非均勻環(huán)境下不同空調形式對人體熱舒適的影響

劉昆俐， 李念平， 阿勇嘎， 張穩(wěn)

(湖南大學土木工程學院， 長沙 418200)

熱環(huán)境評價標準的制定通常旨在保證均勻穩(wěn)定的熱環(huán)境中人體舒適度良好[1]，實際由于太陽輻射、冷窗效應、不同形式的空調等因素的存在，建筑環(huán)境的均勻性無法保證，由于人體的局部皮膚溫度變化因環(huán)境不均勻程度而異[2]，同時非均勻環(huán)境中輻射源強度與人員特征會影響人體可接受的最大輻射不對稱度[3-4]，因此研究者針對非均勻工況下的環(huán)境評價指標和人體熱舒適進行了探究。Zhou等[5]提出不同類型輻射環(huán)境中，人體可接受的不對稱輻射溫度極值不同。Arens等[6-7]、Zhang等[8]提出非均勻環(huán)境下人體局部-全身熱舒適遵循“抱怨模式”，即全身熱舒適由身體最不舒適部位的熱反應所決定。王昭俊等[9]、徐云艷[10]發(fā)現(xiàn)冷窗引起的不對稱輻射環(huán)境中人體熱舒適由小腿決定，仍遵循“抱怨模式”。Tian等[11]發(fā)現(xiàn)使用頂板輻射加空調新風系統(tǒng)對人體上半身舒適度有顯著提高，可見有必要研究非均勻環(huán)境下人體局部和整體的熱舒適特性及其改善。

相較于傳統(tǒng)空調末端，輻射空調系統(tǒng)因其具有通風速率低[11]、能效比高[12]、消除垂直溫差[13-14]、減少污染[15]等優(yōu)勢而獲得青睞，逐漸應用于對人體局部熱舒適的改善[11]。此外，人員的主動行為調節(jié)也能提升人體舒適度[16-17]，當室內人員變溫需求產(chǎn)生差異時，可以使用個人舒適系統(tǒng)(personal comfort system，PCS)進行調節(jié)，個人舒適系統(tǒng)通過改善身體局部熱狀況來改善人體舒適度[18]，即使背景溫度未達到舒適范圍時，人員也能在非均勻環(huán)境中達到熱中性狀態(tài)[19]，從而擴寬中性溫度區(qū)間，節(jié)能效果顯著[20]。然而，這些研究大部分采用對流空調控制背景溫度，在采用輻射空調的非均勻環(huán)境中增加PCS改善人體熱舒適的研究較少。

因此，在對流空調作為基本空調形式的基礎上，現(xiàn)使用輻射空調及PCS對人體進行調節(jié)，以此得到冬季非均勻環(huán)境下不同空調形式和PCS對人體熱舒適的影響。

1 實驗

1.1 實驗環(huán)境和受試者

實驗在湖南大學建筑節(jié)能與綠色建筑研究的中心氣候實驗室中進行，實驗室平面布置圖和內部房間測點布置分別見圖1和圖2。實驗室由房間1、房間2組成，均為2.2 m(寬)×3.5 m(長)×3 m(高)，兩房間之間由一扇保溫隔熱門進行連接。兩房間均有風機盤管空調系統(tǒng)，在地板、天花板均設有輻射板，可實現(xiàn)獨立控制。

圖1 實驗室整體平面布置圖Fig.1 The overall layout of the laboratory

招募20名健康的在校研究生，受試者男女比例1∶1，具體生理特征參數(shù)如表1所示。所有受試者穿著服裝熱阻約為1 clo(1 clo=0.155 m·K/W)的服裝參加實驗，包括內衣、內褲、薄外套、褲子、襪子和運動鞋。實驗期間受試者在室內靜坐，進行輕辦公活動，如閱讀、寫作等，代謝率接近1.1 met[1 met=4.184 kJ/(kg·h)]。

圖2 實驗室內部房間測點平面布置圖Fig.2 The layout of measuring points in the inner room

表1 受試者生理特征參數(shù)Table 1 Anthropometric data of subjects

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗參數(shù)

