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《暖通空調(diào)雜志》2014年第七期

1研究方法

1．1氣候背景選擇在我國(guó)濕熱地區(qū)的典型城市廣州進(jìn)行研究。廣州位于北緯23°08′、東經(jīng)113°19′，7月平均氣溫為28．4℃，相對(duì)濕度為82％；夏季從5月中旬開始，至10月中旬結(jié)束［5］，長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月；冬季短暫，1月平均氣溫為13．3℃；全年氣溫日較差較小，為7．5℃。

1．2受試者選擇30名健康大學(xué)生作為受試者，其基本信息見表1。受試者要求出生和長(zhǎng)期生活在珠三角地區(qū)（典型濕熱地區(qū)），已在安裝和使用分體空調(diào)的環(huán)境中生活1年以上，如此確保其在氣候適應(yīng)和生活環(huán)境方面具有一定代表性。

1．3氣候室及實(shí)驗(yàn)工況實(shí)驗(yàn)在華南理工大學(xué)人工氣候室進(jìn)行（見圖1）。氣候室包括2個(gè)相鄰小室，尺寸均為3．45m×3．25m×3．35m，其間由門相通。空氣經(jīng)空調(diào)箱處理后，從孔板吊頂送入室內(nèi)，由架空地板回風(fēng)，形成活塞流，確保了小室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)的均勻分布。小室內(nèi)空氣溫度的控制范圍為10～40℃，控制精度達(dá)±0．2℃，相對(duì)濕度控制范圍為40％～90％，精度為±5％。實(shí)驗(yàn)期間，空氣流速保持在0．1m／s左右，平均輻射溫度與空氣溫度近似相等（＜0．3℃）。實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)為中性→熱和中性→冷2種。前1種工況模擬從室內(nèi)到室外、從空調(diào)區(qū)域到非空調(diào)區(qū)域的變化情況。熱工況設(shè)定2種溫度（29℃和32℃）和2種相對(duì)濕度（50％和70％）水平。后1種工況主要與前1種作對(duì)比，分析受試者在遇熱和遇冷條件下的不同反應(yīng)。各工況的詳細(xì)參數(shù)見表2。根據(jù)溫濕度設(shè)定值和氣候室輻射及風(fēng)速情況，對(duì)應(yīng)夏季著裝（0．57clo）和靜坐狀態(tài)（1．0met），計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)有效溫度和PMV，PPD等熱舒適指標(biāo)，列于表2。由表2可知，所設(shè)計(jì)工況預(yù)計(jì)涵蓋了從中性→暖至中性→涼較大范圍的熱感覺變化情況。

1．4生理與心理測(cè)量測(cè)量的生理參數(shù)為皮膚溫度和心率。采用T型熱電偶測(cè)量皮膚溫度。為確保溫度探頭與皮膚表面接觸良好，避免貼附引起局部不適，將熱電偶探頭壓入2片半徑6mm的半圓光滑銅片中，并用透氣型醫(yī)用膠布將其貼附于皮膚表面。經(jīng)恒溫水域標(biāo)定，皮膚溫度測(cè)量的誤差為±0．2℃。采用HEM－7011型電子心率血壓計(jì)測(cè)量心率，量程為40～180min－1，精度為讀數(shù)的±5％。心理測(cè)量通過問卷進(jìn)行，測(cè)量的主要心理反應(yīng)為熱感覺、熱舒適、熱可接受度和潮濕感，所用投票標(biāo)尺如圖2所示。其中，考慮實(shí)驗(yàn)的高溫高濕工況，選用9點(diǎn)而非7點(diǎn)標(biāo)尺作熱感覺投票；熱舒適和熱可接受度為常規(guī)標(biāo)尺，用以測(cè)量熱感受；潮濕感投票用于考察溫濕度突變對(duì)人體潮濕感的影響。

