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活动状态变化下温度与气流对人体热舒适的影响Effect of Temperature and Airflow on Human Thermal ComfortUnder Activity Changes赵胜凯，杨柳，翟永超*ZHAO Shengkai,YANG Liu,ZHAI Yongchao*摘要：本研究探讨了降温和增加气流的方式对活动状态变化后人体热舒适的影响。实验模拟夏季人从室外通勤后到达建筑内的心理和生理反应。研究结果表明，增加空气流速可显著缩短活动状态变化后人员恢复热舒适所需的时间，并提高了人体的热舒适水平。人员对气流的需求与室内温度和恢复时间呈显著相关性，为满足既舒适又节能的热环境提出了综合控制策略。Abstract:This study investigated the impact of cooling and increasing airfow on thermal comfort followingchanges in activity state.Experiments were conducted to simulate the psychological and physiological responsesof people arriving indoors after commuting from outdoor environments in summer.The results indicate thatincreasing air velocity significantly shortens the time required for individuals to recover their thermal comfortafter the activity,and improves their level of thermal comfort.The demandfor airfow was significantly relatedto indoor temperature and recovery time,thus providing a comprehensive control strategy for achieving bothcomfortable and energy-efficient thermal environments.关键词：代谢率突变，空气温度，气流，热舒适，控制策略赵胜凯B.1992，西安建筑科技大学博士研究生ZHAOShengkaiB.1992,PHD.Candidate,XianUniversityofArchitectureandTechnologyKeywords:metabolic down-step transient,air temperature,air movement,thermal comfort,control strategy杨柳B.1970，西安建筑科技大学博士西安建筑科技大学教授YANGLiuB.1970,PHD.,XianUniversityofArchitectureand TechnologyProfessor,Xian UniversityofArchitectureandTechnology永超*（通讯作者）B.1984，华南理工大学博士西安建筑科技大学教授ZHAIYongchao*(CorrespondingAuthor)B.1984,PHD.,SouthChinaUniversityof TechnologyProfessor,XianUniversityofArchitectureand T国家自然科学基金项目批准号：51 9 7 8 553本文图表均由赵胜凯绘制定稿日期：2 0 2 3-0 6-1 30引信人们通常会通过步行、骑车或公共交通等方式到达办公室、地铁站、商场或其他建筑中，然而他们从室外到达建筑内的活动状态和热舒适需求与长期静坐人群不同1 。因此，在恢复期间可能会感到不舒适。这些场景常发生在室外到室内的过渡空间，如酒店大堂、商场和办公楼的过渡空间，也可能会发生在建筑的办公空间。如何使这些空间满足人员的热舒适需求是具有挑战性的，且以往所采用的方法往往会产生能源和经济问题。这个问题在夏季尤为突出，当人们进人建筑内，由于室外高温暴露和代谢率提高而产生的热量必须通过皮肤与外界环境发生热交换。然而，人在室外步行时产生的气流进人建筑后会显著降低，当人静坐后会导致皮肤温度和出汗量的激增，由此产生的不适可能会持续较长时间。在此期间，人们可能会抱怨不舒适并大幅调节恒温器以降低室内空气温度使其快速达到舒适状态。因此，室内会维持在较低的空气温度下，超过人员的热过渡期，在增加建筑耗冷量的同时会使人员产生冷不舒适。