夏季空氣流動對人體熱舒適性的影響

談美蘭,李百戰,李文杰,劉 紅,鄭 潔,許孟楠

(重慶大學a.三峽庫區生態環境教育部重點實驗室;b.城市建設與環境工程學院,重慶 400045)

夏季空氣流動對人體熱舒適性的影響

談美蘭a,b,李百戰a,b,李文杰a,b,劉 紅a,b,鄭 潔a,b,許孟楠a,b

(重慶大學a.三峽庫區生態環境教育部重點實驗室;b.城市建設與環境工程學院,重慶 400045)

為確定夏季高溫環境下空氣流動對人體熱舒適性的影響程度,于2008年夏季,進行了吹風環境下人體生理、心理熱舒適實驗。統計分析表明：夏季高溫環境下,吹風使人體生理參數及熱感覺出現明顯下降的現象,且下降的程度與其所處環境的空氣溫度有關,相同風速下,空氣溫度越低,下降程度越大。但當空氣溫度達到約34℃時,吹風對人體生理參數基本無影響,但對熱感覺仍有所改善。研究結果表明：夏季高溫環境下,加強空氣流動可在一定程度改善人體熱舒適性,但是這種改善是有限制的,空氣溫度過高、風速太大或長時間吹風都可能會導致人體不舒適。

空氣流動;熱舒適;熱感覺;人體生理參數;問卷調查

空氣流動是影響人體熱舒適的一個重要因素。熱環境中人體的熱舒適感與皮膚表面濕潤度W及皮膚表面溫度Tsk密切相關,當人體處于熱狀態時,W的下降會令人更舒適[1]。當人體周圍空氣流速適當增加時,不僅可提高皮膚表面與環境的換熱系數,而且可加強皮膚表面汗液的蒸發,有效降低W,提高環境的熱舒適度。即在高溫環境下,加強室內空氣流動,可在一定程度上補償溫度的升高,提高室內環境舒適溫度的上限[2]。然而,空氣流動對空氣溫度的補償作用還不清楚。

近年來,許多學者對高溫環境下空氣流動對空氣溫度的補償作用展開了研究,其研究內容主要針對各種空氣溫度、相對濕度環境下,空氣流動對人體熱舒適的改善作用[2-7],力圖尋找在一定溫度范圍內合適的風速水平。研究的結果顯示,在風速的補償下,舒適溫度的上限大多在28～32℃之間,可接受風速的上限大多在0.5～1.6 m/s之間。但是目前大多數研究采用的是熱感覺問卷方法,存在很大的主觀性、隨意性,于是,漸漸出現了一些將人體生理指標如皮膚溫度、出汗、血壓等納入熱舒適的研究[8-11],旨在從人體生理角度客觀地研究人體對熱環境的響應;風速究竟可達多高,盡管過高的風速能夠保證人體的散熱需要,使人處于熱中性的狀態,但卻會給人帶來吹風的煩擾感、壓力感、黏膜的不適感等[12],對此,ASHRA E55-2004標準[13]中規定風速上限為0.8m/s。另外,長時間的吹風也會使人產生不適等負面影響[14],時間也是熱舒適的一個重要影響因素[15],以往研究均忽略了吹風時間這一因素。

基于以上幾點,筆者選擇受熱環境影響較為顯著的生理指標——感覺神經傳導速度 Sensory nerve Conduction Velocity(SCV)及相應的測點皮膚溫度(Ts)[16],并結合熱感覺問卷調查的方法,從主客觀兩方面對夏季高溫高濕環境下,空氣流動對人體熱舒適的影響進行研究。

1 研究方法

1.1 受試者

共41名志愿者參加了實驗,其中男20人,女21人,均為重慶大學在讀大學生,身體健康狀況良好。受試者來自全國各省份,在重慶平均生活時間為4 a以上,均已基本適應本地區的氣候條件。同時,為保證實驗數據的可靠性,所有受試者在參加實驗前均具有良好的睡眠,且未喝含有酒精的飲料。表1為受試者的基本信息。