1．5實(shí)驗(yàn)步驟受試者在實(shí)驗(yàn)前1天正常作息，在實(shí)驗(yàn)前1h停止進(jìn)食，到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后更換統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)服裝，包括短袖上衣、薄長(zhǎng)褲和運(yùn)動(dòng)襪，考慮座椅的標(biāo)準(zhǔn)服裝熱阻為0．57clo。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，受試者先在溫濕度適中的預(yù)備小室（對(duì)應(yīng)于表2的工況0）靜坐休息，期間貼附皮膚溫度傳感器開始連續(xù)測(cè)量。30min后，測(cè)量心率，并作第一次問卷投票，而后進(jìn)入突變環(huán)境的實(shí)驗(yàn)小室（對(duì)應(yīng)于表2的工況1～6）。以往研究顯示，人體熱反應(yīng)在1h內(nèi)可達(dá)穩(wěn)定，據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)小室的暴露時(shí)間為1h。在實(shí)驗(yàn)小室中允許小聲談話，但不能交流與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的內(nèi)容。為獲取突變條件下人體熱反應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化，在暴露初始的5min，以1min的密集間隔作投票；而后漸長(zhǎng)，以3min和10min間隔投票，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。期間連續(xù)測(cè)試受試者的皮膚溫度，并在暴露0．5h和1h時(shí)作2次心率測(cè)量。實(shí)驗(yàn)過程的心理和生理測(cè)量設(shè)計(jì)見圖3。實(shí)驗(yàn)的起始時(shí)間依生理習(xí)服的變化規(guī)律而定。濕熱地區(qū)夏季漫長(zhǎng)，溫度高，濕度大，夏季的熱習(xí)服較之冬季的冷習(xí)服更為明顯。有研究指出一般完成熱習(xí)服的平均時(shí)間為2周左右［13］。據(jù)此，選擇在室外日均氣溫超過30℃達(dá)2周后開始實(shí)驗(yàn)，也即在2009年9月進(jìn)行。30名受試者依不同順序參加6種突變工況的實(shí)驗(yàn)，共計(jì)獲得180人次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2研究結(jié)果與討論

2．1熱反應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化

2．1．126→29℃工況26→29℃工況（工況1，2）下人體熱反應(yīng)隨時(shí)間的變化如圖4所示。均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差在圖中同時(shí)顯示，據(jù)此可查看30名受試者的平均狀態(tài)及其離散程度。另外，各種反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間點(diǎn)也在圖中顯示。穩(wěn)定時(shí)間按以下統(tǒng)計(jì)方法確定：先將突變初始時(shí)刻（也即0min）至最后時(shí)刻的反應(yīng)作受試者內(nèi)方差分析（within－subjectsANOVA），若結(jié)果為顯著，則將起始時(shí)刻依次向后調(diào)整，直至結(jié)果為無顯著性差異（即p＞0．05），此時(shí)對(duì)應(yīng)的起始時(shí)刻即為反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)刻（即此時(shí)刻至最后時(shí)刻無顯著變化）。由圖4可知，26→29℃工況下，皮膚溫度呈逐漸上升趨勢(shì)，熱感覺則出現(xiàn)初始反應(yīng)較強(qiáng)而后逐漸減弱的現(xiàn)象，也即類似于以往發(fā)現(xiàn)的冷感超越，出現(xiàn)熱感超越現(xiàn)象，尤其在70％相對(duì)濕度工況下更為明顯。與此對(duì)應(yīng)，熱舒適和熱可接受度出現(xiàn)相似情況。從穩(wěn)定時(shí)間看，心理反應(yīng)的變化略超前于生理反應(yīng)，熱感覺、熱舒適和熱可接受度均在1min內(nèi)即達(dá)穩(wěn)定，而皮膚溫度需3min達(dá)到穩(wěn)定。潮濕感在初始時(shí)刻即達(dá)穩(wěn)定，且與預(yù)備小室的中性環(huán)境相比，突變前后潮濕感的變化不顯著（p＞0．05）。比較2種濕度工況的反應(yīng)，在突變的初始階段差別相對(duì)明顯，表現(xiàn)為高濕工況下具有較高的皮膚溫度、較強(qiáng)的熱和不適感以及較低的接受度，其后差別漸小。采用配對(duì)檢驗(yàn)方法（pairedt－test）對(duì)比突變前后心率的變化，結(jié)果顯示，26→29℃工況下突變前后心率無顯著變化。