现有的热舒适标准ASHRAE552和ISO77303通常只关注稳态下的人体热舒适，依据这些标准在进行建筑室内热环境设计时，并不能确保人们在进入建筑后的过渡期能快速有效地获得舒适。在活动状态变化下，已有相关的研究验证了增加气流和降低空气温度4的方式可以改善人体的热舒适。Bourdakis5等人的研究发现，对于自行车或步行通勤到达建筑空间，夏季温度应降至2 0 2 1.5，显著低于ASHRAE552的舒适建议。然而,降低室内温度和相对湿度将增加能源成本和预测控制的复杂性，当只使用空气温度来消除体热时，主观舒适度和生理反应都会慢得多6 。消除体热的环境控制方式存在差别，研究表明增加空气流动比降低温度更有效7 ，在偏暖的环境下增加空气流动也可以显著改善人们的热舒适8-9 然而，目前对于代谢率下降引起的转变过程中人体舒适需求的潜在机制，以及如何高效地恢复和维建筑技术1实验室平面布置3600可移动空调008座椅热舒适仪A换衣间环境物理参数(Ta,Tg,v,RH)持人体热舒适的研究还不够充分。使用冷却空气调节会覆盖人员使用的大面积空间，但那些未经历热瞬变的人群并不需要冷却。相反，空气流动可以引导到更小的区域，不会使长时间待在建筑内的人员感觉过冷。因此，本研究探讨了夏季人体从室外到达建筑空间后空气温度和气流的耦合作用对人体热舒适的踏步影响，并进一步量化了建筑室内空气温度和气流的组合，研究成果可为节能的建筑室内环境控制策略提热舒适仪供指导。座椅面办公桌热舒适仪，风扇4500房间A的范围房间B的范围房间C的范围受试者流线1实验方法1.1受试者本次实验共招募了35名（1 7 男，1 8 女）在校大学生作为受试者，每个受试者需参加全部实验工况。受试者穿着实验室提供的长袖衬衣和长裤，以及受试者的内衣、鞋和短袜，为夏季空调环境中人员的典型着装，其服装热阻值约为0.6 clo2。1.2实验设计为了更好地控制实验环境，我们选择在西安建筑科技大学人工气候室进行测试，实验室平面布置如图1 所示。该实验共由3个房间组成，分别为房间A、B、C，旨在模拟人在夏季通勤后进入建筑空间过程中不同阶段的代谢率和热环境变化情况。房间A的尺寸为4.8 m3.6m3.3m（长宽高），采用分体式空调控制室内的温湿度，能够满足实验的精度要求。房间B的尺寸为3.0 m2.1m2.4m，房间C的尺寸为4.5m3.9m2.6m，均能够进行精准调控，空气温度控制精度为0.2，相对湿度控制精度为土5%。本实验主要研究温度和气流对人体热舒适的影响，因此房间C采用了顶部孔板送风、下部地板回风的方式控制室内空气流动，实验室未开启风扇时基本无气流。为确保实验的准确性，在实验开始前对房间温度预先进行设定。房间A设定为2 6/50%；房间B设定为30/50%，以模拟夏季室外的高温环境；房间C共有6 个实验工况，分别为2 4、2 6、28、2 4+风扇、2 6+风扇、2 8+风扇。为确保实验结果的可靠性，我们对所有的实验工况进行了随机化设置。在有风扇的工况下，受试者从房间B回到房间C后可随时通过遥控器调节风扇的档位大小。气流的高度约为1.0 m并吹到受试者胸部。风扇共有32 个档位，风速范围为0.3 1.5m/s，有效功率范围为1.7 1 7 W。1.3实验流程图2 展示了本次实验的流程图。在开始实验前，受试者将接受问卷培训，更换实验室提供的统一服装，并粘贴皮温纽扣。为避免之前的影响，受试者先在房间A（2 6/50%）静坐30 min，期间每1 0 min填写一次主观调查问卷；然后进入房间B（30/50%）以40 步/min的速率进行1 5min的上下台阶，模拟人在室外通勤时的活动强度，在开始运动前和结束运动后填写两次问卷；最后受试者进入房间C进行60min的静坐办公来恢复，恢复期间的前5min以1 min/次的频率填写问卷，5 2 0 min以3min/次的频率填写问卷，2 0 6 0 min以1 0 min/次的频率填写问卷，共需填写1 5次。1.4测试参数和实验仪器1.4.1物理环境参数实验期间对室内环境参数进行了测试，测试高度分别为0.1 m、0.6 m、1.1 m。空气温度和相对湿度使用HOBOUX100-003，精度为0.2。黑球温度使用了天建华仪HQZY-1，精度为0.3。实验前对风扇不同档位的风速使用WFWZY-1仪器进行了测试，风速测试范围为0.0 5 5m/s，精度为0.0 5m/s。物理环境参数测试结果均满足实验要求。1.4.2生理参数实验测试了代谢率、核心温度和皮肤温度。从中选取9 名受试者佩戴COSMEDK5进行代谢率的测试。测试在整个实验期间受试者的代谢率变化，测试原理是通过呼吸面罩采集受试者的CO2产生量和O2消耗量，通过方程（1）（3）计算得到受试者代谢率1 0)。