活动状态变化下温度与气流对人体热舒适的影响

赵胜凯，杨柳，翟永超

0 引言

人们通常会通过步行、骑车或公共交通等方式到达办公室、地铁站、商场或其他建筑中，然而他们从室外到达建筑内的活动状态和热舒适需求与长期静坐人群不同[1]。因此，在恢复期间可能会感到不舒适。这些场景常发生在室外到室内的过渡空间，如酒店大堂、商场和办公楼的过渡空间，也可能会发生在建筑的办公空间。如何使这些空间满足人员的热舒适需求是具有挑战性的，且以往所采用的方法往往会产生能源和经济问题。

这个问题在夏季尤为突出，当人们进入建筑内，由于室外高温暴露和代谢率提高而产生的热量必须通过皮肤与外界环境发生热交换。然而，人在室外步行时产生的气流进入建筑后会显著降低，当人静坐后会导致皮肤温度和出汗量的激增，由此产生的不适可能会持续较长时间。在此期间，人们可能会抱怨不舒适并大幅调节恒温器以降低室内空气温度使其快速达到舒适状态。因此，室内会维持在较低的空气温度下，超过人员的热过渡期，在增加建筑耗冷量的同时会使人员产生冷不舒适。现有的热舒适标准ASHRAE 55[2]和ISO 7730[3]通常只关注稳态下的人体热舒适，依据这些标准在进行建筑室内热环境设计时，并不能确保人们在进入建筑后的过渡期能快速有效地获得舒适。

在活动状态变化下，已有相关的研究验证了增加气流和降低空气温度[4]的方式可以改善人体的热舒适。Bourdakis[5]等人的研究发现，对于自行车或步行通勤到达建筑空间，夏季温度应降至20～21.5 ℃，显著低于ASHRAE 55[2]的舒适建议。然而，降低室内温度和相对湿度将增加能源成本和预测控制的复杂性，当只使用空气温度来消除体热时，主观舒适度和生理反应都会慢得多[6]。消除体热的环境控制方式存在差别，研究表明增加空气流动比降低温度更有效[7]，在偏暖的环境下增加空气流动也可以显著改善人们的热舒适[8-9]。

然而，目前对于代谢率下降引起的转变过程中人体舒适需求的潜在机制，以及如何高效地恢复和维持人体热舒适的研究还不够充分。使用冷却空气调节会覆盖人员使用的大面积空间，但那些未经历热瞬变的人群并不需要冷却。相反，空气流动可以引导到更小的区域，不会使长时间待在建筑内的人员感觉过冷。因此，本研究探讨了夏季人体从室外到达建筑空间后空气温度和气流的耦合作用对人体热舒适的影响，并进一步量化了建筑室内空气温度和气流的组合，研究成果可为节能的建筑室内环境控制策略提供指导。

1 实验方法

1.1 受试者

本次实验共招募了35 名（17 男，18 女）在校大学生作为受试者，每个受试者需参加全部实验工况。受试者穿着实验室提供的长袖衬衣和长裤，以及受试者的内衣、鞋和短袜，为夏季空调环境中人员的典型着装，其服装热阻值约为0.6 clo[2]。

1.2 实验设计

为了更好地控制实验环境，我们选择在西安建筑科技大学人工气候室进行测试，实验室平面布置如图1 所示。该实验共由3 个房间组成，分别为房间A、B、C，旨在模拟人在夏季通勤后进入建筑空间过程中不同阶段的代谢率和热环境变化情况。房间A 的尺寸为4.8m×3.6m×3.3m（长×宽×高），采用分体式空调控制室内的温湿度，能够满足实验的精度要求。房间B 的尺寸为3.0m×2.1m×2.4m，房间C的尺寸为4.5m×3.9m×2.6m，均能够进行精准调控，空气温度控制精度为±0.2℃，相对湿度控制精度为±5%。本实验主要研究温度和气流对人体热舒适的影响，因此房间C 采用了顶部孔板送风、下部地板回风的方式控制室内空气流动，实验室未开启风扇时基本无气流。

