低溫環境下個性化送暖風供暖人體熱舒適研究

鄭楚渝 喻偉

重慶大學土木工程學院

我國華北地區村鎮冬季室內熱環境比較惡劣，亟需改善[1-2]?；馉t火炕等傳統采暖方式不僅不能滿足居民熱舒適要求，還帶來室內空氣污染和大氣污染的問題，而空調采暖會產生垂直溫差，給人體帶來“頭熱腳涼”的不舒適感[3-4]。Zhang 等人[5]提出了個性化熱舒適系統（PCS），PCS 可以通過輻射、傳導、對流的方式對人體進行局部供暖，消除了冷環境下人體的局部熱不舒適，對于人體在低溫環境下維持熱舒適具有極大潛力。但目前大多研究以較為中性的環境為背景，考慮到我國華北村鎮地區，非供暖房間室內溫度較低，為探究在低溫環境下局部供暖對人體熱舒適的改善效果，本文針對送暖風的方式開展了對人體個性化供暖的實驗研究。

1 研究方法

1.1 實驗平臺

實驗在重慶大學人工氣候室開展，氣候室工作區各參數的控制范圍及精度為：干球溫度控制范圍為-5～40 ℃，控制精度±0.3 ℃（＜10 ℃，±0.5 ℃）；相對濕度控制范圍為10%～90%，控制精度±5%。風速通過變頻器從0.1～2 m/s 可調，控制精度0.3 m/s。本研究主要考慮落地扇氣流對人體舒適影響，故控制氣流速度小于0.1 m/s，整個環境無明顯氣流流動。實驗平臺具體示意圖如圖1 所示。

圖1 實驗平臺示意圖

1.2 受試者

本次實驗的實驗對象均為身體健康的在校大學生，且均為自愿參與此實驗。本實驗共選取受試者16名（8 男8 女），受試者數量參考文獻[6]。實驗受試者主要采用自愿方式招募，并給予一定酬勞。受試者要求無鼻炎、皮膚干燥綜合征以及其他冬季疾病，保證對熱舒適的真實反映。實驗期間受試者衣著統一服裝，服裝熱阻為1.34clo，該服裝熱阻則由實驗前期的調研得出。

1.3 調查問卷

實驗中對人體熱舒適、熱感覺、濕感覺、氣流感、對熱環境的滿意度、熱期望進行調查，同時還對受試者氣流的可接受程度以及期望風速進行調查。調查中使用的相關標尺見表1 和表2。

表1 主觀投票標尺

1.4 實驗工況

在實驗前期，筆者利用Energy Plus 模擬了鄭州、石家莊、太原、濟南、西安等華北寒冷地區典型城市在采暖期間非采暖房間的室內溫濕度，得出溫度大致在3℃～15 ℃內波動，濕度大致在30%～50%內波動，考慮到村鎮供暖需求較城市低，15 ℃的室內溫度下村鎮居民有可能不需要進行供暖，因此確定溫度水平（3 ℃、7 ℃、11 ℃）和濕度水平（30%、50%）。實驗6 種背景溫濕度工況詳見表2。

表2 背景溫濕度工況表

1.5 實驗流程

實驗前受試者在準備間靜坐休息。實驗開始后，受試者進入實驗間并保持靜坐狀態適應環境，15 min后填寫熱舒適調查問卷。然后開啟暖風機高暖風檔位，之后的5 min、10 min、15 min、20 min、40 min、60 min分別填寫熱舒適調查問卷，關閉暖風機。

2 結果

2.1 熱感覺與熱舒適

圖2 和圖3 分別展示了6 個工況下，暖風供暖時受試者的熱感覺投票和熱舒適投票變化。如圖所示，在適應階段受試者TSV＜-1，TCV≥1.5，這說明人體處于低溫環境中，在很短的時間內就會產生明顯的冷感覺和不舒適感。

圖2 不同工況下熱感覺投票變化

圖3 不同工況下熱舒適投票變化

開啟暖風機后的20 分鐘內受試者熱感覺明顯得到提高（配對t 檢驗，p＜0.05），此時受試者TSV＞-0.5。與此同時，受試者不舒適感覺明顯下降，TCV＜1。在隨后的40 分鐘內，受試者熱感覺先呈下降趨勢然后又再次提高。然而，筆者對20 min、40 min、60 min 的熱感覺投票進行方差分析，并發現沒有顯著差異。這表明，在開啟暖風機20 min 內，受試者熱感覺逐步達到穩定。