表1 受試者基本信息

1.2 實驗方法與步驟

實驗地點為重慶大學城環實驗大樓2樓的“熱舒適研究實驗室”,房間尺寸為7.3 m×7.5 m×4 m,室內通風良好。

受試者穿著自認舒適,平均服裝熱阻約為0.3 clo[17]。實驗開始前,為減少外界環境及代謝率對受試者的影響,要求受試者到達實驗室后,靜坐休息30 min以適應實驗室環境,期間由實驗人員向受試者介紹實驗的內容以及實驗過程中所要注意的事項。實驗共歷時90 min,前30m in為自然風工況,后60 m in為吹風工況,風源為落地式風扇,距離受試者2.5 m。實驗期間,每10 min對受試者進行一次生理指標測試以及熱感覺問卷調查。熱感覺投票采用的是ASHRAE 7級指標(-3冷,-2涼,-1微涼,0適中(不冷不熱),1微熱,2熱,3很熱)[13]。

1.3 測試方法及儀器

感覺神經傳導速度(SCV)采用逆向檢測法,用表面電極刺激和記錄,在掌長肌腱和橈側腕屈肌腱之間、腕褶皺線上方刺激正中神經,用表面電極粘貼于拇指記錄。記錄的活動電極置于近端指-指關節,參考電極置于遠端[18]。測點皮膚溫度(Ts)指神經節段沿神經走向中間一點的皮膚溫度[19]。

感覺神經傳導速度測試采用Neuropack肌電誘發電位儀(MEB-9104)。測點皮膚溫度用紅外線測溫儀記錄(精度±0.5℃)。

室內熱環境參數(包括人體附近空氣溫度、相對濕度、風速、黑球溫度)的檢測采用的是國外引進的里氏熱舒適儀Babuc A。測量位置取坐姿人體附近距離地面0.6m高度處,儀器精度要求符合國際標準ISO 7726[20]。

實驗選在2008年7-8月進行,為重慶地區氣溫最高的月份。實驗室內的環境參數測試值見表2。

表2 實驗室環境參數一覽表

2 結果與分析

2.1 吹風對人體生理參數的影響

將不同環境溫度段下,同一時刻各受試者的SCV和Ts求平均值,得出其隨時間的變化關系,結果如圖1所示。

從圖中可以看出,不同溫度下,吹風對人體生理參數的影響程度各不相同。空氣溫度越低,吹風的影響越大。

空氣溫度小于30.9±0.6℃時,SCV及Ts在吹風開始時均出現明顯下降的現象,且空氣溫度越低,下降越明顯。這主要是因為人體突然受到吹風的刺激,空氣的流動加快了皮膚與周圍空氣間的換熱,使得皮膚溫度下降,進而影響SCV。當空氣溫度為30.9±0.6℃時,SCV及Ts在吹風20 min時就漸漸趨向穩定,而空氣溫度為28.2±0.7℃時,SCV及Ts隨吹風時間的延長繼續下降,直至吹風60m in時還未達到穩定。

圖1 SCV和T s隨吹風時間的變化趨勢

而當空氣為33.9±0.6℃時,吹風對SCV及Ts幾乎沒有影響。這表明,此時的環境熱應力已經超過了人體自身生理調節的范圍,這種情況會對人體生理產生長久性的影響,對人體身體健康不利,因此,為保證人體的身體健康,此時人體應采取主動干預的措施來降低環境熱應力。

2.2 吹風對人體熱感覺的影響

室內空氣溫度的高低直接影響著室內人員的熱感覺,是影響人體熱舒適最為重要的環境參數。因此,實驗在對每位受試者進行人體生理指標測試的同時還進行了熱感覺問卷調查。

將不同環境溫度下,同一時刻各受試者的實際熱感覺TSV(Thermal Sensation Vote)投票值分別求平均值,同時求出對應的PMV(Predicted Mean Vote)預測值。從而得出不同空氣溫度下,TSV和PMV隨吹風的變化趨勢,如圖2所示。

