不同温度下立式塔扇吹风时人体热反应变化

孙星维 端木琳 李祥立 孙冰 于天婵

大连理工大学建设工程学部

0 引言

随着建筑行业的飞速发展和人们生活水平的提高，维持更为舒适的室内环境显得越来越重要，人们对建筑环境的要求也越来越高[1]，为了既能满足热舒适需求又能节约能耗，在夏季，采用吹风形式增加人体散热，减少人们对温度依赖则越来越有意义。Huang Li[2]进行调研时也曾指出电风扇因为环保、低成本、给人清新的感觉而被人们广泛接受。

为了提高对风扇的应用，国内外已有一些风速对人体热反应的影响探究，主要采用的风扇形式以摇头扇[3-5]和吊扇[7-8]为主，其中一部分研究还给出了在温度升高时人体可接受的风速限值。近年来，立式塔扇受到越来越多的人的欢迎，这类风扇增强了风扇的安全便捷性，其涡旋贯流风道[9]的设计，使其吹风更为柔和自然，且更为稳定和节能。

1 实验介绍

本研究模拟了办公室前方吹风的环境，采用立式塔扇于正前方吹风，针对均匀环境送风情况进行了实验研究。

1.1 实验环境

实验在大连理工大学综合实验1 号楼人工环境小室进行，人工环境气候室长7.5 m，宽5.6 m，高3.6 m，如图1 所示，围护结构中北墙，东墙和屋顶采用的材料为彩色钢板聚苯乙稀泡沫板，西墙和南墙为透明的有机玻璃，地面是架空地板。为了避免实验过程中房间温度有过大波动，希望实验空间不要过大，实验之前在房间中部布置一厚实的布帘，可以将小室分割成两个面积相等的空间。在实验过程中，待房间加热到一定温度时，将布帘拉上，只在小室一侧的空间进行实验。实验室处于地下，阳光很少照射到，因而可以忽略太阳辐射的影响。

图1 实验室环境与测点布置

采用四点法对房间的温湿度进行测量，布置方法见图1。测量房间温度时温湿度自计议的布置高度为0.6 m，另外在受试者所处位置0.1 m、0.6 m、1.1 m 高度处各布置一个温湿度自计议。对于风速进行测试时，考虑到风速变化较为敏感，且受试者动作等会影响测量结果，因此事先对风速进行测试，即调节风扇风级和位置，之后测量受试者处的风速大小，测试时连续测试十分钟求得平均值，即为该处的实际风速。

实验前开启空气源热泵机组，通过地板散流器对环境温度进行控制，此时测量受试者所处位置的风速，可以长期保持在0.02 m/s 以内，因此本实验可以忽略地板送风口产生的风速对受试者的影响。人工环境气候室的空气温度与湿度的控制精度为±0.5 ℃，控制的对象为背景环境。实验使用立式塔扇进一步控制风速，风速变化范围为0～2 m/s。实验期间不对环境湿度进行控制，只在每个工况下记录当前湿度。

1.2 实验仪器与受试者

实验仪器的选用以满足测量精度为原则，根据JGJ/T 347-2014《建筑热环境测试方法相关标准》[10]所规定的测试仪器基本要求进行选择，实验用仪器参数信息如表1。

表1 实验用仪器参数信息

本实验在大连理工大学随机招募健康受试者，共56 人参与了实验，均为大连理工大学在读本科生或研究生，受试者基本信息如下：

1）性别：男23 人，女32 人；

2）夏季长居环境：空调5 人，无空调50 人；

3）冬季长居环境：暖气53 人，火炉/火炕0 人，空调0 人，无2 人；

4）年龄：平均值为20.5 岁，最大值26 岁，最小值18 岁；

5）身高：平均值为168.9 cm，最大值155 cm，最小值187 cm；

6）体重：平均值为60 kg，最大值85 kg，最小值是45 kg。

受试者中，男生23 名，女生32 名，年龄在18～26岁之间。考虑到热经历的影响，对冬夏两季受试者家中空气调节方式也进行了调查。要求受试者在实验前一天不得饮酒、饮咖啡、服药，保证正常饮食和睡眠，以确保测试期间身体状况良好。受试者参与实验当天无剧烈运动且正常着装。每位受试者至少保证参加某一温度工况下所有风速变化工况，实验时间约为130 min。