2．1．226→32℃工況26→32℃工況（工況3，4）下人體熱反應(yīng)的逐時(shí)變化如圖5所示。26→32℃工況并未出現(xiàn)熱感超越現(xiàn)象，而心理超前現(xiàn)象較26→29℃工況更為明顯，熱感覺、熱舒適和熱可接受度均在第一時(shí)間，也即0時(shí)刻即達(dá)穩(wěn)定，而皮膚溫度則在30～40min后才穩(wěn)定。潮濕感的結(jié)果同前，即在初始時(shí)刻穩(wěn)定，突變前后變化不顯著。濕度的影響在26→32℃工況更為顯著，高濕工況在初始和結(jié)束時(shí)刻均與低濕工況存在明顯差別。心率的對(duì)比檢驗(yàn)顯示，低濕工況下心率未發(fā)生顯著變化，而高濕工況下突變后心率顯著提高。

2．1．326→23℃和26→20℃工況26→23℃和26→20℃工況（工況5，6）下人體熱反應(yīng)的逐時(shí)變化如圖6所示。中性→冷工況下并未出現(xiàn)冷感超越現(xiàn)象，初始時(shí)刻的心理熱反應(yīng)在絕對(duì)值上均接近或略低于其后時(shí)刻。心理反應(yīng)的變化更為顯著地超前于生理反應(yīng)，表現(xiàn)在心理反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，而皮膚溫度在60min內(nèi)持續(xù)下降，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束仍未穩(wěn)定。26→23℃工況下心理反應(yīng)在3min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，26→20℃工況下熱舒適和熱可接受度的穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，分別為11min和50min，熱感覺的穩(wěn)定時(shí)間較短，在初始時(shí)刻即達(dá)穩(wěn)定。潮濕感的結(jié)果同前。心率在突變后顯著降低。2．1．4與以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，中性→熱和中性→冷突變工況下，人體的心理熱反應(yīng)變化均超前于生理熱應(yīng)，體現(xiàn)在熱感覺、熱舒適、熱可接受度穩(wěn)定較皮膚溫度快，且在中性→冷工況下更為明顯，這與以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。本文并未在中性→冷工況下觀察到冷感超越現(xiàn)象，而在部分中性→熱工況下觀察到相似的熱感超越現(xiàn)象。這說明，初始反應(yīng)較為強(qiáng)烈而后逐漸減弱的初感超越現(xiàn)象，并不局限于突然遇冷的情況，突然遇熱的情況下也可能發(fā)生。與此相似，deDear等人在濕度突升的實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了熱感超越的現(xiàn)象。將本文的冷熱工況相比可知，遇熱時(shí)皮膚溫度變化幅度小，穩(wěn)定時(shí)間短；遇冷時(shí)不同，皮膚溫度變化幅度大，穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。這意味著人體的生理熱調(diào)節(jié)機(jī)能在遇熱時(shí)迅速有力，遇冷時(shí)遲鈍無力，這與以往的研究結(jié)果一致。潮濕感在突變初始時(shí)刻即達(dá)穩(wěn)定，且不同溫濕度情況下潮濕感的區(qū)別較小，這與Tsutsumi等人在日本的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［6］一致。

