夏季不同突变热环境下人员热舒适性实验研究

2020-11-24李念平伍志斌

科学技术与工程 2020年29期

徐畅，李念平，伍志斌，姚戈，张静

(湖南大学土木工程学院，长沙 410082)

研究表明，热环境能够对建筑内居住者的认知表现力产生影响[1]。近年，人们对室内环境对人体舒适与健康的影响问题日益关注，而在目前的工程学研究中，没有完善的评价方法来定量分析室内环境质量对人员工作效率的影响。Lamb等[2]研究了室内环境因素对工作效率的影响，表明不良的室内环境因素会影响工作认知能力，降低工作速度。在Lan等[3]的研究中，由高、低气温引起的热不适会导致人员为实现目标要付出更多努力，同时会对办公室工作人员的生产力产生负面影响。Lan等[4]通过神经行为方法来系统地评价室内环境质量对人员工作效率的影响，包括学习、记忆和执行能力等方面，并发现不同高、低温环境条件下舒适较差，对办公人员的工作效率有一定的影响。Fisk[5]通过现有的数据研究发现，不确定的更好的室内环境是否能够提高提高生产力的影响，并提出一定设想，改善室内环境的节能措施可以刺激生产力的提高。Kang等[6]通过对开放式高校研究室室内质量对工作效率的影响研究发现，建筑布局、空气质量、热舒适性、照明和声学环境5个关键方面的质量与办公效率显著正相关，且认为噪声对工作效率的影响最大。Lan等[7]通过实验表明，由空气温度升高引起的热不舒适对人员的工作效率有负面影响，并建立了热感觉和工作效率之间的定量关系，表明当人们感觉稍微凉爽时可以达到最佳性能，且将工作场所的平均热感觉指数(predicted mean vote,PMV)限值设置在0～0.5是有意义的。Plicher等[8]研究表明，人员处于偏冷或偏热温度环境中对其工作表现具有负面影响，并且处于温度环境中的时间长度、工作任务时间的长短等其他变量可以改变这种关系。Seppänen等[9]也通过实验证明，室内热环境对办公室人员的工作绩效有直接影响。杜亚娜[10]基于研究现状分析，热环境人员的工作效率有负面影响，使得在热环境下的人员的速度与正确率都呈现下降趋势，且复杂任务类型人员的工作效率较简单任务更容易受到热环境的影响。结合实际发现，人员处于热环境中，为获得更好的舒适性，可通过行为控制来改善热环境，如风扇，既能保证良好的舒适环境又可以节约建筑能耗。何梅玲等[11]通过实验的方式发现使用风扇能有效提高受试者在高温环境下的舒适性。文献[12]列举了风扇的使用可以提供3个方面的好处：扩大中性温度、节约能源以及提高居住者的生产力。

上述热环境对工作效率影响的研究未能体现由于人员经历环境温度突变过程后，短期暴露于热环境下对其工作效率随不同时间阶段的变化趋势。依此进一步探究采用风扇对人员热舒适和工作效率有哪些改善。在研究室内热环境对主观感觉评价、神经行为测试两个方面来综合评价人员的工作效率。本研究在湖南大学人工环境实验室模拟办公室环境，通过试验获得了在不同突变热环境下受试者的热感觉、热舒适、工作效率主观评价，并在高温背景下，采用单一风扇进行试验，确定该短期暴露在热环境下人员的神经行为变化情况。可为提高办公人员在不同时间段的工作效率来动态改变室内环境温度的研究提供参考。

1 研究方法

1.1 实验环境及设备

实验在长沙某房间进行，为了模拟突变环境，同时使用两个房间，用一扇门将两个房间隔离。一个房间定名为房间1，尺寸为3 m×6 m×3 m，另一个房间定名为房间2，尺寸为3 m×6 m×3 m。在每个房间放置3张普通工位桌(长×宽×高为80 cm×40 cm×75 cm)。为了维持房间1的高温条件，在房间中增加了暖风机(荣事达royalstar，1 000～2 000 W)，位于坐姿受试者后方，风口背向受试者，避免对受试人员造成影响。房间2的背景环境参数由实验室内的一套空调系统控制，至少在实验开始前1 h预先开启空调系统，使室内环境参数达到预设条件；且过程中，该系统以低风速向室内送风。室内桌面风扇固定在受试者左前方，位于桌面左上角位置，与受试者相距0.4 m，为确保其位置一定，用胶带固定在桌面，其风口朝向受试者的前胸部位。实验装置如图1(a)所示，实验环境如图1(b)所示。

