，隨著實驗的推進，各高度測點的溫度都在升高，垂直溫度梯度也在增大，最大垂直溫差達到了10.4°C。受冷熱空氣垂直流動的影響，吊頂的平均壁面溫度最高，地板則最低。各階段黑球溫度及其折算出的平均輻射溫度、相對濕度的測定值列在表2 中。實驗中，各階段測定的風速均為0.04 m/s。

圖4 室內垂直溫度分布

圖5 室內各壁面溫度分布

表2 室內黑球溫度，平均輻射溫度和相對濕度

2.2 浴室內的PMV 計算

由于受試人員在浴室內不著服裝進行沐浴，因此服裝熱阻取0，人體代謝率取活動類型中“站著，偶爾走動”的值2.1met。將垂直溫度取算術平均值作為環境的空氣溫度，與濕度、風速、平均輻射溫度、服裝熱阻、代謝率帶入PMV 模型的計算公式中[8]，得到不同工況、不同階段下浴室中的PMV 指標，計算結果列在表3 中。

表3 不同工況、不同階段下浴室中的PMV

2.3 人體整體及局部熱感覺投票結果

各受試人員在實驗中的熱感覺投票結果見表4。

表4 受試人員熱感覺投票結果

3 討論

3.1 動態熱感覺

3.1.1 整體動態熱感覺

如圖6 所示，在浴霸開啟兩盞和四盞的兩個工況下，受試人員的平均整體熱感覺均不低于0。由于在淋浴時有熱水的作用，人體的核心溫度升高，因此兩個工況的最大平均熱感覺都出現在淋浴階段，且均為+2.0。在浴霸開啟兩盞燈的工況下，浴霸提供的輻射作用較小，整體的熱感覺變化幅度較大，人員在各階段的整體熱感覺差異明顯，在關水后15 秒時達到最小值+0.2，整個過程的極差為2.0。而在浴霸開啟四盞燈的工況下，平均熱感覺動態變化幅度小，均處于+1.0～+2.0 之間，最小值出現在擦干后，為+1.2，整個過程的極差為0.8。

圖6 受試人員整體熱感覺投票平均值

3.1.2 局部動態熱感覺

如圖7 所示，受試人員各局部熱感覺投票的平均值在兩個工況下的變化趨勢相近，變化幅度的大小與整體投票表現出來的情況相同，即浴霸開啟四盞燈時的變化幅度小于浴霸開啟兩盞燈時。其中，在兩個工況下，頭部的平均熱感覺變化幅度都是最小的，此現象與頭部中血液流量大，熱交換充分有關[9]。由于浴室中的垂直溫差以及不同高度受到浴霸輻射作用不同，各部位熱感覺線在縱向的分布與其在人體站立時所處的的垂直高度相吻合，所處垂直高度越高的部位，其熱感覺線就越靠上。

圖7 受試人員局部熱感覺投票的平均值

3.1.3 場外熱感覺調查

在實驗完成后，另選取了6 位身體健康，無主觀感知障礙的人員在家中自行進行浴霸環境下浴室中的熱感覺調查，調查問卷內容和填寫流程與本實驗相同，得到的結果如圖8，在不同的浴霸工況下，人員的全階段整體熱感覺均大于0，各部位的熱感覺線分布情況與本實驗的結果相近。

圖8 場外調查結果

3.2 局部熱感覺與整體熱感覺的回歸擬合

為了探究在浴室中浴霸開啟時人員的局部熱感覺與整體熱感覺的關系，利用SPSS 軟件將兩個工況下的受試人員熱感覺投票的結果進行局部對整體的回歸擬合，得到的結果見表5，在脫衣進入浴霸穩定環境中、淋浴時、擦干后三個階段，整體熱感覺僅與一個局部的熱感覺呈顯著相關，對應的部位分別為頭部、腿部、手臂，對應的顯著性分別為0.008、0.031、0.005。在關水15 s 時的整體熱感覺與頭部和腿部的熱感覺均呈顯著相關，對應的顯著性分別為0.044、0.002。綜合全過程來看，頭部、手部、腿部的局部熱感覺對整體的熱感覺起著較大的影響作用。這與馬景輝[6]等學者在研究非均勻熱輻射環境中人員的熱感覺時，發現頭部、手部、腳部的局部熱感覺對整體熱感覺的影響最大這一結論相吻合。

表5 局部與整體熱感覺的擬合結果

3.3 PMV 模型修正

浴霸穩定階段和關水后1 min 階段（分別對應熱感覺投票的浴霸穩定后脫衣階段和擦干后階段）人員都直接暴露于浴室熱環境中，可以認為不受淋浴等不穩定因素影響，且這兩個階段是洗澡過程中相對體感較冷的階段，因此根據這兩階段考慮冬季浴霸開啟時浴室熱環境的熱舒適模型具有實際意義。

