動(dòng)態(tài)輻射熱環(huán)境對(duì)人體生理與熱反應(yīng)的影響

李念平，張穩(wěn)，阿勇嘎，潘凈婧

（湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082）

人居環(huán)境的舒適性對(duì)人體非常重要，舒適的熱環(huán)境是人體健康的前提，也是工作效率的保障.在熱舒適領(lǐng)域，國(guó)外探索研究較早，1919年ASHRAE在美國(guó)匹茲堡建立實(shí)驗(yàn)室，主要研究濕度對(duì)熱環(huán)境和人體熱舒適的作用［1］；Fanger［2］教授在20 世紀(jì)70 年代提出適用于均勻、低風(fēng)速、低代謝率的非極端環(huán)境的PMV-PPD 理論，之后通過(guò)大量熱舒適研究又有學(xué)者提出熱適應(yīng)的觀點(diǎn)［3］.隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中的環(huán)境幾乎都是非均勻的，在2003 年，Zhang［4］基于大量非均勻環(huán)境的研究提出了UCB 模型，該模型是現(xiàn)有研究中最全面、最系統(tǒng)的非均勻環(huán)境熱舒適模型［5］.因此依然很有必要研究環(huán)境在變化情況下的舒適性，以在盡量滿足人體熱需求的基礎(chǔ)上，拓寬室內(nèi)空調(diào)溫度控制范圍，營(yíng)造節(jié)能健康的空調(diào)控制模式.

針對(duì)室內(nèi)外動(dòng)態(tài)環(huán)境的研究，最突出的問(wèn)題是由于室內(nèi)外存在一定溫差，冷熱沖擊會(huì)影響人體的生理健康［6］.關(guān)于環(huán)境突變的研究最早是1969 年Gagge 教授對(duì)中性-熱/冷-中性的研究［7］中，他發(fā)現(xiàn)了“熱感覺(jué)超越”現(xiàn)象和“心理超前”現(xiàn)象；之后de Dear 等［8］、Nagano 等［9］、Tsutsumi 等［10］的研究也驗(yàn)證了Gagge 等［7］的結(jié)論.黃倩倩和李俊［11］的研究中，綜述了不同的環(huán)境突變參數(shù)對(duì)熱感覺(jué)動(dòng)態(tài)變化的作用，包括初始溫度、突變溫差、突變方向等，也是溫度突變研究較多的一個(gè)方向.徐暢等［12］探究了夏季突變環(huán)境下的人體熱感知，發(fā)現(xiàn)可通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，主動(dòng)調(diào)節(jié)辦公人員的工作效率；杜晨秋［13］開(kāi)展了不同突變溫差和突變方向下的人體熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)；Ji等［14］探索了人體如何隨著溫度的變化而適應(yīng)環(huán)境，并描述客觀皮膚溫度和主觀熱評(píng)估之間的關(guān)系，得出即使較差的熱環(huán)境略有改善，受試者的熱滿意度也會(huì)顯著提高.然而有研究表明，非穩(wěn)態(tài)條件下熱反應(yīng)研究尚不成熟［15］，經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該方向大量研究都是在對(duì)流工況下進(jìn)行，針對(duì)輻射空調(diào)工況下的短期溫度突變環(huán)境的研究相對(duì)較少.

輻射供冷［16］是依靠供冷部件與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面間的輻射換熱，從而改善房間內(nèi)部冷負(fù)荷的供冷方式.輻射空調(diào)系統(tǒng)具有健康、舒適和節(jié)能的特點(diǎn)，近年來(lái)李念平等［17］、Yang 等［18］均針對(duì)輻射空調(diào)的熱舒適進(jìn)行研究，得出不同形式的輻射空調(diào)都具有較好的室內(nèi)熱舒適性.據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一些研究者［19-21］采用實(shí)驗(yàn)和模擬的方法，探究各種輻射空調(diào)系統(tǒng)新形式的熱舒適性已經(jīng)成為輻射空調(diào)下熱舒適研究的主要方向.基于上述研究現(xiàn)狀，大多輻射空調(diào)熱舒適研究集中于穩(wěn)態(tài)環(huán)境下開(kāi)展，而實(shí)際辦公環(huán)境下人員大多是不斷移動(dòng)的，所以短期的溫度突變更接近于實(shí)際生活情況，而在輻射空調(diào)的背景下，考慮短期溫度突變的研究很少.

綜上所述，人體經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)環(huán)境中，突變熱環(huán)境更接近于實(shí)際環(huán)境，但關(guān)于突變環(huán)境下的熱反應(yīng)研究不充分.本文探索輻射空調(diào)形式下溫度突變對(duì)人體熱舒適的影響，進(jìn)而充分挖掘節(jié)能潛力，以期完善動(dòng)態(tài)環(huán)境下輻射空調(diào)系統(tǒng)的人體熱反應(yīng)機(jī)理，為控制調(diào)節(jié)輻射空調(diào)系統(tǒng)提供一定的參考.