图1 实验装置及环境Fig.1 Experimental apparatus and environment

实验采用TSI 8347热式风速仪测风速，精度为±3%，测量受试者左胸前附近的空气速度；使用TR-72i温湿度测试仪，测量室内干球温度和相对湿度，测量范围为0～50 ℃，10% ～90%，测量精度为±5%，分别设于房间2中的中间受试者左右两侧与房间1的中心位置，高度为0.75 m；受试者使用笔记本电脑做部分测试，每个受试者所使用的电脑不发生更换，避免由于电脑的更换导致受试者不适而引起实验误差，笔记本电脑散热量较低可忽略，且模拟办公室环境，其对热舒适的影响不单独分析。

1.2 受试对象

18位健康的在校大学生自愿参与了实验，其中包括9名男性和9名女性，具体的生理特征参数如表1所示。受试者均身体健康，无高血压、哮喘、糖尿病以及其他严重疾病。受试人员在受试期间需保持良好的健康状况，要求在参加实验前的12 h内避免吸烟、饮酒以及熬夜等特殊状况。受试对象的服装为夏季常规穿着，上身穿短袖T恤衫，下身穿薄长裤(服装热阻约0.5 clo，1 clo=0.155 m·K/W)，并且受试人员不具有与实验相关的背景知识。

表1 受试者生理特征参数Table 1 Demographic information of subjects

1.3 实验工况及方式

实验安排在2018年8月底进行，因为长沙已经入夏3个月，可以认为人群已经适应高温天气。实验的总时长约为80 min，房间的环境变量被单独控制。实验一共设有3个工况，房间1的温度维持在34 ℃来模拟夏季室外平均温度，房间2的操作温度设定为26、30 ℃，来模拟常见的室内温度，所有实验组形成对比，以便分析在不同的温度突变环境下对人员工作效率的影响。研究整个过程中的变量不涉及室内风速、空气质量及室内的相对湿度，为了避免其变化对人体热感觉产生影响。

受试者在到达实验室后，进入房间1，休息10 min来适应室内温度，排除室外环境的干扰。同时，由实验人员介绍流程及实验相关的要求和注意问题。然后受试者按照规定位置坐下，保持静坐状态，开始进行测试。在此房间受试者可以看书、听音乐、使用电脑以及与他人轻声交谈，但是不可以交流实验问卷相关内容以及随意移动身体，如大笑、抖腿、大声说话等兴奋的行为。受试者被告知，自80 min的测试结束之前不可以离开房间。

受试者需填写11份问卷，每份问卷填写时间约1 min。受试者在完成准备工作之后立即填写第1份问卷，之后在房间1每间隔10 min填写一次热舒适问卷。填写完第3份问卷后3位受试人员同时进入房间2，进入房间后立即填写第4份热舒适问卷。之后的问卷由实验人员提醒受试者填写舒适问卷，具体时间流程如图2所示，受试人员还需每20 min进行一轮工作效率评价测试，每一轮测试中由3项测试组成，每次测试项目的顺序不变，测试内容在下一节会详细介绍，测试全部完成为一轮，一共3轮。实验受试者用桌面风扇空调装置的风速由受试者自己控制。

图2 实验流程Fig.2 Experimental procedures

为了控制实验变量，避免其他因素对受试人员的测试结果造成影响，在没有特殊情况下，受试者的测试时间固定。例如，受试者徐某第一次实验时间在上午9：00，之后的测试时间都为上午9：00。

