分體式空調辦公建筑不同設定溫度模式對健康的影響研究*

閆海燕 石芳寧 董夢如 孫 震 袁國棟

0 引言

隨著經濟的快速發展，人們追求更舒適室內環境的同時也帶來了建筑的高能耗現實問題[1]。為了節約公共建筑能源，中國政府早在2007年就提出限制公共建筑空調設定溫度的規定：公共建筑夏季空調溫度設置不得低于26 ℃[2]。在中國“碳達峰、碳中和”的大背景下，2021年廣東省等地方政府再次發布“辦公場所夏季制冷溫度設置不低于26 ℃”的通知，而我國辦公建筑設定溫度低于26 ℃的現象普遍存在[2]。周翔等[3]通過對上海辦公建筑人員空調使用行為的研究發現，人們設定較低溫度的主要原因為不用考慮經濟因素。在一項關于辦公建筑人員空調設定溫度影響因素的實測研究中，學者們旨在找到可能的方法來鼓勵更高的溫度設置，研究指出大多數人為了個人健康會把設定溫度調高（例如避免病態建筑綜合癥），人們對健康的關注要遠大于節能。上述研究結果表明鼓勵人們節能不如宣傳健康[4]，設定溫度政策推行的關鍵在于健康。因此，研究不同設定溫度模式對健康的影響對于建筑節能和室內健康環境營造具有重要的實踐意義。

建筑的主要目的是提供住所和增進福祉，但它們也與一系列健康危害有關。佩德·沃爾科夫（Peder Wolkoff）等人[5]綜述相關文獻發現，室內熱環境與人體健康、工作以及認知能力密切相關。余娟等人[6]的研究表明，與長期處于自然通風建筑環境的人群相比，全天逗留在空調建筑環境中的人群表現出的生理適應性較弱，其皮膚溫度調節速度較慢、出汗率較低、對高溫環境的耐受能力較差、人體熱應激能力退化，存在很多健康問題。因此，自然通風建筑在人體健康和節能方面的價值不可否認[7]。然而，為了改善室內熱環境，提高人們的熱舒適，暖通空調系統仍然占據絕對主導地位。張仲軍等人[8]將60名來自不同空調建筑的受試者暴露于氣候室中，發現來自分體式空調建筑的受試者在非中性環境下的體溫調節能力強于來自中央空調建筑的受試者。綜上所述，現有研究已經證實不同建筑類型營造的室內熱環境會對人們的生理適應能力存在影響，而對于相同的空調建筑，不同設定溫度營造的室內熱環境對人體生理適應能力方面的健康影響仍不明晰。

除了室內熱環境與人體健康的關系，自世界衛生組織30多年前宣布“病態建筑綜合癥”以來，影響人們舒適和健康狀況的室內空氣質量也一直是研究中的重點問題[9]。吉約姆·塞芬（Guillaume Sérafin）等[10]收集了自2000年以來全球辦公建筑中室內空氣污染物濃度，并通過研究其致癌、誘變、重復毒性和內分泌破壞效應，把甲醛、PM2.5等列為優先污染物。CO2雖然是一種無毒物質，但在其含量顯著升高時，會導致呼吸運動振幅、外周血流量、自主神經功能表現和大腦皮層功能狀態發生顯著變化[11-12]，對人類健康有直接的影響[13]。通風行為可以通過稀釋和減少室內空氣污染物濃度來降低健康風險[14-15]。然而空調的使用會導致室內環境密閉，通風減少，因此在夏季，空調使用行為與室內空氣質量密切相關。室內熱經歷會影響人們的空調使用行為[16]，那么經歷不同設定溫度模式人群的空調使用行為有何差異，其差異對室內空氣質量的影響有多大，進而又會對健康產生什么影響？這些問題亟需解決。

綜上所述，室內熱環境、室內空氣質量等是影響居住者健康的重要因素。因此，本文以鄭州市和焦作市的分體式空調辦公建筑為研究對象，采用環境客觀測量與人體主觀調查相結合的方法，探究不同設定溫度模式下室內熱環境及空氣污染對人體健康的影響。研究結果可為夏季分體式空調辦公建筑的節能政策推行和室內環境健康問題的解決提供理論依據。

1 研究方法

1.1 調研時間和地點

本次調研于2019年6—8月在鄭州市和焦作市進行。鄭州市、焦作市分別位于河南省中部偏北和西北部位置，鄭州市北部與焦作市接壤。兩市均為中國《民用建筑熱工設計規范》（GB 50176—2016）[17]一級區劃中的寒冷氣候，夏季高溫多雨。

