李念平 李娜 何穎東 何梅玲 李甲 顏金波 譚暢

摘 ? 要：研究了熱濕環(huán)境中不同局部供冷方式（輻射、傳導、對流）下人體熱反應特性. 通過在熱濕室內環(huán)境的試驗房間內試驗，收集人體主觀反應數(shù)據，分析不同局部供冷方式對人體局部與整體產生的舒適效果差異. 試驗結果表明，在熱濕環(huán)境中不同局部供冷方式作用下受試者達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間不同，局部對流供冷小于5 min、局部傳導供冷10 min、局部輻射供冷20 min后受試者可達到穩(wěn)定. 對照組中對整體熱反應影響程度較大的身體部位為頸部、大腿、背部;而在不同局部供冷作用下，對整體熱反應影響最大的部位發(fā)生變化，變?yōu)楸恢苯永鋮s的身體部位，分別為上臂（輻射）、前臂（傳導）及頭部（對流）. 根據熱舒適投票值進行回歸分析，環(huán)境溫度低于27.55 ℃時，局部輻射供冷方式最優(yōu);27.55～28.96 ℃時，局部對流供冷方式最優(yōu);高于28.96 ℃時，局部傳導供冷方式最優(yōu).

關鍵詞：熱感覺;熱舒適;局部供冷

中圖分類號：TU831.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Human Thermal Responses with Various Local Cooling Methods

LI Nianping？覮，LI Na，HE Yingdong，HE Meiling，LI Jia，YAN Jinbo，TAN Chang

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：This paper studies the thermal responses of human subjects with different local cooling methods （radiation，conduction and convection） in hot-humid environments. Through experiments in the hot-humid environments in the experimental room，the data of subjective feelings were collected and the different effects generated by different local cooling methods on the local and overall thermal comfort were then analyzed. The obtained results showed that the time before subjects reached static-state condition differed with different local cooling： the time was less than 5 minutes with local convective cooling; the time was 10 minutes with conductive cooling and 20 minutes with local radiant cooling. In the reference condition，necks，legs and backs exerted large effects on overall subjective responses. When local cooling was applied，the local body parts which exerted large effects were those which were locally cooled directly，like upper-arms （local radiation），lower-arms （local conduction） and heads （local convection）. Moreover，according to the regression results of the thermal comfort vote at 26/28/30 ℃，it is the best to choose local radiant cooling when the ambient temperature is lower than 27.55 ℃，local convective cooling with the ambient temperature at 27.55-28.96 ℃，and local conductive cooling with the ambient temperature higher than 28.96 ℃，respectively.

Key words：thermal sensation;thermal comfort;local cooling

在現(xiàn)代生活中，舒適的建筑環(huán)境能夠減少居住者病態(tài)建筑綜合征的頻率，并提高受試者的工作效率[1]. 但是采用常規(guī)空調系統(tǒng)時，即使溫濕度在舒適區(qū)間內，仍然不能滿足人們對舒適性的要求[2]. 為確保居住者的熱舒適性，建筑空調系統(tǒng)的能耗不斷上升. 因此，為了同時確保舒適性及節(jié)能性[3]，需要高效和創(chuàng)造性的低能耗供冷技術[4].以往的研究指出，人體不同部位對冷熱刺激的敏感性不同[5]，冷熱感覺程度也不同[6]. 有研究表明，局部供冷使得提供更少的冷量就能產生顯著的舒適效果，同時能耗也相應地降低[3]. Williams等[7]、Melikov等[8]、Brooks等[9]均通過研究表明局部加熱或冷卻可以提高受試者對熱環(huán)境的接受度.

Zhang[10]在對人體進行局部刺激的試驗中發(fā)現(xiàn)，胸部、背部和臀部等局部熱感覺，對整體熱感覺影響權重較大，而手和腳的影響權重較小.李俊[11]通過研究發(fā)現(xiàn)，在局部對流供冷中頭頸部對整體熱感覺的影響權重最大，上半身次之，下半身最小. 根據傳熱原理，局部供冷方式可分為輻射、傳導和對流三種. 對于局部對流供冷，王月梅[12]研究表明，胸部送風供冷方式可以降低人體熱感覺，顯著升高人體熱舒適，且熱不滿意度可降低至15%以下. 對于局部傳導供冷，張宇峰等[13]研究得出，一定環(huán)境溫度下熱可接受度是環(huán)境溫度的線性函數(shù)，應用可變溫座椅90%可接受的溫度范圍可達16.0～28.9℃. 對于局部輻射供冷，何穎東、何梅玲等人[14-15]通過試驗研究了高溫環(huán)境下工位輻射空調末端裝置的熱舒適性，結果表明，局部輻射供冷顯著降低了人體熱感覺、增加了受試者的舒適性，但受試者仍希望有更高的風速. 因此李念平、賀德等[16]又研究了熱濕環(huán)境中輻射空調末端加桌面風扇供冷方式下的人體熱舒適特性，發(fā)現(xiàn)多種局部供冷方式共同作用下受試者能適應更高的溫度.