1 实验室平面布置

为确保实验的准确性，在实验开始前对房间温度预先进行设定。房间A 设定为26℃/50%；房间B 设定为30℃/50%，以模拟夏季室外的高温环境；房间C 共有6 个实验工况，分别为24℃、26℃、28℃、24℃+风扇、26℃+风扇、28℃+风扇。为确保实验结果的可靠性，我们对所有的实验工况进行了随机化设置。在有风扇的工况下，受试者从房间B 回到房间C 后可随时通过遥控器调节风扇的档位大小。气流的高度约为1.0m 并吹到受试者胸部。风扇共有32 个档位，风速范围为0.3～1.5m/s，有效功率范围为1.7～17W。

1.3 实验流程

图2 展示了本次实验的流程图。在开始实验前，受试者将接受问卷培训，更换实验室提供的统一服装，并粘贴皮温纽扣。为避免之前的影响，受试者先在房间A（26℃/50%）静坐30min，期间每10min填写一次主观调查问卷；然后进入房间B（30℃/50%）以40 步/min 的速率进行15min 的上下台阶，模拟人在室外通勤时的活动强度，在开始运动前和结束运动后填写两次问卷；最后受试者进入房间C 进行60min 的静坐办公来恢复，恢复期间的前5min 以1min/次的频率填写问卷，5～20min 以3min/次的频率填写问卷，20～60min 以10min/次的频率填写问卷，共需填写15 次。

2 实验流程

1.4 测试参数和实验仪器

1.4.1 物理环境参数

实验期间对室内环境参数进行了测试，测试高度分别为0.1m、0.6m、1.1m。空气温度和相对湿度使用HOBO UX100-003，精度为±0.2℃。黑球温度使用了天建华仪HQZY-1，精度为±0.3℃。实验前对风扇不同档位的风速使用WFWZY-1 仪器进行了测试，风速测试范围为0.05～5m/s，精度为±0.05m/s。物理环境参数测试结果均满足实验要求。

1.4.2 生理参数

实验测试了代谢率、核心温度和皮肤温度。从中选取9 名受试者佩戴COSMED K5 进行代谢率的测试。测试在整个实验期间受试者的代谢率变化，测试原理是通过呼吸面罩采集受试者的CO2产生量和O2消耗量，通过方程（1）～（3）计算得到受试者代谢率[10]。

其中，M为代谢率，单位为W/m2；RQ为呼吸商，无量纲；VCO2和VO2为CO2产生量和O2消耗量，单位为L/h；EE为代谢当量；Adu为体表面积，单位为m2。

核心温度采用TEMP SENSOR HT150002 核心体温胶囊进行测试，测试精度为±0.1℃。皮肤温度Tsk测量采用iButton-DS1922L，精度为±0.5℃，测量位置为上臂、胸、大腿和小腿，平均皮肤温度计算采用Ramanthan 方法[11]：

1.5 主观问卷

该研究使用电子问卷对受试者的主观评价进行收集，问卷标尺如图3 所示，受试者可以在标尺的任一位置进行填写。热感觉投票在ASHRAE 55[2]七级标尺的基础上扩展了“（+4）非常热”和“（-4）非常冷”。热舒适投票采用断裂标尺，“（-4）非常不舒适”至“（-0.1）有点不舒适”为不舒适范围，“（+0.1）有点舒适”至“（+4）非常舒适”为舒适范围。

3 主观问卷标尺

2 实验结果

2.1 生理反应

2.1.1 代谢率与核心温度

图4 为受试者代谢率和核心温度随时间的变化情况。实验过程中代谢率的瞬态变化值从1.1met 升至4.4met 再降回1.1met。在房间B 运动阶段，代谢率在3min 内迅速升高至稳定水平，运动结束回到房间C 静坐后，在5min 内恢复到运动前的代谢水平，说明人体活动量变化对代谢率的影响是迅速的。在房间A 静坐时核心温度稳定在37.3℃，运动5min 后上升至37.6℃，回到房间C 静坐后核心温度开始下降，但在60min 的静坐期间未能恢复到初始值状态。

