室內動態空調環境下老年人熱需求評價指標研究

Abstract： The air supply mode of air conditioners creates a dynamic indoor thermal environment， which can significantly affect the thermal comfort needs of elderly individuals.However，the traditional predicted mean vote （PMV） index is designed for steady-state conditions and fails to consider the impact of spatial and temporal fluctuations in thermalenvironments.Thisstudy investigates thethermalneedsof theelderlyindynamicairconditioned environments and proposes evaluation metrics to quantify the efects of these fluctuations.Seven elderly participants were recruited for a climate chamber experiment.Thermal environment parameters were monitored at 24 points （across three heights and eight directions）surrounding the subjects under four typical air supply modes of room air-conditioners in cooling conditions.The temporal and spatial characteristics of the thermal environment were quantified using two proposed indicators：uniformity （defined as the difference in environmentalparameters between the chestand the back of the subjects）and fluctuation （defined as the average variability of environmental parameters across the eight directions）.Results showed significant uniformity and fluctuation in the thermal environment surounding the subjects.Thermal perception evaluation showed that reduced environmental fluctuation and improved uniformity were associated with more neutral thermal and draught sensations，thereby enhancing thermal comfort. Correlation analysis further confirmed a significant relationship between thermal perception and the proposed uniformity and fluctuation indicators. These findings suggestthat the uniformity and fluctuation indexes can be used as efective evaluation metrics for assessing the heat demand and thermal comfort of elderly individuals in dynamic indoor air-conditioned environments.

Keywords：dynamic environment;airconditioning;elderly; thermalcomfort

據國家衛健委最新數據，截至2021年底，中國60歲及以上老年人口達2.67億，占總人口的 18.9% ;65歲及以上老年人口達2億，占總人口的 14.2% 。隨著人口老齡化的加快，養老問題日益突出，需重點關注老年人健康狀態及其影響因素。老年人通常每天超過 90% 的時間在起居室或臥室度過，室內環境會影響老年人的心理狀態、生理健康等。例如，舒適的室內環境可以有效減少老年人由于年齡增長而產生的焦躁、不安2，而過熱的室內環境可能引起與熱相關的疾病甚至死亡。因此，營造舒適健康的室內環境對老年人的健康至關重要。

在眾多室內環境舒適健康的影響因素中，老年人受其生理特征影響（產熱降低、散熱障礙以及體溫調節能力降低等4）對室內環境的熱舒適性的要求與年輕人存在差異。研究表明，老年群體與普通成年人群體在冬夏季居家舒適溫度存在明顯差異。例如，日本老年人生活熱環境研究會調研了日本南北沿線的45棟住宅，發現老年群體冬季舒適溫度要求較高，而夏季較低，提出了不同功能區和季節的室溫標準值。方雪苗調研了我國夏熱冬冷地區農村住宅熱環境及老年群體熱舒適狀況，建立了該地區老年人熱感覺模型，并通過與同地區年輕人的熱感覺模型對比發現，老年人夏季舒適溫度偏低，冬季舒適溫度偏高。韋欣超發現高溫環境下老年人的熱敏感性低于年輕人，老年人的中性溫度高于年輕人。鞏新枝等8對夏熱冬暖地區居住在農宅中的179位老年人和101位成年人進行實地調研，結果發現夏季老年人的中性溫度高于成年人，老年人對熱的耐受力較高。郭飛等調研了寒冷地區大連119名老年人和106名青年人的自然通風住宅的熱環境、熱適應行為，結果表明老年人喜歡偏冷的熱環境，其中性溫度低于青年人。

隨著公眾改善室內環境和提高生活水平需求的增加，空調已成為中國家庭的常用室內熱環境改善設備[10]，隨著極端天氣的頻發，空調設備也逐漸成為老年人群維持室內健康熱環境的重要途徑。由于空調器依靠出風口的局部高風速實現氣流的快速擴散和室內溫度的變化，因而在實際居家情況下空調營造的室內熱環境屬于非均勻分布。為滿足不同室內熱環境需求，房間空調器往往具備多種出風氣流形式，例如，中吹、非直吹、掃風和無風感等，在使用者周圍形成非均勻的、動態變化的熱環境。然而，傳統熱舒適評價方法往往針對室內穩態熱環境，對房間空調器所營造的動態熱環境下的熱舒適評價效果不佳。同時，由于老年人群溫度受體密度、感覺神經損失和傳導率的下降，導致溫度敏感度下降[]，使用單一穩態熱環境參數或難以有效識別老年人群熱環境需求，綜合考慮室內空氣溫度、相對濕度和風速等參數的非均勻性與波動性對評價老年人對房間空調器所營造的動態熱環境的熱需求具有重要意義。

