童 明， 尚春靜， 彭磊磊， 秦培成

(海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， ?？?570228)

近年來(lái)，隨著人們愈發(fā)關(guān)注環(huán)境的舒適與人體的健康，對(duì)人體健康和熱舒適性的研究日益增多。一方水土養(yǎng)一方人，由于各氣候區(qū)受試者的生理特征有較大差異，人體的熱反應(yīng)和熱適應(yīng)也存在差異。熱適應(yīng)觀點(diǎn)認(rèn)為,人體熱舒適和熱感覺(jué)除受人體熱平衡物理過(guò)程因素的影響外,還受如氣候條件、經(jīng)濟(jì)條件等因素影響[1-3]。1936年的美國(guó)暖通空調(diào)工程師協(xié)會(huì)手冊(cè)(ASHRAE Handbook)就有對(duì)熱適應(yīng)的定性描述，長(zhǎng)期生活在較熱地區(qū)的人們，其熱舒適溫度范圍比長(zhǎng)期生活于較冷地區(qū)的人們寬。大量研究顯示[4-9]，不同氣候區(qū)的受試者在相同的環(huán)境條件下，其熱反應(yīng)、熱感覺(jué)、熱舒適都具有差異性。Humphreys[4]選取了馬來(lái)西亞受試者在馬來(lái)西亞和倫敦的氣候室分別進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示,該受試者在馬來(lái)西亞氣候室熱中性溫度(28.7 ℃)比倫敦氣候室實(shí)驗(yàn)結(jié)果(25.7 ℃)偏高3 ℃。何紅葉[5]在哈爾濱對(duì)高校學(xué)生進(jìn)行了熱舒適現(xiàn)場(chǎng)研究，結(jié)果顯示以秦嶺和淮河作為南北分界的南北地域受試者的熱感覺(jué)投票顯著不同。曹彬等[6]通過(guò)對(duì)北京熱舒適現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果分析可知，長(zhǎng)期生活在長(zhǎng)江流域以南的人比長(zhǎng)期生活在長(zhǎng)江流域以北的人，冬季更能適應(yīng)較冷的環(huán)境，在北京短期居住的長(zhǎng)江流域以南的人，其著衣量普遍少于長(zhǎng)江流域以北的人。余娟等[7]在春夏過(guò)渡季節(jié)對(duì)來(lái)自我國(guó)不同氣候區(qū)受試者進(jìn)行氣候室實(shí)驗(yàn)表明：在相同的室內(nèi)熱環(huán)境下,夏熱冬冷氣候區(qū)受試者較來(lái)自寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)受試者有更強(qiáng)的冷耐受性和熱耐受性。余娟等[8]對(duì)供暖地區(qū)(北京)和非供暖地區(qū)(上海)受試者進(jìn)行的氣候室實(shí)驗(yàn)研究表明由于冬季不同的室內(nèi)熱經(jīng)歷,上海受試者對(duì)冷環(huán)境的生理習(xí)服能力明顯強(qiáng)于北京受試者。張杰等[9]在內(nèi)蒙古中西部地區(qū)對(duì)農(nóng)牧民進(jìn)行了冬季室內(nèi)熱舒適實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示冬季室內(nèi)可接受溫度范圍為13.6～21.7 ℃，期望溫度為19.4 ℃，熱中性溫度為16.1 ℃，與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)研究結(jié)果差距顯著。Villadieg等[10]在哥倫比亞的一個(gè)港口城市進(jìn)行的室外熱舒適研究發(fā)現(xiàn)本地受試者和外來(lái)受試者對(duì)當(dāng)?shù)責(zé)岘h(huán)境的感知情況差異顯著。

