后疫情下公交、地铁和高铁中佩戴口罩对乘员热舒适影响的评估*

冯印帅 桂训俊 黄 峙 李思宁 王少鹏 杨芯岩 殷 士 樊一帆

(1.浙江大学,杭州;2.浙江大学平衡建筑研究中心,杭州;3.浙江大学绿色建筑与低碳城市国际研究中心,海宁;4.中国舰船研究设计中心,武汉;5.建科环能科技有限公司,北京;6.浙江工业大学,杭州)

1 研究背景

2019年末暴发的新冠肺炎疫情席卷全球并成为大流行性呼吸道传染病。截至2022年10月,全球有超过6亿2 000万人感染过新冠肺炎,约655万人死亡。该疾病的传播包括3种途径:飞沫(或大液滴喷雾)途径、接触(或触摸)途径和空气(或气溶胶)传播途径[1-2]。为了遏制新冠肺炎疫情的肆虐和减少病毒在空气中的传播,除了加强建筑环境通风以外[3],规范佩戴口罩也是最有效且经济的措施之一[4-5]。由于口罩具有造价低且能有效减少病毒传播的特点,在疫情期间对全民生命健康起到了极大的保障作用[6]。在中国、日本和韩国,佩戴口罩已经成为常态化举措,这使得口罩成为了全民日常生活中普遍应用的防护用品。公众对N95、医用口罩及棉织和布制等非医用口罩的需求极大增加[6]。

口罩总体舒适度分为热舒适度及呼吸设计舒适度[7]。其中呼吸设计舒适度可以通过调整口罩的表面材料及口罩整体结构优化,口罩整体结构优化包括鼻夹设计、呼气阻力气流特性研究和口罩带设计等[8]。严玉蓉等人采用凉感纤维作为口罩内层,显著降低了佩戴口罩导致的空气不流通性,降低了人员的闷热感[9]。口罩的高防护功效一般会导致高呼吸阻力,而高呼吸阻力会降低人体呼吸设计舒适度。张晶等人对早期支援武汉的医护人员进行调研发现,长时间佩戴防护用具,呼吸困难是不良反应中所占比例最高的[10]。Lai等人研究发现,对于大多数人来说,口罩的佩戴将导致明显的呼吸困难[11]。因此呼吸阻力是口罩舒适度设计中最受关注的因素。

而对于口罩总体舒适度中的热舒适度,口罩与面部之间高温高湿的微环境会影响面部皮肤的热湿感觉,并延伸到全身,最终影响人体热舒适[7]。Cui等人认为人体热舒适度是身体局部舒适和全身热感觉的函数[12]。Zender-wiercz等人利用人体模型研究发现,在温度低于20 ℃时,干口罩将提高局部或整体热舒适感[13]。Zhang等人对30名大学生进行了测试,结果表明佩戴口罩可以使达到最佳热舒适度的温度降低1.4 ℃[14]。

伴随着城市化进程的不断加速,愈来愈多的人涌入城市,导致了城市拥挤指数提高,给城市交通网络带来了巨大的压力[15]。城市公共交通作为国内抗击疫情的重要组成部分,在维护城市活力的同时,应避免重大公共卫生事件的发生,这对公交车、地铁及高铁的运行都提出了极高的要求。在国内,佩戴口罩已经成为疫情期间乘坐公共交通的硬性要求,然而人们在长时间乘坐高拥挤、大流量的公共交通时,佩戴口罩无疑会增加人们的热不舒适感。因而研究乘员佩戴口罩时的人体热舒适规律具有重要意义。

本文对公交车、地铁及高铁车厢进行了现场测量,获取了真实准确的背景环境温度、相对湿度及风速等参数,以及通过视频录像获取了乘员的活动特征及服装热阻估计值。基于经典PMV-PPD模型和已有研究成果,即不同类型口罩对人体热舒适的影响[7],合理评价公交车、地铁及高铁内佩戴口罩时乘员的热舒适性。

2 研究方法

2.1 PMV-PPD模型

人体热舒适被定义为人体对热环境表示满意的意识状态,即基于个体自身的热平衡对所处环境的身体及心理感受综合评价[16]。在热舒适研究领域中,Fanger提出了人体在稳态条件下基于能量平衡的热舒适方程,即PMV方程。同时基于采样观测统计提出了PMV与不满意率PPD两者之间的定量表达式。根据ISO 7730:2005的PMV-PPD模型[17],目前最全面且能准确评价热环境的指标的计算式为

V=0.303e-0.036M+0.028{M-W-3.05×10-3[5 733-6.99(M-W)-pa]-0.42(M-W-58.15)-1.72×10-5M(5 876-pa)-0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(tr+273)4]-fclhc(tcl-ta)}