實驗期間人員靜坐于距窗1.5 m處，需測量的環(huán)境參數(shù)包括壁面溫度、室內空氣溫度、相對濕度、空氣流速、黑球輻射溫度，其中壁面溫度測點布置見圖2，具體設備及參數(shù)見表2。

文獻[21]研究表明，冬季非均勻環(huán)境下皮膚溫度采集需n個測點，故采用Colin Houdals的“十點法”經(jīng)驗公式加權計算，計算公式為

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為平均皮膚溫度；Tf1為額頭溫度；Tc為胸部溫度；Tu為上臂溫度；Ta為腹部溫度；Tl為小臂溫度；Th為手背溫度；Tt為大腿前側溫度；Tg為小腿前側溫度；Tf2為足部溫度；Tb為肩胛部溫度；溫度單位均為 ℃。

表2 實驗儀器型號及測量參數(shù)Table 2 Experimental apparatus model and parameters

1.2.2 實驗流程和工況

實驗在長沙冬季(2021年1月)進行，針對中性環(huán)境下不同空調形式和個人舒適系統(tǒng)(帶靠背的加熱座椅)對人體熱舒適的影響，因此共設計了6個工況，每個工況20人次，風速≤0.1 m/s，每個房間溫濕度保持相對恒定。

實驗分為過渡階段和試驗階段，分別在實驗房間1和2中進行。流程圖如圖3所示，具體流程如下。

(1)過渡階段為20 min，在過渡階段開始和結束時分別填寫一份問卷。

(2)實驗階段為30 min，進入實驗間2時填寫第一份問卷，之后每隔10 min填寫一次，若該階段有PCS時，前10 min受試者不能調節(jié)PCS，后20 min受試者可自由調節(jié)PCS。

每個工況的溫度都設為20 ℃，工況1～工況3的空調形式分別為對流空調、輻射地板和輻射吊頂，且不使用PCS；工況4～工況6的空調形式分別為對流空調、輻射地板和輻射吊頂，使用PCS。

1.2.3 主觀問卷

實驗的問卷調查主要包括局部和全身熱感覺(thermal sensation votes， TSV)、局部和全身熱舒適(thermal comfort votes， TCV)、熱可接受度(thermal acception votes， TAV)和熱愉悅感，問卷收集采用問卷星完成。主觀問卷調查投票標尺劃分如圖4所示。

圖3 實驗具體流程Fig.3 Experimental procedures

圖4 主觀問卷投票標尺Fig.4 Subjective questionnaire voting scale

1.2.4 非均勻環(huán)境評價指標

不對稱輻射溫度Δtpr是室內兩個相對壁面的平板輻射溫度之差的最大值，能反映室內不同方向的熱環(huán)境不對稱程度。根據(jù)參考文獻[22]，平板輻射溫度可以采用定義法進行計算，兩平面間的角系數(shù)計算參考ASHRAE手冊(2009)，見式(2)。垂直不對稱輻射溫度是上下方向輻射溫度之差，水平不對稱輻射溫度是所有水平方向不對稱輻射溫度之差的最大值。

(2)

式(2)中：Ti(i=1，2，…，N)為圍護結構內表面的溫度， ℃；Fp-i(i=1，2，…，N)為兩平面間的角系數(shù)。

根據(jù)參考文獻[9-10]，室內不對稱輻射來源主要是垂直方向，因此3種空調形式下垂直不對稱輻射溫度Δtpr-v計算結果見表3。

表3 三種空調形式下垂直不對稱輻射溫度計算值Table 3 Vertical asymmetric radiation temperature values at room center under the three conditions

2 實驗結果與分析

2.1 不同空調形式下不使用PCS的參數(shù)

研究不同形式空調下人體熱舒適特性及改善，對工況1～工況3(對流-輻射地板-輻射吊頂)實驗階段進行分析。

2.1.1 環(huán)境參數(shù)

各設定空調溫度的實驗環(huán)境參數(shù)如表4所示，所測得的平均環(huán)境溫度(0.6 m高)與設定的環(huán)境溫度相近，實驗環(huán)境中其余相關參數(shù)的控制良好。