1.4 主观问卷及测试

主观问卷调查是目前建筑室内环境领域的常用研究手段。这部分调查结果主要是反映受试者受温度突变的前后，人体热舒适的变化以及受试者的生理反应。包括热感觉、热舒适的调查，以及主观工作效率评价3个部分。主观问卷调查投票标度划分如表2所示。

表2 主观问卷调查投票标度Table 2 Scales of subjective responses

1.5 神经行为测试

当人体处于不同的温度环境下，人员的工作效率会受到影响，进而产生相应的变化。实验人员采用了乘减法计算(主要是两位数减法和三位数、四位数的减法，限时120 s)和由Mike[13]提供的在线神经行为测试，分别为：①特征匹配测试，该测试用来测试受试者的空间想象能力。屏幕上出现两个框，每个框里包含一系列的复杂形状，对比两方框内的形状是否完全相同。如果相同选择“match”，如果不相同，单机“mismatch”，如果答对，则难度升级，如果答错，下一题的难度降低。计时90 s(图3)。②快速记忆测试，该测试用来测试受试人员的短期记忆能力(图4)。在此测试中，在方框中会显示几个数字，数字的位置随机，受试者需记住每个数字的位置，因为过了很短的时间以后，数字就会消失，在数字原来的位置覆盖绿色的方框，受试者需按照原来数字从小到大的顺序依次点击方框，每次点击正确，绿色方块会消失。如果受试者全部点击正确，下个问题就会出现更多的数字，如果出现错误，下一个问题将需要记住较少的数字。实验时间为120 s，如果连续错误3次，测试将提前结束，由实验者记录分数及时间。以上各类测试中，受试者同步进行。

图3 特征匹配测试Fig.3 The feature match test

图4 快速记忆测试Fig.4 The monkey ladder test

2 研究结果及分析

2.1 热环境参数

各工况的实验环境参数如表3所示，各工况下测得的平均环境温度(0.75 m高)与设定的环境温度相近，实验环境中其余相关参数的控制良好。

表3 室内环境参数Table 3 The parameters of the thermal environment

2.2 桌面风扇风速

图5中为受试者桌面风扇风速，风扇风速由受试者根据自身条件的需求随时调节。由图5可知，在背景温度为30 ℃的情况下，超过85%的受试者希望风速维持在3.4～4.1 m/s，极个别受试者其因个人体质因素在较高温的环境中比较适应，未使用风扇；个别受试者对较高温的环境耐受程度低，桌面风扇风速调节较高。通过这一结果表明，在偏热的环境下，桌面风扇的风速在达到3.4～4.1 m/s能够满足受试者的舒适要求，是受试者认为在背景温度为30 ℃下工作时的最佳风速。

图5 桌面风扇风速Fig.5 The speed of desktop fans

2.3 热感觉投票

从图6中可以看出，在房间1内，受试者的热感觉明显高于房间2。受试者在从房间1进入房间2的瞬间的热感觉投票结果存在一个突变的状态，这是由于热过渡的存在导致受试者在进入房间2的瞬间会产生较大的热感觉差别，同时3种工况产生了不同的阶跃强度，两个房间温差越大，热过渡越明显，其热感觉的差异也就越大。在房间1，在34 ℃的环境温度下,受试者热感觉为偏热，当转移到房间2的较低温环境时，受试者的热感觉均显著降低，26 ℃的环境工况下，受试人员的主观热感觉为偏冷(-1.56 ±1.4、-0.834 ±0.8)，30 ℃的环境工况下人员的主观热感觉为偏微暖(0.611 ±1.4)，而使用风扇则大大降低了热感觉程度，使受试者认为环境的感觉适中(0.21 ±0.1)。稳定后，受试者在26、30 ℃及配合使用风扇的30 ℃的环境温度下的主观热感觉为适中(0.05 ±0.1)、微暖(1.113 ±1.1)及适中偏暖(0.34 ±0.2)。由以上分析可知，使用桌面风扇能够有效降低热感觉的效果。