RQ=Vco,/Vo,EE=(0.23RQ+0.77)5.88M=EEVo,(1/Adu)其中，M为代谢率，单位为W/m；R Q 为呼吸商，无量纲；Vco,和Vo,为CO,产生量和O,消耗量，单位为L/h；EE为代谢当量；Aa为体表面积，单位为m。核心温度采用TEMPSENSORHT150002核心体温胶囊进行测试，测试精度为0.1。皮肤温度Tsk测量采用iButton-DS1922L，精度为土0.5，测量位置为上臂、胸、大腿和小腿，平均皮肤温度计算采用 Ramanthan 方法 1 :Tk=0.3T上骨+0.3T胸+0.2 T大腿+0.2 T小腿2实验流程-45主观问卷O代谢率核心温度皮温(1)(2）(3）房间A房间B静坐运动-150O000000(4）5房间C静坐2030O O40O5060(min)Technology3主观问卷标尺您此刻的全身热感觉？您此刻的全身热舒适？(+4)非常热(+4)非常舒服(+3）热(+2）暖(+1）稍暖(0)不冷不热(-1）稍?(-2)?(-3）冷(-4)非常冷4代谢率和核心温度逐时变化静坐运动A:26B:30543210-305皮肤温度逐时变化a静坐运动A:26B:30 362424+风扇35343332-30b静坐运动A:26B:303626+风扇2635343332-30C静坐运动A:26B:303628%28+风扇35343332-306热感觉投票逐时变化a静坐运动A:26B:30 4O-2424+风扇320-1-30b静坐运动A:26B:3042626+风扇321.5主观问卷该研究使用电子问卷对受试者的主观评价进行收集，问卷标尺如图3所示，受试者可以在标尺的任一位置进行填写。热感觉投票在ASHRAE552)七级标尺的基础上扩展了“（+4）非常热”和“（-4)非常冷”。(+2）舒服热舒适投票采用断裂标尺，“（-4）非常不舒适”至“（-0.1）有点不舒适”为不舒适范围，“（+0.1）有点舒适”至“（+4）非常舒适”为舒适范围。(+0.1）有点舒服(-0.1）有点不舒服(-2)不舒服(-4)非常不舒服静坐C:26代谢率。核心温度n=937.8（）37.637.437.237.0-150时间（min）静坐C:24，2 4+风扇0-60min(p0.05)-150-150-15时间（min）静坐C:24,2 4+风扇1-11min（p 0.0 5）-1501-17min（p 0.0 5)2实验结果2.1生理反应2.1.1代谢率与核心温度图4为受试者代谢率和核心温度随时间的变化情况。实验过程中代谢率的瞬态变化值从1.1 met升至4.4met再降回1.1 met。在房间B运动阶段，代谢率在3min内迅速升高至稳定水平，运动结束回到房间C静坐后，在5min内恢复到运动前的代谢水平，说明人体活动量变化对代谢率的影响是迅速的。在房38.0间A静坐时核心温度稳定在37.3，运动5min后上升至37.6，回到房间C静坐后核心温度开始下降，但在6 0 min的静坐期间未能恢复到初始值状态。2.1.2皮肤温度图5展示了受试者平均皮温随时间的变化情况。在房间A静坐30 min后，皮温稳定在33.6；进人15301530静坐C:26,2 6+风扇0-60min（p 0.0 5)1530静坐C:28,2 8+风扇0-60min（p 0.0 5）15301530静坐C:26，2 6+风扇45454545456060606060房间B开始运动1 5min后平均皮温上升至34.50.6。在房间C静坐时，无风扇的工况下皮温维持在较高水平约5min后开始下降；有风扇工况下，当受试者开启风扇后皮温迅速下降并逐渐稳定。在相同温度下，有风扇和无风扇工况下皮温存在显著差异（p0.05），有风扇工况下皮温低0.5，其中2 4+风扇工况下皮温下降最快、稳定值最低（32.9 0.6）；而2 8 工况下皮温下降最慢、稳定值最高（34.40.5），表明增大空气流速可加快皮肤表面蒸发散热和对流换热。2.2全身热感觉图6 展示了受试者热感觉投票（ThermalSensationVote，简称TSV）随时间的变化情况。在房间A静坐结束后，受试者的TSV为中性，进人到房间B后受试者的TSV升高至1.1（微暖），1 5min的运动结束后TSV增加至3.0 0.5（热）。进人房间C后TSV迅速下降。与相同温度下无风扇的工况相比，可调节气流工况能够快速降低受试者的TSV，并在前1 1 min、1 7 m i n 和6 0 min存在显著差异（无风扇vs有风扇），且在有可控气流的工况下，受试者TSV恢复热中性的时间显著缩短。在无风扇工况下，回到房间C后受试者的皮温出现了延迟现象，而受试者在进人房间C后的TSV和TCV则迅速发生了变化。2.3全身热舒适图7 展示了受试者热舒适投票（ThermalComfortVote，简称TCV）随时间的变化情况。