表4 具體實驗環(huán)境參數(shù)Table 4 The experimental parameters of experiments

2.1.2 皮膚溫度

經(jīng)檢驗，工況1～工況3各部位皮膚溫度差異性較顯著(P<0.05)。圖5所示為3個工況下各部位和平均皮膚溫度。

穩(wěn)定后工況1～工況3的平均皮膚溫度差別不大，分別是32.7、32.7、32.6 ℃。局部皮膚溫度存在差異，與工況1(對流)相比，工況2(輻射地板)小腿和足部平均溫度分別提升0.6 ℃和1.0 ℃，工況3(輻射吊頂)小臂和手背平均溫度則提升0.9 ℃和0.8 ℃?？梢娸椛涞匕鍖τ诰植科つw溫度改善集中在下半身，輻射吊頂主要是針對上半身皮膚溫度有改善作用。

2.1.3 整體熱感覺-熱舒適

通過對不同空調形式下人體主觀熱反應進行評價，評測室內環(huán)境舒適度。圖6所示為工況1～工況3人體主觀反應比較結果圖。

由圖6可知，三種工況下熱感覺投票TSV均小于0，介于“不冷也不熱”和“有點冷”之間，說明三種工況下整體熱感覺偏冷，全身熱舒適投票介于“沒感覺”和“有點舒適”之間，熱可接受度投票TAV介于“勉強可接受”至“可以接受”之間，其中工況3(輻射吊頂)的熱感覺和熱舒適投票值最大，人體舒適度最高，這是因為人體核心區(qū)熱感覺得到改善，進而影響全身舒適度。當熱感覺為中性偏冷時，人員仍感到舒適，說明人員對于微冷環(huán)境有一定的耐受力。

圖6 三種工況下人體主觀熱反應比較圖Fig.6 Overall comparison of the thermal responses under three conditions

圖5 三種工況下皮膚溫度圖Fig.5 Skin temperatures during the experimental process under three conditions

圖7 三種工況下TSV百分比堆積條形圖Fig.7 TSV during the experimental process under three conditions

圖8 三種工況下TCV百分比堆積條形圖Fig.8 TCV during the experimental process under three conditions

2.1.4 局部熱感覺-熱舒適

圖7所示為工況1～工況3局部熱感覺投票(TSV)百分比的統(tǒng)計結果，局部熱感覺投票差異性較顯著(P<0.05)。

暴露在不同的非均勻環(huán)境中，人體局部熱感覺不同。與工況1(對流)相比，工況2(輻射地板)小腿和足部熱感覺投票為“有點冷”的人員比例下降了1%、3%，工況3(輻射吊頂)小臂和手背熱感覺投票為“有點冷”的比例均下降了1%。

圖8所示為工況1～工況3局部熱舒適投票(TCV)的百分比結果圖，局部熱舒適投票差異顯著(P<0.05)。

當某部位熱舒適投票在“有點不舒適”及以下時，認為人員該部位對所處熱環(huán)境不滿意。與工況1(對流)相比，工況2(輻射地板)小腿和足部不滿意比例下降了12%、17%，工況3(輻射吊頂)小臂和手背不滿意比例分別下降了5%、8%。不同類型的輻射不對稱環(huán)境對人體上下半身熱感覺影響不一致，導致確定整體熱舒適時，人體各部位的權重系數(shù)不同，進而會影響人員對于熱環(huán)境的評價。

綜上，輻射吊頂改善小臂和手背熱感覺和熱舒適效果明顯，輻射地板改善小腿和足部的熱感覺和熱舒適。

2.2 不同空調形式下使用PCS前后的參數(shù)

研究使用PCS后對人體熱舒適影響，選取工況4～工況6(對流-輻射地板-輻射吊頂)的實驗階段進行分析。

2.2.1 皮膚溫度

經(jīng)檢驗，發(fā)現(xiàn)使用PCS前后局部皮膚溫度之間存在差異性(P<0.05)。三種空調形式下有無PCS(加熱座椅)前后皮膚溫度的變化如圖9所示。