(1)

式中V为PMV指标;M为人体能量代谢率,W/m2,静坐取58.2 W/m2,放松站立取69.8 W/m2;W为人体所作的机械功,W/m2,在静坐和平地活动时为0;pa为人体周围空气的水蒸气分压力,Pa;ta为人体周围空气温度,℃;fcl为人体覆盖服装面积与裸露面积之比;tcl为服装外表面温度,℃;tr为平均辐射温度,℃;hc为表面传热系数,W/(m2·K)。

D=100-95e-(0.033 53V4+0.219 7V2)

(2)

式中D为PPD指标,%。

(3)

式中Icl为服装热阻,clo。

tcl=35.7-0.028(M-W)-Icl{3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(tr+273)4]+fclhc(tcl-ta)}

(4)

式中hc按式(5)中大值确定。

(5)

式中va为室内风速,m/s。

由于佩戴口罩会对人体热舒适产生影响,故需对PMV模型进行修正,修正后的PMV模型如式(6)所示。

Vc=V+q

(6)

式中Vc为修正后的热舒适值;q为口罩对人体产生的热附加值,与口罩类型有关。

佩戴口罩与否的不满意率差值ΔD的计算式为

ΔD=Dc-D

(7)

式中Dc为乘员佩戴口罩修正后的预测不满意率。

ISO和ASHRAE等组织依据PMV-PPD指标,规定了一般室内热环境的舒适标准为:-0.5

2.2 口罩热舒适附加值

在疫情常态化防控背景下,将口罩的影响考虑到PMV-PPD模型中,可以使人员的热舒适评价更为精准。王丽娟等人对26 ℃与32 ℃的偏热环境进行研究,结果表明:同一操作温度下,男性和女性佩戴不同类型口罩时的热舒适存在显著性差异;在不同环境温度下(26 ℃和32 ℃),佩戴同一类型口罩与未戴口罩之间的热舒适附加值相差较小[7]。因此,在本文中假设背景环境温度对佩戴口罩与否的热舒适附加值影响较小,而口罩的类型影响较大。未佩戴口罩和佩戴不同类型口罩(医用外科、棉布和N95)情况下的V和热舒适附加值如表1所示。

表1 佩戴与未佩戴口罩状态下V和热舒适附加值[7]

3 测量数据

3.1 测量仪器及背景环境参数

本文研究的公共交通均以杭州市为起点或在杭州市内营运。公交车型号为K9A;长、宽、高分别为12 000、2 550、3 360 mm;座椅数量为40个;线路全长23 km,单程时间约90 min;现场测量时间为2021-05-10(工况B1)。地铁型号为B型鼓型车;车厢长、宽、高分别为20 000、2 880、2 100 mm;座椅数量为41个;线路全长43.3 km,单程时间约70 min;现场测量时间为2021-06-03(工况S1)、2021-06-05(工况S2)和2021-07-29(工况S3)。高铁动车为复兴号CR400型/和谐号CRH300型;长、宽、高分别为25 800、3 660、2 800 mm;座椅数量为90个/84个;单程(杭州至上海)时间约60 min;现场测量时间为2021-03-11(工况H1)、2021-03-19(工况H2)和2021-04-16(工况H3)。

相对湿度与温度使用手提式多功能复合气体分析仪(型号为JK90-M9)测量,精度为3%,相对湿度分辨率为1%,温度分辨率为0.1 ℃;风速测量则采用多参数风速仪(型号为TSI9545),测量精度为3%,分辨率为0.01 m/s。其中,平均辐射温度根据黑球温度约高于空气温度2～3 ℃(选取2 ℃)计算[19],原因是地铁内无太阳直射,高铁及公交车车厢内有窗帘,当有太阳直射时,乘员会主动使用窗帘避免受到太阳直射辐射(从视频录像得知)。

3.2 人体参数估计

人体能量代谢率M与人员的活动状态有关,公共交通内乘员的活动类型分为静坐或站立2种,人体代谢率范围为1.0～1.2 met。而服装热阻Icl首先根据季节进行粗略估计,然后结合视频录像中的衣着进行调整。通过查阅文献得到不同服装类型所对应的Icl,如表2所示。

表2 不同服装类型的热阻值[17,20]

夏季时乘员的典型Icl为0.6 clo左右;冬季时的典型Icl为1.0～1.1 clo左右。由于测量时间不同及乘员对冷热偏好的差异性,基于视频录像中乘员穿着特征,对公交车、地铁和高铁内乘员的Icl进行合理估计,其范围分别为0.6～0.9、0.5～0.8、0.8～1.1 clo。