2．2與兩節(jié)點(diǎn)模型的對(duì)比將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均皮膚溫度與兩節(jié)點(diǎn)模型的預(yù)測(cè)值相比，可以檢驗(yàn)兩節(jié)點(diǎn)模型對(duì)我國(guó)濕熱地區(qū)人群的適用性。選用的兩節(jié)點(diǎn)模型以Gagge等人1986年提出的模型［14］為主要基礎(chǔ)，并參考ASHRAEhandbook［15］作局部調(diào)整，通過自編程序加以實(shí)現(xiàn)。輸入的工況參數(shù)包括所有熱環(huán)境物理參數(shù)、受試者的平均新陳代謝率、服裝熱阻、體重和表面面積。皮膚溫度調(diào)定點(diǎn)（也即對(duì)應(yīng)最小生理熱調(diào)節(jié)反應(yīng)和中性熱感覺的皮膚溫度）根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)為33．2℃（見2．3節(jié)），核心溫度調(diào)定點(diǎn)參考以往研究［16］設(shè)為36．6℃。對(duì)比結(jié)果如圖7所示。對(duì)比突變后40min接近穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)可知，除工況3，4較為接近外，其余工況兩節(jié)點(diǎn)模型的預(yù)測(cè)值比實(shí)驗(yàn)值高，高溫工況下偏差稍小，小于0．5℃，低溫工況下較大，超過1℃。對(duì)比突變后短時(shí)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，無論遇熱還是遇冷，兩節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)得到的皮膚溫度變化都較實(shí)測(cè)情況更為遲鈍緩慢，表現(xiàn)在：實(shí)測(cè)得到的皮膚溫度在初始時(shí)刻隨環(huán)境突變有較大變化，而預(yù)測(cè)皮膚溫度的變化較小；遇熱工況下預(yù)測(cè)皮膚溫度的穩(wěn)定時(shí)間更長(zhǎng)。綜上可知，無論是穩(wěn)態(tài)反應(yīng)還是動(dòng)態(tài)反應(yīng)，兩節(jié)點(diǎn)模型均與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差別，無法直接應(yīng)用。為得到適用于我國(guó)的生理反應(yīng)模型，尚需以我國(guó)人群為對(duì)象，開展相應(yīng)的人體傳熱和生理熱調(diào)節(jié)反應(yīng)基礎(chǔ)研究。

2．3熱感覺與皮膚溫度的關(guān)系對(duì)所有工況下熱感覺與平均皮膚溫度逐時(shí)的均值作散點(diǎn)圖，查看突變前后熱感覺隨皮膚溫度的變化，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，突變環(huán)境下熱感覺的變化明顯超前于皮膚溫度的變化，體現(xiàn)在初始時(shí)刻熱感覺變化幅度較大而皮膚溫度變化幅度較小。為進(jìn)一步了解它們之間的關(guān)系，將每種工況下30min后的反應(yīng)視為穩(wěn)態(tài)反應(yīng)，對(duì)熱感覺（TS）與平均皮膚溫度（ts）的穩(wěn)態(tài)值作回歸分析。由式（2）可知，對(duì)應(yīng)熱感覺為中性的平均皮膚溫度，也即皮膚溫度的調(diào)定點(diǎn)，為33．2℃，這與以往的研究結(jié)果一致［1］。較熱時(shí)，熱感覺隨皮膚溫度上升而快速提高，較冷時(shí)，冷感覺隨皮膚溫度下降而緩慢增強(qiáng)，前者的變動(dòng)趨勢(shì)明顯強(qiáng)于后者，也即皮膚溫度發(fā)生相同的變化，升溫時(shí)引起的熱感覺變化大于降溫，這也與以往的研究結(jié)果一致［1，9－10］。將動(dòng)態(tài)變化曲線與穩(wěn)態(tài)曲線作對(duì)比可知，中性→冷（熱）的突變工況下，熱感覺在初始時(shí)刻出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)變化，顯著偏離了此時(shí)皮膚溫度對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，而后逐漸回歸到穩(wěn)態(tài)值附近。據(jù)此推斷，初始時(shí)刻皮膚溫度隨時(shí)間的變化率較大，是造成此現(xiàn)象的可能原因。

