談美蘭,李百戰(zhàn),李文杰,劉 紅,鄭 潔,許孟楠

(重慶大學(xué)a.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,重慶 400045)

夏季空氣流動對人體熱舒適性的影響

談美蘭a,b,李百戰(zhàn)a,b,李文杰a,b,劉 紅a,b,鄭 潔a,b,許孟楠a,b

(重慶大學(xué)a.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,重慶 400045)

為確定夏季高溫環(huán)境下空氣流動對人體熱舒適性的影響程度,于2008年夏季,進(jìn)行了吹風(fēng)環(huán)境下人體生理、心理熱舒適實(shí)驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)分析表明：夏季高溫環(huán)境下,吹風(fēng)使人體生理參數(shù)及熱感覺出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象,且下降的程度與其所處環(huán)境的空氣溫度有關(guān),相同風(fēng)速下,空氣溫度越低,下降程度越大。但當(dāng)空氣溫度達(dá)到約34℃時(shí),吹風(fēng)對人體生理參數(shù)基本無影響,但對熱感覺仍有所改善。研究結(jié)果表明：夏季高溫環(huán)境下,加強(qiáng)空氣流動可在一定程度改善人體熱舒適性,但是這種改善是有限制的,空氣溫度過高、風(fēng)速太大或長時(shí)間吹風(fēng)都可能會導(dǎo)致人體不舒適。

空氣流動;熱舒適;熱感覺;人體生理參數(shù);問卷調(diào)查

空氣流動是影響人體熱舒適的一個重要因素。熱環(huán)境中人體的熱舒適感與皮膚表面濕潤度W及皮膚表面溫度Tsk密切相關(guān),當(dāng)人體處于熱狀態(tài)時(shí),W的下降會令人更舒適[1]。當(dāng)人體周圍空氣流速適當(dāng)增加時(shí),不僅可提高皮膚表面與環(huán)境的換熱系數(shù),而且可加強(qiáng)皮膚表面汗液的蒸發(fā),有效降低W,提高環(huán)境的熱舒適度。即在高溫環(huán)境下,加強(qiáng)室內(nèi)空氣流動,可在一定程度上補(bǔ)償溫度的升高,提高室內(nèi)環(huán)境舒適溫度的上限[2]。然而,空氣流動對空氣溫度的補(bǔ)償作用還不清楚。

近年來,許多學(xué)者對高溫環(huán)境下空氣流動對空氣溫度的補(bǔ)償作用展開了研究,其研究內(nèi)容主要針對各種空氣溫度、相對濕度環(huán)境下,空氣流動對人體熱舒適的改善作用[2-7],力圖尋找在一定溫度范圍內(nèi)合適的風(fēng)速水平。研究的結(jié)果顯示,在風(fēng)速的補(bǔ)償下,舒適溫度的上限大多在28～32℃之間,可接受風(fēng)速的上限大多在0.5～1.6 m/s之間。但是目前大多數(shù)研究采用的是熱感覺問卷方法,存在很大的主觀性、隨意性,于是,漸漸出現(xiàn)了一些將人體生理指標(biāo)如皮膚溫度、出汗、血壓等納入熱舒適的研究[8-11],旨在從人體生理角度客觀地研究人體對熱環(huán)境的響應(yīng);風(fēng)速究竟可達(dá)多高,盡管過高的風(fēng)速能夠保證人體的散熱需要,使人處于熱中性的狀態(tài),但卻會給人帶來吹風(fēng)的煩擾感、壓力感、黏膜的不適感等[12],對此,ASHRA E55-2004標(biāo)準(zhǔn)[13]中規(guī)定風(fēng)速上限為0.8m/s。另外,長時(shí)間的吹風(fēng)也會使人產(chǎn)生不適等負(fù)面影響[14],時(shí)間也是熱舒適的一個重要影響因素[15],以往研究均忽略了吹風(fēng)時(shí)間這一因素。

基于以上幾點(diǎn),筆者選擇受熱環(huán)境影響較為顯著的生理指標(biāo)——感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度 Sensory nerve Conduction Velocity(SCV)及相應(yīng)的測點(diǎn)皮膚溫度(Ts)[16],并結(jié)合熱感覺問卷調(diào)查的方法,從主客觀兩方面對夏季高溫高濕環(huán)境下,空氣流動對人體熱舒適的影響進(jìn)行研究。

1 研究方法

1.1 受試者

共41名志愿者參加了實(shí)驗(yàn),其中男20人,女21人,均為重慶大學(xué)在讀大學(xué)生,身體健康狀況良好。受試者來自全國各省份,在重慶平均生活時(shí)間為4 a以上,均已基本適應(yīng)本地區(qū)的氣候條件。同時(shí),為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,所有受試者在參加實(shí)驗(yàn)前均具有良好的睡眠,且未喝含有酒精的飲料。表1為受試者的基本信息。

表1 受試者基本信息

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為重慶大學(xué)城環(huán)實(shí)驗(yàn)大樓2樓的“熱舒適研究實(shí)驗(yàn)室”,房間尺寸為7.3 m×7.5 m×4 m,室內(nèi)通風(fēng)良好。