4 研究结果与分析

4.1 风速及温湿度

基于实地测量,地铁、高铁和公交车内风速统计结果如图1所示,温度和相对湿度统计结果如图2所示。

图1 地铁、高铁和公交车内风速箱型图

图2 地铁、高铁和公交车内温湿度箱型图

从图1可知:地铁内风速波动范围最大,最大值达到7 m/s,高铁次之,公交车内的风速变化范围最小;高铁车厢内的风速统计结果中值较接近,分别为0.31、0.18、0.13 m/s,地铁车厢内的风速统计结果中值相差较大,分别为0.89、1.18、2.20 m/s,这或许是因为地铁内乘员密度波动大,产生的遮挡效果影响了风速测量结果。

车厢内风速是评估热舒适的重要参数之一。考虑到风速测量结果的波动性,基于图1的统计结果,选取风速中值及75%分位点值作为典型值。经计算,公交车内风速典型值为0.20、0.62 m/s,地铁内风速典型值为1.42、3.56 m/s,高铁内风速典型值为0.21、0.66 m/s。将上述典型风速值作为修正后的PMV-PPD模型的输入参数。

从图2可见:公交车内温度范围为24～29 ℃;地铁内温度范围为22～27 ℃;高铁内温度范围为21～25 ℃。平均来看,公交车内温度最高,最高达到29 ℃,地铁次之,高铁内温度最低。地铁和高铁车厢内温度中值都较为接近,地铁内温度中值分别为24.2、24.0、23.6 ℃,高铁内温度中值分别为21.7、22.0、22.1 ℃,公交车内温度中值为25.4 ℃。

从图2还可见:公交车内相对湿度范围为40%～80%;地铁内相对湿度范围为74%～91%;高铁内相对湿度范围为60%～80%。地铁内相对湿度最高,是由于地铁交通位于地下,导致地铁车厢内相对湿度高且波动范围大,同时地铁在高峰期时的载客量大,也会增加车厢环境中的湿度;高铁次之;公交车相对湿度最低。地铁内相对湿度中值相差较大,分别为91%、74%、85%;高铁内相对湿度中值较接近,分别为66%、66%、72%;公交车内相对湿度中值为56%。

在评估乘员的热舒适中,风速、温度和相对湿度等参数之间的差异性除了与自身运行设计参数和运行环境有关之外,也受参数测量时间选取的影响(乘员服装热阻的差异性)。本文高铁、公交车和地铁实地测量时间分别在3、4月,5月和6、7月。

4.2 热舒适比较与分析

基于图1、2中公交车、地铁和高铁3类公共交通工具的背景环境参数、乘员活动特征和Icl的估计值,根据式(1)～(6)进行乘员热舒适评估。从视频录像中可知公交车、地铁及高铁内乘员所佩戴的口罩均为医用口罩。不同Icl、真实背景环境(温湿度)及风速典型值下的热舒适图,无口罩(V)及佩戴医用口罩(Vc)时乘员的热舒适结果如图3～5所示。图3～5中绿虚线框表示V和Vc在-1～1之间,即热舒适区,且每个矩形单元均代表1个真实工况,并假设每个特定工况的发生概率相同。

图3 不同服装热阻和口罩佩戴情况下公交车内乘员热舒适评估图

对公交车而言,整体热舒适范围为中性到偏暖(见图3)。对于佩戴医用口罩的乘员,热舒适有所下降,热舒适区范围将缩小。对于公交车车厢内的不同典型风速0.20、0.62 m/s,热舒适区分别减小23%、9%,平均减小14%。ΔD范围为0～11%,平均值为6%。

对于热环境较冷的地铁,整体热舒适范围为中性到冷(见图4)。对于佩戴医用口罩的乘员,热舒适有所提高(口罩会导致人更暖和),热舒适区范围扩大。但是,医用口罩对乘员热舒适的提高效果并不明显,主要原因是地铁车厢内风速过大,尤其是在3.56 m/s这一典型风速工况下,乘员无论是否佩戴医用口罩都不会影响热舒适区的变化。对于地铁车厢内的不同典型风速值1.42、3.56 m/s,热舒适区范围分别增大40%和0,平均增大31%。ΔD范围为-11%～0,平均值为-7%。

图4 不同服装热阻和口罩佩戴情况下地铁内乘员热舒适评估图

对于严格控制温湿度的高铁,整体热舒适范围为稍凉到稍暖(见图5)。对于佩戴医用口罩的乘员,热舒适既存在提高效果,又存在降低效果。高铁内佩戴口罩的乘员的热不舒适区存在从凉不舒适区变化到暖不舒适区的现象。对于地铁车厢内的不同典型风速值0.21、0.66 m/s,热舒适区范围分别减小10%和增大12%。ΔD范围为-9%～10%,平均值为-0.5%。

