動態(tài)輻射熱環(huán)境對人體生理與熱反應的影響

李念平，張穩(wěn)，阿勇嘎，潘凈婧

（湖南大學土木工程學院，湖南長沙 410082）

人居環(huán)境的舒適性對人體非常重要，舒適的熱環(huán)境是人體健康的前提，也是工作效率的保障.在熱舒適領域，國外探索研究較早，1919年ASHRAE在美國匹茲堡建立實驗室，主要研究濕度對熱環(huán)境和人體熱舒適的作用［1］；Fanger［2］教授在20 世紀70 年代提出適用于均勻、低風速、低代謝率的非極端環(huán)境的PMV-PPD 理論，之后通過大量熱舒適研究又有學者提出熱適應的觀點［3］.隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實生活中的環(huán)境幾乎都是非均勻的，在2003 年，Zhang［4］基于大量非均勻環(huán)境的研究提出了UCB 模型，該模型是現(xiàn)有研究中最全面、最系統(tǒng)的非均勻環(huán)境熱舒適模型［5］.因此依然很有必要研究環(huán)境在變化情況下的舒適性，以在盡量滿足人體熱需求的基礎上，拓寬室內(nèi)空調(diào)溫度控制范圍，營造節(jié)能健康的空調(diào)控制模式.

針對室內(nèi)外動態(tài)環(huán)境的研究，最突出的問題是由于室內(nèi)外存在一定溫差，冷熱沖擊會影響人體的生理健康［6］.關(guān)于環(huán)境突變的研究最早是1969 年Gagge 教授對中性-熱/冷-中性的研究［7］中，他發(fā)現(xiàn)了“熱感覺超越”現(xiàn)象和“心理超前”現(xiàn)象；之后de Dear 等［8］、Nagano 等［9］、Tsutsumi 等［10］的研究也驗證了Gagge 等［7］的結(jié)論.黃倩倩和李俊［11］的研究中，綜述了不同的環(huán)境突變參數(shù)對熱感覺動態(tài)變化的作用，包括初始溫度、突變溫差、突變方向等，也是溫度突變研究較多的一個方向.徐暢等［12］探究了夏季突變環(huán)境下的人體熱感知，發(fā)現(xiàn)可通過動態(tài)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，主動調(diào)節(jié)辦公人員的工作效率；杜晨秋［13］開展了不同突變溫差和突變方向下的人體熱響應實驗；Ji等［14］探索了人體如何隨著溫度的變化而適應環(huán)境，并描述客觀皮膚溫度和主觀熱評估之間的關(guān)系，得出即使較差的熱環(huán)境略有改善，受試者的熱滿意度也會顯著提高.然而有研究表明，非穩(wěn)態(tài)條件下熱反應研究尚不成熟［15］，經(jīng)文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該方向大量研究都是在對流工況下進行，針對輻射空調(diào)工況下的短期溫度突變環(huán)境的研究相對較少.

輻射供冷［16］是依靠供冷部件與圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面間的輻射換熱，從而改善房間內(nèi)部冷負荷的供冷方式.輻射空調(diào)系統(tǒng)具有健康、舒適和節(jié)能的特點，近年來李念平等［17］、Yang 等［18］均針對輻射空調(diào)的熱舒適進行研究，得出不同形式的輻射空調(diào)都具有較好的室內(nèi)熱舒適性.據(jù)文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一些研究者［19-21］采用實驗和模擬的方法，探究各種輻射空調(diào)系統(tǒng)新形式的熱舒適性已經(jīng)成為輻射空調(diào)下熱舒適研究的主要方向.基于上述研究現(xiàn)狀，大多輻射空調(diào)熱舒適研究集中于穩(wěn)態(tài)環(huán)境下開展，而實際辦公環(huán)境下人員大多是不斷移動的，所以短期的溫度突變更接近于實際生活情況，而在輻射空調(diào)的背景下，考慮短期溫度突變的研究很少.