從熱環境非均勻性對熱感覺的影響來看，Wang等[12]發現胸部的熱感覺在預測整體熱感覺方面的準確性最高。Fang等[13指出整體熱感覺與胸部和背部呈強烈的線性相關。Jin等[4發現胸部的敏感性最高，其次是背部。Zhang等[15]根據健康成年人局部熱感覺的最大范圍建立了一個整體熱舒適度模型。因此，局部熱感知的絕對值或最大范圍可以作為預測整體熱感覺或熱舒適的指標。目前的研究沒有考慮局部身體敏感度比成年人弱的老年人的熱反應，而確定局部身體部位的周圍熱環境參數，客觀預測整體熱感覺是非常必要的。在速度波動方面，Fanger等分析了氣流中速度波動的影響，并通過加人湍流度來擴展模型，湍流度等于標準差除以平均流速。Huang等研究了空氣流速的頻率波動，發現對人員的熱感覺有明顯的影響。Qin等[8]采用湍流指數評估機械通風條件下的室內空氣速度。Hua等]發現速度差異會影響老年人的停留意愿。對于溫度波動，Melikov等[20研究了空氣溫度的分布，并強調了其對熱感覺和吹風感的影響。Madsen等[21l采用標準差來描述溫度波動。標準差忽略了溫度的振幅，而溫度振幅會影響熱感覺。此外，老年人對空氣流速的變化更加敏感，更有可能遭受通風引起的不適[2]。

綜上所述，文中研究的主要目的是提出室內動態空調環境下老年人熱需求特征的評價方法，通過熱環境參數和熱感知問卷分析老年人的熱需求，選擇胸部和背部2個熱環境區的差異作為均勻性指數以量化均勻性特征，提出參考湍流度的溫度波動指數以量化波動性特征。文中提出并定義了均勻性和波動性指數，系統地描述了老年人周圍熱環境的均勻性和波動性，彌補了多數研究缺乏考慮熱環境空間和時間波動對熱感知影響的缺點。

1 研究方法

1.1 實驗條件

研究選擇了雙層內外控制的氣候室作為測試實驗室，根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）[23]，氣候室的外室環境的空氣溫度和相對濕度設定為重慶室外空調設計溫度 35.5^°C 及設計相對濕度 59% 。測試房間的尺寸為 7.0m （長） ×4.0m （寬） ×2.4m （高）。選擇1臺制冷量為 7200W 的立式房間空調作為測試設備，其尺寸為 0.5m （長） ×0.5m （寬） ×1.8m （高），并放置在房間側墻的中央。實驗共安置了27個測點來監測熱環境參數，其中3個測點（3個高度和1個方向）設置在空調出風口，24個測點（3個高度和8個方向）設置在受試者周圍，受試者坐在房間的中央，距離空調器 3.5m 。受試者靜坐狀態下，頭部的位置高度為 1.1m ，胸部的位置高度為 0.6m ，與測試儀器的水平距離為 0.5m 。在水平方向上，距離坐姿受試者 0.5m 處，每間隔 45^° 的放置測量點;在垂直方向上，測量點放置在 0.1，0.6，1.1m 的高度處；形成三高度八方位環形測點;為保證實驗過程安全，陪護和測試員在房間右下角靠墻就坐，不影響室內環境營造，具體布置如圖1所示。

圖1氣候室布置圖

Fig.1Layout of theclimatechamber

1.2 實驗方案

實驗選擇制冷模式下常用的 26^°C 作為設定溫度，設定氣流形式包括中吹、非直吹、掃風和無風感，氣流形式如圖2所示。采用拉丁方[24實驗設計，以消除工況順序影響，工況排列為：中吹-不直吹-無風感-掃風、不直吹-掃風-中吹-無風感、掃風-無風感-不直吹-中吹、無風感-中吹-掃風-不直吹。實驗開始前，開啟空調運行到穩定狀態，在此期間向受試者介紹實驗流程及注意事項并填寫個人基本信息;實驗測試中，每個工況下的操作時間為 20min ，并在開始時設定 10min 用于適應實驗環境。每個工況下收集空調器運行處于相對穩定階段的最后 15min 的數據。實驗流程如圖3所示。

圖2氣流形式圖

圖3實驗流程圖

Fig.3Flowchartoftheexperiment

1.3 受試者

招募了7位老年人（5位男性、2位女性）作為受試者，老年人的健康狀況良好，未患影響熱感受的疾病，其年齡、身高等基本信息的平均值與標準差如表1所示。

表1受試者基本信息Table1 Data of the subjects

老年人在測試中穿著服裝熱阻為0.7clo的統一服裝（短袖、長褲、運動鞋），在整個測試期間保持靜坐狀態，每 5min 填寫1次熱感知問卷。主觀問卷包括熱感覺、吹風感和熱舒適，采用標尺如表2所示。

