室外環(huán)境人體熱舒適評(píng)價(jià)

劉蔚巍，鄧啟紅，連之偉

（1-中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2-上海交通大學(xué)制冷及低溫工程研究所，上海 200240）

室外環(huán)境人體熱舒適評(píng)價(jià)

劉蔚巍*1，鄧啟紅1，連之偉2

（1-中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2-上海交通大學(xué)制冷及低溫工程研究所，上海 200240）

介紹了室外人體熱舒適的影響因素，并分析了現(xiàn)有室外人體熱舒適評(píng)價(jià)方法的局限性。在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)能更全面合理地反映室外熱舒適機(jī)理的新評(píng)價(jià)模型：“熱生理－適應(yīng)” 模型。這一新評(píng)價(jià)模型的建立將為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)不同室外環(huán)境下人體的熱舒適奠定理論基礎(chǔ)。

室外熱環(huán)境；熱舒適；熱適應(yīng)；熱生理參數(shù)

0 前言

隨著我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市人口不斷增加，而城市規(guī)模的擴(kuò)張卻相對(duì)有限。由此形成的高密度人口、建筑和交通使得城市熱環(huán)境不斷惡化（如城市熱島效應(yīng)），給人們的生命和健康造成極大危害[1]。

室外熱環(huán)境對(duì)人體形成的過度熱應(yīng)力（thermal stress）是造成危害的一個(gè)重要原因[2,3]。人體在室外環(huán)境的熱舒適程度作為反映熱應(yīng)力強(qiáng)度的有效指標(biāo)而受到重視[2,4]。營(yíng)造適應(yīng)人體熱舒適需求的室外熱環(huán)境，對(duì)于緩解不利氣候?qū)θ梭w健康的沖擊、提高人們的城市生活品質(zhì)、促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有著極其重要的意義。

隨著人們對(duì)城市環(huán)境熱舒適的日益重視，針對(duì)此方面的研究正逐漸成為國(guó)際熱舒適領(lǐng)域的重要方向。室外環(huán)境人體熱舒適（以下簡(jiǎn)稱“室外熱舒適”）的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)是深入開展室外熱舒適研究的基礎(chǔ)，同時(shí)也是對(duì)室外熱環(huán)境合理評(píng)判與優(yōu)化的關(guān)鍵。本文針對(duì)現(xiàn)有室外熱舒適評(píng)價(jià)方法的局限性，提出了一個(gè)能更全面合理地反映室外熱舒適機(jī)理的新評(píng)價(jià)模型：“熱生理－適應(yīng)”模型。

1 室外熱舒適影響因素

影響室外熱舒適因素可歸納為兩方面：熱環(huán)境因素和熱適應(yīng)因素。兩方面因素對(duì)人體熱舒適的影響途徑如圖1所示。

圖1 室外熱舒適的影響因素

1.1 熱環(huán)境因素

由圖1可見，室外熱環(huán)境通過與人體之間的熱交換使人體產(chǎn)生熱生理反應(yīng)，而熱生理反應(yīng)是形成人體熱感覺的關(guān)鍵因素[5]。

室外熱環(huán)境參數(shù)主要包括環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射。不同于室內(nèi)環(huán)境，這四個(gè)參數(shù)的變化范圍較廣，其中太陽(yáng)輻射對(duì)室外熱舒適有著較為重要的影響。

氣候是導(dǎo)致室外熱環(huán)境形成及變化的驅(qū)動(dòng)力，而城市物理結(jié)構(gòu)則決定了熱環(huán)境的時(shí)空變化特征。

1.2 熱適應(yīng)因素

人們對(duì)室外熱環(huán)境的熱適應(yīng)包括物理適應(yīng)（physical adaptation）、生理適應(yīng)（physiological adaptation）和心理適應(yīng)（psychological adaptation）三種方式[6]。不同的熱適應(yīng)方式對(duì)熱舒適的作用由圖1可見。其中，物理適應(yīng)并不直接改變?nèi)梭w熱舒適，而是通過改變周圍熱環(huán)境（interactive adaptation）或調(diào)整自身狀態(tài)（reactive adaptation）作用于人體的熱生理反應(yīng)。生理適應(yīng)又稱為生理習(xí)服（physiological acclimatization），其影響一般并不明顯[6]。心理適應(yīng)包含的因素較多[7]，且都直接作用于人體的熱舒適感覺，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果為此提供了充分的證據(jù)[6,8-10]。