從圖9可知，不同空調形式下整體皮膚溫度在使用PCS后分別提升了0.2 ℃(對流)、0.1 ℃(輻射地板)、0.1 ℃(輻射吊頂)。局部皮膚溫度使用PCS后提升最顯著部位分別是大腿(對流)、小臂(輻射地板)、大腿(輻射吊頂)，分別升高了0.4、0.5、0.4 ℃。

圖9 三種空調形式下皮膚溫度圖Fig.9 Skin temperatures during the experimental process under three air-conditioning forms

可見通過加熱座椅可直接加熱軀干及軀干附近，以此提升人體局部皮膚溫度和熱感覺。

2.2.2 熱感覺和熱舒適

圖10所示為三種空調形式下主觀反應比較圖。圖10(a)中，足部在三種空調形式下均是最冷部位，且投票具有顯著差異性(P<0.05)。使用PCS后，只有輻射地板的TSV平均值升高，對流與輻射吊頂空調TSV平均值降低，因為當空調對人體熱感覺的影響強于PCS的改善效果時，局部熱感覺投票值會隨時間下降。圖10(b)中，全身熱感覺和熱舒適投票平均值在使用PCS后均得到提高，在輻射地板空調中使用PCS對全身熱感覺提升最顯著，人體熱舒適則在對流空調組合PCS時改善效果最好。

圖10 三種空調形式下足部和全身主觀熱反應比較圖Fig.10 Comparisons of the feet and overall thermal responses under three air-conditioning forms

2.2.3 期望溫度

取人員在各工況最后2次投票的期望溫度(preferred temperature， PT)平均值進行分析，得出三種空調形式下人員使用PCS前后期望溫度變化圖，見圖11。不同空調形式下，使用PCS前后期望溫度分別下降0.5 ℃(對流)、1.0 ℃(輻射地板)、0.5 ℃(輻射吊頂)?？梢娫谳椛涞匕逯惺褂肞CS降低人員期望溫度值效果最顯著。

圖11 三種工況下人員的期望溫度變化Fig.11 Thermal preference under three conditions

3 討論

3.1 非均勻環(huán)境下近窗側與遠窗側對比

將表3中三種空調形式下垂直不對稱輻射溫度Δtpr-v分為3個溫度區(qū)間：7～9 ℃、9～11 ℃、11～13 ℃，分別對應對流空調、輻射地板空調、輻射吊頂空調，由2.2.2節(jié)中足部是最冷部位，因此對不同Δtpr-v下距窗1.25 m(近窗側)、1.75 m(遠窗側)以及全體(包含近窗側和遠窗側)受試者進行分析，經(jīng)檢驗，發(fā)現(xiàn)不同位置處人員足部皮膚溫度之間存在差異性(P<0.05)。圖12與圖13分別為三種空調形式下不同位置人員足部皮膚溫度和熱感覺投票比較圖。

三種空調形式下遠窗側足部皮膚溫度和熱感覺投票值均高于近窗側，因為離窗越近，所受外墻外窗冷輻射更強[10，23]，不對稱輻射感的增強會使人體熱感覺投票值下降；全體人員足部皮膚溫度和熱感覺投票值在輻射地板空調中最高，輻射吊頂工況下全體人員足部熱感覺最冷，這是因為輻射吊頂空調產(chǎn)生的熱流集中在房間的中上部區(qū)域，而輻射地

圖12 三種空調形式不同位置人員足部皮膚溫度對比圖Fig.12 Comparisons of the feet skin temperature of human at different positions under three air-conditioning forms

圖13 三種空調形式不同位置人員足部熱感覺 投票對比圖Fig.13 Comparisons of the feet TSV of human at different positions under three air-conditioning forms

板空調產(chǎn)生的熱流可以抵消人體下半身所在環(huán)境中的部分垂直溫差來提升局部的熱感覺與熱舒適。

3.2 非均勻環(huán)境下熱感覺評價模型

不同工況下，同一部位對全身熱感覺的相關性不同[8]，因此有必要分析工況1～工況3局部對全身的熱感覺影響權重。參考李念平等[24]的局部與整體回歸模型，采用多元逐步回歸法消除局部熱感覺的共線性，進行分析，回歸模型結果如下。

