低温环境下个性化送暖风供暖人体热舒适研究

郑楚渝 喻伟

重庆大学土木工程学院

我国华北地区村镇冬季室内热环境比较恶劣，亟需改善[1-2]。火炉火炕等传统采暖方式不仅不能满足居民热舒适要求，还带来室内空气污染和大气污染的问题，而空调采暖会产生垂直温差，给人体带来“头热脚凉”的不舒适感[3-4]。Zhang 等人[5]提出了个性化热舒适系统（PCS），PCS 可以通过辐射、传导、对流的方式对人体进行局部供暖，消除了冷环境下人体的局部热不舒适，对于人体在低温环境下维持热舒适具有极大潜力。但目前大多研究以较为中性的环境为背景，考虑到我国华北村镇地区，非供暖房间室内温度较低，为探究在低温环境下局部供暖对人体热舒适的改善效果，本文针对送暖风的方式开展了对人体个性化供暖的实验研究。

1 研究方法

1.1 实验平台

实验在重庆大学人工气候室开展，气候室工作区各参数的控制范围及精度为：干球温度控制范围为-5～40 ℃，控制精度±0.3 ℃（＜10 ℃，±0.5 ℃）；相对湿度控制范围为10%～90%，控制精度±5%。风速通过变频器从0.1～2 m/s 可调，控制精度0.3 m/s。本研究主要考虑落地扇气流对人体舒适影响，故控制气流速度小于0.1 m/s，整个环境无明显气流流动。实验平台具体示意图如图1 所示。

图1 实验平台示意图

1.2 受试者

本次实验的实验对象均为身体健康的在校大学生，且均为自愿参与此实验。本实验共选取受试者16名（8 男8 女），受试者数量参考文献[6]。实验受试者主要采用自愿方式招募，并给予一定酬劳。受试者要求无鼻炎、皮肤干燥综合征以及其他冬季疾病，保证对热舒适的真实反映。实验期间受试者衣着统一服装，服装热阻为1.34clo，该服装热阻则由实验前期的调研得出。

1.3 调查问卷

实验中对人体热舒适、热感觉、湿感觉、气流感、对热环境的满意度、热期望进行调查，同时还对受试者气流的可接受程度以及期望风速进行调查。调查中使用的相关标尺见表1 和表2。

表1 主观投票标尺

1.4 实验工况

在实验前期，笔者利用Energy Plus 模拟了郑州、石家庄、太原、济南、西安等华北寒冷地区典型城市在采暖期间非采暖房间的室内温湿度，得出温度大致在3℃～15 ℃内波动，湿度大致在30%～50%内波动，考虑到村镇供暖需求较城市低，15 ℃的室内温度下村镇居民有可能不需要进行供暖，因此确定温度水平（3 ℃、7 ℃、11 ℃）和湿度水平（30%、50%）。实验6 种背景温湿度工况详见表2。

表2 背景温湿度工况表

1.5 实验流程

实验前受试者在准备间静坐休息。实验开始后，受试者进入实验间并保持静坐状态适应环境，15 min后填写热舒适调查问卷。然后开启暖风机高暖风档位，之后的5 min、10 min、15 min、20 min、40 min、60 min分别填写热舒适调查问卷，关闭暖风机。

2 结果

2.1 热感觉与热舒适

图2 和图3 分别展示了6 个工况下，暖风供暖时受试者的热感觉投票和热舒适投票变化。如图所示，在适应阶段受试者TSV＜-1，TCV≥1.5，这说明人体处于低温环境中，在很短的时间内就会产生明显的冷感觉和不舒适感。

图2 不同工况下热感觉投票变化

图3 不同工况下热舒适投票变化

开启暖风机后的20 分钟内受试者热感觉明显得到提高（配对t 检验，p＜0.05），此时受试者TSV＞-0.5。与此同时，受试者不舒适感觉明显下降，TCV＜1。在随后的40 分钟内，受试者热感觉先呈下降趋势然后又再次提高。然而，笔者对20 min、40 min、60 min 的热感觉投票进行方差分析，并发现没有显著差异。这表明，在开启暖风机20 min 内，受试者热感觉逐步达到稳定。