1 研究方法

1.1 受試者概況

本研究招募了20 名健康的受試者，其中包括10名男性和10 名女性，每個(gè)受試者均參加了所有工況的實(shí)驗(yàn).為減小個(gè)體差異的影響，受試者均為20～30歲之間的在校研究生，并在長(zhǎng)沙生活至少一年以上，具體生理特征參數(shù)如表1 所示.受試者均無(wú)嚴(yán)重疾病史，且要求受試者試驗(yàn)前24 h不喝咖啡、酒精或進(jìn)行高強(qiáng)度的體育鍛煉.在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，研究人員向受試者講解了實(shí)驗(yàn)流程和注意事項(xiàng).受試者的穿著和活動(dòng)狀態(tài)模擬中性環(huán)境下真實(shí)辦公室的狀況，所有的受試者都穿冬季常規(guī)服裝（內(nèi)衣褲、薄外套、褲子、襪子和運(yùn)動(dòng)鞋），服裝熱阻約1 clo（1 clo=0.155 m·K/W）.受試者坐著并做一些輕松的辦公工作，如閱讀和打字，代謝率接近1.1 met.并且受試人員不具有與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的背景知識(shí).

表1 受試者生理特征參數(shù)（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Tab.1 Anthropometric data of subjects（Mean±SEM）

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)于2021 年1月在湖南大學(xué)兩個(gè)相鄰的氣候室進(jìn)行.兩個(gè)相鄰的實(shí)驗(yàn)室有單獨(dú)的空調(diào)控制系統(tǒng)，獨(dú)立調(diào)節(jié)室內(nèi)工況，之間有一張門(mén)可讓受試者快速轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)環(huán)境，模擬突變過(guò)程，具體實(shí)驗(yàn)室平面布置如圖1（a）所示.兩個(gè)實(shí)驗(yàn)房間的尺寸均為2.2 m（寬）×3.5 m（長(zhǎng)）×3 m（高），將其分別命名為實(shí)驗(yàn)房間1、實(shí)驗(yàn)房間2，實(shí)驗(yàn)房間1 用于營(yíng)造偏涼低溫環(huán)境，實(shí)驗(yàn)房間2 用于營(yíng)造中性空調(diào)熱環(huán)境.實(shí)驗(yàn)房間1、實(shí)驗(yàn)房間2 均設(shè)有風(fēng)機(jī)盤(pán)管空調(diào)系統(tǒng)和輻射空調(diào)系統(tǒng)（由聚丙烯PP 毛細(xì)管組成的輻射地板、輻射吊頂兩種末端形式）.其中風(fēng)機(jī)盤(pán)管空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，采用側(cè)面送風(fēng)，頂部回風(fēng)的氣流組織形式.冷熱源為一臺(tái)空氣源熱泵，不同空調(diào)系統(tǒng)的送回水管分別獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制.

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及儀器布置圖（單位：mm）Fig.1 Experimental platform and instrument layout（unit：mm）

實(shí)驗(yàn)房間1、2 內(nèi)表面均貼有熱電偶，記錄室內(nèi)各表面的溫度變化，如圖1（b）所示.用HD 32.3-WBGT-PMV 溫濕度記錄儀對(duì)熱環(huán)境進(jìn)行測(cè)試記錄，實(shí)驗(yàn)期間儀器傳感器探頭放置距受試者50 cm、距地面60 cm 高度處，設(shè)置采樣頻率10 s/次；血氧飽和度及脈率用脈搏血氧飽和度儀實(shí)時(shí)采集；采用iButton溫度傳感器對(duì)受試者身體10 個(gè)部位（額頭、胸部、上臂、手背、大腿前側(cè)、肩胛部、腹部、足部、小臂、小腿前側(cè)）的局部皮膚溫度進(jìn)行高精度連續(xù)測(cè)量，以10 s間隔記錄.實(shí)驗(yàn)所用儀器及其具體參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)及測(cè)量參數(shù)Tab.2 Experimental apparatus model and measuring parameters

根據(jù)Colin Houdals 的“十點(diǎn)法”經(jīng)驗(yàn)公式加權(quán)計(jì)算［22］人體平均皮膚溫度：

式中：Tms為平均皮膚溫度，℃；Tf1為額頭溫度，℃；Tc為胸部溫度，℃；Tu為上臂溫度，℃；Ta為腹部溫度，℃；Tl為小臂溫度，℃；Th為手背溫度，℃；Tt為大腿前側(cè)溫度，℃；Tg為小腿前側(cè)溫度，℃；Tf2為足部溫度，℃；Tb為肩胛部溫度，℃.