綜上所述，人體經(jīng)常處于動態(tài)環(huán)境中，突變熱環(huán)境更接近于實際環(huán)境，但關(guān)于突變環(huán)境下的熱反應研究不充分.本文探索輻射空調(diào)形式下溫度突變對人體熱舒適的影響，進而充分挖掘節(jié)能潛力，以期完善動態(tài)環(huán)境下輻射空調(diào)系統(tǒng)的人體熱反應機理，為控制調(diào)節(jié)輻射空調(diào)系統(tǒng)提供一定的參考.

1 研究方法

1.1 受試者概況

本研究招募了20 名健康的受試者，其中包括10名男性和10 名女性，每個受試者均參加了所有工況的實驗.為減小個體差異的影響，受試者均為20～30歲之間的在校研究生，并在長沙生活至少一年以上，具體生理特征參數(shù)如表1 所示.受試者均無嚴重疾病史，且要求受試者試驗前24 h不喝咖啡、酒精或進行高強度的體育鍛煉.在實驗開始前，研究人員向受試者講解了實驗流程和注意事項.受試者的穿著和活動狀態(tài)模擬中性環(huán)境下真實辦公室的狀況，所有的受試者都穿冬季常規(guī)服裝（內(nèi)衣褲、薄外套、褲子、襪子和運動鞋），服裝熱阻約1 clo（1 clo=0.155 m·K/W）.受試者坐著并做一些輕松的辦公工作，如閱讀和打字，代謝率接近1.1 met.并且受試人員不具有與實驗相關(guān)的背景知識.

表1 受試者生理特征參數(shù)（平均值±標準差）Tab.1 Anthropometric data of subjects（Mean±SEM）

1.2 實驗平臺及設備

實驗于2021 年1月在湖南大學兩個相鄰的氣候室進行.兩個相鄰的實驗室有單獨的空調(diào)控制系統(tǒng)，獨立調(diào)節(jié)室內(nèi)工況，之間有一張門可讓受試者快速轉(zhuǎn)移實驗環(huán)境，模擬突變過程，具體實驗室平面布置如圖1（a）所示.兩個實驗房間的尺寸均為2.2 m（寬）×3.5 m（長）×3 m（高），將其分別命名為實驗房間1、實驗房間2，實驗房間1 用于營造偏涼低溫環(huán)境，實驗房間2 用于營造中性空調(diào)熱環(huán)境.實驗房間1、實驗房間2 均設有風機盤管空調(diào)系統(tǒng)和輻射空調(diào)系統(tǒng)（由聚丙烯PP 毛細管組成的輻射地板、輻射吊頂兩種末端形式）.其中風機盤管空調(diào)系統(tǒng)運行時，采用側(cè)面送風，頂部回風的氣流組織形式.冷熱源為一臺空氣源熱泵，不同空調(diào)系統(tǒng)的送回水管分別獨立，可實現(xiàn)獨立控制.

圖1 實驗平臺及儀器布置圖（單位：mm）Fig.1 Experimental platform and instrument layout（unit：mm）

實驗房間1、2 內(nèi)表面均貼有熱電偶，記錄室內(nèi)各表面的溫度變化，如圖1（b）所示.用HD 32.3-WBGT-PMV 溫濕度記錄儀對熱環(huán)境進行測試記錄，實驗期間儀器傳感器探頭放置距受試者50 cm、距地面60 cm 高度處，設置采樣頻率10 s/次；血氧飽和度及脈率用脈搏血氧飽和度儀實時采集；采用iButton溫度傳感器對受試者身體10 個部位（額頭、胸部、上臂、手背、大腿前側(cè)、肩胛部、腹部、足部、小臂、小腿前側(cè)）的局部皮膚溫度進行高精度連續(xù)測量，以10 s間隔記錄.實驗所用儀器及其具體參數(shù)見表2.

表2 實驗儀器型號及測量參數(shù)Tab.2 Experimental apparatus model and measuring parameters

根據(jù)Colin Houdals 的“十點法”經(jīng)驗公式加權(quán)計算［22］人體平均皮膚溫度：

式中：Tms為平均皮膚溫度，℃；Tf1為額頭溫度，℃；Tc為胸部溫度，℃；Tu為上臂溫度，℃；Ta為腹部溫度，℃；Tl為小臂溫度，℃；Th為手背溫度，℃；Tt為大腿前側(cè)溫度，℃；Tg為小腿前側(cè)溫度，℃；Tf2為足部溫度，℃；Tb為肩胛部溫度，℃.