2.2 湿感觉

图4 为6 个工况下受试者的湿感觉投票变化。由图可知，在适应阶段，受试者的湿感觉基本处于中性状态。

图4 不同工况下湿感觉投票变化

开启暖风机的20 min 内，湿感觉投票明显下降（配对t 检验，p＜0.05），笔者同样对随后的40 分钟内的湿感觉投票进行分析，但没有发现明显差异。同时笔者发现，整个实验过程中，受试者湿感觉投票基本在±0.5 内，即HSV∈（-0.5，+0.5），这表明低温低湿环境下暖风机供暖不会造成受试者干燥的不适感。

2.3 气流感觉

图5 展示了6 个工况下受试者的气流感投票变化。由图知，受试者气流感在适应阶段基本处于适中状态，即MSV∈（-0.5，+0.5）。在开启暖风机20 min 内，气流感投票值稍有下降，但是差异不显著（配对t 检验，p＞0.05），而且随后的40 min 内受试者气流感投票通过方差分析没有发现显著差异，这说明，开启暖风机前后受试者气流感变化不明显。

图5 不同工况下气流感觉投票变化

2.4 热环境满意度

图6 展示了6 个工况下受试者对热环境的满意度。在0 min 时，受试者对环境的满意度较低，超过60%的受试者投票值小于0，甚至在工况3、4、5、6 中有约20%左右的受试者对热环境很不满意（投票值为-2）。供暖20 min 后，受试者满意度稍有提高，投票值小于0 的比例下降了7%～20%。供暖40 min 后，热环境满意度明显提高，投票值大于等于0 的比例比0 min 时提高了30%～50%，比20 min 时提高了约20%。其中，工况1、2、5、6 下投票值为1 的比例均超过30%，最高可达69%。60 min 时，受试者对热环境的满意度略有下降，工况1、3、6 下投票值大于等于0 的比例下降了16%。同时，笔者发现，无论是何种工况，都没有出现受试者感到很满意（投票值为2）的状态，反而随着供暖时长的增加，受试者对热环境的满意度却下降了，分析其原因，可能是因为长时间暴露在暖风中可感空气品质会下降。

图6 不同工况下热环境满意度分布变化

3 讨论

在本研究中，受试者短时内暴露在低温环境中会产生明显的冷感觉和不舒适感，由于处在低温环境下，受试者对热环境的满意度较低，但湿感觉和气流感均处于较为适中的状态。当开启暖风机20 min 后，受试者热感觉明显提高，不舒适感明显下降（TSV＞-0.5，TCV＜1），对热环境的满意度也稍有提高，而且受试者热感觉在供暖前20 min 内达到稳定。但在40 min 时，受试者对热环境的满意度较之前明显提高，对热环境感到满意的受试者占比达到峰值。而在60 min 时，受试者对热环境的满意度略有下降。在供暖风前后，受试者湿感觉和气流感均在±0.5 内，全程处于较为适中的状态。综上所述，在低温环境中局部送暖风供暖能在短时内有效地改善人体的热舒适，但长时间暴露在暖风中，人体热舒适改善效率会下降。

快速改善热舒适这个优点，使得个性化送暖风供暖在我国华北村镇地区的居住建筑具有较强适用性，这是因为居住建筑中部分房间如客厅、餐厅等，住户经常走动，逗留时间没有规律，此时若使用个性化送暖风供暖，可以达到人来即开，即开即热，人走即关，节能环保的效果。

针对长时间暴露在暖风中，人体热舒适改善效率会下降这个缺点，笔者认为对设备进行动态优化策略是一个有效的解决办法。清华大学赵荣义[7]指出：热舒适存在于动态过程中，舒适是忍受不舒适过程的解脱状态，它不能持久存在，一段时间后会转化为另一不舒适过程，或两者趋于无差别状态。基于此，笔者认为对暖风的供暖温度和气流组织进行适当的调整，可以给人体制造一定的热刺激，避免长时间暴露在暖风中热舒适改善效率降低的缺点，但这个想法的有效性还需要后续更多的实验来进行验证。

4 结论

1）暖风供暖的方式能在短时间内将人体舒适状态从不舒适（TSV＜-1，TCV≥1.5）改善到一个较为适中的状态（TSV＞-0.5，TCV＜1）。

2）在供暖风前后，受试者湿感觉和气流感投票均在±0.5 内，人体湿感觉和气流感一直处于较为适中的状态。

3）在暖风供暖的前期，随着热环境的改善，人体对热环境的满意度得到一定程度的提升，但长时间暴露在暖风中，热环境满意度会下降。