图6 动态热感觉Fig.6 Changes in overall thermal sensation

2.4 热舒适投票

从图7可以看出，在进如房间2的瞬间，在30 ℃及配合使用风扇的30 ℃的温度环境下，热舒适程度相差不大，均为轻微舒适的状态，30 ℃平均热舒适感觉投票标度在-0.01左右，而使用风扇则一定程度提高了热舒适水平，达到了0.22；26 ℃环境下达到了0.6。可以注意到，在进入2号房间20 min后，随着对环境的适应，26 ℃的热舒适程度逐渐提高，维持在1.0左右。在30 ℃温度环境下受试者明显感觉偏热，其热舒适下降，稳定在-0.1左右；而在使用风扇的条件下，即使温度较高，但受试者仍表示可以接受，提高了舒适度，热舒适感觉投票标度维持在0.35～0.45。综上分析，采用桌面风扇的供冷方式可以快速有效地改善人整体的舒适性。图8所示热舒适与热感觉的相关性表明，受试者处于中性和偏冷的状态下舒适性较好。

图7 动态热舒适Fig.7 Changes in overall thermal comfort

图8 热感觉与热舒适关系Fig.8 Relationship between thermal sensation and thermal comfort

2.5 工作效率主观评价

受试者在整个实验进行的过程中，在规定的不同阶段对自己的工作效率进行主观评价，进而研究室内环境的冷热状态对受试工作效率的影响程度。图9中A、B、C、D、E、F、G代表工作效率由完全不受影响依次递增到非常受影响，横坐标为进入房间后不同温度工况下的3个阶段；圆形面积的大小代表各个状态的投票比例，折线代表各个阶段受试人员工作效率主观评价的投票均值。从图9中可以看出，温度对受试人员工作效率的影响以及温度突变后受试者工作效率受影响程度的变化趋势。在房间1阶段，34 ℃的高温使受试人员认为工作效率较受影响，在进入房间2的瞬间，由于热过渡的影响，其热舒适程度差异不明显，进而在26、30 ℃温度环境下，工作效率受影响的程度相差甚微，均为适中，而使用风扇的30 ℃工况下，风扇对人体局部皮肤温度有直接影响，使得受试者的舒适程度优于前两者；第2阶段，在26 ℃和使用风扇的30 ℃环境下，受试者认为自己的工作效率被影响的程度同第1阶段相比变化不明显，而30 ℃的工作效率稍微受到影响，下降了9%；第3阶段，26、30 ℃温度环境下，工作效率的主观评价相较前一阶段分别升高了10%、1.5%，但26 ℃下认为工作效率较不受温度的影响，而30 ℃开始认为人员的工作效率已经受到温度的影响。另外，使用风扇的30 ℃环境下，工作效率主观评价比较第2阶段上升了1.2%，但仍略低于26 ℃工况。结合热感觉投票标度在-1～1，受试者认为工作效率受影响程度较弱状态，而30 ℃的温度环境下，随着时间的推移，温度对受试者工作效率产生了一定的制约；其中在背景温度为30 ℃的环境下，使用桌面风扇的供冷方式能使受试者认为其工作效率受较高温度环境的影响较低。

图9 人员工作效率主观评价Fig.9 Changes in overall subjective assessment of subjects’ productivity

2.6 神经行为测试结果

对每一类认知能力，根据其处理的信息不同可分为数字计算、视觉复杂推理，其不同温度突变后热环境对人员神经行为能力测试结果的变化趋势如图10、图11所示。

图10 计算能力测试结果Fig.10 The result of comprehensive performance

(1)