2 現(xiàn)有室外熱舒適評(píng)價(jià)方法及局限性

熱舒適評(píng)價(jià)模型可分為兩類：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话悴捎没貧w分析方法建立人體熱感覺與熱環(huán)境參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式。這類模型計(jì)算簡(jiǎn)單，但適用范圍具有較大的局限性，而且不能反映熱舒適機(jī)理。機(jī)理模型一般基于人體熱平衡方程或關(guān)鍵熱生理參數(shù)來建立人體熱感覺與熱環(huán)境參數(shù)的關(guān)系。機(jī)理模型由于機(jī)理性強(qiáng)、適用性好而成為研究的熱點(diǎn)和前沿。

2.1 熱生理模型

對(duì)于室外熱環(huán)境，機(jī)理模型自然也成為評(píng)價(jià)其熱舒適性的首選。目前主要的方法是沿用基于人體熱平衡的室內(nèi)熱舒適評(píng)價(jià)生理模型（Fanger 的PMV模型）[11,12]。然而，應(yīng)用于室外熱環(huán)境時(shí)PMV模型的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果往往存在較大偏差[8,13,14]。這表明，針對(duì)室內(nèi)熱舒適建立的熱生理模型不適合直接應(yīng)用于室外熱環(huán)境舒適性的評(píng)價(jià)，因?yàn)槭彝鉄岘h(huán)境參數(shù)較室內(nèi)熱環(huán)境具有更廣的變化范圍，而且室內(nèi)、外環(huán)境中人體的心理適應(yīng)存在較大差異[15]。

考慮到人體運(yùn)動(dòng)時(shí)與室外熱環(huán)境之間的換熱特點(diǎn)，Brown和Gillespie等人在對(duì)Fanger 的人體熱平衡模型進(jìn)行修正的基礎(chǔ)上，建立了另一個(gè)熱生理模型 COMFA[16,17]。該模型進(jìn)一步將某一室外環(huán)境中的實(shí)測(cè)熱感覺與人體內(nèi)的熱積累（heat budget）關(guān)聯(lián)來對(duì)熱舒適進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。然而，當(dāng)應(yīng)用到不同季節(jié)或地點(diǎn)的室外環(huán)境時(shí)，COMFA模型的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果仍有明顯偏差[17,18]。除了模型自身的計(jì)算誤差，一個(gè)重要原因是沒有考慮室外環(huán)境下的心理熱適應(yīng)對(duì)熱舒適的顯著影響[17,18]。

可見，雖然熱生理反應(yīng)是影響熱舒適的關(guān)鍵因素，但由于心理適應(yīng)的存在，描述熱生理反應(yīng)的機(jī)理模型還不足以為室外環(huán)境人體熱舒適提供充分可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.2 熱適應(yīng)模型

考慮到熱適應(yīng)的影響，一些研究基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果，直接將室外熱環(huán)境指標(biāo)與實(shí)測(cè)熱感覺關(guān)聯(lián)，建立二者之間的回歸方程[13,19]，作為室外熱舒適評(píng)價(jià)模型（熱適應(yīng)模型）。如表1 所示，室外熱適應(yīng)模型體現(xiàn)了不同地區(qū)或氣候下熱適應(yīng)對(duì)室外熱舒適的影響。但由于不能反映熱舒適的生理機(jī)理，它們屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，只適用于特定的地區(qū)或氣候條件。

綜上所述，對(duì)室外環(huán)境人體熱舒適的合理評(píng)價(jià)需要考慮熱生理反應(yīng)和心理適應(yīng)的共同作用?，F(xiàn)有的評(píng)價(jià)模型，無論是熱生理模型還是熱適應(yīng)模型，都存在較大的局限性。

表1 不同地區(qū)室外環(huán)境PET指標(biāo)與熱感覺的關(guān)系[13,19]（室外熱適應(yīng)模型）

3 室外熱舒適“熱生理-適應(yīng)”評(píng)價(jià)模型

為改善現(xiàn)有室外熱舒適評(píng)價(jià)模型的局限性，本文提出將心理適應(yīng)的影響定量引入熱生理機(jī)理模型，建立基于關(guān)鍵熱生理參數(shù)的室外環(huán)境人體熱舒適評(píng)價(jià)模型。這將是新的機(jī)理模型，即“熱生理－適應(yīng)模型”。

