室内热舒适性评价指标研究与应用

张欣宇，冯劲梅，尹世友，李奇男

（上海应用技术大学城市建设与安全工程学院，上海，201418）

暖通空调的目的在于为人们提供一个舒适的热环境，美国采暖、制冷与空调工程师学会（American Society of Heating Refrigerating and Airconditioning Engineers，简称ASHRAE）指出：人们对舒适的判断是一个认知的过程，受身体、生理、心理和其他过程的影响。在国际标准化组织（International Organization for Standardization，简称ISO）中将热舒适定义为人对周围热环境所做的主观满意度评价。影响热舒适因素种类繁多，包括气象因子（空气温度、相对湿度、风速、太阳辐射）、个人因素（物理方面：性别、年龄、身高、体重、服装热阻；生理方面：新陈代谢、出汗率、心率；心理方面：记忆、期望、文化背景；行为方面：停留时间、居住时间、活动时间、活动类型）、物理因素（形态方面：高宽比、朝向、天空开阔度、绿化率、粗糙度；特征方面：自然性、多样性）［1］。自20年代起人们不断对舒适度评价进行了大量的实验研究，由于影响人体热舒适的因素与条件十分复杂且不同因素之间的相互作用，若干评价热舒适的指标已被陆续提出，但在不同的环境背景下，热舒适评价模型也有差异。在常态化防疫的背景下，商场等公共场合佩戴口罩是十分必要的。陈伟斌等在探究佩戴口罩对人体热舒适性的影响时得到结论：佩戴口罩对热感觉和湿感觉均有显著影响［2］。因此，根据实际情况选择准确的热舒适评价模型是保证所得结论的科学性的前提。

1 常用室内热舒适评价指标

在评价室内环境前应关注室内环境热舒适评价标准的适用条件，ASHRAE55-2004 之前热舒适评价标准的适用条件为：以坐着为主的轻体力活动，新陈代谢率M≤1.2 met，规定服装热阻为：冬季为0.9 clo，夏季为0.5 clo［3］。ASHRAE55-2004及以后的舒适标准的适用条件有了一些改动，其适用于以坐着为主的轻体力活动，新陈代谢率M≤1.2 met，规定服装热阻为：冬季为1.0 clo，夏季为0.5 clo［4］。

目前常见的室内热舒适评价指标有PMVPPD、新有效温度、标准有效温度、不适指数等，但这些指标都有各自适用的场景，比如PMV热舒适模型在空调建筑中的预测较为准确,而在自然通风建筑中存在偏差；标准有效温度指标可以很好地预测自然通风环境下的人体热感觉，由于自然通风环境中风速对人体热感觉影响较大，而SET模型更好地考虑了风速的作用；Fiala 舒适性评价标准能够更准确地评价乘务室等动态环境下的人体热舒适。

1.1 PMV—PPD

预测平均评价PMV（Predicted Mean Vote）是由丹麦的范格尔教授以人体热平衡的基本方程式以及心理生理学主观热感觉的等级为出发点，考虑了人体热舒适感诸多有关因素提出的全面评价指标。PMV指标预测了人们根据ASHRAE热感觉量表（-3～ +3）七个等级热感觉投票的平均反应［5］。PMV指标采用了7级分度，见表1。

表1 PMV热感觉标尺

Fanger根据1,393名美国和丹麦受试者在室内参数稳定的人工气候室内进行热舒适实验的冷热感觉资料，得出了人的热感觉与人体热负荷之间关系的实验回归公式［6］，

式中：M为人体代谢率，W•m-2；L是人体热负荷，定义为人体产热量与人体向外界散出的热量之间的差值。

应注意Fanger的实验数据是在室内参数稳定的人工气候室内的实验背景下得到的，因此该公式的使用需满足以下条件［7］：①人体必须较长时间处于稳态热平衡、且蓄热率S=0的状态；②皮肤平均温度应接近与舒适相适应的水平；③人体具有接近舒适的最佳排汗率，出汗引起的蒸发热损失应保持在一个较小的范围。PMV评价指标是建筑类目前评价均匀热环境较为常用的指标，针对不均匀情况，局部热感觉和整体热感觉的权重系数，可通过局部热刺激试验验证其可靠性，人体的整体PMV是针对各部的PMV和其对应的面积加权求得的PMV评价指标。由于人们在物理、生理、心理等方面存在差异，PMV只能反映同一环境中绝大多数人的冷热感觉，故Fanger又提出了预测不满意百分比PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied）来表示人们对所处热环境的不满意度，并建立了PMV与PPD之间的联系，如下：