1.3 實驗工況

研究主要針對偏涼環(huán)境下不同空調(diào)形式的溫度突變開展，實驗分為2 個階段，階段Ⅰ通過實驗房間1的風機盤管空調(diào)系統(tǒng)營造初始的對流熱環(huán)境，階段Ⅱ在實驗房間2 營造對流、輻射地板、輻射吊頂三種不同空調(diào)形式的溫度突變熱環(huán)境，共涉及4 個工況：1）從16 ℃突變到20 ℃的對流空調(diào)形式；2）從16 ℃突變到20 ℃的輻射地板空調(diào)形式；3）從16 ℃突變到20 ℃的輻射吊頂形式；4）從20 ℃到20 ℃的對流空調(diào)形式.每個工況20 人次且實驗時長50 min，風速≤0.1 m/s，每個氣候室內(nèi)溫濕度保持相對恒定.具體實驗工況的不同空調(diào)形式的溫度突變設置信息見表3.

表3 實驗工況具體設置Tab.3 Experiment conditions

1.4 實驗流程

在長沙冬季（1 月）進行實驗.在實驗開始前，實驗人員至少提前2 h開啟空調(diào)主機設備，以保證實驗開始時室內(nèi)熱環(huán)境達到設計工況的穩(wěn)態(tài)，實驗時要求受試者提前30 min到達準備室，更換統(tǒng)一著裝，并配合實驗人員戴好測試設備，隨后保持靜坐狀態(tài)，適應室內(nèi)溫度，以消除外環(huán)境和自身代謝對實驗的影響.期間由實驗人員講解實驗流程和測試問卷填寫要求.在整個實驗期間，要求受試者進行輕度活動（閱讀、輕辦公等），不可以交流測試問卷相關(guān)內(nèi)容及隨意移動，減少除測試變量外的其他因素對實驗結(jié)果的影響.

整個實驗分為兩個階段，Ⅰ階段進入實驗房間1，填第一份問卷，20 min 后，離開實驗房間1 前填寫第二份問卷；四名受試者填寫完問卷后同時快速進入實驗房間2（進入Ⅱ階段），坐下后立即填寫第三份問卷，之后的問卷由實驗人員提醒受試者填寫，具體流程圖如圖2所示.每份問卷填寫時間約1 min.

圖2 實驗具體流程Fig.2 Experimental procedures

1.5 主觀問卷

問卷調(diào)查是主觀感受研究的重要途徑，本實驗采用問卷星軟件收集受試者的問卷調(diào)查，包括：熱感覺（TSV）、熱舒適（TCV）、熱可接受度（TAV）、熱愉悅感.主觀問卷調(diào)查投票標尺劃分如圖3所示.

圖3 主觀問卷投票標尺Fig.3 Subjective questionnaire voting scale

2 研究結(jié)果及分析

2.1 熱環(huán)境參數(shù)

各設定溫度工況的實驗環(huán)境參數(shù)如表4 所示，表中的操作溫度與所對應設定的工況情況相近.

表4 具體實驗環(huán)境參數(shù)（平均值±標準差）Tab.4 The experimental parameters during the experiments（Mean±SEM）

2.2 生理參數(shù)

2.2.1 平均皮膚溫度

在偏涼的溫度突變環(huán)境下，對20 名受試者不同工況的平均皮膚溫度隨時間變化取平均值，得到不同工況下受試者平均皮膚溫度隨時間的變化規(guī)律，如圖4 所示.當受試者進入到有溫度突變的三種不同空調(diào)環(huán)境后，對比無突變的對流形式（人體平均皮膚溫度存在最大0.2 ℃的波動），平均皮膚溫度均發(fā)生明顯改變.從變化趨勢可知，受試者的平均皮膚溫度在工況1 突變發(fā)生后開始呈上升趨勢，而工況2、3在突變后未立即改變，表明生理參數(shù)對環(huán)境溫度突變的響應存在一定的延遲，這在Gagge 等［7］的溫度突變實驗中也有同樣的結(jié)果.結(jié)果表明之前研究中溫升突變到對流空調(diào)環(huán)境中的皮膚溫度滯后現(xiàn)象，在人體從突變到輻射空調(diào)環(huán)境下也同樣存在.