1.2 調研對象

本次調研隨機挑選了21棟分布在鄭州市和焦作市市區各個區域的分體式空調辦公建筑作為研究對象。被調研建筑均有由室內人員自行控制的窗戶和分體式空調。所有建筑為磚混結構，具有良好的隔熱性能，建筑內部為常規辦公室布置。

在選定的建筑中，隨機挑選室內人員作為受試者。所有受試者健康狀況良好，他們在當地至少居住1年以上，均已適應當地氣候特征。每位受試者都自愿參與本研究，為避免影響每位受試者對問卷問題的主觀選擇，調研中不會討論與測試相關的問題。為了獲取實際場景中的數據，調研期間，不對受試者加以任何干擾，受試者可以按照自己平時的喜好和習慣設置空調設定溫度，且能根據個人意愿調節服裝、開關門窗和使用空調。

1.3 現場測試方法

首先，現場調研采用調查問卷的形式來獲取受試者的基本信息、服裝熱阻、空調使用行為和空氣質量滿意度。空氣質量滿意度標尺見表1。

表1 空氣質量滿意度標尺Tab.1 air quality satisfaction voting scale

其次，在進行問卷填寫的同時進行皮膚溫度、CO2濃度、甲醛濃度、PM2.5濃度、室內外空氣溫度、相對濕度、黑球溫度、風速等參數的測量，并對受試者的空調使用行為進行統計。皮膚溫度測定位置選擇在左手手背側手腕和手指之間的區域，這是因為手和手指的皮膚有最多的AVAs（動－靜脈吻合）。AVAs是一種閥門，通過來自體溫調節系統的中樞下丘腦信號直接控制血管收縮和舒張[18]。環境參數測點位置的布置按照ASHRAE手冊[19]進行，室內環境污染物濃度的測點布置按《民用建筑工程室內環境污染控制標準》[20]進行，測試儀器均滿足ISO 7726標準[21]的要求，測試儀器詳細信息見表2。

表2 儀器的測量范圍和精度Tab.2 measured range and accuracy of instruments

1.4 數據收集

通過實地調查，共收集有效問卷和相應的客觀環境參數529套。根據調研時受試者在問卷中所填寫的空調設定溫度，以規定的公共建筑最低設定溫度（26 ℃）為界限，按照設定溫度的高低把調研所獲得的數據分為兩組：實驗組（高設定溫度模式≥26 ℃）和對照組（低設定溫度模式＜26 ℃），其中實驗組291套，對照組238套。調研獲取的受試者基本信息如表3所示。

表3 受試者背景統計Tab.3 subjects background statistics

1.5 數據處理方法

標準有效溫度（standard effective temperature, SET）考慮了空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度、風速、代謝率、服裝熱阻等相關因素的綜合效應，采用二節點模型對SET進行計算[19]。采用Bin法，將自變量按所需區間進行分組，平均值作為每組的變量。采用獨立樣本T檢驗比較不同組數據；對相關因素進行加權線性回歸分析；通過標準系數法計算權重；采用協方差分析檢驗回歸線之間的顯著性。所有統計分析均采用SPSSv26.0軟件進行，以P值描述2組數據間的差異水平，P＜0.05（*）表示差異顯著，P＜0.001（***）表示差異極其顯著，P＞0.05（ns）表示差異不顯著。

2 結果與分析

2.1 熱濕環境

兩組室內熱濕環境參數如圖1所示，調研期間室外空氣溫度范圍為24.5 ℃～39.3 ℃，平均溫度為33 ℃。經檢驗，實驗組的室內空氣溫度和相對濕度均顯著大于對照組（P＜0.001），而兩組的室外空氣溫度無顯著性差異（P=0.250）。即調研期間，兩組受試者的室外熱暴露無差異，而與對照組相比，實驗組受試者暴露的空調環境溫度更高，濕度更大。

圖1 室內外熱濕環境Fig.1 indoor and outdoor thermal and humid environments

2.2 空調依賴程度

2.2.1 空調使用模式

通過對空調使用模式情況的統計（圖2）發現，實驗組和對照組空調使用模式主要集中于“感覺熱時開”和“一進門就開，離開時關”。不同空調使用模式意味著受試者對空調的依賴程度不同。“感覺熱時開”對空調的依賴程度較弱，稱之為弱依賴空調模式；“一進門就開，離開時關”對空調的依賴程度較強，稱之為強依賴空調模式。在辦公建筑中，人們不需要支付使用空調的費用，因此兩組頻率最高的空調使用模式均為不節能的強依賴模式。對于較節能的弱依賴模式，對照組受試者很少采用（6%），而實驗組有35%的受試者采用這種模式，即相比于對照組，實驗組對空調的依賴程度較弱。