式(1)中：P为计算综合绩效；T为每题用时，s；A为受试者所答题目总数；C为正确率。

图10所示结果为受试者的数字计算能力在温度突变后的3个阶段变化过程，26 ℃中性环境中，第1阶段综合绩效最高，注意到，第2阶段绩效最低，下降了约19%，在第3阶段出现了反弹，绩效升高了约12 %。在30 ℃的偏暖不舒适的环境下，第2阶段绩效最高，第3阶段绩效结果最低，下降幅度为6 %。与之对比，30 ℃下在使用桌面风扇供冷之后，计算能力综合绩效总体水平对比不使用风扇时有所提高。在温度突变后，计算能力在较暖(30 ℃)环境下呈现先上升、再下降趋势，而在热感觉适中环境下中期下降，后期出现反弹的现象；从综合绩效来看，在热感觉投票标度为小于0.5时工作效率较高，且高温的环境温度下计算能力相对较低，但热突变后的第2阶段，30 ℃背景温度下的计算能力高于其他同一阶段的其他温度环境。值得注意的是，在不同温度的同一阶段中存在差异，在第1阶段中，26 ℃的测试绩效最高，而在30 ℃较暖的环境下使用风扇后所得结果高于不使用风扇的条件；第2阶段中，30 ℃的计算测试绩效最高，第3阶段仍是26 ℃的绩效最高，可以发现，结果与受试者工作效率的自我评价一致。

图11中视特征匹配测试的结果反应表示随着受试者对温度环境的适应过程，人员的图像处理能力在温度突变后的动态变化过程。在26 ℃适中的环境下，随着时间的推移，其图像的分辨能力下降。在30 ℃偏暖的环境下，第2阶段的分辨能力最高，第3阶段的分辨能最低，相差约5%；在30 ℃使用桌面风扇的条件下，受试者对图像的处理能力在逐渐提高，但其平均水平仍低于未使用风扇时。结合热感觉投票结果分析，其标度在0.5 ～1.5时，即人员处于稍暖的环境中图像处理的准确度较高。同时，在进入房间2的第1阶段中30 ℃和26 ℃环境中测试结果最高，第2阶段30 ℃最高，第3阶段使用风扇的30 ℃最高，测试结果与受试者工作效率的自我评价结果存在差异。

图11 特征匹配测试结果Fig.11 The result of the feature match test

图12中快速记忆的结果反应表示在随着受试者对温度的环境的适应过程中，人员短期记忆能力的动态变化过程。在从34 ℃环境中进入到26 ℃的环境后，测试结果呈现上升的趋势，第1阶段最低，第3阶段的记忆力最强，上升了约6.5%。进入到30 ℃偏不舒适的房间后，呈现下降趋势，第1阶段的记忆力最强，第3阶段的最低，相差约7.0%。在30 ℃使用桌面风扇的条件下，3个阶段呈现“U”形趋势，第2阶段较第1阶段下降了4.9%，第3阶段记忆力最高，较第2阶段上升了10.1%。结合热舒适与热感觉投标标度分析，在不同的温度阶跃性变化后的阶段中，热感觉投票标度在0～1，受试者的记忆力较强，可发现，30 ℃较高温的环境下人员的记忆力最低，而热舒适投票标度大于0的26 ℃和在背景温度为30 ℃下使用风扇的条件下记忆力较强。同时，通过各个阶段的结果比较，在第1、3阶段中，使用桌面供冷方式的30 ℃环境下的记忆能力测试结果最高，而第2阶段是26 ℃温度环境下测试结果最高，其结果与受试者工作效率自我评价的结果不一致。

图12 快速记忆测试结果Fig.12 The result of the monkey ladder test

神经行为能力测试的结果表明，从热环境(34 ℃)进入到相对温度低(26、30 ℃)的环境处于短期暴露时，热环境对工作效率的影响是存在的。通过热舒适投票结果显示，舒适度高的工作效率不一定高，同时，工作效率的主观评价与实际工作效率的表现存在差异；且在同一背景温度下，风扇的使用能够有效提高人员的工作效率。可以发现，通过不同工况下相同阶段的测试结果分析，随着时间的推移，动态调节温度可以提高工作效率。

3 讨论

研究表明，在短时间(60 min)的工作量中，较低温环境可以更加促进办公人员保持高效的工作，且温度突变后带来的热感觉阶段性变化会影响人员的工作效率。与之前Lan等[4]对不同空气温度环境下办公室人员工作效率的影响分析结果表明，高、低温导致的舒适性下降对办公人员的工作效率有负面影响，但并未阶段性地研究其影响的变化趋势。而通过比较温度突变后3个阶段的神经行为测试结果后发现，在办公环境中通过动态调节室内温度条件，可以为办公人员带来更高的工作效率。