按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范GB50176—2016》[11]，海南和廣東、廣西、福建部分地區(qū)等同屬于夏熱冬暖氣候區(qū)，但以陰壯琴等[12]為代表的學(xué)者對(duì)海南?？诘貐^(qū)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)人體熱舒適的現(xiàn)場(chǎng)研究顯示海口常住人群的熱中性有效溫度(ET*)為26.5 ℃，遠(yuǎn)低于陳慧梅等[13]對(duì)廣州地區(qū)人群現(xiàn)場(chǎng)研究結(jié)果(ET*為29.3 ℃)，這表明盡管海南和廣州同屬于夏熱冬暖熱工區(qū)且相距不到500公里，而長(zhǎng)期生活在海南的人群的熱舒適與長(zhǎng)期生活在廣州的人群的差異顯著。廣州年均氣溫20～22 ℃，年均相對(duì)濕度為77%；海南南北氣候差異顯著，?？谀昃鶜鉁?2～24 ℃，年均相對(duì)濕度為85%，為邊緣熱帶氣候區(qū)的代表；三亞年均氣溫25～27 ℃，年均相對(duì)濕度為79%，為中熱帶氣候區(qū)的代表[14]。長(zhǎng)期生活在中熱帶氣候區(qū)、邊緣熱帶氣候區(qū)人群與廣州地區(qū)人群是否有顯著差異？中熱帶區(qū)和邊緣熱帶區(qū)人群的熱生理反應(yīng)是否具有差異？按照統(tǒng)計(jì)學(xué)滿(mǎn)足一定可靠性和統(tǒng)計(jì)性檢驗(yàn)要求選取樣本，并基于能和其他人工氣候室實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相比較的基礎(chǔ)[15-17]，現(xiàn)分別征集了中熱帶氣候和邊緣熱帶氣候區(qū)各30名典型志愿者進(jìn)行人工氣候室實(shí)驗(yàn)，以探索兩者熱中性溫差異的規(guī)律。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)在華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)實(shí)驗(yàn)室人工氣候室(圖1)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室主要由預(yù)備間A和實(shí)驗(yàn)間B兩室組成，室內(nèi)溫濕度環(huán)境由制冷機(jī)組、電加熱器和加濕器通過(guò)電腦控制并自動(dòng)檢測(cè)記錄，實(shí)驗(yàn)室的具體性能指標(biāo)如下：干球溫度的范圍為10～40 ℃，控制精度為±0.2 ℃，監(jiān)測(cè)精度為±0.15 ℃；空氣相對(duì)濕度為40%～90%，控制精度±5%，監(jiān)測(cè)精度為±3%。預(yù)備間工況始終為26 ℃，相對(duì)濕度(RH)為50%；實(shí)驗(yàn)間根據(jù)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)工況自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。預(yù)備間和實(shí)驗(yàn)間均安裝中空玻璃窗，且具有隔熱處理。受試者在實(shí)驗(yàn)間靜坐閱讀，據(jù)ASHRAE Standard 55-2014,現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示,其新陳代謝率取值為1.0 met(met為人體新陳代謝率單位，1個(gè)健康的成年人靜坐時(shí)保持舒適的狀態(tài)時(shí)的新陳代謝率，記為1 met, 1 met=58.15 W/m2)。

圖1 人工氣候室Fig.1 Artificial climate room

1.2 實(shí)驗(yàn)工況與測(cè)試參數(shù)

結(jié)合邊緣熱帶氣候特點(diǎn)，參考其他氣候區(qū)人體熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)工況，首次實(shí)驗(yàn)只選取了C～F四個(gè)高溫高濕工況(29 ℃，50%RH；29 ℃，70%RH；32 ℃，50%RH；32 ℃，70%RH)，結(jié)果顯示，同樣工況條件下，邊緣熱帶區(qū)與廣州地區(qū)受試者的熱生理反應(yīng)具有一定差異性。為進(jìn)一步研究熱帶氣候區(qū)受試者對(duì)低溫和高溫的反應(yīng)，第二次對(duì)中熱帶氣候區(qū)受試者實(shí)驗(yàn)時(shí)增加了低溫工況(20 ℃，50%RH；20 ℃，70%RH；)和高溫工況(34 ℃，50%RH；34 ℃，70%RH)，如表1所示(其中C～F為邊緣熱帶區(qū)和中熱帶區(qū)共有實(shí)驗(yàn)工況)。實(shí)驗(yàn)間和預(yù)備間內(nèi)空氣流速調(diào)控均勻且不大于0.1 m/s，平均輻射溫度近似等于空氣溫度，所有受試者穿著統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)服裝(0.6 clo，包含座椅熱阻值;clo表示服裝的熱阻值，反映服裝保溫性能，1 clo=0.155 m2·K/W)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

熱反應(yīng)測(cè)試參數(shù)包括生理和心理反應(yīng)參數(shù)。生理參數(shù)包括平均皮膚溫度、皮膚濕潤(rùn)度、心率和血壓。采用T型熱電偶測(cè)量平均皮膚溫度，為確保探頭與皮膚表面良好接觸，同時(shí)使受試者貼附探頭的皮膚更為舒適，在熱電偶表面加壓半徑6 mm的半圓光滑銅片，用醫(yī)用透氣膠布貼在胸口、上臂、大腿和小腿4個(gè)身體部位，分別按0.3、0.3、0.2、0.2權(quán)重加權(quán)平均得到平均皮膚溫度，標(biāo)定并校正后的測(cè)量誤差為±0.2 ℃。心率和血壓采用HEM-7210心率血壓計(jì)測(cè)量，量程分別為40～180次/min和0～299 mmHg (1 mmHg≈133.332 Pa),精度為±5%和±3 mmHg。