从上式可以看出，10 %的不满意度对应的PMV的范围是±0.5，即使是PMV＝0，也有大约5%的人对所处热环境不满意。PMV-PPD指标已成为描述和评价热环境的国际标准ISO7730，在预测中性环境下人体的热感觉较为准确。郑伟等［8］建立了PMV指标的动态计算模型，同时引入遗传算法对计算结果进行优化，在此基础上构建了一个基于PMV指标为间接控制量的室内环境智能控制系统，同时将最小能耗控制策略引人到智能控制器中，使室内环境满足舒适性的同时更加节能。司晓萌等在探讨沈阳某商场人们在中等活动水平下，人体生理参数对温度突变（温差＞30℃）的反应模式时发现：不同年龄组对气温突然变化的反应是不同的［9］。因此，理想的环境温度是不同的。基于此，未来可以考虑在商场等大型公共建筑中，将不同年龄段的热舒适投票与室内环境智能控制系统相结合，通过差异化各层的消费群体，将各层的室内参数独立控制调节，从而实现舒适性与节能型的统一。

1.2 操作温度to

操作温度（to）的定义为：设有一个温度完全一致的黑体封闭区间，人体与该黑体空间发生的总的显热交换与所处真实环境的一致，则该黑体空间温度就是真实环境的操作温度。其计算公式见式3。

式中:hr为辐射换热系数，W/（m2•K）；

hc为对流换热系数，W/（m2•K）；

ta为室内空气温度，℃；

tr为室内平均辐射温度，℃；

由上式可以看出，操作温度是空气温度和平均辐射温度对各自的换热系数的加权平均值，当空气温度与平均辐射温度相同时，三者的值相等。操作温度to综合考虑了空气温度和平均辐射温度对人体热感觉的影响［10，11］（秦皇岛地区农村住宅冬季室内热舒适分析）在非空调采暖环境下，ASHRAE55 标准采用操作温度作为室内热环境指标。

1.3 新有效温度ET*

1971年，美国学者Gagge［12］在有效温度的基础上，考虑了皮肤湿润度的影响，提出了以皮肤湿度变化为基础，反映环境的干球温度、平均辐射温度、湿度对人体热交换的综合作用的热舒适指标——新有效温度ET*。其定义为：人在不同湿度的实验环境中达到热平衡以后与相对湿度为50%的均匀温度空间的辐射、对流、蒸发的换热量相同时，均匀空气的温度值即为新有效温度值。ET*指标仅适用于着装轻薄、活动量小、风速低的环境［13］。

1.4 标准有效温度SET

Gagge又综合考虑了人们不同的活动水平和服装热阻的影响，进而提出了标准有效温度SET（Standard Effective Tempreture）。标准有效温度（SET）以Gagge提出的人体温度调节的两节点模型［14］为基础，其定义为：身着标准服装（热阻0.6 clo）的人处于相对湿度50 %、空气流速为0.125 m•s-1（即室内“静风”状态）、空气温度与平均辐射温度相同的环境中，若此时的平均皮肤温度和皮肤湿度与某一实际环境和实际服装热阻条件下相同，则人体在标准环境和实际环境中会有相同的散热量，此时标准环境的空气温度就是实际所处环境的标准有效温度SET。2008年，陈莉等使用SET指标研究了哈尔滨市在非采暖时期的人体热舒适状况，实验发现利用SET指标所得到的人体热舒适状况与实际情况比较相符，可以采用该指标对人体舒适度研究进行评价参考［15］。自提出以来，SET指标一直有着较为广泛的应用，也被长期收录于ASHRAE标准之中。