4 代谢率和核心温度逐时变化

2.1.2 皮肤温度

图5 展示了受试者平均皮温随时间的变化情况。在房间A 静坐30min 后，皮温稳定在33.6℃；进入房间B 开始运动15min 后平均皮温上升至34.5±0.6℃。在房间C 静坐时，无风扇的工况下皮温维持在较高水平约5min 后开始下降；有风扇工况下，当受试者开启风扇后皮温迅速下降并逐渐稳定。在相同温度下，有风扇和无风扇工况下皮温存在显著差异（p<0.05），有风扇工况下皮温低0.5℃，其中24℃+风扇工况下皮温下降最快、稳定值最低（32.9±0.6℃）；而28℃工况下皮温下降最慢、稳定值最高（34.4±0.5℃），表明增大空气流速可加快皮肤表面蒸发散热和对流换热。

5 皮肤温度逐时变化

2.2 全身热感觉

图6 展示了受试者热感觉投票（Thermal Sensation Vote，简称TSV）随时间的变化情况。在房间A静坐结束后，受试者的TSV 为中性，进入到房间B 后受试者的TSV 升高至1.1（微暖），15min 的运动结束后TSV 增加至3.0±0.5（热）。进入房间C 后TSV 迅速下降。与相同温度下无风扇的工况相比，可调节气流工况能够快速降低受试者的TSV，并在前11min、17min 和60min 存在显著差异（无风扇vs 有风扇），且在有可控气流的工况下，受试者TSV 恢复热中性的时间显著缩短。在无风扇工况下，回到房间C后受试者的皮温出现了延迟现象，而受试者在进入房间C 后的TSV 和TCV 则迅速发生了变化。

6 热感觉投票逐时变化

2.3 全身热舒适

图7 展示了受试者热舒适投票（Thermal Comfort Vote，简称TCV）随时间的变化情况。在房间A 静坐30min 后，受试者TCV 平均值为2.33（介于“舒适”和“非常舒适”之间）；进入到30℃的环境中，TCV 降为0.95（介于“刚刚舒适”和“舒适”之间），经过15min 的运动后TCV 降至-1.83（介于“刚刚不舒适”和“不舒适”之间）。在所有实验工况中，受试者进入房间C 后TCV 立刻上升。与相同温度下无风扇的工况相比，在有可控气流的工况下能够快速改善受试者的热舒适投票。26℃+风扇和28℃+风扇工况下，受试者恢复热舒适的时间比24℃更快，再次说明增加气流能够迅速使受试者达到热舒适状态。

2.4 气流调节

图8 显示了受试者进入房间C 后，风扇开启率和风速调节随时间的变化情况。受试者在房间C 静坐的前30min 内，24℃和26℃工况下风速调节大小基本一致。当受试者达到热舒适状态时，24℃+风扇工况下风速缓慢减小并稳定在0.20±0.29m/s；而26℃+风扇工况下风速稳定在0.34±0.34m/s。在28℃+风扇工况下，受试者的风速调节与另外两个工况存在显著差异，在进入房间C 风速略微下降，但仍维持在较高风速水平下，稳定值为0.62±0.34m/s，这说明在28℃的温度下，受试者需要更大的气流以加快汗液的蒸发来维持自身的热舒适水平。

8 风扇开启率和风速逐时变化

3 讨论

3.1 时效性与舒适性分析

本研究探讨了夏季通勤后代谢率升高引起的短时热经历对人体热舒适的影响，既有温度差别造成的热经历，也有代谢率变化造成的热经历。研究结果表明，在夏季通勤后回到室内，降低空气温度能在一定程度上缩短恢复热舒适的时间，特别是温度从28℃（60min 达到舒适）降至26℃（19min 达到舒适）时。从表1 可以看出，增加空气流速比降低温度更有效，28℃+风扇工况下人员恢复热中性的时间为8min，比24℃工况下提前了5min。