心理反應(yīng)測(cè)試包括熱感覺(jué)(thermal sensation voting，TSV)、熱舒適(thermal comfort voting，TCV)、熱可接受度(muggy degree voting，MDV)、悶熱感等反應(yīng)參數(shù)(thermal acceptability voting，TAV)，投票標(biāo)尺如圖2所示。

圖2 投票標(biāo)尺Fig.2 Psychological reaction voting scal

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

受試者在實(shí)驗(yàn)的前一天正常作息，實(shí)驗(yàn)前1 h停止進(jìn)食，到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后更換實(shí)驗(yàn)衣服，靜坐30 min后先進(jìn)入預(yù)備間貼皮膚溫度傳感器并靜坐休息，30 min后測(cè)量心率、血壓和體重，并做問(wèn)卷投票；其后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)間靜坐60 min，進(jìn)行靜坐閱讀，期間允許小聲談話(huà)，但不能交流與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的內(nèi)容，期間以1 min(5次)、3 min(5次)和10 min(4次)時(shí)間間隔投票，在第30 min和60 min測(cè)量心率、血壓和體重，完成后退出實(shí)驗(yàn)間，整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)90 min，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)步驟如圖3所示。期間為防進(jìn)食、排便導(dǎo)致體重變化影響出汗蒸發(fā)生理量的測(cè)試，受試者禁止喝水、吃東西和上廁所。

圖3 實(shí)驗(yàn)步驟Fig.3 Experimental process

1.4 熱舒適指標(biāo)

常用的熱舒適指標(biāo)主要有4種：有效溫度(effective temperature, ET*)、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(standard effective temperature, SET*)、生理等效溫度(physiologically equivalent temperature, PET)和通用熱氣候指標(biāo)(universal thermal climate index, UTCI)，這些指標(biāo)計(jì)算得到的結(jié)果是一個(gè)等效溫度值。ET*適合于著裝輕薄、活動(dòng)量小、風(fēng)速低的環(huán)境；SET*在ET*的基礎(chǔ)上綜合考慮了不同的活動(dòng)水平和衣服熱阻[18]；PET則是基于慕尼黑人體熱量平衡模型(munich energy balance model for individuals, MEMI)，適合不同著裝以及活動(dòng)量情況下使用[19]，并考慮了室外環(huán)境情況下的短波和長(zhǎng)波輻射并且平均輻射溫度對(duì)它有顯著影響[20]，廣泛用于不同氣候區(qū)的室外熱舒適的評(píng)價(jià)[21]，而UTCI考慮了衣服熱阻值在人體的不同部位的分布情況并且還考慮了因?yàn)轱L(fēng)速和人們的走動(dòng)(4 km/h)情況引起的熱量的散失和衣物的水蒸氣蒸發(fā)能力的降低[22],該指標(biāo)在人類(lèi)生物氣象學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本文實(shí)驗(yàn)為人工氣候室實(shí)驗(yàn)，受試者著裝一致，且為輕薄著裝、靜坐，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)速空氣流速調(diào)控均勻且不大于0.1 m/s，同時(shí)，為與其他研究結(jié)果對(duì)比，本文實(shí)驗(yàn)選用ET*指標(biāo)。

2.2 結(jié)果分析

2.1 受試者特征

分別選取了來(lái)自邊緣熱帶區(qū)(北部?？凇⒊芜~和定安)和中熱帶區(qū)(海南五指山以南地區(qū)包括萬(wàn)寧、樂(lè)東、保亭、陵水、五指山和三亞)各30名，年齡為18～22歲身體健康的在校大學(xué)生，男女比例皆為1∶1。受試者本人和父輩、祖輩分別出生并成長(zhǎng)于海南邊緣熱帶和中熱帶區(qū)，以此確保他們具有代表性。實(shí)驗(yàn)人員基本信息如表2所示，邊緣熱帶區(qū)的男女受試者和全體受試者平均身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index, BMI)指數(shù)比中熱帶區(qū)的分別高0.7、0.2和0.2，相差小，且都在BMI指數(shù)正常范圍之內(nèi)。