從圖2中可以看出,3個空氣溫度下,熱感覺在吹風時均出現明顯下降的現象。

當空氣溫度為28.2±0.7℃時,隨著吹風時間的延長,TSV漸漸偏離中性“0”,直至吹風40 m in時才基本趨于穩定。TSV由吹風前0.1至吹風60 min時的-1.0。即此空氣溫度下,吹風并未改善反而惡化了人體熱感覺。這表明此時吹風風速過大(1.20 ±0.26m/s),引起冷吹風感而造成人體不適。而在此空氣溫度下,SCV及Ts在吹風60m in時未達到穩定的原因可能是由引起人體吹風感而導致的。

圖2 TSV、PMV隨吹風時間變化趨勢

當空氣溫度為30.9±0.6℃時,TSV由吹風前0.8至吹風10m in時-0.3,直至60 m in時,TSV已降至-0.7。這表明,此環境下,吹風在短時間內有效的改善了人體熱感覺,但隨著吹風時間的增加,吹風有可能會引起冷吹風感。

當空氣溫度為33.9±0.6℃時,TSV由1.4降至最后的0.6,下降了0.8,即此時吹風在一定程度了改善熱感覺。但是由生理參數的結果分析,發現吹風對人體生理參數基本無影響,此時的環境熱應力已經超過了人體自身生理調節的范圍。這表明,此時單靠主觀熱感覺并不能正確評價熱環境,而應該結合人體生理參數的變化規律,從主觀和客觀兩方面來對熱環境進行評價。

另外,從圖2中還可以看到,PMV預測值與TSV的變化規律基本一致,且PMV預測值均大于TSV投票值,即在中性—熱環境下,PMV過高的估計了人體熱感覺,且溫度越高,PMV與TSV差值越大。這與大多數的相關研究結論一致[21-24]。

3 結 論

通過對夏季高溫環境下,空氣流動對人體熱舒適的影響研究,得出以下主要結論：

1)夏季高溫環境下,風速在1.0～1.2 m/s,相對濕度約高于70%時,吹風使SCV、Ts出現明顯下降的趨勢,下降的程度與其所處的環境溫度有關,相同風速下溫度越低,下降程度越大。當空氣溫度達到約34℃時,吹風對SCV、Ts基本無影響。

2)夏季高溫環境下,吹風(增加空氣流動)可以在一定程度上改善室內熱環境,提高人體熱舒適感,但是這種改善是有限制的,即便是在高溫環境下,不合理的吹風(風速過大或是時間過長)也會使人產生不舒適的吹風感。

3)當空氣溫度達到約34℃時,單靠主觀熱感覺并不能正確評價熱環境,而應該結合人體生理參數的變化規律,從主觀和客觀兩方面來對熱環境進行綜合評價。

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(編輯 胡英奎)

Physiological Experiment for Human Thermal Com fort of Air Flow in Summer

TANMei-lana,b,LIBai-zhana,b,LIWen-jiea,b,LIUHonga,b,ZHENGJiea,b,XUMeng-nana,b

(a.Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region's Eco-environment(Ministry of Education); b.College of U rban Construc tion&Environmenta l Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,P.R.China)

A physiological and psychological experiment was conducted in summer,2008 to ascertain the effect of air flow on human thermal comfort in hot summer.The statistics analysis show s that air flow makes physiological index and thermal sensation an obvious drop tendency,which is correlated to the air temperature of indoor environment.The low er the air temperature is,the greater the physiological index and the thermal com fort drop.But when the temperature isup to about34℃,the air flow almost does not make any change to physiological index while the hum an sensation is still improved.These results indicate that air flow can imp rove human therm al com fort to some extent,but the im provem ent has lim its.Higher air tem perature,strong wind and long time exposure tow ind can lead to uncom fortableness.

air flow;thermal comfort;thermal sensation;physiological index;questionnaire investigation

TU834.3

A

1674-4764(2011)02-0070-04

2010-09-26

國家自然科學基金重點項目(50838009);國家“十一五”科技支撐重大項目(2006BAJ02A 09);重慶市重大科技專項(CSTC,2008AB7110)

談美蘭(1985-),女,博士生,主要從事建筑熱環境與建筑節能研究,(E-mail)：tanmeilan85@163.com。李百戰(通訊作者),男,教授,博士生導師,(E-mail)baizhan li@cqu.edu.cn。