基于室內(nèi)空氣控制系統(tǒng)控制下的人體熱舒適研究

楊焱，左洪亮

（河南科技大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，河南 洛陽 471023）

隨著社會(huì)的發(fā)展，空調(diào)在室內(nèi)環(huán)境中的大量使用，僅僅調(diào)節(jié)溫度高低已不足以滿足人們對(duì)居住環(huán)境舒適度的需求，人們的需求正在逐步提高。人們大部分的時(shí)間是在室內(nèi)度過的，無論從在家辦公的工作效率還是個(gè)人身體健康方面，如今人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量會(huì)有更高的要求，從溫度、濕度、新鮮度方面來講，傳統(tǒng)的空調(diào)、加濕器等家用電器已不足以滿足人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求。溫度是室內(nèi)環(huán)境中的一個(gè)重要因素，通常家庭中的空調(diào)設(shè)置因素會(huì)首先考慮溫度的高低，是因?yàn)槿梭w熱舒適主要與周圍環(huán)境溫度的變化有關(guān)，但人體熱舒適的個(gè)體差異也會(huì)比較大，比如，不同性別、體質(zhì)、年齡都會(huì)造成很大的差異，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定的ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)表明，室內(nèi)比較適合的溫度為20～26℃，即冬季滿足20℃以上，夏季滿足26℃以下；濕度也是室內(nèi)環(huán)境中一個(gè)必不可少的因素，現(xiàn)有空調(diào)在夏季給人們帶來涼意的同時(shí)，也會(huì)抽走一部分的水分，會(huì)造成室內(nèi)很干燥，造成室內(nèi)缺水嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致人體缺水，然后造成人體不適，室內(nèi)的人會(huì)出現(xiàn)一些皮膚干燥、嘴唇干裂等現(xiàn)象，最終將會(huì)引發(fā)空調(diào)病，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定的ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)表明，比較符合的室內(nèi)環(huán)境的相對(duì)濕度大致為40%～60%；新鮮度也是室內(nèi)環(huán)境中必須考慮的因素之一，由于室內(nèi)環(huán)境是人們接觸頻繁、密切的環(huán)境之一，人們約有80%以上的時(shí)間是在室內(nèi)度過的，與室內(nèi)空氣污染物的接觸時(shí)間較多，良好的空氣新鮮度發(fā)揮了巨大的重要性，不但可以滿足人們的舒適性要求，還可以提高勞動(dòng)效率。而空氣新鮮度只與O2、CO2、空氣負(fù)離子有關(guān)，那么空調(diào)房間就只需改變以上三者的濃度即可，這樣就可以大大減少新風(fēng)負(fù)荷。

1 室內(nèi)環(huán)境研究與人體熱舒適之間的關(guān)系

1.1 室內(nèi)空氣設(shè)備研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)以來，以空調(diào)為代表的各種室內(nèi)控制技術(shù)飛速發(fā)展，為營(yíng)造健康舒適室內(nèi)環(huán)境提供可能，目前市場(chǎng)上的室內(nèi)空氣設(shè)備種類也比較多，如空調(diào)、空氣凈化器、空氣凈化設(shè)備與系統(tǒng)、空氣加濕器、家用新風(fēng)系統(tǒng)等，但從使用方式和

（1）空調(diào)。多數(shù)家庭中安裝的空調(diào)類型主要為壁掛式和立柜式，且空調(diào)管道不美觀，在空調(diào)使用方面，空調(diào)安裝位置固定，在一些相對(duì)不常用的房間安裝空調(diào)會(huì)造成資源浪費(fèi)，如果不安裝空調(diào)，又會(huì)影響后續(xù)的使用需求。并且大部分情況下，人們都是根據(jù)自己的主觀感受對(duì)空調(diào)進(jìn)行溫度的調(diào)高調(diào)低，沒有考慮真正的人體熱舒適感覺。

（2）空氣加濕器。容易造成細(xì)菌滋生以及污染物的出現(xiàn)，不太適合老年人等特殊人群使用，并且他們也不清楚它的具體用途。另外，由于地域氣候的差異，北方相對(duì)來說比較干燥，使用加濕器的頻率比較高，而南方更多的是進(jìn)行除濕?？偟膩碚f，人們使用頻率不高。

（3）空氣凈化設(shè)備與系統(tǒng)。空氣凈化設(shè)備是一種質(zhì)交換的設(shè)備，空氣凈化的對(duì)象主要為新風(fēng)（室外大大氣塵）和回風(fēng)（室內(nèi)產(chǎn)塵），空氣凈化設(shè)備的分類主要包括一般凈化、中等凈化、超凈凈化，而一般凈化為普通民用，目前人們使用頻率較低。