表2 實(shí)驗(yàn)人員基本信息Table 2 Basic information of laboratory staff

2.2 不同工況下的生理和心理反應(yīng)

2.2.1 生理反應(yīng)

受試者的平均皮膚溫度隨工況變化如圖4所示。無(wú)論是中熱帶區(qū)還是邊緣熱帶區(qū)，受試者的平均皮膚溫度隨著溫濕度的增加而逐漸增加。對(duì)于中熱帶區(qū)，工況H(34 ℃,70%RH)人體的皮膚溫度為35.7 ℃，比低溫工況A(20 ℃,50%RH)和預(yù)備間工況(26 ℃，50%RH)分別高4.2 ℃和2 ℃，工況F(32 ℃，70%RH)下的皮膚溫度比預(yù)備間工況(26 ℃，50%RH)高1.6 ℃。對(duì)于邊緣熱帶區(qū)，受試者在工況F(32 ℃，70%RH)下的皮膚溫度35.4 ℃比預(yù)備間工況(26 ℃，50%RH)的皮膚溫度33.5 ℃高2.1 ℃。可見(jiàn)，隨著周?chē)h(huán)境溫度升高，人體皮膚溫度在逐漸增加以適應(yīng)環(huán)境。

圖4 不同工況下平均皮膚溫度的變化Fig.4 Changes of average skin temperature under different working conditions

在高溫高濕工況(CDEF)下，邊緣熱帶區(qū)人群的皮膚溫度都比中熱帶區(qū)略高，為0.1～0.4 ℃。這是由于中熱帶區(qū)人群常年生活在持續(xù)濕熱的環(huán)境中，相較于常年生活在熱冷交替的邊緣熱帶區(qū)人群，其對(duì)高濕熱環(huán)境的生理適應(yīng)性更強(qiáng)。

2.2.2 心理反應(yīng)比較

受試者的熱感覺(jué)隨工況變化如圖5所示。無(wú)論是中熱帶區(qū)還是邊緣熱帶區(qū)，隨著工況從低溫增加到高溫，受試者的熱感覺(jué)從冷變到中性、暖、熱。對(duì)于中熱帶受試者，隨著實(shí)驗(yàn)環(huán)境由低溫工況A逐漸升至高溫工況H，即從20 ℃逐漸升高至34 ℃，當(dāng)RH為50%時(shí)，熱感覺(jué)投票值從工況A下涼偏冷(-2.43)到預(yù)備間工況下中性偏微涼(-0.35)到工況H超過(guò)暖(+2.27)；當(dāng)RH為70%時(shí)，熱感覺(jué)投票值從工況B下涼偏冷(-2.46)到預(yù)備間工況下中性偏微涼(-0.46)到工況G下趨近于熱(+2.64)。對(duì)于邊緣熱帶區(qū)的受試者，隨著實(shí)驗(yàn)環(huán)境由預(yù)備間工況逐漸升至高溫工況F，即從26 ℃逐漸升高至32 ℃，當(dāng)RH為50%時(shí)，熱感覺(jué)投票值從預(yù)備間工況下中性偏微涼(-0.46)到工況E下趨近于暖(1.62)；當(dāng)RH為70%時(shí)，熱感覺(jué)投票值從工況D下趨近于微暖(0.69)到工況F下超過(guò)暖(1.62)。可見(jiàn)，在低溫工況下，RH的升高會(huì)使人熱感覺(jué)降低。隨著溫度逐漸上升至高溫工況，溫度相同時(shí)，RH的升高會(huì)使人熱感覺(jué)升高。

圖5 不同工況下熱感覺(jué)的變化Fig.5 Change of TSV under different working conditions

在高溫高濕工況(C～F)下，邊緣熱帶區(qū)受試者的熱感覺(jué)都比中熱帶區(qū)略高，為0.3～0.5。這是由于中熱帶區(qū)人群常年生活在持續(xù)濕熱的環(huán)境中，相較于常年生活在熱冷交替的邊緣熱帶區(qū)人群，其對(duì)高濕熱環(huán)境的心理適應(yīng)性更強(qiáng)，導(dǎo)致熱感覺(jué)投票值偏低。

2.3 心理反應(yīng)作用關(guān)系比較

2.3.1 熱舒適與熱感覺(jué)