圖4 平均皮膚溫度隨時間變化Fig.4 The variations of mean skin temperature with time

采用SPSS26.0軟件探索各種反應達到穩(wěn)定的時間，對受試者突變初始時刻至最后時刻的皮膚溫度值進行內(nèi)方差分析（within-subjects ANOVA），若結(jié)果為無顯著差異，則將起始時刻依次向后調(diào)整，直至結(jié)果為有顯著差異（即p＜0.05，p值是原假設為真時，出現(xiàn)偏離原假設的觀測值及比觀測值更極端的值的概率），此時對應的起始時刻即為反應達到穩(wěn)定的時刻，結(jié)果得出工況1、2、3 在最后10min 時p＜0.05.圖5 給出了在階段Ⅱ最后10 min 的整體和局部皮膚溫度值，所有人都在不同工況的熱經(jīng)歷后待在操作溫度為20 ℃的設定工況下20 min.對比未發(fā)生突變的對照工況4在階段Ⅱ的平均皮溫，工況1、2、3的平均皮膚溫度分別高0.4 ℃、0.4 ℃、0.2 ℃；對比工況4，局部皮膚溫度出現(xiàn)了不同的變化，手、腹部、足部和小臂變化較大.手背、小臂經(jīng)歷不同工況突變后的皮膚溫度均升高，腹部溫度變化降低且工況1 比工況2、3 降低得更多.其中，足部的皮膚溫度較未發(fā)生突變的變化最大，冷經(jīng)歷后工況1、2 的溫度升高，但由于輻射地板的性能特點，工況2 溫度升高1.2 ℃，工況1僅提高0.2 ℃.

圖5 階段Ⅱ最后10 min的皮膚溫度值Fig.5 The skin temperature of the last 10 minutes in stage 2

不同工況下平均皮膚溫度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系如圖6 所示.圖中每一個點是所有受試者的皮膚溫度的平均值和標準偏差，箭頭表示環(huán)境溫度發(fā)生突變時，階段Ⅰ表示發(fā)生突變之前，階段Ⅱ指發(fā)生突變之后.平均皮膚溫度由階段Ⅰ向階段Ⅱ的方向突變，階段Ⅱ的平均皮膚溫度取的是穩(wěn)定后的10 min皮膚溫度的平均值.整個突變過程的平均皮膚溫度變化程度相當，工況1、2、3 的變化差值分別為0.90 ℃、0.94 ℃、0.86 ℃.表明在偏涼環(huán)境下，溫度突變到不同空調(diào)形式的平均皮膚溫度變化差異并不明顯.

圖6 不同工況平均皮膚溫度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between average skin temperature and ambient temperature in different conditions

2.2.2 血氧飽和度、脈率

血氧飽和度（SPO2）反映組織（如腦組織）的供氧情況，影響認知水平［23］，可能會影響舒適性及工作效率，其正常范圍是95%～98%.圖7（a）所示是四種不同工況突變前和突變后的血氧飽和度.圖中工況1、2、3、4突變前后的血氧飽和度均處于正常范圍，其差值d分別為0.063%、0.024%、0.056%、0.002%.溫度突變前后顯著性檢驗p值均大于0.05，即突變前后血氧飽和度并沒有出現(xiàn)顯著變化，說明本實驗設計的突變工況未對受試者的呼吸系統(tǒng)帶來影響.