（4）家用新風(fēng)系統(tǒng)。目前很多家庭中對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)沒有概念，不了解新風(fēng)系統(tǒng)的使用原理，且認(rèn)為安裝過于麻煩，新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于大部分人來說，更像是一個(gè)遙不可及的未知數(shù)，目前尚未普及使用。

1.2 室內(nèi)空氣控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

相對(duì)空調(diào)而言，室內(nèi)空氣控制系統(tǒng)對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控將更具有智能化、均衡性、全面性、人性化的特點(diǎn)，而不僅僅只是一個(gè)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行技術(shù)分析、系統(tǒng)方案分析、控制邏輯設(shè)計(jì)分析、硬件設(shè)計(jì)構(gòu)思等過程，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了不少相關(guān)研究研究，比如文獻(xiàn)[2]在分析溫度、濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度四個(gè)熱環(huán)境參數(shù)對(duì)PMV指數(shù)影響的基礎(chǔ)上，基于人體舒適度模型的模糊控制，設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)舒適度控制器；文獻(xiàn)[3]提出如何智能化地進(jìn)行室內(nèi)溫度控制與空氣質(zhì)量保障之間的平衡工作非常重要，分析研究了如何利用信息化、數(shù)字化等現(xiàn)代技術(shù)改善機(jī)械通風(fēng)換氣裝置等問題；文獻(xiàn)[4]對(duì)人體舒適度指標(biāo)PMV進(jìn)行了分析,深入研究了影響人體舒適度的四個(gè)環(huán)境因素（溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度）和兩個(gè)非環(huán)境因素（人體新陳代謝率、服裝熱阻）,并利用MATLAB 2015b編程仿真確定環(huán)境因素中的可控因素（溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速）對(duì)PMV的影響程度,為控制策略提供理論支持,設(shè)計(jì)了基于人體舒適度的空調(diào)房間控制系統(tǒng)。針對(duì)室內(nèi)空氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素，即人體熱舒適，需要對(duì)其進(jìn)行具體的研究分析，以下將對(duì)人體熱舒適通過實(shí)驗(yàn)和問卷的方式來進(jìn)行具體分析，其中包括分析人體熱舒適與熱環(huán)境參數(shù)的關(guān)系分析，重點(diǎn)將從室內(nèi)溫度對(duì)于人體熱舒適的影響關(guān)系進(jìn)行分析。

2 人體熱舒適實(shí)驗(yàn)分析

2.1 人體生理客觀參數(shù)分析

人體舒適度是指人體皮膚和組織內(nèi)部有很多感受器官，能夠感受到肌體內(nèi)外的環(huán)境變化，并通過神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)感受到的變化產(chǎn)生反應(yīng)，并且人體在不同的外界環(huán)境影響下，皮膚、眼、神經(jīng)等器官因受環(huán)境刺激而產(chǎn)生不同的感覺，經(jīng)過大腦神經(jīng)系統(tǒng)整合后形成的總體感覺的適宜或不適宜程度。本次研究的主要是室內(nèi)環(huán)境，在此情況下，主要分析的是人體皮膚對(duì)環(huán)境刺激產(chǎn)生的不同熱感覺，即人體舒適度主要表現(xiàn)為室內(nèi)人體熱舒適（HTC）。而人體皮膚溫度、心率變異性、新陳代謝率、腦電波、肌電、排汗率與人體熱舒適具有較好的生理相關(guān)性，具備作為人體熱舒適客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的生理基礎(chǔ)，其中人體平均皮膚溫度和新陳代謝率是兩個(gè)重要的生理因素，平均皮膚溫度反映熱舒適程度的靈敏性較高，具備較高的可靠性，而且其測(cè)量與計(jì)算較簡(jiǎn)單，可作為1個(gè)有效的客觀指標(biāo)來評(píng)價(jià)不同熱環(huán)境下的人體熱舒適程度。

而PMV指標(biāo)是丹麥的范格爾（Franger）教授提出的綜合了空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、空氣流動(dòng)速度、平均轄射濕度、服裝熱阻和人體的新陳代謝率等6個(gè)因素的一種熱舒適性評(píng)價(jià)方法。自從Fanger教授提出了PMV指標(biāo)，作為全面性的熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)，已被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境中人體的熱舒適值計(jì)算，PMV值對(duì)應(yīng)的熱感覺關(guān)系如表1所示。