1.5 不适指数DI

不适指数（discomfort index）是由美国的气象预报员Thom Ec［16］在研究大气环境与人体疾病的关系中提出的表征人体受环境温度和湿度综合影响而有不舒适感觉的指标。不适指数的计算公式如下：

其中，式4为无风时的计算式，式5为有风时的计算式。Ta为气温（℃）；Td为露点温度（℃）；J为日射量（W•m-2）；u为风速（m•s-1）。

通过上式计算的指数越高或越低，则不适程度越重。一般来说，不适指数超过80时，所有人都对热天气感到不舒适，不适指数不到70时不会感到不舒适。石春娥等人在研究合肥市人体舒适度时提出：由于地域、种族的不同，人们对冷热的适应能力也不同，Id与人体舒适度的对应关系也是有所不同的。同样的指数在不同的季节，人们的感受不尽相同，例如经历过寒冷的冬天后，人们御冷的能力大于御热的能力，所以对于同样的指数，在春季人们会觉得温暖，而在深秋，人们会觉得有点冷。同样，同样高的指数，在伏天之前，大多数人会感到天气炎热，而经历过酷暑后的立秋时再遇到之前同样令人感到炎热的指数，人们便再不会感到炎热了，只是感到天气有点热［17］。综上，不适指数只是一个相对的参考指标，不适指数相同，温度与湿度不一定相同，人体的舒适感觉也会因环境、种族、年龄、体质等不同而不同。对于不同地区、不同人种，对同一不适指数的不适程度也可能不同，在使用时应具体问题具体分析。

1.6 Tdif（平均皮肤温度与室内空气温度之差）

高敬远等人在探究寒冷地区实际建筑环境下，人体热感觉与热舒适之间存在的季节性分离情况时，综合考虑季节变化、主观反应等因素，引入了新的 评价 指标——Tdif［18］。由定义可知，当Tdif＞ 0时，平均皮肤温度高于室内空气温度，人体会通过皮肤表面主动向所处热环境散热，且Tdif越大失热量也就越大;当Tdif<0时，所处热环境向人体皮肤表面主动传热。当Tdif的值在一定范围内时,人体会通过行为调节、生理调节等方式来调整自身热平衡系统，因此Tdif值可以反映环境变化时，人们生理机能自我调节的过程，此原理体现了Tdif作为热评价指标具有科学可靠性。基于满足人体热舒适需求的Tdif的变化范围来调整室内热环境，使得未来室内热环境智能化控制成为可能，进而创建节能且宜居的环境。但该实验探究的是平均皮肤温度与室内空气温度的关系，未来可进一步研究局部皮肤温度与室内温度的关系，使室内环境智能控制系统的输入参数指标更加简单便捷。

1.7 脑电频谱功率

脑电波（electroencephalography，EEG）是人体的一种生物信号，它记录了大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映［19］。众多实验表明，EEG可以反映人的舒适和不舒适感,因此将不同环境温度下的脑电信号与人体主观投票相结合是一种评价热舒适的新方法。孙建辉等［20］通过快速傅里叶变换，将温度阶跃变化环境下测得的脑电信号转化为脑电频谱功率，与主观投票和额头温度相结合，进一步探究了脑电各分区和各波段与热舒适的相关性。通过快速傅里叶变换计算得到的频谱功率值可反映人体在接受环境温度的热刺激后，大脑皮层神经元电位的波动程度。用这种方法对温度阶跃变化环境下人体热舒适进行评价，从热调节机理上具有可行性。