圖7 突變前、后的血氧飽和度和脈率變化Fig.7 Changes of SPO2 and pulse rate before and after mutation

脈率是受試者手腕處動脈每分鐘搏動的次數(shù)，脈率與心率在生理機制上有一定的關(guān)聯(lián)，正常情況下，心率和脈率是保持一致的.脈率來源于心電信號，可以表示交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的活動平衡狀態(tài)，其正常范圍一般為每分鐘60～100次.圖7（b）給出的是四種不同工況下突變前后的脈率.圖中表明四個工況下突變前后的脈率都在正常范圍之內(nèi)，工況4突變前后脈率處于一個較平穩(wěn)的狀態(tài)，由于突變環(huán)境對身體產(chǎn)生了刺激，工況1、2、3 突變后脈率的平均值每分鐘升高了1.05 次、2.03 次、0.86 次，表明工況2在生理上交感神經(jīng)表現(xiàn)更活躍.

2.3 主觀調(diào)查

圖8（a）給出了不同工況下受試者平均熱感覺投票隨時間的變化規(guī)律.當受試者由偏涼環(huán)境進入到不同熱環(huán)境后，工況1 的投票值增大到0.20，在突變后的第2次投票中熱感覺稍下降到0.15，即熱感覺出現(xiàn)“超越現(xiàn)象”；工況2、3 未出現(xiàn)同類現(xiàn)象，發(fā)生突變后投票值增大到-0.20、-0.15后，隨暴露時間的延長熱感覺逐漸增加.由圖還可看出，突變到不同空調(diào)的中性熱環(huán)境后，工況1趨于穩(wěn)定在0.2，工況2、3穩(wěn)定在0，即突變到中性的輻射空調(diào)工況更接近中性熱感覺.

圖8（b）給出了不同工況下受試者平均熱舒適投票隨時間的變化規(guī)律.溫度突變后，工況1、2、3 的熱舒適感均迅速提升，突變前TCV 為-0.05、-0.05、0.05，突變后第1 次投票即分別上升到0.65、0.8、0.3，突變10 min 后工況3 也提升至0.65 個單位；表明由偏涼環(huán)境進入到不同中性熱環(huán)境下，受試者的熱感覺均提升為有點舒適，但相比之下，比工況2 熱舒適感的提升比工況3的提升高0.15，即輻射地板工況能給人體帶來更高的熱舒適感.

圖8 不同工況受試者平均熱評價變化Fig.8 The change of average thermal evaluation of subjects in different conditions

不同工況下受試者平均可接受度投票隨時間的變化規(guī)律如圖8（c）所示.受試者進入不同空調(diào)的中性熱環(huán)境后，熱可接受程度明顯提高，工況1、2、3 在進入10 min 后達到了0.58、0.48、0.55，分別提高0.22、0.20、0.15 個單位，均達到了對室內(nèi)熱環(huán)境可接受的程度，由圖發(fā)現(xiàn)在進入熱環(huán)境的30 min處，工況3的TAV達到了0.61，即輻射吊頂工況表現(xiàn)出對室內(nèi)熱環(huán)境更高的接受程度.

在非均勻和瞬態(tài)熱條件下，中性條件可能仍被認為是舒適的，Arens等［24］研究表明只有在熱刺激有助于消除全身熱應力的情況下，才會產(chǎn)生愉悅的體驗.這種假設可用Alliesthesia 的心理生理學概念來解釋，該概念根據(jù)外部刺激是否有助于恢復人體內(nèi)部平衡來確定外部刺激能否喚起熱愉悅感［25-26］.本研究引入熱愉悅感的概念，用來理解非穩(wěn)態(tài)熱暴露引起的享樂反應［27］，其結(jié)果如圖9（a）所示.進入新環(huán)境，工況1、2、3 分別產(chǎn)生了0.45、0.40、0.50 個單位的熱愉悅感，即突變到輻射吊頂空調(diào)下能使人體感到更愉悅.

20名受試者在不同工況下對室內(nèi)風速的感覺投票隨時間變化規(guī)律如圖9（b）所示.突變發(fā)生后，工況1、2、3 風速感覺投票降低了0.05、0.35、0.20 個單位，顯然，輻射空調(diào)環(huán)境中的吹風感更小.工況1 未出現(xiàn)皮膚溫度滯后現(xiàn)象，由于受試者暴露在溫暖氣流下，促使人體生理調(diào)節(jié)系統(tǒng)迅速響應，工況2、3 的低風流導致了突變初始時間段內(nèi)人體與環(huán)境換熱慢.