圖2 空調使用模式分布情況Fig.2 distribution of air conditioner usage modes

2.2.2 空調使用時長

實驗組和對照組的空調使用月數分布頻率如圖3a所示，實驗組的空調使用月數顯著小于對照組（P=0.001）。實驗組和對照組每天空調使用時長分布頻率如圖3b所示，實驗組與對照組每天空調使用時長平均值分別為8 h和10 h，經檢驗，實驗組每天空調使用時長顯著小于對照組（P=0.000）。即整個夏天實驗組受試者暴露于空調環境的時間少于對照組。由圖3c可知，強依賴空調模式的空調使用月數和每天空調使用時長均顯著大于弱依賴空調使用模式（P＜0.001），即空調依賴程度與空調使用時長呈正相關。經檢驗，兩組每天空調使用時長與室外溫度無關（P=0.204），即辦公建筑每天空調使用的時長更多地取決于人們對空調的依賴程度，而不是室外溫度。

2.3 對體溫調節能力的影響

服裝熱阻和風速均會影響人體的皮膚溫度[22-23]，為了減少兩者的影響，本文采用SET來評價人體皮膚溫度與環境溫度的關系。在中性環境下，維持體溫的熱能由基礎代謝提供，人體的代謝處于穩定狀態[24]。因此由圖4a可知，中性環境下（25 ℃～27 ℃），兩組的皮膚溫度無顯著性差異（P=0.061）。中國人體出汗的環境溫度閾值在33 ℃以上[23]，而本文空調環境中的溫度遠低于33 ℃，因此在本研究的非中性環境下，人體體溫調節系統主要通過血管擴張和收縮來控制皮膚溫度，以在溫度變化時保持體溫恒定。當環境溫度較低時，為了減少散熱，流向皮膚的血液會隨著周圍血管收縮而減少，因此皮膚溫度降低。相比之下，當溫度較高時，皮膚表面的血管會擴張以增加散熱導致皮膚溫度升高[24]。由圖4b可知，皮膚溫度和SET呈正相關（P=0.000），在相同的SET下，實驗組的皮膚溫度高于對照組，且隨著SET的升高，差異增大。經檢驗，實驗組的斜率顯著大于對照組（P=0.000），這表明實驗組受試者的皮膚溫度對環境溫度的變化更敏感，調節速度更快。同時由圖4a可知，在偏涼環境下（≤25 ℃），兩組受試者的皮膚溫度無顯著性差異（P=0.236）。而在偏熱環境下（≥27 ℃），實驗組受試者的皮膚溫度顯著高于對照組（P=0.049）。這表明兩組受試者在偏涼環境下的體溫調節能力無差異，而在偏熱環境下，實驗組受試者的體溫調節能力強于對照組。

2.4 室內空氣質量差異

參照《室內空氣質量標準》（GB/T 18883—2002）[25]確定CO2標準限值為0.1%，參照《民用建筑工程室內環境污染控制標準》（GB 50325—2020）[20]確定Ⅱ類民用建筑工程的甲醛標準限值為0.08 mg/m3，參照《建筑室內細顆粒物（PM2.5）污染控制技術規程》（T/CECS 586—2019）[26]確定二級PM2.5標準限值為75 μg/m3。將統計調研期間的甲醛濃度按1 ppm=1.341 mg/m3進行換算。室內空氣質量參數分布頻率如圖5所示，由圖5a可知，實驗組的CO2濃度超標率（28%）遠小于對照組（41%）；由圖5b可知，實驗組的甲醛濃度超標率為57%，對照組為63%；由圖5c可知，實驗組和對照組的PM2.5濃度達標率分別高達93%和96%。對比發現，在辦公建筑中CO2和甲醛超標率較高，尤其是對照組，而PM2.5濃度偏低，達標率均高達90%以上。因此鄭州市和焦作市夏季分體式空調辦公建筑解決室內空氣質量問題主要就是解決CO2和甲醛污染的問題。