在房间A静坐30 min后，受试者TCV平均值为2.33（介于“舒适”和“非常舒适”之间）；进入到30 的环境中，TCV降为0.9 5（介于“刚刚舒适”和“舒适”之间），经过1 5min的运动后TCV降至-1.8 3（介于“刚刚不舒适”和“不舒适”之间）。在所有实验工况中，受试者进入房间C后TCV立刻上升。与相同温度下无风扇的工况相比，在有可控气流的工况下能够快速改善受试者的热舒适投票。2 6+风扇和2 8+风扇工况下，受试者恢复热舒适的时间比2 4更快，再次说明增加气流能够迅速使受试者达到热舒适状态。2.4气流调节图8 显示了受试者进入房间C后，风扇开启率和风速调节随时间的变化情况。受试者在房间C静坐的前30 min内，2 4和2 6 工况下风速调节大小基本一致。当受试者达到热舒适状态时，2 4+风扇工况下风速缓慢减小并稳定在0.2 0 0.2 9 m/s；而2 6+风扇工况下风速稳定在0.340.34m/s。在2 8+风扇工况下，受试者的风速调节与另外两个工况存在显著差异，在进人房间C风速略微下降，但仍维持在较高风速水平下，稳定值为0.6 2 土0.34m/s，这说明在2 8 的温度下，受试者需要更大的气流以加快汗液的蒸发来维持自身的热舒适水平。3讨论3.1时效性与舒适性分析本研究探讨了夏季通勤后代谢率升高引起的短时热经历对人体热舒适的影响，既有温度差别造成的热经历，也有代谢率变化造成的热经历。研究结果表明，在夏季通勤后回到室内，降低空气温度能在一定程度上缩短恢复热舒适的时间，特别是温度从2 8（6 0 min达到舒适）降至2 6（1 9 min达到舒适）时。从表1 可以看出，增加空气流速比降低温度更有效，2 8+风扇工况下人员恢复热中性的时间为8 min，比2 4工况下提前了5min。0表1 不同工况下人员恢复热舒适的时长及气流调节-1-30C静坐运动4A:26B:30 2828+风扇3210-1-30温度-1515静坐C:262 6+风扇1-60min（p 0.0 5）-150时间（min）风扇30451530恢复时间60(TSV=0.5)24无有无有26无有284560热感觉稳定值13min-0.0657min-0.07519min0.0737min0.02360min0.508min0.12恢复时间(TCV=2.0)13min7min19min7min60min8min热舒适稳定值2.602.682.892.852.122.80稳定风速(m/s)0.200.340.63风扇开启率（%）31.4/6082.8建筑技术速控制在0.6 0.8 m/s。在建筑的主要使用空间中，建议保持室内空气温度在2 5 2 8，环境风速不低表2 其他学者研究中热中性恢复时间研究者工况Goto T(122126Fukai4l2828+气流SudoMlu327C/2 0%R H27/30%R H27/40%R H27/50%R H27C/6 0%R H7热舒适投票逐时变化a静坐运动A:26B:3041-17mi3210-1-2-3-4+-30b静坐运动4A:26B:300-20mipP-0.05C:26,26+风扇3工21娱祥0-1-2-3-430C静坐运动A:26B:304321娱鲜0-1-2-3-4-30表2 列出了其他学者研究中人体 TSV恢复热中性的时间。与Goto T12、Fu k a i l 和SudoM(13相比,热中性恢复时间本研究中受试者TSV恢复时间相对较长，这可能是因为本研究中代谢率更高（4.4met），而在前述研究中3min代谢率分别为3.4met、3.8 me t 和2.5met，因此在本研究中受试者需要更长的时间来消除运动过程中体内15min蓄存的热量。Zhangl的研究发现，人从热到中性环境的突变过程中会出现冷感超越，这是由于皮肤上11min残留的汗液蒸发导致的。但本实验的所有工况中都未观察到冷感超越现象，这可能是因为运动后受试者5min体内蓄热，热量与周围环境发生热交换需要一定的时间，导致TSV在一定时间内仍处于偏热状态。即使5min室内设定温度为2 4，人体也需要1 3min才能达到舒适状态，因为人体向周围散热的量不足以抵消体内5.5min所蓄热量。因此，在夏季通勤后人到达2 6 的环境中，较长时间仍不能使人达到舒适状态。Gaggel15 的5.5min研究发现，人体的不舒适主要取决于汗液的影响，并且不舒适程度与代谢率和空气温度高低有很大的关系。17.5min在本研究中，受试者运动1 5min后出汗量达到最大，热不舒适程度也达到最高。17.5min3.2环境控制策略研究结果表明，仅通过降温来消除活动时体内产生的热量，人达到热舒适状态有很强的滞后性，增加室内空气流速比降低空气温度更有效。以风扇开启的速度v为因变量，以静坐时长t和环境温度T，为自变量进行多因素线性回归，得到了活动状态变化后不同时长内，空气温度和气流速度的关系式，即v=0.08T-0.008t-1.3(R=0.9)。