圖9 不同工況主觀感覺投票Fig.9 Subjective feeling voting in different conditions

由于溫度突變，整體和局部熱感覺、熱舒適的瞬態(tài)變化ΔTSV、ΔTCV 如圖10 所示，定義為突變后第一次投票和突變前最后一次投票差值的絕對值.圖10（a）表現(xiàn)的規(guī)律為：工況2 的整體和局部的ΔTSV、ΔTCV 均大于工況1、3，工況1、2、3整體的ΔTSV為0.55、0.90、0.50，人體軀干上部工況1的ΔTSV大于工況3，軀干下部工況3的ΔTSV大于工況1，背部、小腿、足部的ΔTSV大.規(guī)律表明突變到輻射地板工況的熱感覺變化最大，突變到輻射吊頂工況對軀干下部熱感覺提升效果比上送風的對流工況好；背部、小腿、足部對于瞬變熱刺激最敏感，可用于熱感覺預測.

從圖10（b）可看出整體的ΔTCV 呈現(xiàn)出工況2＞工況1＞工況3，工況2 變化1.15 個單位，工況1、3 分別為0.70、0.25 個單位的變化量；局部的ΔTCV 為工況2＞工況3＞工況1，其中工況2 大腿、足部的變化量達到了0.95 和0.90 個單位.規(guī)律表明突變到輻射地板工況引起的熱舒適瞬態(tài)變化最明顯.

圖10 整體和局部主觀感覺的瞬態(tài)變化Fig.10 Transient changes in global and local subjective sensation

3 討論

3.1 皮膚溫度時間響應特性

由圖5 平均皮膚溫度隨時間變化趨勢可知，突變后平均皮膚溫度響應迅速，開始快速上升，而后變化率不斷降低直至達到新的穩(wěn)定狀態(tài).對于這種特性，引入Knothe 時間函數(shù)如式（2），它僅反映變量的時間變化規(guī)律，故對此函數(shù)進行修正.引入幅值修正系數(shù)A代表皮膚溫度的變化幅值，反映突變溫差的大小對皮膚溫度的影響；引入突變初始溫度B代表人體經(jīng)歷突變前穩(wěn)態(tài)環(huán)境的平均皮膚溫度.修正后的函數(shù)如式（3）所示：

式中：φ(τ)為Knothe 時間函數(shù)；Tsk為溫度突變的平均皮膚溫度，℃；τ為時間，min；c為時間因素影響系數(shù).

將突變到對流工況后所有時刻的皮膚溫度按式（3）進行擬合，得到此工況下皮膚溫度的時間響應曲線，如圖11 所示.以工況1 為例，擬合的公式如式（4）所示，其中，A=1.23 反映了由4 ℃突變溫差引起的突變前后皮膚溫度最大增量，突變前受試者的初始平均皮膚溫度為32.18 ℃.

圖11 不同工況下平均皮膚溫度隨時間的變化規(guī)律（Knothe時間函數(shù)擬合）Fig.11 Variation rule of average skin temperature with time in different working conditions（Knothe time function fitting）

同理，對突變到輻射地板、突變到輻射吊頂兩種工況的平均皮膚溫度隨時間變化函數(shù)進行擬合，所有的擬合參數(shù)見表5.

由表5可以看出，工況2的幅值修正系數(shù)大于其他兩個工況的2 倍，其定義表明溫差引起的人體熱應激程度強，突變前后的平均皮膚溫度差值大；時間因素影響系數(shù)c僅為0.016，比工況1、3 小，表明平均皮膚溫度達到穩(wěn)定所需時間少.因此根據(jù)擬合結(jié)果，在相同的溫度刺激下，突變到輻射地板環(huán)境所引起的人體生理響應程度更大，且較其他兩種工況能更快地重新適應新環(huán)境；突變到輻射吊頂環(huán)境相較于突變到對流環(huán)境，引起的生理響應稍強，但需要更多時間適應新環(huán)境.