中熱帶區(qū)和邊緣熱帶區(qū)受試者的熱舒適與熱感覺(jué)都具有很強(qiáng)的相關(guān)性，如圖6所示。中熱帶區(qū)的熱舒適與熱感覺(jué)曲線(xiàn)在熱感覺(jué)投票值接近0的位置呈很好的對(duì)稱(chēng)關(guān)系，而邊緣熱帶區(qū)由于缺少低溫工況，其熱舒適與熱感覺(jué)曲線(xiàn)只有右半部分。

圖6 熱感覺(jué)與熱舒適的關(guān)系Fig.6 Relationship between TSV and TCV

圖6中兩條線(xiàn)性回歸線(xiàn)顯示，環(huán)境溫度越高，RH的增加對(duì)熱舒適和熱感覺(jué)的影響越顯著(中熱帶區(qū)受試者在29 ℃時(shí)，50%RH與70%RH的熱舒適投票值之差為0.06，熱感覺(jué)投票值之差為0.35；在34 ℃時(shí)，50%RH與70%RH的熱舒適投票值之差為0.59，熱感覺(jué)投票值之差為0.38。邊緣熱帶區(qū)，29 ℃時(shí)，50%RH與70%RH的熱舒適投票值之差為0.20，熱感覺(jué)投票值之差為0.30；32 ℃時(shí)，50%RH與70%RH的熱舒適投票值之差為0.24，熱感覺(jué)投票值之差為0.44)。

中熱帶區(qū)受試者熱感覺(jué)投票為零(TSV=0)時(shí)對(duì)應(yīng)的熱舒適投票值為1.221。邊緣熱帶由于缺少低溫工況，從相關(guān)分析曲線(xiàn)中得到(TSV=0)對(duì)應(yīng)的熱舒適投票值為1.216，兩者很接近。兩氣候區(qū)在預(yù)備間的熱舒適投票結(jié)果同樣證明了此結(jié)論。(中熱帶區(qū)熱感覺(jué)投票值為-0.35，熱舒適投票值為1.11；邊緣熱帶區(qū)熱感覺(jué)投票值為 -0.46，熱舒適投票值為1.10)。

2.3.2 熱感覺(jué)與熱可接受度

熱感覺(jué)與熱可接受的相關(guān)分析(圖7)顯示其相關(guān)性很強(qiáng)。中熱帶區(qū)受試者的熱可接受與熱感覺(jué)曲線(xiàn)在熱感覺(jué)投票值接近0的位置呈很好的對(duì)稱(chēng)關(guān)系，而邊緣熱帶區(qū)由于缺少低溫工況，其熱可接受與熱感覺(jué)曲線(xiàn)只有右半部分。中熱帶區(qū)受試者當(dāng)溫度從低溫工況A(20 ℃，50%RH)逐漸增加到工況C(29 ℃，50%RH)，熱可接受從剛剛接受變?yōu)榻邮茏罡?>0.5)，從工況C(29 ℃，50%RH)到工況H(34 ℃，70%RH)，熱可接受從接受最高(>0.5)變?yōu)椴豢山邮?-0.27)。邊緣熱帶區(qū)受試者在預(yù)備間工況(26 ℃，50%RH)熱可接受最高(>0.5)，從預(yù)備間工況(26 ℃，50%RH)到工況F(32 ℃，70%RH)，熱可接受從接受最高(>0.5)變?yōu)閯倓偨邮堋?/p>

圖7 熱感覺(jué)與熱可接受度的關(guān)系Fig.7 Relationship between TSV and thermal acceptability votes

當(dāng)溫度為29 ℃時(shí)，RH的變化對(duì)熱舒適度的影響并不大(29 ℃時(shí)，中熱帶區(qū)50%RH與70%RH的熱可接受度之差為0.05，邊緣熱帶區(qū)50%RH與70%RH的熱可接受度之差為0.04)，隨著溫度的升高或降低，RH的增加對(duì)熱可接受度的影響顯著增加(中熱帶區(qū)20 ℃時(shí)，50%RH與70%RH的熱可接受之差為0.12；34 ℃時(shí)，50%RH與70%RH的熱接受度之差為0.30；邊緣熱帶區(qū)32 ℃時(shí)，50%RH與70%RH的熱可接受之差為0.14)。邊緣熱帶區(qū)與中熱帶區(qū)受試者的在熱感覺(jué)投票值為零(TSV=0)對(duì)應(yīng)的熱可接受度分別為0.63和0.64。