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

研究主要針對(duì)偏涼環(huán)境下不同空調(diào)形式的溫度突變開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)分為2 個(gè)階段，階段Ⅰ通過(guò)實(shí)驗(yàn)房間1的風(fēng)機(jī)盤(pán)管空調(diào)系統(tǒng)營(yíng)造初始的對(duì)流熱環(huán)境，階段Ⅱ在實(shí)驗(yàn)房間2 營(yíng)造對(duì)流、輻射地板、輻射吊頂三種不同空調(diào)形式的溫度突變熱環(huán)境，共涉及4 個(gè)工況：1）從16 ℃突變到20 ℃的對(duì)流空調(diào)形式；2）從16 ℃突變到20 ℃的輻射地板空調(diào)形式；3）從16 ℃突變到20 ℃的輻射吊頂形式；4）從20 ℃到20 ℃的對(duì)流空調(diào)形式.每個(gè)工況20 人次且實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)50 min，風(fēng)速≤0.1 m/s，每個(gè)氣候室內(nèi)溫濕度保持相對(duì)恒定.具體實(shí)驗(yàn)工況的不同空調(diào)形式的溫度突變?cè)O(shè)置信息見(jiàn)表3.

表3 實(shí)驗(yàn)工況具體設(shè)置Tab.3 Experiment conditions

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

在長(zhǎng)沙冬季（1 月）進(jìn)行實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，實(shí)驗(yàn)人員至少提前2 h開(kāi)啟空調(diào)主機(jī)設(shè)備，以保證實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)室內(nèi)熱環(huán)境達(dá)到設(shè)計(jì)工況的穩(wěn)態(tài)，實(shí)驗(yàn)時(shí)要求受試者提前30 min到達(dá)準(zhǔn)備室，更換統(tǒng)一著裝，并配合實(shí)驗(yàn)人員戴好測(cè)試設(shè)備，隨后保持靜坐狀態(tài)，適應(yīng)室內(nèi)溫度，以消除外環(huán)境和自身代謝對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.期間由實(shí)驗(yàn)人員講解實(shí)驗(yàn)流程和測(cè)試問(wèn)卷填寫(xiě)要求.在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，要求受試者進(jìn)行輕度活動(dòng)（閱讀、輕辦公等），不可以交流測(cè)試問(wèn)卷相關(guān)內(nèi)容及隨意移動(dòng)，減少除測(cè)試變量外的其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.

整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段，Ⅰ階段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)房間1，填第一份問(wèn)卷，20 min 后，離開(kāi)實(shí)驗(yàn)房間1 前填寫(xiě)第二份問(wèn)卷；四名受試者填寫(xiě)完問(wèn)卷后同時(shí)快速進(jìn)入實(shí)驗(yàn)房間2（進(jìn)入Ⅱ階段），坐下后立即填寫(xiě)第三份問(wèn)卷，之后的問(wèn)卷由實(shí)驗(yàn)人員提醒受試者填寫(xiě)，具體流程圖如圖2所示.每份問(wèn)卷填寫(xiě)時(shí)間約1 min.

圖2 實(shí)驗(yàn)具體流程Fig.2 Experimental procedures

1.5 主觀問(wèn)卷

問(wèn)卷調(diào)查是主觀感受研究的重要途徑，本實(shí)驗(yàn)采用問(wèn)卷星軟件收集受試者的問(wèn)卷調(diào)查，包括：熱感覺(jué)（TSV）、熱舒適（TCV）、熱可接受度（TAV）、熱愉悅感.主觀問(wèn)卷調(diào)查投票標(biāo)尺劃分如圖3所示.

圖3 主觀問(wèn)卷投票標(biāo)尺Fig.3 Subjective questionnaire voting scale

2 研究結(jié)果及分析

2.1 熱環(huán)境參數(shù)

各設(shè)定溫度工況的實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)如表4 所示，表中的操作溫度與所對(duì)應(yīng)設(shè)定的工況情況相近.