表5 三種工況函數(shù)的擬合參數(shù)Tab.5 The parameters of function fitting in three conditions

工況2 和工況3 用修正后的Knothe 時間函數(shù)擬合程度為96.2%和96.9%，較工況1的99.4%低，故引用了Logistic 回歸函數(shù)，平均皮膚溫度隨時間的變化用式（5）進行擬合，達到了較好的擬合程度，圖12 為工況1、2、3的擬合曲線圖，具體擬合參數(shù)見表6.

圖12 不同工況下平均皮膚溫度隨時間變化規(guī)律（Logistic回歸函數(shù)擬合）Fig.12 Variation rule of average skin temperature with time in different working conditions（Logistic regression function fitting）

表6 三種工況Logistic回歸模型的擬合參數(shù)Tab.6 The parameters of Logistic regression model fitting in three conditions

3.2 TSV和平均皮膚溫度之間的動態(tài)關(guān)系

根據(jù)前文平均皮膚溫度的時間響應特性分析，取突變前穩(wěn)定狀態(tài)的第1、2 次和突變后新穩(wěn)態(tài)的最后一次熱感覺投票值和平均皮膚溫度，做出散點圖并進行擬合，得出三種工況在穩(wěn)定階段下受試者的熱感覺隨平均皮膚溫度的變化規(guī)律如圖13 所示，其回歸模型為式（6），具體擬合參數(shù)見表7.

表7 三種工況穩(wěn)態(tài)階段熱感覺預測模型的參數(shù)Tab.7 Parameters of thermal sensation prediction model in the steady-state stage of three working conditions

圖13 穩(wěn)態(tài)環(huán)境下平均熱感覺投票與平均皮膚溫度變化規(guī)律Fig.13 Variation of average thermal sensation vote and average skin temperature in steady state environment

由前文分析可知，在突變環(huán)境下，人體的熱感覺與皮膚溫度存在分離現(xiàn)象.熱感覺在動態(tài)變化中不僅與皮膚溫度有關(guān)，還與皮膚溫度的變化率有關(guān).因此將受試者的實際熱感覺分為穩(wěn)態(tài)熱感覺項TSV′和動態(tài)熱感覺項TSV″，如式（7）：

將突變后直至到達新穩(wěn)態(tài)前的熱感覺和平均皮膚溫度的數(shù)據(jù)用于分析，將平均皮膚溫度變化率定義為t時刻的皮膚溫度值減去t-1時刻的平均皮膚溫度除以時間間隔，時間與熱感覺問卷收集時間保持一致.表達式如下：

式中：TSV′可根據(jù)式（6）求得，由式（4）（6）（7）代入相應參數(shù)及數(shù)據(jù)，可得到熱感覺動態(tài)變化量與受試者平均皮膚溫度變化率的關(guān)系，如式（9）所示.

由三個工況的圖可以看出，受試者熱感覺動態(tài)變化量與其平均皮膚溫度變化率呈線性關(guān)系，采用式（9）對其進行擬合，擬合曲線如圖14 所示，三種工況擬合的具體參數(shù)見表8.

圖14 不同工況熱感覺動態(tài)變化量與受試者平均皮膚溫度變化率的關(guān)系Fig.14 Relationship between the dynamic variation of thermal sensation in different conditions and the rate of change of average skin temperature of subjects

表8 三種工況熱感覺動態(tài)項模型的擬合參數(shù)Tab.8 Fitting parameters of thermal sensation dynamic term model in three conditions

由擬合結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，三種工況中兩者的關(guān)系均有較好的線性關(guān)系，擬合程度分別能達到81.6%、82.5%和83.5%，隨著平均皮膚溫度變化率的增加，由皮膚溫度動態(tài)變化引起的熱感覺增量也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢.此外，突變到輻射地板工況擬合曲線的斜率較其他兩個工況要大，顯示出此工況的熱感覺變化隨皮膚溫度變化率的增加而變化得更明顯.