然而現(xiàn)有的研究很少對比多種局部供冷方式（輻射、傳導及對流）的差異，尤其是很少涉及局部供冷時的人體局部熱感覺、熱舒適及其對整體熱感覺、熱舒適的影響. 為研究不同局部供冷方式在熱濕環(huán)境中對人體熱舒適的作用差異，本文通過試驗研究偏離舒適區(qū)環(huán)境中受試者的整體及局部熱感覺與熱舒適，研究不同局部供冷方式對擴展舒適溫度區(qū)間的作用;根據受試者在不同局部供冷作用下的熱舒適狀況，建立多種局部供冷方式的作用模型，并研究不同局部供冷方式的適宜作用溫度區(qū)間.

1 ? 試驗概述

1.1 ? 試驗房間及設備儀器

試驗在湖南大學建筑節(jié)能與綠色建筑研究中心的人工環(huán)境試驗室內進行. 如圖1所示，試驗房間尺寸為4.3 m×2.7 m×3.0 m，為避免北面窗戶對試驗造成影響，在窗戶室內面覆蓋了約40 mm厚的保溫板. 局部輻射供冷及局部傳導供冷均由室內一套工位輻射空調末端實現(xiàn)（冷板傳熱系數(shù)為8.68 W/（m2·℃）），而局部對流供冷設備為桌面風扇. 試驗房間詳細描述參見文獻[16]，環(huán)境參數(shù)測點（位于房間中心）及輻射板面溫度測點位置如圖1所示. 在該試驗中所使用的儀器及其測量范圍見表1. 主要測量的參數(shù)為室內溫濕度、黑球溫度、室內風速、輻射板溫度、供回水溫度及流量. 測點各傳感器距地面高度設置：溫濕度計距地面0.1 m、0.6 m、1.1 m;風速傳感器距地面0.6 m;黑球溫度傳感器距地面0.6 m.

試驗過程中所開啟的輻射板分為前輻射板和桌面板，分別實現(xiàn)局部輻射供冷和局部傳導供冷. 輻射板板面溫度比露點溫度高1～1.5 ℃;其他未開啟的輻射板板面溫度與環(huán)境空氣溫度相同（輻射板板面溫度及環(huán)境溫度設定具體見表2）. 何梅玲等人[15]研究了桌面風扇作用下人體熱舒適性，發(fā)現(xiàn)最佳局部風速為1.5 m/s. 因此，采用局部對流供冷方式時，調節(jié)桌面風扇使之靠近受試者頭部和胸部的局部風速為1.5 m/s. 本試驗共設置了4種供冷方式.

1.2 ? 受試者

根據本試驗對受試人員的要求：1）在夏熱冬冷地區(qū)生活超過1年;2）身體健康，精神良好;3）參加試驗前未進食刺激性食物，共邀請16位人員（男、女各8位）作為受試者參與試驗. 受試者年齡（22±1.65）歲，身高（161±3.15） cm（8名女生）、（173±5.45） cm（8名男生），體重（50±8.73） kg（8名女生）、（62±5.19） kg（8名男生），服裝熱阻（0.46 ± 0.09）clo[17].

1.3 ? 試驗工況

本試驗均在濕度60%～70%，溫度分別為26 ℃、28 ℃、30 ℃的環(huán)境下進行，共12個工況. 為防止冷卻面結露，水冷板表面溫度應高于露點溫度1～1.5 ℃[18]. 因此，在室內溫度為26 ℃、28 ℃、30℃時，水冷板的表面溫度分別設定為21 ℃、22 ℃、23 ℃. 設計工況中各試驗參數(shù)的設定見表2.

1.4 ? 試驗流程及問卷

如圖3所示，試驗共50 min：在開始試驗前，受試者在環(huán)境溫度為26 ℃左右的準備室停留10 min，并填寫性別、年齡、身高、體重、著裝等背景資料;在試驗過程中，受試者共需填寫5份問卷，填寫時間分別為試驗開始0 min、10 min、20 min、30 min、40 min.

本試驗中問卷包括受試者整體與局部的熱感覺、熱舒適，其中受試者12個局部分別為：頭部、頸部、胸部、腹部、背部、臀部、上臂、前臂、手掌、大腿、小腿、足部. 熱感覺投票（Thermal Sensation Vote，TSV）及熱舒適投票（Thermal Comfort Vote，TCV）均采用7等級衡量標準，熱感覺及熱舒適投票尺度劃分等級見表3.