工況1：

TSV=1.356TSVc-1.249TSVb+0.331TSVh+

1.155TSVt-0.041

(3)

工況2：

TSV=0.465TSVc+0.456TSVu-0.096

(4)

工況3：

TSV=0.458TSVb+0.519TSVu+0.423TSVt+

0.028

(5)

式中：TSVc為胸部熱感覺投票值；TSVu為上臂熱感覺投票值；TSVh為手背熱感覺投票值；TSVt為大腿前側熱感覺投票值；TSVb為肩胛部熱感覺投票值。

從式(3)～式(5)可知，工況1(對流)中，胸部、肩胛部、手背、大腿的影響權重較大，工況2(輻射地板)中權重較大的是胸部和上臂，工況3(輻射吊頂)中影響權重較大的部位有肩胛部、上臂、大腿，說明可通過引入輻射空調來改善局部和整體的熱感覺與熱舒適。本實驗結果與之前研究比較見表5。可以看出，工況2、3得出上臂在輻射工況下權重最大的結論與李念平等[24]一致，其他結果因空調形式、設定溫度的工況及實驗強度等因素而不同。

3.3 PCS對人體熱舒適的改善

圖14為不同垂直不對稱輻射溫度下使用PCS前后熱感覺提升最顯著部位主觀反應比較圖。在7～9 ℃、9～11 ℃、11～13 ℃ 3個溫度范圍內使用PCS前后熱感覺提升最顯著部位分別是肩胛部、腹部和大腿，可見，加熱椅通過改善直接加熱部位的熱感覺與熱舒適來削弱其他部位的不適感[26]。

表5 局部對整體熱感覺影響權重文獻比較Table 5 Literature comparison of the weight of local influence on overall thermal sensation

圖14 不同不對稱輻射溫度下使用PCS前后熱感覺提升最顯著部位主觀反應圖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節(jié)能分析

根據(jù)加州伯克利大學給出的不同設定溫度下空調系統(tǒng)平均節(jié)能率可知，每降低1 ℃空調設定溫度，可節(jié)約10%左右的能源，由2.2.3節(jié)分析可知，在輻射地板中使用PCS降低人員熱期望值可達1 ℃左右，若根據(jù)人員熱期望值調控空調設定溫度值，可節(jié)能10%左右。

4 結論

通過對非均勻環(huán)境不同空調形式下對人體熱舒適的影響進行研究，得出以下結論。

(1)在不同空調形式下，平均皮膚溫度基本相同，局部皮膚溫度與熱舒適有所差異。相較于對流空調，輻射吊頂對小臂、手背以及全身熱感覺與熱舒適改善效果最好，輻射地板則對小腿和足部的熱感覺和熱舒適改善效果最好。

(2)不同空調形式下局部熱感覺對整體熱感覺影響權重不同。對流空調中胸部、肩胛部、手背、大腿對全身熱感覺的影響權重較大，輻射地板系統(tǒng)中影響權重較大的是胸部和上臂，輻射吊頂中影響權重較大的部位有肩胛部、上臂、大腿。

(3)將3種空調形式下垂直不對稱輻射溫度Δtpr-v分為3個溫度區(qū)間：7～9 ℃、9～11 ℃、11～13 ℃，不使用PCS時遠窗側人員最冷部位(足部)皮膚溫度和熱感覺投票值均高于近窗側，且全體人員足部皮膚溫度和熱感覺投票值在輻射地板空調中最高；使用PCS后3個溫度范圍內熱感覺提升最顯著部位分別是肩胛部、腹部和大腿。

(4)3種空調形式下，使用PCS對輻射地板空調中最冷部位(足部)的熱感覺提升最顯著；同時，PCS可以降低人員的熱期望，在輻射地板組合PCS時，期望溫度值變化最大，降低1 ℃左右，可節(jié)約10%的能源。