綜上，得出了以下模型可用于預測冬季環(huán)境下，偏涼突變到中性工況的人員熱感覺，

突變到對流工況：

突變到輻射地板工況：

突變到輻射吊頂工況：

需要指出的是，以上得出的熱感覺預測模型擬合程度均在80%～90%之間，相比于同類熱感覺預測模型［28］要稍微偏低，主要考慮是由于溫度突變僅考慮了從偏涼到中性，因而得到的相應的人體平均皮膚溫度變化范圍也在31～34 ℃之間，數(shù)據(jù)相對較為集中的原因造成的，后期可開展多區(qū)間溫度突變實驗來修正此預測模型.此外，冷到中性的突變溫度環(huán)境研究更接近于冬季從室外進入到室內(nèi)的真實環(huán)境，這種動態(tài)環(huán)境對人體熱舒適影響更大，而本實驗在偏涼到中性環(huán)境下開展，后期可考慮更貼近真實環(huán)境的熱舒適研究，以拓寬或修正本研究得出的熱感覺預測模型.

4 結(jié)論

人體通常處于動態(tài)變化環(huán)境中，環(huán)境溫度變化更貼近于實際生活，且對人體熱舒適有較大的影響.本研究采用實驗測量及主觀問卷的方法，開展冬季偏涼-中性的環(huán)境溫度突變研究，對比了對流、輻射地板、輻射吊頂三種不同的空調(diào)形式，從受試者生理參數(shù)（皮膚溫度、血氧飽和度和脈率）和主觀熱反應（TSV、TCV、TAV 和熱愉悅感）兩個方面對研究對象進行評估.通過對比突變到輻射空調(diào)環(huán)境與對流空調(diào)環(huán)境的差異與聯(lián)系，得出輻射空調(diào)下突變的規(guī)律，以期完善輻射空調(diào)動態(tài)環(huán)境下人體的熱反應機制，為制定調(diào)節(jié)、控制輻射空調(diào)策略提供一定的參考.

本文從生理參數(shù)和主觀調(diào)查的統(tǒng)計結(jié)果分析中得到以下結(jié)論：

1）突變到中性的輻射空調(diào)環(huán)境中皮膚溫度出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，之后變化速率加快，達到新的穩(wěn)態(tài)后變化速率趨于0.整體及局部（主要是手、腹部、足部、小臂）的新穩(wěn)態(tài)皮膚溫度較未發(fā)生突變時高，手背和足部對整體的皮膚溫度影響最大.突變前后皮膚溫度的變化與對流工況下無明顯差異，血氧飽和正常，輻射地板工況下人的交感神經(jīng)更為活躍.

2）動態(tài)環(huán)境下，建立了基于修正的Knothe 時間函數(shù)相關(guān)預測模型，量化了不同工況下人體平均皮膚溫度隨時間變化的響應特性，并發(fā)現(xiàn)在相同的溫度刺激下，突變到輻射地板環(huán)境所引起的人體生理響應程度更大，且較其他兩種工況能更快地重新適應新環(huán)境；為了提高模型的預測準確性，基于以上數(shù)據(jù)建立了Logistic 回歸函數(shù)預測模型，達到了99%以上的擬合程度.

3）主觀感受上，突變到輻射空調(diào)工況時，熱感覺未出現(xiàn)“超越現(xiàn)象”，但此工況較對流工況更接近中性熱感覺；分析結(jié)果表明輻射地板工況能給人體帶來更好的舒適感；輻射吊頂工況表現(xiàn)出對室內(nèi)熱環(huán)境更高的可接受程度，使人體感到更愉悅；此外，輻射空調(diào)工況下對流換熱減弱使突變后人體產(chǎn)生了心理超前現(xiàn)象.

4）分析整體和局部的熱感覺、熱舒適的瞬態(tài)變化得出，突變到輻射空調(diào)工況能帶來更好的熱感覺、熱舒適，其中突變到輻射地板工況優(yōu)勢更突出，背部、小腿、足部對于瞬變熱刺激最敏感，可用于熱感覺預測.

5）結(jié)合人體的平均皮膚溫度和平均熱感覺投票，建立了動態(tài)環(huán)境下，突變到對流工況、輻射地板工況和突變到輻射吊頂工況的熱感覺預測模型，其中包含人體平均皮膚溫度及其變化率，簡化了動態(tài)環(huán)境下人體熱感覺預測的求解過程.