并对风速与时间、风速与温度分别进行T-test检验，结果发现静坐C:24,2 4+风扇0.05-O-2424+风扇-150-15-15P0.0001，可以证明v与T。和t均有显著的相关性。图9 给出了不同环境温度与空气流速的组合方式，在保证人们热舒适的同时降低了建筑的冷负荷。该研究结果对建筑的设计和使用具有重要的实际意义，主要体现在两个方面。首先，增加空气流动可以使人达到舒适状态，并且不会使长期静坐不动的人感到过?。其次，在偏暖的室内温度下增加空气流动同样可以使人达到舒适状态，同时减少能量的损失。因此，针对此研究成果给出了不同空间环境参数的设计建议：在过渡空间中，建议保持室内空气温度在2 6 2 8，湿度控制在50%，环境风1530静坐O2626+风扇1530静坐C:28,2 8+风扇1-60min（p 0.0 5）-O2828+风扇1530时间（min）45工4545606060于0.3m/s，并可使用个性化风扇进行调节。4结论（1）活动状态变化后，增加空气流速可以快速消除人体内的蓄热量，且增加气流使人体与周围环境发生的对流和蒸发散热比降温效果更好。（2）活动状态变化后，2 4、2 6 和2 8 工况下受试者所调节的风速缓慢减小并最终稳定在0.2 0 m/s、0.34m/s和0.6 2 m/s。受试者对气流的需求与室内温度和恢复时间有显著的相关性，通过多因素线性回归得到方程：v=0.08T-0.008t-1.3。（3）活动状态变化后，气流在消除体内蓄热方面效果显著，可以在建筑空间适当提高空气设定温度并提高环境空气流速，分区控制室内热环境。在建筑的过渡空间中，建议空气温度保持在2 6 2 8 之间，环境风速控制在0.6 0.8 m/s左右；在建筑的主要使用空间中，可设置个性化调节气流，空气温度保持在2528之间，环境风速不低于0.3m/s。口8a10080（%）率土区60402000b1.5-1.0米(s/叫）区0.5-0.009风速与环境温度和时间的关系1.00.80.6(s/W）40.40.20.0-0风扇开启率和风速逐时变化28+风扇26+风扇24+风扇10201020时间（min）1020时间（min）参考文献1ZHAI Y,LI M,GAO S,et al.Indirect calorimetry on themetabolic rate of sitting,standing and walkingofficeactivitiesJ.BuildingandEnvironment,2018,145:77-84.2ASHRAEStandard55-2020.ThermalEnvironmentalConditions for Human OccupancySj.AmericanSociety of Heating,Refrigerating and Air ConditioningEngineers,Inc.:Atlanta,2020.304030403040personally controlled air movement in warm and humidenvironmentsJ.BuildingandEnvironment,2013,65:109-117.9ROHLESF,WOODSJ,NEVINSR.Theeffectofairmovement andtemperature on thethermal sensationsof sedentarymanJ.ASHRAETransactions,1974,80:101-119.10ISO8996-2004.Ergonomicsof theThermal Environment50605060*25*26+2728506034562478IS07730-2005.Ergonomics of the thermal environment-Analytical determination and interpretationof thermalcomfort using calculationof thePMVandPPD indicesand local thermal comfort criteriaS.Ergonomics of thephysical environment,2005.FUKAI K.Experimental studyonadvantages ofmoderatetemperatureand lowhumidityairconditioningC.Architectural Institute of Japan.Architectural Instituteof Japan,2000.BOURDAKIS E,SIMONE A,OLESEN B.An 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