表1 不同工况下人员恢复热舒适的时长及气流调节

表2 列出了其他学者研究中人体TSV 恢复热中性的时间。与Goto T[12]、Fukai[4]和Sudo M[13]相比，本研究中受试者TSV 恢复时间相对较长，这可能是因为本研究中代谢率更高（4.4met），而在前述研究中代谢率分别为3.4met、3.8met 和2.5met，因此在本研究中受试者需要更长的时间来消除运动过程中体内蓄存的热量。Zhang[14]的研究发现，人从热到中性环境的突变过程中会出现冷感超越，这是由于皮肤上残留的汗液蒸发导致的。但本实验的所有工况中都未观察到冷感超越现象，这可能是因为运动后受试者体内蓄热，热量与周围环境发生热交换需要一定的时间，导致TSV 在一定时间内仍处于偏热状态。即使室内设定温度为24℃，人体也需要13min 才能达到舒适状态，因为人体向周围散热的量不足以抵消体内所蓄热量。因此，在夏季通勤后人到达26℃的环境中，较长时间仍不能使人达到舒适状态。Gagge[15]的研究发现，人体的不舒适主要取决于汗液的影响，并且不舒适程度与代谢率和空气温度高低有很大的关系。在本研究中，受试者运动15min 后出汗量达到最大，热不舒适程度也达到最高。

表2 其他学者研究中热中性恢复时间

3.2 环境控制策略

研究结果表明，仅通过降温来消除活动时体内产生的热量，人达到热舒适状态有很强的滞后性，增加室内空气流速比降低空气温度更有效。以风扇开启的速度v为因变量，以静坐时长t和环境温度Ta为自变量进行多因素线性回归，得到了活动状态变化后不同时长内，空气温度和气流速度的关系式，即v=0.08×Ta-0.008×t-1.3 (R2=0.9)。并对风速与时间、风速与温度分别进行T-test 检验，结果发现P<0.0001，可以证明v与Ta和t均有显著的相关性。图9 给出了不同环境温度与空气流速的组合方式，在保证人们热舒适的同时降低了建筑的冷负荷。

9 风速与环境温度和时间的关系

该研究结果对建筑的设计和使用具有重要的实际意义，主要体现在两个方面。首先，增加空气流动可以使人达到舒适状态，并且不会使长期静坐不动的人感到过凉。其次，在偏暖的室内温度下增加空气流动同样可以使人达到舒适状态，同时减少能量的损失。因此，针对此研究成果给出了不同空间环境参数的设计建议：在过渡空间中，建议保持室内空气温度在26～28℃，湿度控制在50%，环境风速控制在0.6～0.8m/s。在建筑的主要使用空间中，建议保持室内空气温度在25～28℃，环境风速不低于0.3m/s，并可使用个性化风扇进行调节。

4 结论

（1）活动状态变化后，增加空气流速可以快速消除人体内的蓄热量，且增加气流使人体与周围环境发生的对流和蒸发散热比降温效果更好。

（2）活动状态变化后，24℃、26℃和28℃工况下受试者所调节的风速缓慢减小并最终稳定在0.20m/s、0.34m/s 和0.62m/s。受试者对气流的需求与室内温度和恢复时间有显著的相关性，通过多因素线性回归得到方程：v=0.08×Ta-0.008×t-1.3。

（3）活动状态变化后，气流在消除体内蓄热方面效果显著，可以在建筑空间适当提高空气设定温度并提高环境空气流速，分区控制室内热环境。在建筑的过渡空间中，建议空气温度保持在26～28℃之间，环境风速控制在0.6～0.8m/s 左右；在建筑的主要使用空间中，可设置个性化调节气流，空气温度保持在25～28℃之间，环境风速不低于0.3m/s。