2 ? 試驗結果

試驗結果會存在一定的隨機誤差，應用S-W檢驗（Shapiro-Wilk test）[19]，對試驗得到的個體投票值進行統(tǒng)計分布檢驗，發(fā)現(xiàn)所有工況下的投票近似服從正態(tài)分布. 在分析檢驗了試驗數(shù)據獨立性和正態(tài)性的前提下，本文應用統(tǒng)計方法對試驗結果進行分析和整理.

2.1 ? 動態(tài)熱反應

2.1.1 ? 動態(tài)熱感覺

如圖4所示，在無局部供冷時，除了環(huán)境溫度為26 ℃的工況，受試者整體熱感覺平均投票值最終均高于+0.8;在30 ℃時，熱感覺投票值最后超過了+1.3. 在局部輻射供冷方式下，室內溫度為26 ℃、28 ℃及30 ℃時，受試者整體熱感覺投票值最終分別接近0、+0.4及+0.6. 在局部傳導供冷方式下，室內溫度為26 ℃、28 ℃及30 ℃時，受試者熱感覺投票值最終分別達到0、+0.1及+0.4左右. 在局部對流供冷方式下，室內溫度為26 ℃、28 ℃及30 ℃時，熱感覺投票值最終分別穩(wěn)定在-0.4、0及+0.7左右. 顯然，在26 ℃、28 ℃時，局部對流供冷方式冷卻作用最強;但在30 ℃時，冷卻作用最差.

當所有受試者連續(xù)三次平均投票值最大差異不超過0.2時，認為受試者的主觀熱反應達到穩(wěn)定. 在室溫為26 ℃、28 ℃或30 ℃，局部對流供冷作用下，受試者熱感覺最快達到穩(wěn)定;局部傳導供冷作用10 min后，受試者整體熱感覺達到穩(wěn)定;而局部輻射供冷需作用20 min后，受試者熱感覺才達到穩(wěn)定.

2.1.2 ? 動態(tài)熱舒適

如圖5所示，對照組中，在26 ℃時，受試者舒適投票值在0左右;在28 ℃、30 ℃時，受試者平均熱舒適投票值始終處在不舒適側（分別為-0.7、-1.2左右）. 在局部輻射供冷方式下，室內溫度為26 ℃、28 ℃及30 ℃時，受試者熱舒適投票值最終分別穩(wěn)定在+1.5、+0.7及-0.3左右. 在局部傳導供冷方式下，室內溫度為26 ℃、28 ℃及30 ℃時，整體熱舒適投票值均大幅度上升，最終分別接近+1.0、+0.9及+0.2. 在局部對流供冷方式下，室內溫度為26 ℃、28 ℃及30 ℃時，受試者熱舒適投票值最終分別達到-0.1、+1.0及-0.4左右. 相比于對照組，使用局部供冷后，除

26 ℃時使用局部對流方式導致受試者整體熱舒適下降，其他工況下受試者熱舒適均得到改善. 在26 ℃、28 ℃及30 ℃時，受試者熱舒適的改善效果最明顯的分別是局部輻射、局部對流及局部傳導.

2.2 ? 穩(wěn)態(tài)熱反應

為進一步研究不同局部供冷方式下受試者熱反應特性，以最后2份問卷（即第30 min和40 min所填兩份問卷）的平均值作為穩(wěn)態(tài)數(shù)據進行分析，主要包括整體熱感覺及熱舒適的投票分布、整體主觀反應與溫度的關系、整體與局部主觀反應的關系.

2.2.1 ? 穩(wěn)態(tài)整體熱感覺

如圖6所示，相比無局部供冷工況，采用局部供冷方式后受試者的穩(wěn)態(tài)整體熱感覺均有下降. 在26 ℃時，三種局部供冷方式使熱感覺集中于中性（0）附近，且相比無局部供冷的對照組均有顯著差異（配對樣本T檢驗，P < 0.05）. 在28 ℃時，局部傳導、對流供冷作用下受試者整體熱感覺顯著降低（P < 0.05），并集中于中性;局部輻射供冷作用下熱感覺投票值雖有所下降，但無顯著性差異（P > 0.05）. 在30 ℃時，相比無局部供冷工況，三種局部供冷方式使整體熱感覺集中于0～+1之間，且均產生顯著差異（P < 0.05）. 除26 ℃局部對流供冷下熱感覺投票值的標準差為0.66，28 ℃對照組中為0.71，其余工況下均低于0.5.