1.3 实验流程

根据GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[11]中规定的舒适性空调室内供冷设计温度范围24～28 ℃，考虑到本实验的目的是在夏季减少室内温度的降低、通过风速实现对其的拟补，本实验则以24～30 ℃为温度范围设定工况，每2 ℃一个工况。风速共设定7 个工况，风速值在0～2 m/s 之间，具体工况见表2。其中以每个温度为一个大工况，每位受试者参与一次实验即表示参与某个温度工况下7 个风速变化全过程，并填写过程中的热感觉及吹风感。

表2 风速级及时间安排

受试者进入实验室之前，调试实验室环境温度，达到需要的实验工况。进入实验室之后，首先保持静坐30 min 来使自己达到稳定状态，同时向受试者说明实验需知信息，填写受试者个人基本信息，包括姓名、性别、身高、年龄、体重、具体着装、一定时间段内的活动状态、长居环境及地点、情绪、有无病史等。

之后，调节风速至指定数值，在该环境温度下稳定15 min[2]后，受试者填写热感觉调查问卷，记录当前热感觉投票值TSV、热舒适投票值TCV、热可接受度投票值TAV、干湿度感觉、吹风感、对风速的可接受度等，本文主要就热感觉和吹风感进行分析，其具体标尺见表3[12]。同时记录室内环境参数及人体皮肤温度，包括温度，相对湿度，迎面风速，黑球温度，室外温度，受试者手背及额头皮肤温度。各个温度工况下，除调节室内温度到指定工况外，其余的流程是相同的，时间安排如表2 所示。

表3 热感觉调查问卷标尺

为了方便实验，实验时调节环境温度稳定在指定温度下后，完成该温度下所有受试者的实验，再进行下一个温度工况。其中，24 ℃和30 ℃温度工况下15 个受试者参与实验，26 ℃和28 ℃温度工况下30 个受试者参与实验。其中，部分受试者参与了四个温度下的全部实验。

2 结果与分析

2.1 各因素的相关性分析

对于热感觉以及吹风感，除了环境的温度、湿度、风速会对其产生影响外，人体的生理参数、服装热阻等也会对热感觉及吹风感产生影响，因此，这里先来分析各个影响因素对热感觉及吹风感的影响程度。

对各个因素进行偏相关分析，来确定对热感觉和吹风感预测时的自变量，表4 为主要影响因素及相关系数，可以看出，风速和温度是影响热感觉及吹风感的主要因素，因此这里主要是进一步研究风速和温度对热感觉及吹风感的影响。

表4 偏相关分析结果

在此之前，首先对服装热阻进行分析，由于实验为夏季工况，受试者多为短袖或短裙类着装，范围在0.17～0.63 clo 之间，参考PMV 的计算公式[13]，其对热感觉的影响可以忽略。

温度和风速变化下，人体的热感觉（TSV）和吹风感（DS）均会发生变化，风速的增加会在一定程度上降低热感觉，但是也会使人产生吹风感。考虑到温度和风速的同时影响，这里将温度和风速一起进行分析。对同一工况下所有样本求取标准差，可以得出，热感觉的标准差在（-1.1，1.1）范围内，吹风感的标准差在（-0.63，0.63）范围内，可见，采用主观问卷调查的方式进行实验，相同环境下不同个体的热感觉存在一定差异，但是均在可接受范围内。

2.2 热感觉及吹风感的预测方法

为了给出热感觉（TSV）和吹风感（DS）的预测方法，绘制散点图。图2～3 给出了不同温度和不同风速下个体热感觉（TSV）的变化情况，图4～5 给出了不同温度和不同风速下个体吹风感（DS）的变化情况。

图2 风速对热感觉的影响

图3 温度对热感觉的影响

图4 风速对吹风感的影响

图5 温度对吹风感的影响

可以看出，热感觉除了随着温度的降低而降低外，也会随着风速的增加而降低。另一方面，温度的升高会减少吹风感，但是在实验中，吹风感采用的是断裂标尺，图4～5 的点存在一定的重合，为了更好地反映热感觉，吹风感随温度及风速的变化情况，这里将各个工况下的个体热感觉及个体吹风感求取平均值，各个工况下的平均热反应的变化情况如图6～7。

