室內熱舒適性評價指標研究與應用

張欣宇，馮勁梅，尹世友，李奇男

（上海應用技術大學城市建設與安全工程學院，上海，201418）

暖通空調的目的在于為人們提供一個舒適的熱環境，美國采暖、制冷與空調工程師學會（American Society of Heating Refrigerating and Airconditioning Engineers，簡稱ASHRAE）指出：人們對舒適的判斷是一個認知的過程，受身體、生理、心理和其他過程的影響。在國際標準化組織（International Organization for Standardization，簡稱ISO）中將熱舒適定義為人對周圍熱環境所做的主觀滿意度評價。影響熱舒適因素種類繁多，包括氣象因子（空氣溫度、相對濕度、風速、太陽輻射）、個人因素（物理方面：性別、年齡、身高、體重、服裝熱阻；生理方面：新陳代謝、出汗率、心率；心理方面：記憶、期望、文化背景；行為方面：停留時間、居住時間、活動時間、活動類型）、物理因素（形態方面：高寬比、朝向、天空開闊度、綠化率、粗糙度；特征方面：自然性、多樣性）［1］。自20年代起人們不斷對舒適度評價進行了大量的實驗研究，由于影響人體熱舒適的因素與條件十分復雜且不同因素之間的相互作用，若干評價熱舒適的指標已被陸續提出，但在不同的環境背景下，熱舒適評價模型也有差異。在常態化防疫的背景下，商場等公共場合佩戴口罩是十分必要的。陳偉斌等在探究佩戴口罩對人體熱舒適性的影響時得到結論：佩戴口罩對熱感覺和濕感覺均有顯著影響［2］。因此，根據實際情況選擇準確的熱舒適評價模型是保證所得結論的科學性的前提。

1 常用室內熱舒適評價指標

在評價室內環境前應關注室內環境熱舒適評價標準的適用條件，ASHRAE55-2004 之前熱舒適評價標準的適用條件為：以坐著為主的輕體力活動，新陳代謝率M≤1.2 met，規定服裝熱阻為：冬季為0.9 clo，夏季為0.5 clo［3］。ASHRAE55-2004及以后的舒適標準的適用條件有了一些改動，其適用于以坐著為主的輕體力活動，新陳代謝率M≤1.2 met，規定服裝熱阻為：冬季為1.0 clo，夏季為0.5 clo［4］。

目前常見的室內熱舒適評價指標有PMVPPD、新有效溫度、標準有效溫度、不適指數等，但這些指標都有各自適用的場景，比如PMV熱舒適模型在空調建筑中的預測較為準確,而在自然通風建筑中存在偏差；標準有效溫度指標可以很好地預測自然通風環境下的人體熱感覺，由于自然通風環境中風速對人體熱感覺影響較大，而SET模型更好地考慮了風速的作用；Fiala 舒適性評價標準能夠更準確地評價乘務室等動態環境下的人體熱舒適。

1.1 PMV—PPD

預測平均評價PMV（Predicted Mean Vote）是由丹麥的范格爾教授以人體熱平衡的基本方程式以及心理生理學主觀熱感覺的等級為出發點，考慮了人體熱舒適感諸多有關因素提出的全面評價指標。PMV指標預測了人們根據ASHRAE熱感覺量表（-3～ +3）七個等級熱感覺投票的平均反應［5］。PMV指標采用了7級分度，見表1。

表1 PMV熱感覺標尺

Fanger根據1,393名美國和丹麥受試者在室內參數穩定的人工氣候室內進行熱舒適實驗的冷熱感覺資料，得出了人的熱感覺與人體熱負荷之間關系的實驗回歸公式［6］，

式中：M為人體代謝率，W?m-2；L是人體熱負荷，定義為人體產熱量與人體向外界散出的熱量之間的差值。

應注意Fanger的實驗數據是在室內參數穩定的人工氣候室內的實驗背景下得到的，因此該公式的使用需滿足以下條件［7］：①人體必須較長時間處于穩態熱平衡、且蓄熱率S=0的狀態；②皮膚平均溫度應接近與舒適相適應的水平；③人體具有接近舒適的最佳排汗率，出汗引起的蒸發熱損失應保持在一個較小的范圍。PMV評價指標是建筑類目前評價均勻熱環境較為常用的指標，針對不均勻情況，局部熱感覺和整體熱感覺的權重系數，可通過局部熱刺激試驗驗證其可靠性，人體的整體PMV是針對各部的PMV和其對應的面積加權求得的PMV評價指標。由于人們在物理、生理、心理等方面存在差異，PMV只能反映同一環境中絕大多數人的冷熱感覺，故Fanger又提出了預測不滿意百分比PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied）來表示人們對所處熱環境的不滿意度，并建立了PMV與PPD之間的聯系，如下：