圖5 室內空氣質量參數分布Fig.5 distribution of indoor air quality parameters

進一步檢驗顯示，實驗組的CO2和甲醛濃度均顯著小于對照組（P＜0.05），尤其是CO2濃度超過標準限值時，兩組CO2濃度差異更大（P=0.000）。由圖5d可知，弱依賴空調模式的室內CO2和甲醛濃度顯著低于強依賴空調模式（P＜0.05），即空調依賴程度影響室內污染物濃度，弱依賴空調模式對室內空氣污染物濃度有積極影響。由2.2.1節可知，實驗組對空調的依賴程度較弱，因此實驗組的CO2和甲醛濃度均顯著小于對照組。甲醛濃度會隨著溫濕度的升高而增加[27]，由2.1節可知，實驗組的室內空氣溫度和相對濕度均顯著大于對照組，而實驗組的甲醛濃度卻顯著低于對照組，這表明相比于對照組，實驗組的弱依賴空調模式抵消了其較高溫濕度對甲醛濃度的不利影響。

2.5 甲醛暴露健康風險評價

由2.4節可知，兩組甲醛濃度超標率較高，室內甲醛污染嚴重，而甲醛作為一類致癌物，對人體健康危害很大，因此對甲醛暴露進行健康風險評價十分必要。

采用美國環境保護局（EPA）健康風險評價方法[28]，甲醛癌癥風險計算方法見式（1）和（2）：

式中：CancerRisk為癌癥風險；SF為斜率因子，kg·d/mg；CDI為平均日暴露劑量，mg/kg·d。

式中：C為污染物濃度，mg/m3；IR為呼吸速率，m3/d；ED為暴露持續時間，d；BW為體重，kg；AT為終身時間，d。

查詢美國EPA的IRIS數據庫獲取SF值[29]為4.55×10-2kg·d/mg；根據《中國人群暴露參數手冊（成人卷）》[30]，獲得成年男、女性的呼吸速率分別為17.70 m3/d和14.30 m3/d；暴露持續時間通過以下公式計算：暴露持續時間=每天工作時間平均值/24×每周工作天數平均值×1年的周數×職工工作年限，其中每天工作時間平均值按調研實際時間保守估計為8 h，每周工作時間為5天，1年的周數為365/7，職工年限為40年；美國環境保護署定義70年作為計算壽命周期內的致癌效應，則終身時間為25 550天。

兩組的甲醛致癌風險評價結果如表4所示，實驗組的甲醛致癌風險顯著小于對照組（P=0.044），兩組甲醛致癌風險均超過美國EPA提出的安全限值（1×10-6），這表明夏季辦公建筑室內甲醛濃度存在較大的健康隱患，尤其是對照組。

表4 甲醛終身癌癥風險估算Tab.4 estimated lifetime cancer risk of formaldehyde

2.6 空氣質量滿意度

由2.4節可知，盡管實驗組的空氣污染物濃度顯著小于對照組，但兩組的空氣質量滿意度并無顯著性差異（P=0.106）。通過相關性分析發現，空氣質量滿意度與PM2.5濃度、甲醛濃度均無關（P＞0.05），僅有實驗組的CO2濃度與空氣質量滿意度呈負相關（圖6a）（P=0.000）。而由圖6b可知，兩組空氣質量滿意度均與室內空氣溫度呈負相關（P＜0.001），這可能是因為由于溫度的上升使得吸入的空氣焓值升高，從而導致吸入的空氣對人體呼吸道粘膜的冷卻作用減弱而使人產生了悶感[31]，因此空氣質量滿意度降低。綜上所述，實驗組的空氣質量滿意度受CO2濃度和室內空氣溫度的綜合影響，而對照組的空氣質量滿意度主要受室內空氣溫度的影響。由此可知，兩組空氣質量滿意度無顯著差異的主要原因可能是因為對照組的室內空氣溫度顯著低于實驗組。

圖6 室內空氣質量滿意度Fig.6 indoor air quality satisfaction

有實驗室研究表明，溫度對空氣質量滿意度的影響要大于CO2[32]。但是從本次現場調研來看，在實驗組，CO2濃度對受試者空氣質量滿意度的影響程度（56%）略大于室內空氣溫度（44%），而在對照組，CO2濃度對受試者的空氣質量滿意度沒有影響。因此，可以推斷長期待在低溫環境下，可能會降低人們對CO2濃度的敏感性，進而影響人們對空氣質量的有效感知。故在對照組，不僅CO2等污染物濃度更高，而且人們的感知能力較差，這無疑將會增加人們的健康風險。

3 討論

3.1 低設定溫度模式暴露會增加人們的空調依賴程度

由2.2節可知，相比于低設定溫度模式，高設定溫度模式下人們對空調的依賴程度較低，這可能是由不同設定溫度模式下人們體溫調節引起的熱耐受能力差異造成的。

現有研究已經表明相比于自然通風建筑，長期處于空調建筑環境人群的生理調節能力較弱[6]。而本研究發現即使同為空調建筑，不同設定溫度模式也會對人們的體溫調節能力產生影響，出現這種現象的原因可以由兩種模式熱暴露的差異來解釋：由2.1和2.2.2節可知，相比于高設定溫度模式，低設定溫度模式暴露的空調環境溫度更低、時間更長，因此削弱了人體對偏熱環境的體溫調節能力。而低設定溫度模式下，人們的弱體溫調節能力將會導致人體熱應激能力退化并對偏熱環境的耐受能力減弱[6]，從而增加了人們對空調的依賴程度。