3.1 模型原理

室外熱舒適“熱生理－適應(yīng)”評(píng)價(jià)模型的原理如圖2所示。該模型將由熱生理反應(yīng)引起的熱感覺定義為基礎(chǔ)熱感覺，將由心理適應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)熱感覺的影響定義為適應(yīng)因子。熱生理模塊用來描述基礎(chǔ)熱感覺與關(guān)鍵熱生理參數(shù)的定量關(guān)系（穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)），這是整個(gè)評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)。熱適應(yīng)模塊應(yīng)用適應(yīng)因子定量化心理適應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)熱感覺的影響。熱舒適模塊建立熱感覺－熱舒適－熱可接受度之間的定量關(guān)系。通過這三個(gè)模塊最終實(shí)現(xiàn)對(duì)室外環(huán)境下人體熱舒適的評(píng)價(jià)。

熱生理參數(shù)和適應(yīng)因子的運(yùn)用使得該模型較現(xiàn)有的熱舒適評(píng)價(jià)模型能更全面合理地反映室外環(huán)境人體熱舒適機(jī)理，因而具有更為廣泛的應(yīng)用范圍。之所以基于熱生理參數(shù)而非人體熱積累來描述熱生理機(jī)理，是因?yàn)榛A(chǔ)熱感覺與熱生理參數(shù)之間的關(guān)系更為明確和直接，若包括較多的輸入?yún)?shù)（如熱積累量計(jì)算）反而可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。而且實(shí)際應(yīng)用時(shí)，熱生理參數(shù)值既可通過實(shí)測(cè)直接獲得，也可采用熱調(diào)節(jié)模型的計(jì)算值。

圖2 室外熱舒適的熱生理-適應(yīng)評(píng)價(jià)模型原理圖

3.2 實(shí)現(xiàn)方法

建立室外熱舒適“熱生理－適應(yīng)”評(píng)價(jià)模型的主要方法如下：

（1）開展氣候室實(shí)驗(yàn)（大溫度范圍），獲得人體基礎(chǔ)熱感覺與關(guān)鍵熱生理參數(shù)的定量關(guān)系；

（2）進(jìn)行室外環(huán)境實(shí)驗(yàn)，獲得人體在室外熱環(huán)境的生理與心理熱反應(yīng)規(guī)律；

（3）基于（2）的結(jié)果，分析心理適應(yīng)對(duì)室外熱舒適的影響機(jī)制，確定適應(yīng)因子；

（4）建立評(píng)價(jià)模型，并進(jìn)行驗(yàn)證與修正。

4 結(jié)論

現(xiàn)有的室外熱舒適評(píng)價(jià)模型，無論是熱生理模型還是熱適應(yīng)模型，都存在較大局限性。室外熱舒適“熱生理－適應(yīng)”評(píng)價(jià)模型考慮了熱生理反應(yīng)和心理適應(yīng)的共同作用，較目前的評(píng)價(jià)模型能更全面合理地反映室外環(huán)境人體熱舒適機(jī)理。這一新評(píng)價(jià)模型的建立將為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)不同室外環(huán)境下人體的熱舒適奠定理論基礎(chǔ)，進(jìn)而為營(yíng)造健康、舒適的室外熱環(huán)境提供可靠的理論依據(jù)。

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Evaluation of Human Thermal Comfort in Outdoor Environment

LIU Wei-wei1, DENG Qi-hong1, LIAN Zhi-wei2
(1- School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410083;2- Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030)

The factors influencing outdoor thermal comfort were introduced. And the limitations of existing evaluation models were analyzed. Further, a new evaluation model of outdoor thermal comfort, thermal physiological - adaptation model, was proposed. The model can provide an important basis for predicting and evaluating human thermal comfort in various outdoor environments.

Outdoor thermal environment; Thermal comfort; Thermal adaptation; Thermal physiology

*劉蔚巍（1980－），男，副教授，博士。研究方向：熱環(huán)境與人體熱舒適及健康。聯(lián)系地址：湖南省長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)中南大學(xué)本部校區(qū)能源科學(xué)與工程學(xué)院，郵編：410083。聯(lián)系電話：0731-88877175。Email：wliu@mail.csu.edu.cn。

中南大學(xué)自由探索計(jì)劃（2011QNZT094）

本論文優(yōu)選自中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文。