從上式可以看出，10 %的不滿意度對應的PMV的范圍是±0.5，即使是PMV＝0，也有大約5%的人對所處熱環境不滿意。PMV-PPD指標已成為描述和評價熱環境的國際標準ISO7730，在預測中性環境下人體的熱感覺較為準確。鄭偉等［8］建立了PMV指標的動態計算模型，同時引入遺傳算法對計算結果進行優化，在此基礎上構建了一個基于PMV指標為間接控制量的室內環境智能控制系統，同時將最小能耗控制策略引人到智能控制器中，使室內環境滿足舒適性的同時更加節能。司曉萌等在探討沈陽某商場人們在中等活動水平下，人體生理參數對溫度突變（溫差＞30℃）的反應模式時發現：不同年齡組對氣溫突然變化的反應是不同的［9］。因此，理想的環境溫度是不同的?；诖?，未來可以考慮在商場等大型公共建筑中，將不同年齡段的熱舒適投票與室內環境智能控制系統相結合，通過差異化各層的消費群體，將各層的室內參數獨立控制調節，從而實現舒適性與節能型的統一。

1.2 操作溫度to

操作溫度（to）的定義為：設有一個溫度完全一致的黑體封閉區間，人體與該黑體空間發生的總的顯熱交換與所處真實環境的一致，則該黑體空間溫度就是真實環境的操作溫度。其計算公式見式3。

式中:hr為輻射換熱系數，W/（m2?K）；

hc為對流換熱系數，W/（m2?K）；

ta為室內空氣溫度，℃；

tr為室內平均輻射溫度，℃；

由上式可以看出，操作溫度是空氣溫度和平均輻射溫度對各自的換熱系數的加權平均值，當空氣溫度與平均輻射溫度相同時，三者的值相等。操作溫度to綜合考慮了空氣溫度和平均輻射溫度對人體熱感覺的影響［10，11］（秦皇島地區農村住宅冬季室內熱舒適分析）在非空調采暖環境下，ASHRAE55 標準采用操作溫度作為室內熱環境指標。

1.3 新有效溫度ET*

1971年，美國學者Gagge［12］在有效溫度的基礎上，考慮了皮膚濕潤度的影響，提出了以皮膚濕度變化為基礎，反映環境的干球溫度、平均輻射溫度、濕度對人體熱交換的綜合作用的熱舒適指標——新有效溫度ET*。其定義為：人在不同濕度的實驗環境中達到熱平衡以后與相對濕度為50%的均勻溫度空間的輻射、對流、蒸發的換熱量相同時，均勻空氣的溫度值即為新有效溫度值。ET*指標僅適用于著裝輕薄、活動量小、風速低的環境［13］。

1.4 標準有效溫度SET

Gagge又綜合考慮了人們不同的活動水平和服裝熱阻的影響，進而提出了標準有效溫度SET（Standard Effective Tempreture）。標準有效溫度（SET）以Gagge提出的人體溫度調節的兩節點模型［14］為基礎，其定義為：身著標準服裝（熱阻0.6 clo）的人處于相對濕度50 %、空氣流速為0.125 m?s-1（即室內“靜風”狀態）、空氣溫度與平均輻射溫度相同的環境中，若此時的平均皮膚溫度和皮膚濕度與某一實際環境和實際服裝熱阻條件下相同，則人體在標準環境和實際環境中會有相同的散熱量，此時標準環境的空氣溫度就是實際所處環境的標準有效溫度SET。2008年，陳莉等使用SET指標研究了哈爾濱市在非采暖時期的人體熱舒適狀況，實驗發現利用SET指標所得到的人體熱舒適狀況與實際情況比較相符，可以采用該指標對人體舒適度研究進行評價參考［15］。自提出以來，SET指標一直有著較為廣泛的應用，也被長期收錄于ASHRAE標準之中。