图6 不同温度下热感觉（TSV）的变化情况（平均热反应）

图7 不同温度下吹风感（DS）的变化情况（平均热反应）

从图6～7 可以看出，当风速增大到1 m/s 左右后，对热感觉的影响逐渐减少。风速对热感觉的影响，在温度较低的环境中下降地更为明显。针对夏季工况，降低温度可以降低人体的热感觉，但是由于降低温度会导致能耗的升高及办公室部分人员的不适应，因此可以考虑通过部分风速的升高来降低人体的热感觉。然而，风速的升高又会导致吹风感的增加，吹风感过高时人体会感到不适。因此，风速不能无限制的增大，本研究依据已有实验数据给出吹风感限值参考，希望能够在合理范围内应用风速。以图6～7 为基础，采用线性插值法给出DS＜1（有轻微的吹风感）及DS＜2（有明显的吹风感）时不同温度下风速的限值作为参考，见表5。

表5 吹风感＜1 及吹风感＜2 时的风速限值

在此基础上，本实验给出了吹风感及热感觉的预测方法。根据图6～7 分布特征，同时结合以往的研究[14-17]，这里认为热反应变化与温度变化呈线性关系。假设温度和风速不存在共线性的影响，观察图2～7 分布特征，决定对风速与TSV、DS 的关系进行线性回归或指数回归。采用个体热感觉及吹风感数据，按照选定的函数类型进行拟合，拟合结果如表6 所示。

表6 热感觉及吹风感的回归结果

对线性回归和对数回归的拟合优度进行比较，对吹风感和可接受度进行预测均选用线性回归。

在夏季室内温度下，可以适当提高风速，且在办公室环境中，可以通过不同工位前方风速的差异调节实现个体热感觉的差异化调节。

2.3 数据验证及确定系数的计算

实验后期，25 ℃、27 ℃、29 ℃下又各邀请了3～4名受试者参与了实验，这部分实验数据用于对预测结果进行验证。图8～9 为27 ℃下热感觉和吹风感的验证情况。

图8 TSV 的验证情况（27 ℃）

图9 DS 的验证情况（27 ℃）

为了说明该预测方法的优劣。本研究采用确定系数来对因变量变化的可靠程度进行评估。确定系数的具体方程式如式（1），其中，SSE（Sum of Squares for Error）表示残差平方和，SST（Sum of Squares for total）表示总离差平方和。

R 取值范围为0～1，R 越接近于1，表示拟合优度越大，自变量对因变量的解释程度越高，即自变量引起的变动占总变动的百分比越高。表7 为确定系数的计算结果。对于TSV 的预测，R2=68.4%，这表示在本研究中温度和风速可以解释68.4%的热感觉的变化。同样地对于DS 的预测，R2=65.7%，表示温度和风速可以解释65.7%的吹风感的变化。

表7 确定系数的计算

在这里要说明一下，风速和温度只是所有影响因素中相关系数较大的两个因素，并不能解释所有的吹风感和热感觉的变化，在本次研究中，风速和温度两个因素引起的热感觉的变动占热感觉所有变动的68.4%，引起的吹风感的变动占吹风感总变动的65.7%。由于人体的主观参数不仅仅受到温度和风速的影响，也会和其他客观参数、人自身身体情况、主观意识、心理状态等相关联。后期应用中，可以以表6 为基础，结合不同人群的特点和使用习惯，通过自学习来不断地进行修正。

3 结论

本研究通过在实验室内改变室内背景温度和立式塔扇吹风风速，来研究人体主观热反应的变化情况。在对所有影响因素进行相关性分析后，发现环境温度和风速是影响人体热感觉和吹风感的主要原因。因此重点对风速和温度对人体热感觉（TSV）、吹风感（DS）的影响进行了定性的分析。

实验结果表明，风速能够在一定程度上对热感觉产生很大的影响，因此热感觉的结果需要考虑温度和风速的综合效应。在夏季办公环境下，适当提高风速，同时提高室内温度，可以在一定程度上减少环境供冷，进而实现节能。同时，办公室采用工位的差异化风速既可以抵消部分温度升高的影响，也可以调节个体对环境要求的差异性。另一方面，温度和风速的变化仅仅可以解释68.4%的热感觉的变化以及65.7%的吹风的变化，其余部分受到其他环境参数、人体的生理参数、主观意识等的影响，在后期实际的应用当中需要根据不同人群的特点和使用习惯不断地进行修正。