表2投票標尺 Table2 Votingscale

1.4 測量與指標

1.4.1 測量參數及儀器

實驗測試參數包括溫度、風速等客觀熱環境參數和熱感知問卷，具體的測試參數及儀器如表3所示。

表3測試參數及儀器

1.4.2熱環境參數指標的定義

文中提出了均勻性和波動性指標，分別用于描述熱環境參數的空間均勻性和時間波動性。

1）均勻性指數。均勻性指的是高度為 0.6m 處的 -45^°，0^° 和 45° 3 個方位的平均值與 135^°，180^° 和 -135^° 3個方位的平均值之間的差異，即為胸部和背部的環境參數差異。計算公式為

式中： X_uni 是1個參數的前后之差； 是1個方向的 0.6m 的平均值。

2）波動指數。波動性是指受試者周圍8個方向的平均波動值，其計算公式為

式中 ：X_flu 是1個參數的波動值； σ_i^° 是1個參數1個方向3個高度的平均值的標準偏差； 是1個方向3個高度的平均值。

采集的溫度、風速等數據，將采用IBM SPSS Statistics 26進行相關性等分析，并利用Origin 2024可視化呈現圖片。

2 結果分析

2.1熱環境參數特征

2.1.1 均勻性

根據公式（1）可得，各工況下受試者胸部和背部的溫度和風速之差（即均勻值），如表4所示，呈現出溫度負差、風速正差的特點，可以看出均勻性無風感最高，中吹最差。由圖4可知，溫度在中吹和掃風工況中，呈現出胸部低于背部的特點，而不直吹和無風感則相近;風速在中吹和掃風工況中，胸部明顯高于背部，而不直吹和無風感相對相近。

表4各工況溫度和風速均勻值表

Table4Uniformityvalues of temperature and wind speed for each operatingcondition

圖4各工況各方位溫度、風速均值圖

2.1.2 波動性

根據公式（2）可得，各工況下溫度和風速的波動值如表5所示，可以看出，掃風的波動性最大，無風感的波動性最小。從圖5可以看出，對于溫度，中吹和掃風工況波動性明顯大于不直吹和無風感工況;對于風速，掃風工況的波動性明顯高于其余工況，其中無風感工況波動最小。整體來說溫度波動不劇烈，而風速波動范圍很大。

表5各工況溫度和風速波動值表 Table5Fluctuation values of temperature and wind speed for each operating condition %

圖5各工況各方位溫度、風速波動值圖

Fig.5 Fluctuation values of temperature and wind speed in each direction foreach operating condition

2.2 熱感知特征

根據現場實測主觀熱感知問卷，老年人在每個工況下的熱感知如圖6所示。對于熱感覺，中吹工況下有輕微涼感，其余工況接近中性，這與前述溫度波動輕微相對應;對于吹風感，中吹工況有明顯通風感，而其余工況接近中性，這與前述中吹工況波動性大相對應;對于熱舒適，除中吹存在不舒適且波動大，其余整體感到舒適。

由此可知，由于溫度的輕微波動，熱感覺幾乎沒有變化，集中在中性。而隨著湍流的減少，吹風逐漸減少并接近中性。此外，熱舒適度的投票與熱感覺相比更加一致，湍流的減少會使熱感覺得到改善。由此可知，老年人更喜歡低波動的熱環境。

圖6老年人的熱感知

Fig.6Thermal perceptionin the elderly

2.3 相關性分析

根據得到的各工況均勻值、波動值以及熱感知問卷，為驗證所提出指標與熱感知之間的影響關系，采用IBM SPSS Statistics 26進行相關性分析，并利用Origin 2024可視化呈現圖片。結果表明，熱感知與提出的均勻性和波動性指標存在明顯相關性，具體表現為熱感覺與溫度均勻值存在明顯相關性 _{r=0.38，plt;0.05} ；熱感覺與速度均勻值存在明顯相關性（ r=-0.28，plt;0.05） ;吹風感與溫度均勻值存在明顯相關性（ r=-0.44 ，plt;0.01 ）;吹風感與溫度波動值存在明顯相關性 ;吹風感與速度均勻值存在明顯相關性 ；熱舒適與速度均勻值存在明顯相關性 （r=-0.33，plt;0.01） 。具體如圖7所示。

綜上可知，受試者周圍熱環境的時空分布特征可以用文中提出的均勻性和波動性指標來量化。典型空調送風形式下所營造的人體周圍熱環境呈現出明顯的均勻性和波動性特征，具體表現為溫度均勻值： -1.2～