表4 具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Tab.4 The experimental parameters during the experiments（Mean±SEM）

2.2 生理參數(shù)

2.2.1 平均皮膚溫度

在偏涼的溫度突變環(huán)境下，對(duì)20 名受試者不同工況的平均皮膚溫度隨時(shí)間變化取平均值，得到不同工況下受試者平均皮膚溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖4 所示.當(dāng)受試者進(jìn)入到有溫度突變的三種不同空調(diào)環(huán)境后，對(duì)比無(wú)突變的對(duì)流形式（人體平均皮膚溫度存在最大0.2 ℃的波動(dòng)），平均皮膚溫度均發(fā)生明顯改變.從變化趨勢(shì)可知，受試者的平均皮膚溫度在工況1 突變發(fā)生后開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，而工況2、3在突變后未立即改變，表明生理參數(shù)對(duì)環(huán)境溫度突變的響應(yīng)存在一定的延遲，這在Gagge 等［7］的溫度突變實(shí)驗(yàn)中也有同樣的結(jié)果.結(jié)果表明之前研究中溫升突變到對(duì)流空調(diào)環(huán)境中的皮膚溫度滯后現(xiàn)象，在人體從突變到輻射空調(diào)環(huán)境下也同樣存在.

圖4 平均皮膚溫度隨時(shí)間變化Fig.4 The variations of mean skin temperature with time

采用SPSS26.0軟件探索各種反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，對(duì)受試者突變初始時(shí)刻至最后時(shí)刻的皮膚溫度值進(jìn)行內(nèi)方差分析（within-subjects ANOVA），若結(jié)果為無(wú)顯著差異，則將起始時(shí)刻依次向后調(diào)整，直至結(jié)果為有顯著差異（即p＜0.05，p值是原假設(shè)為真時(shí)，出現(xiàn)偏離原假設(shè)的觀測(cè)值及比觀測(cè)值更極端的值的概率），此時(shí)對(duì)應(yīng)的起始時(shí)刻即為反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)刻，結(jié)果得出工況1、2、3 在最后10min 時(shí)p＜0.05.圖5 給出了在階段Ⅱ最后10 min 的整體和局部皮膚溫度值，所有人都在不同工況的熱經(jīng)歷后待在操作溫度為20 ℃的設(shè)定工況下20 min.對(duì)比未發(fā)生突變的對(duì)照工況4在階段Ⅱ的平均皮溫，工況1、2、3的平均皮膚溫度分別高0.4 ℃、0.4 ℃、0.2 ℃；對(duì)比工況4，局部皮膚溫度出現(xiàn)了不同的變化，手、腹部、足部和小臂變化較大.手背、小臂經(jīng)歷不同工況突變后的皮膚溫度均升高，腹部溫度變化降低且工況1 比工況2、3 降低得更多.其中，足部的皮膚溫度較未發(fā)生突變的變化最大，冷經(jīng)歷后工況1、2 的溫度升高，但由于輻射地板的性能特點(diǎn)，工況2 溫度升高1.2 ℃，工況1僅提高0.2 ℃.

圖5 階段Ⅱ最后10 min的皮膚溫度值Fig.5 The skin temperature of the last 10 minutes in stage 2

不同工況下平均皮膚溫度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系如圖6 所示.圖中每一個(gè)點(diǎn)是所有受試者的皮膚溫度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，箭頭表示環(huán)境溫度發(fā)生突變時(shí)，階段Ⅰ表示發(fā)生突變之前，階段Ⅱ指發(fā)生突變之后.平均皮膚溫度由階段Ⅰ向階段Ⅱ的方向突變，階段Ⅱ的平均皮膚溫度取的是穩(wěn)定后的10 min皮膚溫度的平均值.整個(gè)突變過(guò)程的平均皮膚溫度變化程度相當(dāng)，工況1、2、3 的變化差值分別為0.90 ℃、0.94 ℃、0.86 ℃.表明在偏涼環(huán)境下，溫度突變到不同空調(diào)形式的平均皮膚溫度變化差異并不明顯.

圖6 不同工況平均皮膚溫度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between average skin temperature and ambient temperature in different conditions

2.2.2 血氧飽和度、脈率

血氧飽和度（SPO2）反映組織（如腦組織）的供氧情況，影響認(rèn)知水平［23］，可能會(huì)影響舒適性及工作效率，其正常范圍是95%～98%.圖7（a）所示是四種不同工況突變前和突變后的血氧飽和度.圖中工況1、2、3、4突變前后的血氧飽和度均處于正常范圍，其差值d分別為0.063%、0.024%、0.056%、0.002%.溫度突變前后顯著性檢驗(yàn)p值均大于0.05，即突變前后血氧飽和度并沒(méi)有出現(xiàn)顯著變化，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的突變工況未對(duì)受試者的呼吸系統(tǒng)帶來(lái)影響.