2.2 濕感覺

圖4 為6 個工況下受試者的濕感覺投票變化。由圖可知，在適應階段，受試者的濕感覺基本處于中性狀態。

圖4 不同工況下濕感覺投票變化

開啟暖風機的20 min 內，濕感覺投票明顯下降（配對t 檢驗，p＜0.05），筆者同樣對隨后的40 分鐘內的濕感覺投票進行分析，但沒有發現明顯差異。同時筆者發現，整個實驗過程中，受試者濕感覺投票基本在±0.5 內，即HSV∈（-0.5，+0.5），這表明低溫低濕環境下暖風機供暖不會造成受試者干燥的不適感。

2.3 氣流感覺

圖5 展示了6 個工況下受試者的氣流感投票變化。由圖知，受試者氣流感在適應階段基本處于適中狀態，即MSV∈（-0.5，+0.5）。在開啟暖風機20 min 內，氣流感投票值稍有下降，但是差異不顯著（配對t 檢驗，p＞0.05），而且隨后的40 min 內受試者氣流感投票通過方差分析沒有發現顯著差異，這說明，開啟暖風機前后受試者氣流感變化不明顯。

圖5 不同工況下氣流感覺投票變化

2.4 熱環境滿意度

圖6 展示了6 個工況下受試者對熱環境的滿意度。在0 min 時，受試者對環境的滿意度較低，超過60%的受試者投票值小于0，甚至在工況3、4、5、6 中有約20%左右的受試者對熱環境很不滿意（投票值為-2）。供暖20 min 后，受試者滿意度稍有提高，投票值小于0 的比例下降了7%～20%。供暖40 min 后，熱環境滿意度明顯提高，投票值大于等于0 的比例比0 min 時提高了30%～50%，比20 min 時提高了約20%。其中，工況1、2、5、6 下投票值為1 的比例均超過30%，最高可達69%。60 min 時，受試者對熱環境的滿意度略有下降，工況1、3、6 下投票值大于等于0 的比例下降了16%。同時，筆者發現，無論是何種工況，都沒有出現受試者感到很滿意（投票值為2）的狀態，反而隨著供暖時長的增加，受試者對熱環境的滿意度卻下降了，分析其原因，可能是因為長時間暴露在暖風中可感空氣品質會下降。

圖6 不同工況下熱環境滿意度分布變化

3 討論

在本研究中，受試者短時內暴露在低溫環境中會產生明顯的冷感覺和不舒適感，由于處在低溫環境下，受試者對熱環境的滿意度較低，但濕感覺和氣流感均處于較為適中的狀態。當開啟暖風機20 min 后，受試者熱感覺明顯提高，不舒適感明顯下降（TSV＞-0.5，TCV＜1），對熱環境的滿意度也稍有提高，而且受試者熱感覺在供暖前20 min 內達到穩定。但在40 min 時，受試者對熱環境的滿意度較之前明顯提高，對熱環境感到滿意的受試者占比達到峰值。而在60 min 時，受試者對熱環境的滿意度略有下降。在供暖風前后，受試者濕感覺和氣流感均在±0.5 內，全程處于較為適中的狀態。綜上所述，在低溫環境中局部送暖風供暖能在短時內有效地改善人體的熱舒適，但長時間暴露在暖風中，人體熱舒適改善效率會下降。

快速改善熱舒適這個優點，使得個性化送暖風供暖在我國華北村鎮地區的居住建筑具有較強適用性，這是因為居住建筑中部分房間如客廳、餐廳等，住戶經常走動，逗留時間沒有規律，此時若使用個性化送暖風供暖，可以達到人來即開，即開即熱，人走即關，節能環保的效果。

針對長時間暴露在暖風中，人體熱舒適改善效率會下降這個缺點，筆者認為對設備進行動態優化策略是一個有效的解決辦法。清華大學趙榮義[7]指出：熱舒適存在于動態過程中，舒適是忍受不舒適過程的解脫狀態，它不能持久存在，一段時間后會轉化為另一不舒適過程，或兩者趨于無差別狀態?；诖?，筆者認為對暖風的供暖溫度和氣流組織進行適當的調整，可以給人體制造一定的熱刺激，避免長時間暴露在暖風中熱舒適改善效率降低的缺點，但這個想法的有效性還需要后續更多的實驗來進行驗證。

4 結論

1）暖風供暖的方式能在短時間內將人體舒適狀態從不舒適（TSV＜-1，TCV≥1.5）改善到一個較為適中的狀態（TSV＞-0.5，TCV＜1）。

2）在供暖風前后，受試者濕感覺和氣流感投票均在±0.5 內，人體濕感覺和氣流感一直處于較為適中的狀態。

3）在暖風供暖的前期，隨著熱環境的改善，人體對熱環境的滿意度得到一定程度的提升，但長時間暴露在暖風中，熱環境滿意度會下降。