0.2^°C ；速度均勻值： -0.02～0.25m/s ；溫度波動值： 0.2%～1.0% ；風速波動值： 26%～76% 。結合具體工況分析，在熱環境參數特征方面，對于均勻性，無風感 |gt; 不直吹 gt; 掃風 gt; 中吹；對于波動性，中吹 gt; 掃風 gt; 不直吹 gt; 無風感。在熱感知方面，對于熱感覺，中吹工況下有輕微涼感，其余工況接近中性，這與前述溫度波動輕微相對應;對于吹風感，中吹工況有明顯通風感，而其余工況接近中性，這與前述中吹工況波動性大相對應;對于熱舒適，除中吹存在不舒適且波動大，其余整體感到舒適。可以發現，隨著環境波動性的減小和均勻性的提升，老年人的熱感覺和吹風感逐漸趨于中性，熱舒適也得到改善。而根據相關性分析同樣發現，熱感知與提出的均勻性和波動性指標存在明顯相關性。其中，熱感覺與溫度均勻值、速度均勻值存在明顯相關性，吹風感與溫度均勻值、溫度波動值、速度均勻值存在明顯相關性，熱舒適與速度均勻值存在明顯相關性。因此，均勻性和波動性指標可以作為評價室內動態空調環境下老年人熱需求的重要指標，建議納入構建熱需求預測模型的重要指標范圍。

圖7相關性分析圖

Fig.7 Correlationanalysis

綜上可知，受試者周圍熱環境的時空分布特征可以用文中提出的均勻性和波動性指標來量化。典型空調送風形式下所營造的人體周圍熱環境呈現出明顯的均勻性和波動性特征，具體表現為溫度均勻值： -1.2～ 0.2^°C ；速度均勻值： -0.02～0.25m/s ；溫度波動值： 0.2%～1.0% ；風速波動值： 26%～76% 。結合具體工況分析，在熱環境參數特征方面，對于均勻性，無風感 gt; 不直吹 gt; 掃風 ，gt; 中吹；對于波動性，中吹 gt; 掃風 不直吹 gt; 無風感。在熱感知方面，對于熱感覺，中吹工況下有輕微涼感，其余工況接近中性，這與前述溫度波動輕微相對應；對于吹風感，中吹工況有明顯通風感，而其余工況接近中性，這與前述中吹工況波動性大相對應;對于熱舒適，除中吹存在不舒適且波動大，其余整體感到舒適。可以發現，隨著環境波動性的減小和均勻性的提升，老年人的熱感覺和吹風感逐漸趨于中性，熱舒適也得到改善。根據相關性分析同樣發現，熱感知與提出的均勻性和波動性指標存在明顯相關性。其中，熱感覺與溫度均勻值、速度均勻值存在明顯相關性，吹風感與溫度均勻值、溫度波動值、速度均勻值存在明顯相關性，熱舒適與速度均勻值存在明顯相關性。因此，均勻性和波動性指標可以作為評價室內動態空調環境下老年人熱需求的重要指標，建議納入構建熱需求預測模型的重要指標范圍。

由于研究的老年人的樣本量有限，今后將擴大樣本量以建立老年人熱需求預測模型并驗證模型預測的準確性。為了深人了解老年人對動態環境的熱生理反應和適應性調節，將增加收集熱生理參數，包括但不限于皮膚溫度、心率、血壓以及姿勢調節行為。

3結論

為了研究室內動態空調環境下老年人的熱需求特征，文中通過氣候室測試確定了老年人周圍24個測點（3個高度和8個方位）的溫度、風速和相對濕度的特征，并通過主觀問卷調查獲得熱感知。主要結論如下。1）提出并定義了均勻性和波動性指數，，以量化受試者周圍熱環境參數的時間和空間分布特征。均勻性指數是指受試者胸部和背部的環境參數差異，波動性指數是指受試者周圍8個方向環境參數的平均波動值。2）房間空調器典型送風形式下，溫度均勻值為 -1.2～0.2^°C 、速度均勻值為 -0.02～0.25m/s 。結合熱感知評價發現，熱感覺與溫度均勻性、速度均勻性存在明顯相關性，吹風感與溫度均勻性、速度均勻性存在明顯相關性，熱舒適與速度均勻性存在明顯相關性。3）房間空調器典型送風形式下，溫度波動值為 0.2%～1.0% 、風速波動值為 26%～76% 。結合熱感知評價發現，吹風感與溫度波動值存在明顯相關性。4）隨著環境波動性的減小和均勻性的提升，老年人的熱感覺和吹風感逐漸趨于中性，熱舒適也得到改善。均勻性和波動性指標可以作為評價室內動態空調環境下老年人熱需求的重要指標。

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（編輯陳移峰）