浴室環境較為特殊，PMV 等模型在浴室環境中的適用性有待驗證。首先對比PMV 計算值和TSV 平均值，見表6。

表6 不同工況、不同階段下浴室中的PMV 和TSV 平均值

如表6 所示，PMV 計算值明顯低于TSV 平均值，可以認為PMV 模型不能直接應用于有浴霸開啟的浴室環境。Fanger 教授提出的ePMV 模型引入期望因子e，用以修正炎熱環境下的PMV 模型[7]。如采用相同思路，即人員在冬季洗澡時認為自己注定身處寒冷環境，可以假設用以修正浴室環境的期望因子s，滿足：

在所得數據基礎上求得各條件下期望因子s，如表7。

表7 不同工況、不同階段下所得期望因子s

可見，各條件下求得的期望因子s 相差很大，并且由于該環境非典型的冷感或熱感環境，PMV 計算值的符號不同，造成s 的符號也不相同。基于本次實驗的結果，簡單引入期望因子對PMV 模型進行修正不可行。鑒于各條件下PMV 計算值均明顯低于TSV 平均值，且人員在冬季洗澡時對熱感覺的期待值偏低，認為自己注定身處寒冷環境的假設合理，可以考慮差值修正量d，滿足：

從而避免非典型冷熱環境下PMV 值符號的問題。在所得數據基礎上求得各條件下差值修正量d，見表8。

表8 不同工況、不同階段下所得差值修正量d

如表8 所示，浴霸開啟后穩定階段所得d 值高于關水后1 min 階段。可以做出以下幾種解釋：①人員洗澡結束后至關水后1 min 身體基本已經擦干，且體表來自熱水的得熱已大部分通過空氣換熱散失，但體表水分仍然多于洗澡之前，因此洗澡后體感偏冷。②淋浴時水溫約40°C，體感溫度較高，結束淋浴后進入較冷環境，反差較大。③淋浴后浴室內水蒸汽彌漫，削弱暖燈輻射。

因此，針對兩階段應采取不同的熱舒適模型，即進行不同的修正，由于同一階段內不同工況所得d 值也有差距，在數據量較少的情況下本文不予具體結果。值得注意的是，同階段內不同工況之間PMV 值之差和TSV 值之差有所不同，可以考慮比例修正和差值修正同時進行的修正方式。基于自適應舒適理論，Humphreys 和Nico 提出nPMV 模型以平衡PMV 值和人員的實際熱感覺，公式如下：

式中：γ=0.8；Top為操作溫度，°C；RH%為相對濕度；M為人體代謝率，met；Icl為服裝熱阻，clo；Tout為室外環境溫度，°C。

修正結果見表9。

表9 不同工況、不同階段下所得nPMV 值

可見，nPMV 修正值和TSV 值貼合度更好。可以初步認為，采取nPMV 模型或類似的比例修正和差值修正同時進行的修正方法，可以使針對浴室環境的PMV 修正模型的預測結果更加精確，在數據量較少的情況下本文不作詳細討論。

4 結論

本文通過浴霸環境下浴室人員的熱感覺調查實驗，研究了浴霸環境下浴室中的熱環境和人員的整體及局部熱感覺的關系，得到了以下結論：

①浴霸關閉時浴室就中存在著一定的垂直溫差，但梯度不大，開啟浴霸后溫度梯度明顯增大，浴室中冷熱空氣分層更加明顯。

②在開啟浴霸后的穩定工況下，浴室內的PMV值相較于浴霸關閉時會增加0.85（開啟兩盞燈），2.11（開啟四盞燈）。

③浴霸開啟后，人體的整體熱感覺投票值均大于0，最大值出現在淋浴時，為+2.0。

④在浴霸環境下，人體的各部位中頭部熱感覺的變化最小，各部位的熱感覺線位置與其距地面的垂直高度相關。

⑤通過回歸擬合分析，在整個實驗過程中，對整體熱感覺起顯著影響的部位有頭部、手臂和腿部。

⑥由實驗結果和場外調查可以得出：燈暖浴霸能明顯降低浴室人員在沐浴前后的寒冷感，滿足人員的需求。

⑦在浴霸浴室環境下，用nPMV 模型或比例修正與差值修正結合的方法對PMV 模型進行修正可使預測結果更準確。但由于實驗數據較少，如何修正PMV模型使其能應用在浴室環境中還有待深入研究。