圖7 突變前、后的血氧飽和度和脈率變化Fig.7 Changes of SPO2 and pulse rate before and after mutation

脈率是受試者手腕處動(dòng)脈每分鐘搏動(dòng)的次數(shù)，脈率與心率在生理機(jī)制上有一定的關(guān)聯(lián)，正常情況下，心率和脈率是保持一致的.脈率來(lái)源于心電信號(hào)，可以表示交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的活動(dòng)平衡狀態(tài)，其正常范圍一般為每分鐘60～100次.圖7（b）給出的是四種不同工況下突變前后的脈率.圖中表明四個(gè)工況下突變前后的脈率都在正常范圍之內(nèi)，工況4突變前后脈率處于一個(gè)較平穩(wěn)的狀態(tài)，由于突變環(huán)境對(duì)身體產(chǎn)生了刺激，工況1、2、3 突變后脈率的平均值每分鐘升高了1.05 次、2.03 次、0.86 次，表明工況2在生理上交感神經(jīng)表現(xiàn)更活躍.

2.3 主觀調(diào)查

圖8（a）給出了不同工況下受試者平均熱感覺(jué)投票隨時(shí)間的變化規(guī)律.當(dāng)受試者由偏涼環(huán)境進(jìn)入到不同熱環(huán)境后，工況1 的投票值增大到0.20，在突變后的第2次投票中熱感覺(jué)稍下降到0.15，即熱感覺(jué)出現(xiàn)“超越現(xiàn)象”；工況2、3 未出現(xiàn)同類現(xiàn)象，發(fā)生突變后投票值增大到-0.20、-0.15后，隨暴露時(shí)間的延長(zhǎng)熱感覺(jué)逐漸增加.由圖還可看出，突變到不同空調(diào)的中性熱環(huán)境后，工況1趨于穩(wěn)定在0.2，工況2、3穩(wěn)定在0，即突變到中性的輻射空調(diào)工況更接近中性熱感覺(jué).

圖8（b）給出了不同工況下受試者平均熱舒適投票隨時(shí)間的變化規(guī)律.溫度突變后，工況1、2、3 的熱舒適感均迅速提升，突變前TCV 為-0.05、-0.05、0.05，突變后第1 次投票即分別上升到0.65、0.8、0.3，突變10 min 后工況3 也提升至0.65 個(gè)單位；表明由偏涼環(huán)境進(jìn)入到不同中性熱環(huán)境下，受試者的熱感覺(jué)均提升為有點(diǎn)舒適，但相比之下，比工況2 熱舒適感的提升比工況3的提升高0.15，即輻射地板工況能給人體帶來(lái)更高的熱舒適感.

圖8 不同工況受試者平均熱評(píng)價(jià)變化Fig.8 The change of average thermal evaluation of subjects in different conditions

不同工況下受試者平均可接受度投票隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖8（c）所示.受試者進(jìn)入不同空調(diào)的中性熱環(huán)境后，熱可接受程度明顯提高，工況1、2、3 在進(jìn)入10 min 后達(dá)到了0.58、0.48、0.55，分別提高0.22、0.20、0.15 個(gè)單位，均達(dá)到了對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境可接受的程度，由圖發(fā)現(xiàn)在進(jìn)入熱環(huán)境的30 min處，工況3的TAV達(dá)到了0.61，即輻射吊頂工況表現(xiàn)出對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境更高的接受程度.

在非均勻和瞬態(tài)熱條件下，中性條件可能仍被認(rèn)為是舒適的，Arens等［24］研究表明只有在熱刺激有助于消除全身熱應(yīng)力的情況下，才會(huì)產(chǎn)生愉悅的體驗(yàn).這種假設(shè)可用Alliesthesia 的心理生理學(xué)概念來(lái)解釋，該概念根據(jù)外部刺激是否有助于恢復(fù)人體內(nèi)部平衡來(lái)確定外部刺激能否喚起熱愉悅感［25-26］.本研究引入熱愉悅感的概念，用來(lái)理解非穩(wěn)態(tài)熱暴露引起的享樂(lè)反應(yīng)［27］，其結(jié)果如圖9（a）所示.進(jìn)入新環(huán)境，工況1、2、3 分別產(chǎn)生了0.45、0.40、0.50 個(gè)單位的熱愉悅感，即突變到輻射吊頂空調(diào)下能使人體感到更愉悅.

20名受試者在不同工況下對(duì)室內(nèi)風(fēng)速的感覺(jué)投票隨時(shí)間變化規(guī)律如圖9（b）所示.突變發(fā)生后，工況1、2、3 風(fēng)速感覺(jué)投票降低了0.05、0.35、0.20 個(gè)單位，顯然，輻射空調(diào)環(huán)境中的吹風(fēng)感更小.工況1 未出現(xiàn)皮膚溫度滯后現(xiàn)象，由于受試者暴露在溫暖氣流下，促使人體生理調(diào)節(jié)系統(tǒng)迅速響應(yīng)，工況2、3 的低風(fēng)流導(dǎo)致了突變初始時(shí)間段內(nèi)人體與環(huán)境換熱慢.