現有研究發現，使用過空調的人會更喜歡選擇空調作為環境調節的手段[33]，而本研究進一步發現，采用低設定溫度模式的人會更依賴空調。

3.2 低設定溫度模式暴露對健康帶來的負面影響

由前文分析可知，低設定溫度模式對健康產生的負面影響有：削弱了人們對偏熱環境的體溫調節能力、增加了室內CO2和甲醛的濃度、加劇了居住者的甲醛致癌風險、降低了人們對空氣質量的有效感知。出現這些情況的主要原因如下。

一是室內空氣溫度方面：2.1、2.6和3.1節的結果表明，相比于高設定溫度模式，低設定溫度模式較低的室內空氣溫度削弱了人們對偏熱環境的體溫調節能力并降低了人們對CO2濃度的敏感性，進而影響了人們對室內空氣質量的有效感知。

二是空調依賴程度方面：為了節約能耗、減少散熱量，調研期間受試者使用空調的同時一般關閉門窗，室內處于密閉狀態，而CO2和甲醛濃度主要由室內通風水平影響[34]。由2.2節可知，相比于高設定溫度模式，低設定溫度模式受試者對空調的依賴程度更高，空調使用時長更長，因此室內通風不足，導致室內空氣污染物濃度升高。同時，低設定溫度模式受試者對空調的較強依賴也對人們的體溫調節能力產生了不利影響。

基于上文不同設定溫度模式對健康的影響分析，驗證了中國政府對辦公建筑設定溫度規定的合理性。因此應繼續加強“辦公場所夏季制冷溫度設置不低于26 ℃”規定的執行力度。鼓勵人們節能不如宣傳健康，故建議中國加大低設定溫度對健康負面影響的宣傳，引導人們采取高設定溫度模式。

進一步分析發現，高設定溫度模式受試者的年齡顯著大于低設定溫度模式（P=0.000）。根據世界衛生組織對年齡階段的劃分，按照年齡的大小分為兩種人群：青年人（＜45歲）和中老年人（≥45歲）。經檢驗，中老年人的空調設定溫度顯著大于青年人（P=0.011），同時女性的空調設定溫度顯著大于男性（P=0.000），這與以往研究結果一致。隨著年齡的增加，人體代謝率會降低，需要更高的環境溫度來保持舒適。相比于男性，女性更容易感到寒冷，偏好較高的溫度[35]。因此，應著重加強對青年人和男性的引導。

4 結論與建議

本文通過研究鄭州市和焦作市分體式空調辦公建筑不同設定溫度模式下室內熱環境及空氣污染對人體健康的影響，得出以下結論和建議。

一是分體式空調辦公建筑中存在兩種典型的空調使用模式，分別是“感覺熱時開”和“一進門就開，離開時關”。實驗組的空調依賴程度和空調使用時長均小于對照組。

二是兩組受試者的室外熱暴露無差異，而相比于對照組，實驗組受試者暴露的空調環境溫度更高，濕度更大。

三是在偏熱環境下，實驗組受試者的體溫調節能力要強于對照組。

四是鄭州市和焦作市夏季分體式空調辦公建筑室內主要空氣污染物為CO2和甲醛。實驗組的CO2、甲醛濃度以及甲醛致癌風險均顯著小于對照組。實驗組的弱依賴空調模式抵消了其較高溫濕度對甲醛濃度的不利影響。

五是兩組受試者的空氣質量滿意度無顯著差異。實驗組的空氣質量滿意度受CO2濃度和室內空氣溫度的綜合影響，而對照組的空氣質量滿意度主要受室內空氣溫度的影響。長期待在對照組，會降低人們對室內空氣質量的有效感知。

六是室內溫度影響人們的空氣質量滿意度，若靠人的主觀感受去檢測室內空氣質量，可能會導致人們盲目降低空調設定溫度，從而將會對健康產生不利影響并造成能源的浪費。因此，建議室內配備空氣質量監測系統，進行空氣質量的實時監測，在超出標準范圍時，及時提醒人們采取措施。

圖表來源：

圖1-6：作者繪制

表1-4：作者繪制