图5 不同服装热阻和口罩佩戴情况下高铁内乘员热舒适评估图

从图3～5可知,公交车、地铁、高铁内乘员热舒适区(Vc)占比分别为62.5%、27.1%、92.5%,表明高铁对乘员热舒适的保障效果最佳,公交车次之,地铁保障效果最弱。将图3～5中修正后的Vc进行统计分析,所得结果如图6所示。

注:μ为平均值;σ为标准差。

在95%置信区间下,公交车、地铁和高铁的热舒适指标Vc服从正态分布,均值分别为0.73、-1.46 和0.14,标准差分别为0.69、0.91和0.56。从图6可知,高铁的热舒适指标均匀分布在-1～1之间,相比“冷地铁”和“稍暖公交车”,高铁的热舒适最佳。

5 讨论

本文探究了医用口罩对公交车、地铁和高铁内乘员热舒适的影响。口罩内微环境及车厢内CO2浓度对乘员的健康、思维意识、判断能力[21]、面部皮肤敏感性[22]具有显著影响,特别是对老人和有呼吸疾病的特殊人群,可能会引起不舒适的呼吸感受。然而,限于篇幅本文也暂未进行深入的分析。另外,由于时间及疫情期间管控措施的限制,本研究中口罩对热舒适影响的实验测量主要集中于外界环境偏热的时间段,而对于冬季偏冷环境,有待于未来研究。PMV-PPD修正模型在较低背景温度下佩戴口罩对乘员产生的热舒适的附加值是否与中高背景温度的取值一致也是值得深入探究的,新的修正系数可能会被提出。

在公交车内乘员佩戴口罩会增加热感,从而增大乘员摘下口罩的行为概率。在疫情大流行的情况下,为避免发生疫情的聚众性近距离及远距离传播,公交车内的空调温度可适当调低或增大风速。调低温度和增大风速势必会增加能耗,在碳达峰、碳中和国家战略背景下,如何平衡能耗及疫情大规模传播之间的矛盾值得进一步研究。在后续的研究中,笔者将利用环境舱来控制不同温湿度,研究人群摘掉口罩的概率与不同温湿度控制的关系,同时利用问卷调查的方式来验证环境舱中的实验结果。

对于环境偏冷的地铁,佩戴口罩会提高乘员热舒适,但整体上地铁内乘员热舒适差,不满意率高。由于车厢内风速过大,车厢内外压差导致大量渗透风流入车厢内部,因此设计人员在设置空调送风参数及风量时应充分考虑渗透风对乘员热舒适的影响。

ΔS的选取根据是在人工环境舱室得到的实验结果[7],而对于乘坐公共交通时佩戴口罩的乘员,ΔS值或许会受到当时地面路况的影响。特别是对于公交车而言,拥堵的交通可能导致焦虑情绪,进一步加重口罩对人体热舒适的负作用。这些影响也值得在未来研究中深入探讨。同时,人体生理参数也并未考虑,这是该模型的一个局限性,受试者均为青少年群体[7],对于中年甚至老年人,该修正模型是否仍然适用需进一步研究。

6 结论

1) 在测量时段内,地铁内平均风速最大,公交车内平均温度最高,地铁内平均相对湿度最大。公交车内热环境集中在中性和暖之间;地铁内热环境集中在中性和冷之间;而高铁车厢内热环境集中在稍凉和稍暖之间。

2) 公交车、地铁及高铁内乘员佩戴的口罩大多为医用口罩。佩戴医用口罩时,高铁内热舒适区域占比最大(92.5%),公交车次之(62.5%),地铁最小(27.1%),即高铁对乘员的热舒适保障程度最高,而地铁对热舒适保障程度最弱。

3) 对于公交车,佩戴医用口罩会降低乘员热舒适,会使乘员感受向暖和热偏移,ΔD平均值为6%,即佩戴医用口罩对公交车内乘员热舒适存在负作用;地铁内佩戴医用口罩会提高乘员热舒适,使乘员冷感受被削弱,ΔD平均值为-7%,即佩戴医用口罩对地铁内乘员的热舒适存在正作用,但在高风速背景环境下,正作用效果并不显著,是因为风速过高导致体表对流换热强度过高,从而失热感明显;而高铁内佩戴口罩的乘员ΔD平均值为-0.5%,即佩戴医用口罩对高铁内乘员的热舒适存在极微弱的正作用。