2.4 心理反應(yīng)與生理反應(yīng)作用關(guān)系比較

2.4.1 熱感覺(jué)與皮膚溫度

中熱帶區(qū)和邊緣熱帶區(qū)受試者的熱感覺(jué)與平均皮膚溫度的相關(guān)分析(圖8)顯示其具有很強(qiáng)的相關(guān)性。中熱帶區(qū)受試者的平均皮膚溫度從工況A(20 ℃，50%RH)的31.5 ℃上升到工況F(32 ℃，70%RH)的35.3 ℃，到工況H(34 ℃，70%RH)的35.7 ℃，熱感覺(jué)投票值從涼偏冷(-2.46)到接近暖(+1.71)最后到接近熱(+2.64)；邊緣熱帶區(qū)受試者的平均皮膚溫度從預(yù)備間工況(26 ℃，50%RH)的33.5 ℃上升到工況F(32 ℃，70%RH)的35.4 ℃，熱感覺(jué)投票值從中性偏微暖(+0.39)到接近熱(+2.06)。在較低溫度下,人體通過(guò)皮下血管的收縮或擴(kuò)張調(diào)節(jié)皮膚表面溫度,以調(diào)節(jié)人體與環(huán)境間的對(duì)流及輻射換熱維持體溫恒定。環(huán)境溫度升高到一定數(shù)值后,人體皮膚溫度升高并通過(guò)調(diào)節(jié)性出汗進(jìn)行蒸發(fā)散熱,此時(shí)的皮膚表面溫度變化趨緩。

圖8 熱感覺(jué)與平均皮膚溫度的關(guān)系Fig.8 Relationship between TSV and mean skin temperature

中熱帶區(qū)熱感覺(jué)投票為零時(shí)(TSV=0)對(duì)應(yīng)的平均皮膚溫度為34.2 ℃。邊緣熱帶從相關(guān)分析曲線(xiàn)中得到(TSV=0)對(duì)應(yīng)的皮膚溫度為34.1 ℃，兩者很接近。但在高溫工況(工況溫度大于等于29 ℃)上，當(dāng)二者工況相同時(shí)，邊緣熱帶區(qū)受試者平均皮膚溫度與熱感覺(jué)投票值均顯著高于中熱帶區(qū)受試者，工況C(29 ℃，50%RH)時(shí)，邊緣熱帶區(qū)受試者熱感覺(jué)投票值0.39，平均皮膚溫度34.5 ℃，均顯著高于中熱帶區(qū)受試者熱感覺(jué)投票值-0.10，平均皮膚溫度34.1 ℃；工況D(29 ℃，70%RH)時(shí)，邊緣熱帶區(qū)受試者熱感覺(jué)投票值0.69，平均皮膚溫度34.8 ℃，均顯著高于中熱帶區(qū)受試者熱感覺(jué)投票值0.25，平均皮膚溫度34.5 ℃；工況E(32 ℃，50%RH)時(shí)，邊緣熱帶區(qū)受試者熱感覺(jué)投票值1.62，平均皮膚溫度35.5 ℃，均顯著高于中熱帶區(qū)受試者熱感覺(jué)投票值1.26，平均皮膚溫度35.2 ℃；工況F(32 ℃，70%RH)時(shí)，邊緣熱帶區(qū)受試者熱感覺(jué)投票值2.06，平均皮膚溫度35.4 ℃，均顯著高于中熱帶區(qū)受試者熱感覺(jué)投票值1.71，平均皮膚溫度35.3 ℃。這是由于中熱帶區(qū)受試者長(zhǎng)期生活在溫度更高的地區(qū)，生理熱適應(yīng)性顯著高于邊緣熱帶區(qū)受試者。

2.4.2 熱感覺(jué)與心率

中熱帶區(qū)和邊緣熱帶區(qū)受試者的熱感覺(jué)與心率的相關(guān)分析(圖9)顯示其呈現(xiàn)很強(qiáng)線(xiàn)性關(guān)系。隨著熱感覺(jué)從冷變?yōu)闊?，心率呈線(xiàn)性上升。熱感覺(jué)投票為零時(shí)(TSV=0)時(shí)，兩氣候區(qū)受試者的心率幾乎一致(中熱帶區(qū)為78.65 bpm，邊緣熱帶為78.68 bpm, bpm指每分鐘心跳次數(shù)，次/分)。

圖9 熱感覺(jué)與心率的關(guān)系Fig.9 Relationship between TSVand heart rate

當(dāng)工況從預(yù)備間逐漸變到F時(shí)，兩氣候區(qū)受試者心率由接近(中熱帶區(qū)受試者的心率測(cè)試結(jié)果平均值為78.0 bpm，邊緣熱帶區(qū)受試者的心率測(cè)試結(jié)果平均值為77.9 bpm)到差距顯著(中熱帶區(qū)受試者的心率測(cè)試結(jié)果平均值為86.1 bpm，邊緣熱帶區(qū)受試者的心率測(cè)試結(jié)果平均值為80.9 bpm)。