1.5 不適指數DI

不適指數（discomfort index）是由美國的氣象預報員Thom Ec［16］在研究大氣環境與人體疾病的關系中提出的表征人體受環境溫度和濕度綜合影響而有不舒適感覺的指標。不適指數的計算公式如下：

其中，式4為無風時的計算式，式5為有風時的計算式。Ta為氣溫（℃）；Td為露點溫度（℃）；J為日射量（W?m-2）；u為風速（m?s-1）。

通過上式計算的指數越高或越低，則不適程度越重。一般來說，不適指數超過80時，所有人都對熱天氣感到不舒適，不適指數不到70時不會感到不舒適。石春娥等人在研究合肥市人體舒適度時提出：由于地域、種族的不同，人們對冷熱的適應能力也不同，Id與人體舒適度的對應關系也是有所不同的。同樣的指數在不同的季節，人們的感受不盡相同，例如經歷過寒冷的冬天后，人們御冷的能力大于御熱的能力，所以對于同樣的指數，在春季人們會覺得溫暖，而在深秋，人們會覺得有點冷。同樣，同樣高的指數，在伏天之前，大多數人會感到天氣炎熱，而經歷過酷暑后的立秋時再遇到之前同樣令人感到炎熱的指數，人們便再不會感到炎熱了，只是感到天氣有點熱［17］。綜上，不適指數只是一個相對的參考指標，不適指數相同，溫度與濕度不一定相同，人體的舒適感覺也會因環境、種族、年齡、體質等不同而不同。對于不同地區、不同人種，對同一不適指數的不適程度也可能不同，在使用時應具體問題具體分析。

1.6 Tdif（平均皮膚溫度與室內空氣溫度之差）

高敬遠等人在探究寒冷地區實際建筑環境下，人體熱感覺與熱舒適之間存在的季節性分離情況時，綜合考慮季節變化、主觀反應等因素，引入了新的 評價 指標——Tdif［18］。由定義可知，當Tdif＞ 0時，平均皮膚溫度高于室內空氣溫度，人體會通過皮膚表面主動向所處熱環境散熱，且Tdif越大失熱量也就越大;當Tdif<0時，所處熱環境向人體皮膚表面主動傳熱。當Tdif的值在一定范圍內時,人體會通過行為調節、生理調節等方式來調整自身熱平衡系統，因此Tdif值可以反映環境變化時，人們生理機能自我調節的過程，此原理體現了Tdif作為熱評價指標具有科學可靠性?；跐M足人體熱舒適需求的Tdif的變化范圍來調整室內熱環境，使得未來室內熱環境智能化控制成為可能，進而創建節能且宜居的環境。但該實驗探究的是平均皮膚溫度與室內空氣溫度的關系，未來可進一步研究局部皮膚溫度與室內溫度的關系，使室內環境智能控制系統的輸入參數指標更加簡單便捷。

1.7 腦電頻譜功率

腦電波（electroencephalography，EEG）是人體的一種生物信號，它記錄了大腦活動時的電波變化，是腦神經細胞的電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映［19］。眾多實驗表明，EEG可以反映人的舒適和不舒適感,因此將不同環境溫度下的腦電信號與人體主觀投票相結合是一種評價熱舒適的新方法。孫建輝等［20］通過快速傅里葉變換，將溫度階躍變化環境下測得的腦電信號轉化為腦電頻譜功率，與主觀投票和額頭溫度相結合，進一步探究了腦電各分區和各波段與熱舒適的相關性。通過快速傅里葉變換計算得到的頻譜功率值可反映人體在接受環境溫度的熱刺激后，大腦皮層神經元電位的波動程度。用這種方法對溫度階躍變化環境下人體熱舒適進行評價，從熱調節機理上具有可行性。