受試者穿著自認(rèn)舒適,平均服裝熱阻約為0.3 clo[17]。實(shí)驗(yàn)開始前,為減少外界環(huán)境及代謝率對受試者的影響,要求受試者到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后,靜坐休息30 min以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,期間由實(shí)驗(yàn)人員向受試者介紹實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)過程中所要注意的事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)共歷時(shí)90 min,前30m in為自然風(fēng)工況,后60 m in為吹風(fēng)工況,風(fēng)源為落地式風(fēng)扇,距離受試者2.5 m。實(shí)驗(yàn)期間,每10 min對受試者進(jìn)行一次生理指標(biāo)測試以及熱感覺問卷調(diào)查。熱感覺投票采用的是ASHRAE 7級指標(biāo)(-3冷,-2涼,-1微涼,0適中(不冷不熱),1微熱,2熱,3很熱)[13]。

1.3 測試方法及儀器

感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(SCV)采用逆向檢測法,用表面電極刺激和記錄,在掌長肌腱和橈側(cè)腕屈肌腱之間、腕褶皺線上方刺激正中神經(jīng),用表面電極粘貼于拇指記錄。記錄的活動電極置于近端指-指關(guān)節(jié),參考電極置于遠(yuǎn)端[18]。測點(diǎn)皮膚溫度(Ts)指神經(jīng)節(jié)段沿神經(jīng)走向中間一點(diǎn)的皮膚溫度[19]。

感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度測試采用Neuropack肌電誘發(fā)電位儀(MEB-9104)。測點(diǎn)皮膚溫度用紅外線測溫儀記錄(精度±0.5℃)。

室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)(包括人體附近空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、黑球溫度)的檢測采用的是國外引進(jìn)的里氏熱舒適儀Babuc A。測量位置取坐姿人體附近距離地面0.6m高度處,儀器精度要求符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7726[20]。

實(shí)驗(yàn)選在2008年7-8月進(jìn)行,為重慶地區(qū)氣溫最高的月份。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)測試值見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)一覽表

2 結(jié)果與分析

2.1 吹風(fēng)對人體生理參數(shù)的影響

將不同環(huán)境溫度段下,同一時(shí)刻各受試者的SCV和Ts求平均值,得出其隨時(shí)間的變化關(guān)系,結(jié)果如圖1所示。

從圖中可以看出,不同溫度下,吹風(fēng)對人體生理參數(shù)的影響程度各不相同?？諝鉁囟仍降?吹風(fēng)的影響越大。

空氣溫度小于30.9±0.6℃時(shí),SCV及Ts在吹風(fēng)開始時(shí)均出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象,且空氣溫度越低,下降越明顯。這主要是因?yàn)槿梭w突然受到吹風(fēng)的刺激,空氣的流動加快了皮膚與周圍空氣間的換熱,使得皮膚溫度下降,進(jìn)而影響SCV。當(dāng)空氣溫度為30.9±0.6℃時(shí),SCV及Ts在吹風(fēng)20 min時(shí)就漸漸趨向穩(wěn)定,而空氣溫度為28.2±0.7℃時(shí),SCV及Ts隨吹風(fēng)時(shí)間的延長繼續(xù)下降,直至吹風(fēng)60m in時(shí)還未達(dá)到穩(wěn)定。

圖1 SCV和T s隨吹風(fēng)時(shí)間的變化趨勢

而當(dāng)空氣為33.9±0.6℃時(shí),吹風(fēng)對SCV及Ts幾乎沒有影響。這表明,此時(shí)的環(huán)境熱應(yīng)力已經(jīng)超過了人體自身生理調(diào)節(jié)的范圍,這種情況會對人體生理產(chǎn)生長久性的影響,對人體身體健康不利,因此,為保證人體的身體健康,此時(shí)人體應(yīng)采取主動干預(yù)的措施來降低環(huán)境熱應(yīng)力。

2.2 吹風(fēng)對人體熱感覺的影響

室內(nèi)空氣溫度的高低直接影響著室內(nèi)人員的熱感覺,是影響人體熱舒適最為重要的環(huán)境參數(shù)。因此,實(shí)驗(yàn)在對每位受試者進(jìn)行人體生理指標(biāo)測試的同時(shí)還進(jìn)行了熱感覺問卷調(diào)查。

將不同環(huán)境溫度下,同一時(shí)刻各受試者的實(shí)際熱感覺TSV(Thermal Sensation Vote)投票值分別求平均值,同時(shí)求出對應(yīng)的PMV(Predicted Mean Vote)預(yù)測值。從而得出不同空氣溫度下,TSV和PMV隨吹風(fēng)的變化趨勢,如圖2所示。

從圖2中可以看出,3個空氣溫度下,熱感覺在吹風(fēng)時(shí)均出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象。