圖9 不同工況主觀感覺(jué)投票Fig.9 Subjective feeling voting in different conditions

由于溫度突變，整體和局部熱感覺(jué)、熱舒適的瞬態(tài)變化ΔTSV、ΔTCV 如圖10 所示，定義為突變后第一次投票和突變前最后一次投票差值的絕對(duì)值.圖10（a）表現(xiàn)的規(guī)律為：工況2 的整體和局部的ΔTSV、ΔTCV 均大于工況1、3，工況1、2、3整體的ΔTSV為0.55、0.90、0.50，人體軀干上部工況1的ΔTSV大于工況3，軀干下部工況3的ΔTSV大于工況1，背部、小腿、足部的ΔTSV大.規(guī)律表明突變到輻射地板工況的熱感覺(jué)變化最大，突變到輻射吊頂工況對(duì)軀干下部熱感覺(jué)提升效果比上送風(fēng)的對(duì)流工況好；背部、小腿、足部對(duì)于瞬變熱刺激最敏感，可用于熱感覺(jué)預(yù)測(cè).

從圖10（b）可看出整體的ΔTCV 呈現(xiàn)出工況2＞工況1＞工況3，工況2 變化1.15 個(gè)單位，工況1、3 分別為0.70、0.25 個(gè)單位的變化量；局部的ΔTCV 為工況2＞工況3＞工況1，其中工況2 大腿、足部的變化量達(dá)到了0.95 和0.90 個(gè)單位.規(guī)律表明突變到輻射地板工況引起的熱舒適瞬態(tài)變化最明顯.

圖10 整體和局部主觀感覺(jué)的瞬態(tài)變化Fig.10 Transient changes in global and local subjective sensation

3 討論

3.1 皮膚溫度時(shí)間響應(yīng)特性

由圖5 平均皮膚溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)可知，突變后平均皮膚溫度響應(yīng)迅速，開(kāi)始快速上升，而后變化率不斷降低直至達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài).對(duì)于這種特性，引入Knothe 時(shí)間函數(shù)如式（2），它僅反映變量的時(shí)間變化規(guī)律，故對(duì)此函數(shù)進(jìn)行修正.引入幅值修正系數(shù)A代表皮膚溫度的變化幅值，反映突變溫差的大小對(duì)皮膚溫度的影響；引入突變初始溫度B代表人體經(jīng)歷突變前穩(wěn)態(tài)環(huán)境的平均皮膚溫度.修正后的函數(shù)如式（3）所示：

式中：φ(τ)為Knothe 時(shí)間函數(shù)；Tsk為溫度突變的平均皮膚溫度，℃；τ為時(shí)間，min；c為時(shí)間因素影響系數(shù).

將突變到對(duì)流工況后所有時(shí)刻的皮膚溫度按式（3）進(jìn)行擬合，得到此工況下皮膚溫度的時(shí)間響應(yīng)曲線，如圖11 所示.以工況1 為例，擬合的公式如式（4）所示，其中，A=1.23 反映了由4 ℃突變溫差引起的突變前后皮膚溫度最大增量，突變前受試者的初始平均皮膚溫度為32.18 ℃.

圖11 不同工況下平均皮膚溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律（Knothe時(shí)間函數(shù)擬合）Fig.11 Variation rule of average skin temperature with time in different working conditions（Knothe time function fitting）

同理，對(duì)突變到輻射地板、突變到輻射吊頂兩種工況的平均皮膚溫度隨時(shí)間變化函數(shù)進(jìn)行擬合，所有的擬合參數(shù)見(jiàn)表5.

由表5可以看出，工況2的幅值修正系數(shù)大于其他兩個(gè)工況的2 倍，其定義表明溫差引起的人體熱應(yīng)激程度強(qiáng)，突變前后的平均皮膚溫度差值大；時(shí)間因素影響系數(shù)c僅為0.016，比工況1、3 小，表明平均皮膚溫度達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間少.因此根據(jù)擬合結(jié)果，在相同的溫度刺激下，突變到輻射地板環(huán)境所引起的人體生理響應(yīng)程度更大，且較其他兩種工況能更快地重新適應(yīng)新環(huán)境；突變到輻射吊頂環(huán)境相較于突變到對(duì)流環(huán)境，引起的生理響應(yīng)稍強(qiáng)，但需要更多時(shí)間適應(yīng)新環(huán)境.

表5 三種工況函數(shù)的擬合參數(shù)Tab.5 The parameters of function fitting in three conditions

工況2 和工況3 用修正后的Knothe 時(shí)間函數(shù)擬合程度為96.2%和96.9%，較工況1的99.4%低，故引用了Logistic 回歸函數(shù)，平均皮膚溫度隨時(shí)間的變化用式（5）進(jìn)行擬合，達(dá)到了較好的擬合程度，圖12 為工況1、2、3的擬合曲線圖，具體擬合參數(shù)見(jiàn)表6.