2.5 TSV與PMV的比較

中熱帶和邊緣熱帶區(qū)的實(shí)測(cè)TSV與PMV的關(guān)系如圖10所示。在所有工況下，兩氣候區(qū)受試者的TSV值與PMV值均存在差異，中熱帶區(qū)，A工況 (20 ℃，50%RH)下TSV與PMV的差距最小達(dá)0.41；工況C(29 ℃，50%RH)下差距最大，達(dá)1.48；邊緣熱帶區(qū)，工況F(32 ℃，70%RH)差距最小達(dá)0.5；工況C(29 ℃，50%RH)差距最大，達(dá)0.8。由于邊緣熱帶區(qū)與中熱帶區(qū)受試者長(zhǎng)期生活在較為炎熱的環(huán)境下，已經(jīng)適應(yīng)，而PMV的數(shù)據(jù)來(lái)源于歐洲和美國(guó)的樣本，當(dāng)處于工況C時(shí)，按照歐美數(shù)據(jù)庫(kù)得到的PMV要遠(yuǎn)大于TSV。當(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)升高時(shí)，邊緣熱帶區(qū)與中熱帶區(qū)受試者也逐漸開(kāi)始感到不適，TSV與PMV差值也逐漸縮小。表明基于PMV的熱中性溫度并不適用于熱帶地區(qū)。

圖10 兩氣候區(qū)不同工況下TSV與PMV的比較Fig.10 Comparison of TSV and PMV under different conditions in two climatic regions

2.6 熱中性溫度

中熱帶區(qū)和邊緣熱帶區(qū)受試者的熱感覺(jué)與實(shí)際熱中性有效溫度ET*呈很強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系(圖11)，其斜率分別為0.31和0.33，說(shuō)明邊緣熱帶區(qū)的受試者對(duì)環(huán)境變化的敏感性要略高于中熱帶區(qū)，這主要因?yàn)檫吘墴釒^(qū)(以?？跒槔?冬天最低溫度15 ℃，夏天平均溫度為26～33 ℃，人體每年有一個(gè)低溫高溫適應(yīng)期；而中熱帶區(qū)(以三亞為例)常年溫度25～31 ℃，人體生理適應(yīng)溫度范圍窄；當(dāng)TSV值為0時(shí)，中熱帶區(qū)受試者的ET*為28.2 ℃，邊緣熱帶區(qū)受試者ET*為27.6 ℃。

圖11 ET*與熱感覺(jué)的關(guān)系Fig.11 Relationship between ET * and TSV

3 討論

3.1 PD與PPD

中熱帶區(qū)和邊緣熱帶區(qū)受試者不同工況下的預(yù)測(cè)不滿(mǎn)意百分比(predicted percent dissatisfied,PPD)與實(shí)際不滿(mǎn)意百分比(percent dissatisfied,PD)如圖12所示。中熱帶區(qū)實(shí)測(cè)得到的90%可接受ET*范圍為25.0～30.3 ℃，80%可接受ET*范圍為23.4～31.8 ℃；邊緣熱帶區(qū)實(shí)測(cè)得到的90%可接受ET*范圍為22.4～29.6 ℃，80%可接受ET*范圍為20.8～31.1 ℃。邊緣熱帶區(qū)受試者可接受的ET*范圍大于中熱帶區(qū)受試者，這是由于邊緣熱帶區(qū)冬季溫度較低，導(dǎo)致邊緣熱帶區(qū)受試者對(duì)低溫有更好的接受度。由于中熱帶區(qū)受試者常年生活于相對(duì)于邊緣熱帶區(qū)更為熱的環(huán)境中，其可接受的ET*上限顯著高于邊緣熱帶區(qū)受試者。

圖12 兩氣候區(qū)PD與PPD的比較Fig.12 Comparison of PD and PPD in two climatic regions

無(wú)論中熱帶區(qū)還是邊緣熱帶區(qū)，其預(yù)測(cè)不滿(mǎn)意百分比PPD均顯著高于實(shí)測(cè)不滿(mǎn)意百分比PD，因此基于歐美人群數(shù)據(jù)庫(kù)得到的PMV-PPD模型計(jì)算出的熱舒適指標(biāo)與海南本地實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定差距。