2．4熱感覺與皮膚溫度變化率的關(guān)系為了解熱感覺的動(dòng)態(tài)變化與皮膚溫度變化率的關(guān)系，參考以往研究思路，將動(dòng)態(tài)熱感覺（DTS）視為穩(wěn)態(tài)項(xiàng)（TS）與動(dòng)態(tài)項(xiàng)（TS′）之和。為確定動(dòng)態(tài)項(xiàng)與皮膚溫度變化率的關(guān)系，按式（3）處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也即先按式（2）和逐時(shí)皮膚溫度計(jì)算熱感覺的穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，而后由動(dòng)態(tài)熱感覺和式（3）計(jì)算得到動(dòng)態(tài)項(xiàng)，熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的皮膚溫度變化率（此時(shí)刻的皮膚溫度減去上一時(shí)刻的皮膚溫度除以期間的時(shí)間間隔）的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，熱感覺的動(dòng)態(tài)項(xiàng)隨皮膚溫度變化率的變化而變化，其中，突變初始時(shí)刻的皮膚溫度變化率較大，分散在兩邊，其后時(shí)刻的皮膚溫度變化率較小，集中在中間。將數(shù)據(jù)點(diǎn)分為初始反應(yīng)和其后反應(yīng)，分別作回歸。由式（4），（5）可知，熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)與皮膚溫度變化率呈較好的線性關(guān)系，皮膚溫度變化率越大，動(dòng)態(tài)項(xiàng)越大，最大可達(dá)1．3個(gè)熱感覺標(biāo)尺刻度位。熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)隨皮膚溫度變化率線性變化的趨勢(shì)在初始時(shí)刻較為平緩，在其后時(shí)刻較為陡峭，也即在其后時(shí)刻熱感覺隨皮膚溫度變化率的變化更為敏感。突冷、突熱的變化關(guān)系相近。以往研究也獲得了動(dòng)態(tài)熱感覺與皮膚溫度變化率的線性關(guān)系，關(guān)系式中的斜率也即變化敏感度，要么恒定［2，8］，要么隨時(shí)間逐漸衰減［9］，均與本文得到的結(jié)果不同。另外，以往研究發(fā)現(xiàn)冷熱工況下敏感度不同，對(duì)突冷、突熱情況分列關(guān)系式，這也與本文的結(jié)果不同。

2．5熱感覺與熱舒適的關(guān)系有研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下熱舒適與熱感覺出現(xiàn)分離［17］，除熱感覺外，熱感覺隨時(shí)間的變化也可能影響熱舒適［18］，趨向中性的熱感覺變化率增加舒適感，遠(yuǎn)離中性的熱感覺變化增加不適感。為分析突變環(huán)境下熱感覺與熱舒適的關(guān)系，參考2．3節(jié)方法，將突變30min后的反應(yīng)視為穩(wěn)態(tài)，之前的反應(yīng)視為動(dòng)態(tài)，穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下熱舒適隨熱感覺的變化如圖10所示。由式（6）可知，最為舒適的感覺并非中性，而是稍涼的感覺（－0．5），不適感的增加，隨冷感增強(qiáng)表現(xiàn)得更為強(qiáng)烈。

2．6熱感覺與熱可接受度的關(guān)系穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下熱可接受度隨熱感覺的變化如圖11所示。由圖11可知，穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下，熱可接受度與熱感覺呈近似關(guān)系，將所有反應(yīng)匯總得其關(guān)系式由式（7）可知，稍涼的感覺（－0．5）對(duì)應(yīng)于最高的接受度（0．5），接受度對(duì)冷感的變化較熱感更為敏感，可接受的熱感覺范圍為（－1．7，1．5）。

3結(jié)論

3．1中性→熱和中性→冷突變工況下，心理熱反應(yīng)變化均超前于生理熱反應(yīng)，也即出現(xiàn)心理超前現(xiàn)象；在部分中性→熱工況下觀察到熱感超越現(xiàn)象；中性→熱時(shí)皮膚溫度變化幅度小，穩(wěn)定時(shí)間短，生理熱調(diào)節(jié)迅速有力，中性→冷時(shí)相反，皮膚溫度變化大，穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，生理熱調(diào)節(jié)遲鈍無力；潮濕感在突變初始時(shí)刻即達(dá)到穩(wěn)定，且在突變前后變化不顯著。

3．2突變條件下的熱感覺與皮膚溫度及其隨時(shí)間的變化率有關(guān)，隨皮膚溫度呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，隨皮膚溫度變化率呈線性關(guān)系，且在初始時(shí)刻與其后時(shí)刻關(guān)系有所不同。

3．3式（2）～（7）可用于預(yù)測(cè)濕熱地區(qū)人群在突變環(huán)境下的人體心理熱反應(yīng)，適用于濕熱地區(qū)人群的生理反應(yīng)模型尚待更多基礎(chǔ)研究的開展。

作者：張宇峰張軍 陳慧梅孟慶林單位：華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院佛山益康置業(yè)有限公司華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室