圖12 不同工況下平均皮膚溫度隨時(shí)間變化規(guī)律（Logistic回歸函數(shù)擬合）Fig.12 Variation rule of average skin temperature with time in different working conditions（Logistic regression function fitting）

表6 三種工況Logistic回歸模型的擬合參數(shù)Tab.6 The parameters of Logistic regression model fitting in three conditions

3.2 TSV和平均皮膚溫度之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系

根據(jù)前文平均皮膚溫度的時(shí)間響應(yīng)特性分析，取突變前穩(wěn)定狀態(tài)的第1、2 次和突變后新穩(wěn)態(tài)的最后一次熱感覺(jué)投票值和平均皮膚溫度，做出散點(diǎn)圖并進(jìn)行擬合，得出三種工況在穩(wěn)定階段下受試者的熱感覺(jué)隨平均皮膚溫度的變化規(guī)律如圖13 所示，其回歸模型為式（6），具體擬合參數(shù)見(jiàn)表7.

表7 三種工況穩(wěn)態(tài)階段熱感覺(jué)預(yù)測(cè)模型的參數(shù)Tab.7 Parameters of thermal sensation prediction model in the steady-state stage of three working conditions

圖13 穩(wěn)態(tài)環(huán)境下平均熱感覺(jué)投票與平均皮膚溫度變化規(guī)律Fig.13 Variation of average thermal sensation vote and average skin temperature in steady state environment

由前文分析可知，在突變環(huán)境下，人體的熱感覺(jué)與皮膚溫度存在分離現(xiàn)象.熱感覺(jué)在動(dòng)態(tài)變化中不僅與皮膚溫度有關(guān)，還與皮膚溫度的變化率有關(guān).因此將受試者的實(shí)際熱感覺(jué)分為穩(wěn)態(tài)熱感覺(jué)項(xiàng)TSV′和動(dòng)態(tài)熱感覺(jué)項(xiàng)TSV″，如式（7）：

將突變后直至到達(dá)新穩(wěn)態(tài)前的熱感覺(jué)和平均皮膚溫度的數(shù)據(jù)用于分析，將平均皮膚溫度變化率定義為t時(shí)刻的皮膚溫度值減去t-1時(shí)刻的平均皮膚溫度除以時(shí)間間隔，時(shí)間與熱感覺(jué)問(wèn)卷收集時(shí)間保持一致.表達(dá)式如下：

式中：TSV′可根據(jù)式（6）求得，由式（4）（6）（7）代入相應(yīng)參數(shù)及數(shù)據(jù)，可得到熱感覺(jué)動(dòng)態(tài)變化量與受試者平均皮膚溫度變化率的關(guān)系，如式（9）所示.

由三個(gè)工況的圖可以看出，受試者熱感覺(jué)動(dòng)態(tài)變化量與其平均皮膚溫度變化率呈線性關(guān)系，采用式（9）對(duì)其進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖14 所示，三種工況擬合的具體參數(shù)見(jiàn)表8.

圖14 不同工況熱感覺(jué)動(dòng)態(tài)變化量與受試者平均皮膚溫度變化率的關(guān)系Fig.14 Relationship between the dynamic variation of thermal sensation in different conditions and the rate of change of average skin temperature of subjects

表8 三種工況熱感覺(jué)動(dòng)態(tài)項(xiàng)模型的擬合參數(shù)Tab.8 Fitting parameters of thermal sensation dynamic term model in three conditions

由擬合結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，三種工況中兩者的關(guān)系均有較好的線性關(guān)系，擬合程度分別能達(dá)到81.6%、82.5%和83.5%，隨著平均皮膚溫度變化率的增加，由皮膚溫度動(dòng)態(tài)變化引起的熱感覺(jué)增量也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì).此外，突變到輻射地板工況擬合曲線的斜率較其他兩個(gè)工況要大，顯示出此工況的熱感覺(jué)變化隨皮膚溫度變化率的增加而變化得更明顯.