表1 PMV值對(duì)應(yīng)的熱感覺

2.2 人體熱舒適的主觀評(píng)價(jià)以及客觀測(cè)量分析

選取20名健康受試者，男女不等，無任何心血管疾病和傳染性疾病，且在測(cè)試前一天未服用酒、咖啡、藥物，未進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)，保持良好、充足的睡眠。測(cè)試房間內(nèi)通風(fēng)正常良好，受試者穿著舒適，為減少外界環(huán)境對(duì)受試者的影響，受試者到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后，靜坐休息15分鐘。實(shí)驗(yàn)正式開始前，測(cè)量實(shí)驗(yàn)室房間內(nèi)的空氣溫度、濕度、風(fēng)速數(shù)據(jù)，并做好數(shù)據(jù)記錄。

本次主觀投票主要是采用問卷的形式，包括受試者對(duì)不同室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行的熱感覺投票(TSV)及熱舒適度投票(TCV)。采用ashrae/iso七點(diǎn)熱感覺量表進(jìn)行熱感覺評(píng)分，分別為熱(+3)、暖(+2)、微暖(+1)、中性(0)、微涼(-1)、涼(-2)和冷(-3)。由于熱舒適與熱感覺存在分離的現(xiàn)象，因此在實(shí)驗(yàn)研究人體熱反應(yīng)時(shí)除了熱感覺投票(TSV)，往往也設(shè)置評(píng)價(jià)熱舒適程度的熱舒適投票(TCV)：不可忍受。

室內(nèi)相對(duì)濕度和風(fēng)速因?qū)嶒?yàn)條件有限，分別設(shè)計(jì)為30%和0.01m/s,設(shè)置幾組溫度梯度數(shù)據(jù)，分別為：19℃，20.5℃，22℃,23.5℃,25℃,26.5℃，28℃，根據(jù)上面所說的平均皮膚溫度可作為1個(gè)有效的客觀指標(biāo)來評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的人體熱舒適程度，設(shè)置不同溫度參數(shù)之后，需靜坐等待10min，測(cè)量人體8個(gè)部分的皮膚溫度，包括前額、左肩胛、左上胸、左上臂、左前臂、左手、左前大腿、左后小腿的溫度，然后根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算平均皮膚溫度，進(jìn)行主觀問卷投票，以及通過室內(nèi)環(huán)境、很不舒適、不舒適、稍不舒適、舒適。每位受試者根據(jù)自身的實(shí)際情況進(jìn)行投票。參數(shù)的測(cè)量，進(jìn)行PMV數(shù)值的計(jì)算，從而了解不同環(huán)境參數(shù)下人體熱舒適的相關(guān)情況，每次設(shè)置不同參數(shù)后，重復(fù)以上操作。實(shí)驗(yàn)所需儀器如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量所需儀器

根據(jù)美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校建筑環(huán)境中心CBE熱舒適計(jì)算工具計(jì)算分別對(duì)應(yīng)19℃、20.5℃、22℃、23.5℃、25℃、26.5℃、28℃的PMV值。受試者基本上統(tǒng)一著裝，服裝熱阻約為1.0clo,實(shí)驗(yàn)過程中受試者處于靜坐狀態(tài)，根據(jù)美國(guó)供熱致冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)中的參考值，人體代謝率統(tǒng)一取參考值1.0met,室內(nèi)相對(duì)濕度約為30%RH,空氣流速約為0.01m/s，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表格，基本與上面所設(shè)計(jì)的主觀問卷投票結(jié)果相一致（見表3）。

表3 不同室內(nèi)溫度對(duì)應(yīng)的PMV值以及熱感覺

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）環(huán)境參數(shù)結(jié)果分析。室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的測(cè)試結(jié)果如下，表4對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了描述性統(tǒng)計(jì)分析，包括測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差。

表4 環(huán)境參數(shù)結(jié)果分析

（2）主觀問卷結(jié)果分析。主觀問卷包括熱感覺評(píng)價(jià)投票和熱舒適評(píng)價(jià)投票，調(diào)查結(jié)果如下，受試者在冬季正常穿著的情況下，在19～23℃的溫度區(qū)間，大部分受試者是感到?jīng)龌蛘呶龅模踔猎跇O低的溫度19℃以下是感覺到冷的，而在23～25℃絕大部分受試者感覺中性，由于體質(zhì)、體型不同，有少數(shù)受試者在23.5℃時(shí)感覺是微涼的，還有部分受試者在25℃時(shí)已經(jīng)感覺到微暖，而在25～28℃大部分受試者的感覺是微暖或者暖，由于個(gè)人差異或者服裝熱阻的影響結(jié)果略微不同。對(duì)于熱舒適評(píng)價(jià)投票，受試者在19～23℃的溫度區(qū)間是感到稍不舒適的，23℃以上普遍感覺到舒適，溫度過高如28℃以上會(huì)有不舒適感，在這樣的溫度環(huán)境下待久了會(huì)有燥熱感。