1.8 Fiala舒适性评价标准

Fiala模型由受控被动系统和控制主动系统两个相互作用的系统组成，是一种动态求解整体人的热舒适性指标。其中被动系统模拟人体内部以及体表与周围环境之间的热交换，在模型中考虑了环境和人体的热对流、热辐射、热传导。主动系统通过4种基本的体温调节反应来模拟复杂的生理现象：血管收缩、血管扩张、颤抖和出汗。Fiala模型基于核心温度、人体表面温度、人体表面温度变化率等基本参数计算DTS指数（动态热感觉）。由于模型考虑了人体热调节反应和人体内部传热过程，可以计算人体皮肤温度的变化，致使随环模变化的人体温度和热流量条件下的热舒适性评价结果和人的真实评价结果耦合较好［21］。介于汽车等交通工具的乘员舱的空间相对狭小，环境变化剧烈的特点，该模型对于汽车、巴士、火车和飞机中的乘员舒适性研究具有较好的适用性，同时也可应用于建筑物的热环境评估，例如办公室等。

2 分析与讨论

目前最常用的室内热舒适评价指标是PMVPPD，自“碳达峰、碳中和”的目标提出以来，人们对建筑节能愈发关注，未来可以通过检测人体热舒适感的影响因素，将神经网络应用到PMV评价指标模型的建立中去，智能化地预测PMV指标，实现智能居住环境的控制和节能。对于动态环境下的热舒适评价，Fiala 舒适性评价标准具有较好的适用性。其他评价指标如ET*指标虽然将辐射、对流和蒸发三种因素的作用都考虑了进去，但适用环境较为受限。SET指标的计算由于需要通过计算机进行迭代，相对复杂繁琐。脑电频谱功率目前使用较少，未来可以更进一步研究并推广使用。

3 结论

对常见的室内热舒适指标及其适用条件进行了阐述，我国地域广阔、气候类型复杂多样，而人们的长期热经历背景、生活习惯、主观感受以及自身调节的差异等众多因素都会影响舒适度评价。在使用热舒适指标评价时，应注意以下几点：

（1）选择舒适度指标时切忌生搬硬套

需结合实际情况，选择最适合的指标进行评价，若不满足指标的适用条件，应考虑进行适当修正，以免影响评价的准确性。

（2）注意评价指标中影响因素的权重

各项评价指标中的影响因素众多，其权重对评价结果的影响以及同一指标对于不同地区的敏感性也有所不同。例如，各参数对于标准有效温度SET指标的影响程度由大到小为：服装热阻>人体代谢率>空气干球温度>平均辐射温度>风速>相对湿度，从中可以得出：环境参数对SET指标影响相对较小，而人体侧参数对SET指标影响较大。因此在应用SET指标对热环境评价时，应注重人体侧的人体代谢率和服装热阻的精确测量，否则容易造成较大的误差。

（3）舒适性主观评价与客观评价相结合

由于人体热感觉与热舒适之间存在分离情况，当热感觉为“适中”时并不一定达到“舒适”状态，因此评价时不能忽略人们的主观感受，需要用主、客观相结合的评价方法进行配合评估。

（4）完善现有标准的适用范围

如今人们的工作环境的多样、人员体力活动及代谢率不同，现有评价标准的适用范围还是较为局限，今后应进一步研究如何拓宽评价指标的适用条件。同时，不同气候区的人们对环境的热适应不同。例如，在热带气候中，人们适应更高的温度。因此，需要考虑重新评估不同气候区舒适温度的范围，有利于提高人体的舒适感同时降低空调的能耗。

（5）热舒适评价与多个领域相结合

在某些情况下，热舒适不能只考虑用经典的六个变量（生理代谢率、服装热阻、空气干球温度、环境辐射温度、风速、空气湿度）来评价。影响热舒适感觉的因素还有很多，如用户的热历史、文化、年龄、性别、空间布局、控制环境的可能性、个人偏好等。在热舒适研究方面存在着跨学科研究的空白，与其他领域的专业人士，如生理学家、心理学家、社会学家，甚至与以视觉、听觉和嗅觉舒适工作者的研究相联系，可能会对人体热舒适评价整体的发展有更大的价值。

未来还需进一步探究、修正各指标参数，使其在实际生活场景的应用更加精确可靠。