2.2.2 ? 整體熱感覺與操作溫度的關系

根據3個環(huán)境溫度下試驗的結果，采用線性擬合的方法對人體熱感覺（TS）與操作溫度（operative temperature，Top）的關系進行了研究[20].

計算得到當熱感覺達到熱中性（即TS = 0）時，不同供冷方式下的操作溫度分別為：24.08 ℃（對照）、26.75 ℃（輻射）、27.22 ℃（傳導）、27.69 ℃（對流），采用局部對流供冷的中性溫度最高. 而上述等式中的斜率也反映了在局部不同供冷方式受試者對高溫環(huán)境的適應性，斜率越低，在同樣的溫度上升程度時受試者越不容易感覺熱. 由式（1）～（4）可知，局部傳導供冷方式下受試者熱適應性最強，局部輻射供冷次之，局部對流供冷、對照組最弱.

2.2.3 ? 局部與整體熱感覺的回歸模型

如圖2所示，在不同局部供冷方式下，受試者被冷卻局部不同. 在局部輻射供冷方式下，被冷卻局部為頭部、頸部、胸部、上臂、前臂及手掌;在局部傳導供冷方式下，被冷卻局部為前臂及手掌;在局部對流供冷方式下，被冷卻局部為頭部、頸部、上臂、前臂及手掌. 為分析三種局部供冷方式下身體局部熱感覺對整體熱感覺的影響程度，本文采用逐步回歸法進行擬合分析[21].

于頸部. 在局部供冷作用下，對整體熱感覺影響程度最大的身體部位分別為上臂（輻射）、前臂（傳導）、頭部及大腿（對流）. 顯然，與對照組相比，在局部供冷直接冷卻的身體部位對整體熱感覺影響最大，表明局部供冷改變了身體局部熱感覺對整體熱感覺的作用大小. 在局部輻射、傳導、對流供冷方式下同一被冷卻局部對整體熱感覺的影響程度也不同，前臂熱感覺分別為較弱、最強、較強，頭部熱感覺分別為較強、可忽略不計、最強，頸部熱感覺分別為可忽略不計、較強、較弱.

2.2.4 ? 整體穩(wěn)態(tài)熱舒適

如圖7所示，在26 ℃時，局部輻射、傳導供冷作用下熱舒適投票值分別集中在+2、+1，相比無局部供冷有顯著差異（P<0.05）;局部對流供冷作用下受試者熱舒適集中于-1，與對照組無顯著差異（P>0.05）. 在28 ℃時，相比無局部供冷工況，三種局部供冷方式下受試者穩(wěn)態(tài)整體熱舒適集中于0～+2之間，且均產生顯著差異（P<0.05）. 在30 ℃時，局部輻射、傳導供冷方式下受試者熱舒適顯著提升（P<0.05），并集中于-1～+1之間;局部對流供冷方式下，大部分受試者處于熱不舒適狀態(tài)（-1），無顯著改善（P>0.05）. 26 ℃對照組中受試者熱舒適投票值的標準差為1.29，其余工況下均低于1.

2.2.5 ? 整體熱舒適與操作溫度的關系

為了更好地研究不同局部供冷方式對人體熱舒適的溫度區(qū)間的影響，本文擬合了人體熱舒適（TC）與操作溫度（Top）的關系，結果如圖8所示.

由式（9）可知，局部對流供冷方式下人體熱舒適與操作溫度并非線性關系，溫度不高時（26 ℃），局部對流供冷會造成不適. 根據式（6）～（9），計算當熱舒適達到舒適性的下限（即TC = 0）時，3組試驗中各操作溫度Top，分別為：26.11 ℃（對照）、29.51 ℃（輻射）、31.52 ℃（傳導）、26.24 ℃及29.59 ℃（對流）. 顯然當受試者達到熱舒適下限時，Top（傳導）> Top （對流溫度上限）> Top（輻射）> Top（對流溫度下限）> Top（對照）.

2.2.6 ? 局部與整體熱舒適的回歸模型

3 ? 討 ? 論

3.1 ? 不同局部供冷適宜溫度區(qū)間

根據ASHRAE標準55[17]，可接受的溫度區(qū)間對應熱感覺投票值為-0.5到+0.5. 根據式（1）～（4），四組試驗的可接受溫度區(qū)間分別為21.73～26.42 ℃（對照）、23.78～29.72 ℃（輻射）、23.96～30.49 ℃（傳導）、25.85～29.53 ℃（對流）. 局部傳導供冷將可接受溫度上限提高了近4 ℃，局部對流與輻射供冷方式的提高程度在3 ℃左右.