（3）室內(nèi)溫度變化對(duì)皮膚溫度的影響。實(shí)驗(yàn)中隨著溫度的升高，即由偏冷環(huán)境向偏暖環(huán)境變化時(shí)，受試者的8個(gè)部位皮膚表面溫度均逐漸上升，平均皮膚溫度也呈現(xiàn)近似線性上升的趨勢(shì)。結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同環(huán)境溫度下人體平均皮膚溫度的變化

3 基于人體熱舒適的室內(nèi)空氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

人們長(zhǎng)期處于空調(diào)房間內(nèi)，由于傳統(tǒng)空調(diào)的恒溫控制，容易造成室內(nèi)外溫差過大，進(jìn)出室內(nèi)外會(huì)有明顯的溫度差異，且溫度設(shè)置或高或低已不能滿足人們的人體舒適度要求。根據(jù)之前的人體熱舒適實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，不同環(huán)境溫度下人體熱舒適感覺是不一致的，并且人們對(duì)室內(nèi)空氣控制系統(tǒng)的需求可概括為以下幾點(diǎn)：空氣溫度控制功能、空氣濕度控制功能和新鮮度控制功能，這些基礎(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)方式是通過硬件設(shè)備；為了使空氣控制設(shè)備所實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)功能更好地滿足人體生理和心理需求，提升室內(nèi)家居生活質(zhì)量，則需要通過控制軟件來實(shí)現(xiàn)。

室內(nèi)空氣控制系統(tǒng)主要應(yīng)該由硬件和硬件控制兩個(gè)部分組成，功能執(zhí)行硬件和數(shù)據(jù)采集硬件兩個(gè)部分，根據(jù)功能需求，控制器數(shù)據(jù)采集功能主要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)常見污染氣體濃度以及溫濕度的檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋給控制器，除了環(huán)境數(shù)據(jù)采集，還需要包括人體數(shù)據(jù)采集，白天狀態(tài)時(shí)，可以通過智能手環(huán)等穿戴產(chǎn)品進(jìn)行采集，可隨時(shí)檢測(cè)到人體生理數(shù)據(jù)的變化過程，同時(shí)連接移動(dòng)客戶端即手機(jī)APP來隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)；當(dāng)夜晚狀態(tài)時(shí)，通過床上或床頭上的傳感器檢測(cè)人體睡眠狀態(tài)，心率狀態(tài)，以及生理狀態(tài)，同時(shí)傳感器把數(shù)據(jù)反饋給控制器進(jìn)行溫度、濕度、新鮮度的調(diào)節(jié)，讓人們可以有更加舒服的睡眠狀態(tài)?？偟膩碚f，各種空氣控制設(shè)備相互配合形成一個(gè)空氣控制工作組，根據(jù)人們?cè)诓煌瑫r(shí)間、不同生理狀態(tài)下進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，并符合人體熱舒適需求?？諝饪刂葡到y(tǒng)的控制方式采用可人為干涉的智能控制，可以在人體主觀感受與環(huán)境參數(shù)不相符合的情況下進(jìn)行人為調(diào)節(jié)。在能效盡可能最大化、資源節(jié)約的基礎(chǔ)上，提高各種空氣控制模塊的工作效率以及與其他方面空氣控制模塊的配合度，進(jìn)而為人們準(zhǔn)確地提供最佳的室內(nèi)空氣質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文通過實(shí)驗(yàn)、問卷的方法，從人體熱舒適的角度，進(jìn)行客觀測(cè)量和主觀評(píng)價(jià)兩方面的熱舒適分析，主觀評(píng)價(jià)和平均皮膚溫度有所不一致，比如，隨著室內(nèi)溫度的上升，平均皮膚溫度也逐漸上升，但人體卻仍感覺是舒適的狀態(tài)，這是由于不能僅靠單一的皮膚溫度來預(yù)測(cè)人體熱感覺和熱舒適，還要考慮其他因素，相關(guān)文獻(xiàn)表示，心率變異性、新陳代謝率、腦電波、排汗率與人體熱舒適具有較好的生理相關(guān)性具備作為人體熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)的生理基礎(chǔ)。通過客觀測(cè)量分析和計(jì)算計(jì)算，根據(jù)人體生理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，也可進(jìn)行人為調(diào)控，從生理和心理兩個(gè)方面真正滿足人體熱舒適的需求，從而針對(duì)人體熱舒適的室內(nèi)空氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究需要滿足以下需求：使產(chǎn)品更加具有人性化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，全方面地考慮人們的生理以及心理特征，以給人們提供更加舒適的生活環(huán)境。