綜上，得出了以下模型可用于預(yù)測(cè)冬季環(huán)境下，偏涼突變到中性工況的人員熱感覺(jué)，

突變到對(duì)流工況：

突變到輻射地板工況：

突變到輻射吊頂工況：

需要指出的是，以上得出的熱感覺(jué)預(yù)測(cè)模型擬合程度均在80%～90%之間，相比于同類熱感覺(jué)預(yù)測(cè)模型［28］要稍微偏低，主要考慮是由于溫度突變僅考慮了從偏涼到中性，因而得到的相應(yīng)的人體平均皮膚溫度變化范圍也在31～34 ℃之間，數(shù)據(jù)相對(duì)較為集中的原因造成的，后期可開(kāi)展多區(qū)間溫度突變實(shí)驗(yàn)來(lái)修正此預(yù)測(cè)模型.此外，冷到中性的突變溫度環(huán)境研究更接近于冬季從室外進(jìn)入到室內(nèi)的真實(shí)環(huán)境，這種動(dòng)態(tài)環(huán)境對(duì)人體熱舒適影響更大，而本實(shí)驗(yàn)在偏涼到中性環(huán)境下開(kāi)展，后期可考慮更貼近真實(shí)環(huán)境的熱舒適研究，以拓寬或修正本研究得出的熱感覺(jué)預(yù)測(cè)模型.

4 結(jié)論

人體通常處于動(dòng)態(tài)變化環(huán)境中，環(huán)境溫度變化更貼近于實(shí)際生活，且對(duì)人體熱舒適有較大的影響.本研究采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量及主觀問(wèn)卷的方法，開(kāi)展冬季偏涼-中性的環(huán)境溫度突變研究，對(duì)比了對(duì)流、輻射地板、輻射吊頂三種不同的空調(diào)形式，從受試者生理參數(shù)（皮膚溫度、血氧飽和度和脈率）和主觀熱反應(yīng)（TSV、TCV、TAV 和熱愉悅感）兩個(gè)方面對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行評(píng)估.通過(guò)對(duì)比突變到輻射空調(diào)環(huán)境與對(duì)流空調(diào)環(huán)境的差異與聯(lián)系，得出輻射空調(diào)下突變的規(guī)律，以期完善輻射空調(diào)動(dòng)態(tài)環(huán)境下人體的熱反應(yīng)機(jī)制，為制定調(diào)節(jié)、控制輻射空調(diào)策略提供一定的參考.

本文從生理參數(shù)和主觀調(diào)查的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析中得到以下結(jié)論：

1）突變到中性的輻射空調(diào)環(huán)境中皮膚溫度出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，之后變化速率加快，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)后變化速率趨于0.整體及局部（主要是手、腹部、足部、小臂）的新穩(wěn)態(tài)皮膚溫度較未發(fā)生突變時(shí)高，手背和足部對(duì)整體的皮膚溫度影響最大.突變前后皮膚溫度的變化與對(duì)流工況下無(wú)明顯差異，血氧飽和正常，輻射地板工況下人的交感神經(jīng)更為活躍.

2）動(dòng)態(tài)環(huán)境下，建立了基于修正的Knothe 時(shí)間函數(shù)相關(guān)預(yù)測(cè)模型，量化了不同工況下人體平均皮膚溫度隨時(shí)間變化的響應(yīng)特性，并發(fā)現(xiàn)在相同的溫度刺激下，突變到輻射地板環(huán)境所引起的人體生理響應(yīng)程度更大，且較其他兩種工況能更快地重新適應(yīng)新環(huán)境；為了提高模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，基于以上數(shù)據(jù)建立了Logistic 回歸函數(shù)預(yù)測(cè)模型，達(dá)到了99%以上的擬合程度.

3）主觀感受上，突變到輻射空調(diào)工況時(shí)，熱感覺(jué)未出現(xiàn)“超越現(xiàn)象”，但此工況較對(duì)流工況更接近中性熱感覺(jué)；分析結(jié)果表明輻射地板工況能給人體帶來(lái)更好的舒適感；輻射吊頂工況表現(xiàn)出對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境更高的可接受程度，使人體感到更愉悅；此外，輻射空調(diào)工況下對(duì)流換熱減弱使突變后人體產(chǎn)生了心理超前現(xiàn)象.

4）分析整體和局部的熱感覺(jué)、熱舒適的瞬態(tài)變化得出，突變到輻射空調(diào)工況能帶來(lái)更好的熱感覺(jué)、熱舒適，其中突變到輻射地板工況優(yōu)勢(shì)更突出，背部、小腿、足部對(duì)于瞬變熱刺激最敏感，可用于熱感覺(jué)預(yù)測(cè).

5）結(jié)合人體的平均皮膚溫度和平均熱感覺(jué)投票，建立了動(dòng)態(tài)環(huán)境下，突變到對(duì)流工況、輻射地板工況和突變到輻射吊頂工況的熱感覺(jué)預(yù)測(cè)模型，其中包含人體平均皮膚溫度及其變化率，簡(jiǎn)化了動(dòng)態(tài)環(huán)境下人體熱感覺(jué)預(yù)測(cè)的求解過(guò)程.