當(dāng)空氣溫度為28.2±0.7℃時(shí),隨著吹風(fēng)時(shí)間的延長,TSV漸漸偏離中性“0”,直至吹風(fēng)40 m in時(shí)才基本趨于穩(wěn)定。TSV由吹風(fēng)前0.1至吹風(fēng)60 min時(shí)的-1.0。即此空氣溫度下,吹風(fēng)并未改善反而惡化了人體熱感覺。這表明此時(shí)吹風(fēng)風(fēng)速過大(1.20 ±0.26m/s),引起冷吹風(fēng)感而造成人體不適。而在此空氣溫度下,SCV及Ts在吹風(fēng)60m in時(shí)未達(dá)到穩(wěn)定的原因可能是由引起人體吹風(fēng)感而導(dǎo)致的。

圖2 TSV、PMV隨吹風(fēng)時(shí)間變化趨勢

當(dāng)空氣溫度為30.9±0.6℃時(shí),TSV由吹風(fēng)前0.8至吹風(fēng)10m in時(shí)-0.3,直至60 m in時(shí),TSV已降至-0.7。這表明,此環(huán)境下,吹風(fēng)在短時(shí)間內(nèi)有效的改善了人體熱感覺,但隨著吹風(fēng)時(shí)間的增加,吹風(fēng)有可能會引起冷吹風(fēng)感。

當(dāng)空氣溫度為33.9±0.6℃時(shí),TSV由1.4降至最后的0.6,下降了0.8,即此時(shí)吹風(fēng)在一定程度了改善熱感覺。但是由生理參數(shù)的結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)吹風(fēng)對人體生理參數(shù)基本無影響,此時(shí)的環(huán)境熱應(yīng)力已經(jīng)超過了人體自身生理調(diào)節(jié)的范圍。這表明,此時(shí)單靠主觀熱感覺并不能正確評價(jià)熱環(huán)境,而應(yīng)該結(jié)合人體生理參數(shù)的變化規(guī)律,從主觀和客觀兩方面來對熱環(huán)境進(jìn)行評價(jià)。

另外,從圖2中還可以看到,PMV預(yù)測值與TSV的變化規(guī)律基本一致,且PMV預(yù)測值均大于TSV投票值,即在中性—熱環(huán)境下,PMV過高的估計(jì)了人體熱感覺,且溫度越高,PMV與TSV差值越大。這與大多數(shù)的相關(guān)研究結(jié)論一致[21-24]。

3 結(jié) 論

通過對夏季高溫環(huán)境下,空氣流動對人體熱舒適的影響研究,得出以下主要結(jié)論：

1)夏季高溫環(huán)境下,風(fēng)速在1.0～1.2 m/s,相對濕度約高于70%時(shí),吹風(fēng)使SCV、Ts出現(xiàn)明顯下降的趨勢,下降的程度與其所處的環(huán)境溫度有關(guān),相同風(fēng)速下溫度越低,下降程度越大。當(dāng)空氣溫度達(dá)到約34℃時(shí),吹風(fēng)對SCV、Ts基本無影響。

2)夏季高溫環(huán)境下,吹風(fēng)(增加空氣流動)可以在一定程度上改善室內(nèi)熱環(huán)境,提高人體熱舒適感,但是這種改善是有限制的,即便是在高溫環(huán)境下,不合理的吹風(fēng)(風(fēng)速過大或是時(shí)間過長)也會使人產(chǎn)生不舒適的吹風(fēng)感。

3)當(dāng)空氣溫度達(dá)到約34℃時(shí),單靠主觀熱感覺并不能正確評價(jià)熱環(huán)境,而應(yīng)該結(jié)合人體生理參數(shù)的變化規(guī)律,從主觀和客觀兩方面來對熱環(huán)境進(jìn)行綜合評價(jià)。

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(編輯 胡英奎)

Physiological Experiment for Human Thermal Com fort of Air Flow in Summer

TANMei-lana,b,LIBai-zhana,b,LIWen-jiea,b,LIUHonga,b,ZHENGJiea,b,XUMeng-nana,b

(a.Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region's Eco-environment(Ministry of Education); b.College of U rban Construc tion&Environmenta l Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,P.R.China)

A physiological and psychological experiment was conducted in summer,2008 to ascertain the effect of air flow on human thermal comfort in hot summer.The statistics analysis show s that air flow makes physiological index and thermal sensation an obvious drop tendency,which is correlated to the air temperature of indoor environment.The low er the air temperature is,the greater the physiological index and the thermal com fort drop.But when the temperature isup to about34℃,the air flow almost does not make any change to physiological index while the hum an sensation is still improved.These results indicate that air flow can imp rove human therm al com fort to some extent,but the im provem ent has lim its.Higher air tem perature,strong wind and long time exposure tow ind can lead to uncom fortableness.

air flow;thermal comfort;thermal sensation;physiological index;questionnaire investigation

TU834.3

A

1674-4764(2011)02-0070-04

2010-09-26

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50838009);國家“十一五”科技支撐重大項(xiàng)目(2006BAJ02A 09);重慶市重大科技專項(xiàng)(CSTC,2008AB7110)

談美蘭(1985-),女,博士生,主要從事建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能研究,(E-mail)：tanmeilan85@163.com。李百戰(zhàn)(通訊作者),男,教授,博士生導(dǎo)師,(E-mail)baizhan li@cqu.edu.cn。