1.8 Fiala舒適性評價標準

Fiala模型由受控被動系統和控制主動系統兩個相互作用的系統組成，是一種動態求解整體人的熱舒適性指標。其中被動系統模擬人體內部以及體表與周圍環境之間的熱交換，在模型中考慮了環境和人體的熱對流、熱輻射、熱傳導。主動系統通過4種基本的體溫調節反應來模擬復雜的生理現象：血管收縮、血管擴張、顫抖和出汗。Fiala模型基于核心溫度、人體表面溫度、人體表面溫度變化率等基本參數計算DTS指數（動態熱感覺）。由于模型考慮了人體熱調節反應和人體內部傳熱過程，可以計算人體皮膚溫度的變化，致使隨環模變化的人體溫度和熱流量條件下的熱舒適性評價結果和人的真實評價結果耦合較好［21］。介于汽車等交通工具的乘員艙的空間相對狹小，環境變化劇烈的特點，該模型對于汽車、巴士、火車和飛機中的乘員舒適性研究具有較好的適用性，同時也可應用于建筑物的熱環境評估，例如辦公室等。

2 分析與討論

目前最常用的室內熱舒適評價指標是PMVPPD，自“碳達峰、碳中和”的目標提出以來，人們對建筑節能愈發關注，未來可以通過檢測人體熱舒適感的影響因素，將神經網絡應用到PMV評價指標模型的建立中去，智能化地預測PMV指標，實現智能居住環境的控制和節能。對于動態環境下的熱舒適評價，Fiala 舒適性評價標準具有較好的適用性。其他評價指標如ET*指標雖然將輻射、對流和蒸發三種因素的作用都考慮了進去，但適用環境較為受限。SET指標的計算由于需要通過計算機進行迭代，相對復雜繁瑣。腦電頻譜功率目前使用較少，未來可以更進一步研究并推廣使用。

3 結論

對常見的室內熱舒適指標及其適用條件進行了闡述，我國地域廣闊、氣候類型復雜多樣，而人們的長期熱經歷背景、生活習慣、主觀感受以及自身調節的差異等眾多因素都會影響舒適度評價。在使用熱舒適指標評價時，應注意以下幾點：

（1）選擇舒適度指標時切忌生搬硬套

需結合實際情況，選擇最適合的指標進行評價，若不滿足指標的適用條件，應考慮進行適當修正，以免影響評價的準確性。

（2）注意評價指標中影響因素的權重

各項評價指標中的影響因素眾多，其權重對評價結果的影響以及同一指標對于不同地區的敏感性也有所不同。例如，各參數對于標準有效溫度SET指標的影響程度由大到小為：服裝熱阻>人體代謝率>空氣干球溫度>平均輻射溫度>風速>相對濕度，從中可以得出：環境參數對SET指標影響相對較小，而人體側參數對SET指標影響較大。因此在應用SET指標對熱環境評價時，應注重人體側的人體代謝率和服裝熱阻的精確測量，否則容易造成較大的誤差。

（3）舒適性主觀評價與客觀評價相結合

由于人體熱感覺與熱舒適之間存在分離情況，當熱感覺為“適中”時并不一定達到“舒適”狀態，因此評價時不能忽略人們的主觀感受，需要用主、客觀相結合的評價方法進行配合評估。

（4）完善現有標準的適用范圍

如今人們的工作環境的多樣、人員體力活動及代謝率不同，現有評價標準的適用范圍還是較為局限，今后應進一步研究如何拓寬評價指標的適用條件。同時，不同氣候區的人們對環境的熱適應不同。例如，在熱帶氣候中，人們適應更高的溫度。因此，需要考慮重新評估不同氣候區舒適溫度的范圍，有利于提高人體的舒適感同時降低空調的能耗。

（5）熱舒適評價與多個領域相結合

在某些情況下，熱舒適不能只考慮用經典的六個變量（生理代謝率、服裝熱阻、空氣干球溫度、環境輻射溫度、風速、空氣濕度）來評價。影響熱舒適感覺的因素還有很多，如用戶的熱歷史、文化、年齡、性別、空間布局、控制環境的可能性、個人偏好等。在熱舒適研究方面存在著跨學科研究的空白，與其他領域的專業人士，如生理學家、心理學家、社會學家，甚至與以視覺、聽覺和嗅覺舒適工作者的研究相聯系，可能會對人體熱舒適評價整體的發展有更大的價值。

未來還需進一步探究、修正各指標參數，使其在實際生活場景的應用更加精確可靠。