3.2 與其他研究對(duì)比

將其他氣候區(qū)類(lèi)似的研究結(jié)果如表3所示。同屬于夏熱冬暖區(qū)的廣州和海南的熱中性溫度差異顯著，廣州為26.9 ℃(ET*)，海南北部邊緣熱帶區(qū)為27.6 ℃(ET*)，海南南部中熱帶區(qū)為28.2 ℃(ET*)，說(shuō)明長(zhǎng)期生活在高溫高濕環(huán)境的人，已經(jīng)適應(yīng)各自氣候區(qū)的高濕熱環(huán)境。中熱帶區(qū)的熱中性溫度(28.2 ℃)和北部邊緣熱帶區(qū)(27.6 ℃)高于廣州的(26.9 ℃)，表明同屬于夏熱冬暖氣候區(qū)的海南受試者已經(jīng)適應(yīng)比廣州更熱的環(huán)境。

表3 研究結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of research results

在熱感覺(jué)投票值為零時(shí)，嚴(yán)寒地區(qū)的哈爾濱(寒帶)、夏熱冬暖氣候區(qū)的廣州(亞熱帶)、?？?邊緣熱帶)和三亞(中熱帶)受試者的平均皮膚溫度依次33.1、33.2、34.2、34.3 ℃，中熱帶區(qū)的三亞略高于邊緣熱帶區(qū)的?？?.1 ℃,高于同屬于夏熱冬暖氣候區(qū)的廣州區(qū)1.1 ℃, 嚴(yán)寒地區(qū)的哈爾濱1.2 ℃。

不同氣候區(qū)受試者在最舒適時(shí)的熱感覺(jué)值不同，寒帶地區(qū)的哈爾濱受試者最舒適的熱感覺(jué)為0.07，亞熱帶區(qū)的廣州受試者則為-0.2，中熱帶區(qū)的受試者為-0.32(邊緣熱帶區(qū)因只有半支，拋物線(xiàn)不夠準(zhǔn)確，計(jì)算出最舒適時(shí)的熱感覺(jué)誤差較大，故不做比較)。由此可知，熱帶區(qū)和亞熱帶區(qū)的人們?cè)诟杏X(jué)稍涼環(huán)境下最舒適，這主要是因?yàn)槠溟L(zhǎng)期處于高濕熱環(huán)境下而期望涼爽環(huán)境。

4 結(jié)論

在自然通風(fēng)建筑人體熱舒適研究中，發(fā)現(xiàn)同為夏熱冬暖區(qū)的廣州和?？诒镜厝巳旱臒嶂行詼囟炔罹噍^大，為探尋其中原因，基于海南處于不同特點(diǎn)的熱帶氣候區(qū)，分別選取中熱帶區(qū)、邊緣熱帶區(qū)各30名典型人群進(jìn)行熱反應(yīng)氣候室試驗(yàn)，并與其他氣候區(qū)相關(guān)研究進(jìn)行比較，結(jié)論如下。

(1)中熱帶區(qū)受試者的熱中性有效溫度(28.4 ℃)高于邊緣熱帶區(qū)受試者(27.6 ℃)，也高于同屬于夏熱冬暖氣候區(qū)的廣州(26.9 ℃)，說(shuō)明熱帶地區(qū)人群比其他氣候區(qū)人群更能容忍高溫。

(2)較于邊緣熱帶氣候區(qū)人群，中熱帶區(qū)人群對(duì)高濕熱環(huán)境的生理、心理反應(yīng)都略低，說(shuō)明常年生活在持續(xù)濕熱的中熱帶區(qū)人群其心理和生理對(duì)高濕熱工況的適應(yīng)性也更強(qiáng)。

(3)與嚴(yán)寒地區(qū)和同屬于夏熱冬暖熱工區(qū)的廣州研究結(jié)果比較，人體熱中性時(shí)，熱帶氣候區(qū)人群的平均皮膚溫度更高，熱感覺(jué)投票值偏低。說(shuō)明常年生活于持續(xù)高濕熱環(huán)境的熱帶氣候區(qū)人群，無(wú)論在心理和生理上都更適應(yīng)高濕熱環(huán)境。

(4)PD與PPD在低溫及接近熱中性環(huán)境時(shí)相差較小，而在高濕熱環(huán)境兩者相差較大，說(shuō)明基于歐美人群數(shù)據(jù)庫(kù)的PMV-PPD模型并不完全適用于熱帶地區(qū)，熱帶地區(qū)人群的可接受溫度范圍更寬。