但以熱舒適度為評價標準時，不同局部供冷適宜使用的溫度區(qū)間不同. 如圖8所示，結合第2.2.5節(jié)的擬合回歸結果，Top < 27.55 ℃時，局部輻射供冷舒適度最高;27.55 ℃ < Top < 28.96 ℃時，局部對流供冷舒適度最高;Top > 28.96 ℃時，局部傳導供冷舒適度最高. 該結果表明，為在偏熱環(huán)境實現(xiàn)更高程度的舒適性，應根據周圍溫度選擇適宜的局部供冷方式.

3.2 ? 與現(xiàn)有研究對比

3.2.1 ? 身體局部影響權重比較

本文2.2.3節(jié)的試驗結果分析表明，相比于對照組，采用局部供冷后受試者對整體熱反應影響較大的部位產生變化，其中被冷卻局部對整體熱反應的作用大幅度增大;不同局部供冷方式會讓同一被冷卻局部產生對整體熱反應不同的影響程度，如頭部、頸部及前臂. 而Zhang[10]的研究表明影響權重較大的為胸部、背部和臀部等局部熱感覺. 李

俊[11]研究發(fā)現(xiàn)，在局部對流供冷中頭頸部對整體熱感覺的影響權重最大，上半身次之，下半身最小. 本研究與Zhang和李俊的研究結果有一定差異，可能由供冷方式差異造成. 本文采用了三種不同局部供冷方式刺激人體局部，而Zhang只采用局部傳導供冷方式，李俊只采用局部對流供冷方式. 與李俊相同，本文對人體多部位同時供冷，而Zhang對單一部位逐一進行局部供冷. Zhang的研究相比于本試驗，供冷強度較大，而本試驗所采用的供冷強度較為適中. 供冷方式、部位、強度的不同可能導致局部對整體影響權重的不同.

3.2.2 ? 熱舒適比較

張宇峰等[13]研究發(fā)現(xiàn)局部傳導供冷可使受試者的熱反應在11 min內達到穩(wěn)定，與2.1.1節(jié)中分析得出的局部傳導供冷時，受試者10 min內熱反應達到穩(wěn)定類似. 如3.1節(jié)中所述，當環(huán)境溫度在28 ℃左右時，局部對流供冷方式具有良好的舒適性，而且局部對流供冷方式的能耗遠低于局部輻射及傳導供冷方式. 此外，研究表明過高的風速會產生局部過度冷卻、氣流感過強等問題，從而降低人體熱舒適，受試者更傾向于較弱的氣流[12，15]. 當室內溫度達到29 ℃以上時，局部對流供冷方式降低熱感覺的效果已無法滿足受試者熱舒適的要求，此時需采用供冷效果更強的局部傳導供冷方式. 對于局部傳導供冷方式，本文采用桌面板，文獻[3]與文獻[13]均采用可變溫座椅作為局部傳導供冷系統(tǒng)末端，直接吸收人體熱量. 然而，與局部對流供冷相似，當室內溫度較低時，局部傳導供冷會過度冷卻人體導致熱舒適度下降. 因此在環(huán)境溫度低于28 ℃時，應采用局部輻射供冷. 文獻[14]結合局部輻射+傳導的供冷方式在熱濕環(huán)境提高了人體舒適性，若能在實際應用中實現(xiàn)對兩種局部供冷方式單獨使用或共同使用的合理控制，則可在不同溫度下實現(xiàn)較高的舒適性.

4 ? 結 ? 論

1）在熱濕環(huán)境中不同局部供冷方式作用下受試者達到穩(wěn)定狀態(tài)的速度不同：局部對流供冷下小于5 min，局部傳導供冷下10 min，局部輻射供冷20 min可達到穩(wěn)定.

2）不同局部供冷方式對熱濕環(huán)境中受試者的熱感降低程度亦不同，擴展的可接受溫度區(qū)間分別為23.78～29.72 ℃（輻射）、23.96～30.49 ℃（傳導）、25.85 ～29.53 ℃（對流）.

3）相比于對照組，局部供冷通過影響受試者局部熱反應，改變整體熱反應的變化趨勢，降低熱感覺，改善熱舒適. 在局部供冷作用下，對整體熱反應影響程度最大的身體部位分別為上臂（輻射）、前臂（傳導）、頭部及大腿（對流）.

4）以舒適度為標準時，不同局部供冷方式有不同的適宜溫度區(qū)間. 室內溫度低于27.55 ℃時，局部輻射供冷舒適度最高;室內溫度為27.55～28.96 ℃時，局部對流供冷舒適度最高;室內溫度高于28.96 ℃時，局部傳導供冷舒適度最高.

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